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厉害了!一篇文章看懂MEMS全产业链

内容导读: MEMS的概念 MEMS的优势 主要的MEMS传感器及供应商 MEMS的应用领域 MEMS产业链全解析 中国MEMS产业详解

一、MEMS的概念

微机电系统(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。简单理解, MEMS就是将传统传感器的机械部件微型化后,通过三维堆叠技术,例如三维硅穿孔 TSV等技术把器件固定在硅晶元(wafer)上,最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式,最终切割组装而成的硅基传感器。受益于普通传感器无法企及的 IC硅片加工批量化生产带来的成本优势, MEMS同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。6saesmc

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图:传统 ECM驻极体电容麦克风/Apple Watch楼氏 MEMS硅麦克风6saesmc

二、MEMS的优势

1、微型化: MEMS器件体积小,一般单个 MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位,重量轻、耗能低。同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。 MEMS更高的表面体积比(表面积比体积)可以提高表面传感器的敏感程度。6saesmc

2、硅基加工工艺,可兼容传统 IC生产工艺:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨,同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。6saesmc

3、批量生产:以单个 5mm5mm尺寸的 MEMS传感器为例,用硅微加工工艺在一片 8英寸的硅片晶元上可同时切割出大约 1000个 MEMS芯片,批量生产可大大降低单个 MEMS的生产成本。6saesmc

4、集成化:一般来说,单颗 MEMS往往在封装机械传感器的同时,还会集成ASIC芯片,控制 MEMS芯片以及转换模拟量为数字量输出。同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。6saesmc

5、多学科交叉: MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。**6saesmc

三、主要的MEMS传感器及供应商

MEMS 传感器种类很多,也有多种分类方法。按其工作原理,大致可分为MEMS物理、化学和生物传感器,其中每一种MEMS传感器又可分为很多种小类,不同的MEMS 传感器可以测量不同的量,实现不同的功能。6saesmc

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MEMS传感器种类繁多,主要的MEMS传感器包括运动传感器、压力、麦克风、环境、光传感器等。其中运动传感器可分为陀螺仪、加速度计、磁力计,环境传感器可细分为气体、温度和湿度传感器。6saesmc

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1、MEMS运动传感器6saesmc

MEMS运动传感器主要有加速度计、陀螺仪、磁力计三大类,加速度计和陀螺仪可以集成为六轴惯性传感器;磁力计和加速度计集成为电子罗盘(e-compass),加速度计、陀螺仪和磁力计可集成为9轴传感器。6saesmc

1)MEMS陀螺仪6saesmc

MEMS陀螺仪是通过陀螺仪的核心原理科里奥利力测角速度的;MEMS加速度计可以感知任意方向上的加速度。MEMS磁力计通过测试磁场强度和方向可以定位设备的方位。6saesmc

2)MEMS加速计6saesmc

MEMS加速计主要分为压电式、容感式和热感式三种。6saesmc

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图:MEMS加速计的分类6saesmc

惯性传感器(加速度计+陀螺仪)厂家有:意法半导体(ST)、旭化成微电子(AKM )、应美盛(InvenSense)、罗伯特.博世等。6saesmc

电子罗盘(磁力计+加速度计)厂家有:旭化成微电子(AKM )、雅马哈(Yamaha)、阿尔卑斯(Alps Electric) 、美新半导体(MEMSIC)(2016年7月被华灿光电收购)等。6saesmc

2、MEMS麦克风6saesmc

MEMS麦克风在消费电子、汽车、医疗等领域广泛的应用。目前几乎每部智能手机至少使用一个MEMS麦克风,高端的智能手机甚至使用三个麦克风,分别用于语音采集、噪音消除、改善语音识别,而iPhone 6S已经采用了4个MEMS麦克风。在物联网的时代,大量的物联网设备也将使用MEMS麦克风。6saesmc

Yole认为MEMS麦克风仍将是增长速度最快的MEMS传感器之一。MEMS市场将从2013年的7.85亿美元增长到2019年的16.5亿美元。6saesmc

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3、MSME压力传感器6saesmc

压力传感器主要用于检测压力,根据量程范围可分为低压、中压、高压压力传感器。MEMS压力传感器则属于低压传感器,主要检测原理有硅电容式和硅压阻式。6saesmc

汽车和医疗是MEMS压力传感器最大的应用领域。与MEMS惯性传感器相比,目前MEMS压力传感器在消费电子与移动领域的应用不是特别广泛,主要包括潜水与运动手表、计步器和徒步高度计,部分应用于饮水机、洗衣机、太阳能热水器等家电产品充当水位传感器。未来智能手机、平板电脑可能集成MEMS压力传感器用以检测大气压,或充当高度计以支持室内定位服务。6saesmc

整个MEMS压力传感器行业较为分散,全球大概有50多家供应商,并没有处于绝对领导地位的厂商。国外的厂商包括Bosch、Denso、Sensata、GE sensing、Freescale、MSI、ST、VTI、OMRON等,国内厂商主要有敏芯微电子、北京青鸟元芯等。6saesmc

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4、MEMS环境传感器6saesmc

环境传感器泛指能感知温度、湿度、气体成分等环境变量的传感器,可细分为气体、温度和湿度传感器等。6saesmc

MSME温度传感器可用于任何需要检测温度的地方,根据INTECHNO咨询公司的统计,温度传感器约占传感器总需求量的15%左右。6saesmc

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MEMS湿度传感器在工业控制、气象、农业、矿山检测等行业中得到了广泛的应用。6saesmc

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MEMS气体传感器主要用于检测目标气体的成分、浓度等。气体传感器应用广泛,但每种应用场景下都有不同的技术要求,如被测气体类型、封装尺寸、灵敏度、寿命、响应时间等。6saesmc

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5、MEMS生物传感器6saesmc

MEMS生物传感器目前处于发展初期。MEMS生物传感器是利用生物分子探测生物反应信息的器件,被列为新世纪五大医学检验技术之一,是现代生物技术与微电子学、化学等多学科交叉结合的产物。未来MEMS生物传感器在医学、食品工业、环境监测等领域具有广阔发展空间。6saesmc

四、MEMS的应用领域

受益于物联网产业的快速发展,将会给 MEMS行业带来巨大的发展红利。除了智能手机,MEMS传感器将会在 AR/VR、可穿戴等消费电子,智能驾驶、智能工厂、智慧物流、 智能家居、环境监测、智慧医疗等物联网领域广泛应用。6saesmc

封装技术与IC封装有着诸多不同,对企业的要求很高。众所周知,MEMS器件价格下降非常之快,目前部分MEMS器件中封装成本甚至占到总价格的40%到60%。如何做到低成本封装是封测厂商面临的巨大挑战。6saesmc

1、可穿戴设备应用6saesmc

以小米手环为例,就用到了ADI的MEMS加速度和心率传感器来实现运动和心率监测。
Apple Watch内部除了MEMS加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风,还有使用脉搏传感器。6saesmc

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2、VR应用6saesmc

VR设备需要足够精确测定头部转动的速度、角度和距离,采用MEMS加速度计、陀螺仪和磁力计来进行测定是重要的解决方案之一,几乎成为VR设备的标配。Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR都采用了MEMS加速度计和陀螺仪,未来VR设备也可能会使用MEMS眼球追踪技术。6saesmc

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3、无人机应用6saesmc

无人机飞行姿态控制技术上,MEMS传感器又有了施展的空间。结合加速度计和陀螺仪,可以算出角度变化,并确定位置和飞行姿态。MEMS传感器能在各种恶劣条件正常工作,同时获得高精度的输出。MEMS加速度计和陀螺仪在无人机上的应用可谓是大放异彩。6saesmc

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4、车联网应用6saesmc

车联网是物联网发展的重大领域,智能汽车是车联网的核心,正处于高速发展中。在智能汽车时代,主动安全技术成为备受关注的新兴领域,需要改进现有的主动安全系统,比如侧翻(rollover)与稳定性控制(ESC),这就需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感测车身姿态。语音将成为人与智能汽车的重要交互方式,MEMS麦克风将迎来发展新机遇。MEMS传感器在汽车领域还有很多应用,包括安全气囊(应用于正面防撞气囊的高g值加速度计和用于侧面气囊的压力传感器)、汽车发动机(应用于检测进气量的进气歧管绝对压力传感器和流量传感器)等。6saesmc

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5、自动驾驶应用6saesmc

自动驾驶技术的兴起,进一步推动了MEMS传感器进入汽车。虽然GPS接收器可以计算自身位置和速度,但在GPS信号较差的地方(地下车库、隧道)和信号受到干扰的时候,汽车的导航会受到影响,这对自动驾驶来说是致命的缺陷。利用MEMS陀螺仪和加速度计获取速度和位置(角速度和角位置),车辆任何细微的动作和倾斜姿态,都被转化为数字信号,通过总线,传递给行车电脑。即便在最快的车速状态下,MEMS的精度和反应速度也能够适应。得益于硅体微加工、晶片键合等技术的发展,精度已经上升到0.01。6saesmc

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6、工业应用6saesmc

MEMS让传感器小型化、智能化,MEMS传感器将在智慧工业时代大有可为。MEMS温度、湿度传感器可用于环境条件的检测,MEMS加速度计可以用来监测工业设备的振动和旋转速度。高精度的MEMS加速度计和陀螺仪可以为工业机器人的导航和转动提供精确的位置信息。6saesmc

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五、MEMS产业链全解析

MEMS是多学科交叉的复杂系统,整个产业链涉及设计、制造、封装测试、软件及应用方案环节。MEMS产业链的上游负责MEMS器件设计、材料和生产设备供应,中游生产制造出MEMS器件、下游使用MEMS器件制造终端电子产品。6saesmc

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MEMS整个产业链复杂,涉及的厂商众多;中国的设计、制造、封装测试厂商都在积极布局MEMS,已形成完整MEMS的产业链。6saesmc

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1、全球MEMS生产厂商6saesmc

全球前十名 MEMS厂商主要包括博世、意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、InvenSense、 Avago和 Qorvo、楼氏电子、松下等等。其中 BOSCH因为其在汽车电子和消费电子的双重布局,牢牢占据着行业的第一的位置,其营收约占五大公司合计营收的三分之一。6saesmc

大部分 MEMS行业的主要厂商是以 Fabless为主,例如楼氏、 HP、佳能等。同时,平行的也有 IDM厂商垂直参与到整条产业链的各个环节,比如 Bosch、 ST等都建有自己的晶元代工生产线。6saesmc

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图:全球MEMS生产厂商6saesmc

2、MEMS代工6saesmc

MEMS代工主要有两种类型:IDM厂商提供的MEMS代工,独立的代工厂提供的MEMS代工,其中独立的代工厂包括集成电路代工厂和纯MEMS代工厂。近几年Fabless模式的MEMS器件制造商发展迅速,独立的MEMS代工厂努力寻求标准化的工艺以提升规模经济,减少制造时间和降低成本,使得独立的MEMS代工厂快速成长,但目前IDM代工仍处于市场领导地位。6saesmc

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3、MEMS封装测试6saesmc

目前具备MEMS封装测试能力的国际厂商主要有日月光、安靠、矽品、力成科技等,国内有华天科技、长电科技、晶方科技等厂商。尽管国内的MEMS前端制造还落后于国际大厂,由于国内的封装技术起步较早,国内MEMS产业链后端封装较为完善。6saesmc

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中国MEMS产业详解

从产品使用领域结构来看,国内 MEMS公司在营业规模、技术水平、产品结构、与国外有明显差距, 60%-70%的设计产品集中在加速度计、压力传感器等传统领域。工艺开发是我国 MEMS行业目前面临最主要的问题,产品在本身技术实力和生产工艺还有待于进步。国内MEMS行业的 fabless规模相对较小,但市场规模来说具备很大的发展空间。面对国内巨大的消费电子市场,自产自销满足国内部分中低端市场需求,也是国内 Fabless司的一个捷径。6saesmc

1、国内传感器企业的区域布局6saesmc

中国 MEMS设计企业主要集中于华东地区,约占全国企业总数的 55%,其中,以上海、苏州、无锡三地为产业集中地:6saesmc

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上海:深迪,矽睿,丽恒,芯敏,微联,铭动,文襄,天英,巨哥6saesmc

苏州:明皜,敏芯,双桥,多维,能斯达,汶灏,圣赛诺尔,希美6saesmc

无锡:美新,乐尔,康森斯克,微奥,杰德,必创,微纳,芯奥微,沃浦6saesmc

其他:深圳瑞声,山东歌尔,河北美泰,山西科泰,郑州炜盛,北京水木智芯,浙江大立,武汉高德,成都国腾,西安励德,天津微纳芯等。6saesmc

2、中国MEMS产业链相关企业简介6saesmc

1)耐威科技-国内MEMS代工龙头 6saesmc

耐威科技是国内产品同时涵盖惯性及卫星导航,具有军工资质的为数不多的企业之一。公司立足导航产业,经多年发展形成“惯性导航+卫星导航+组合导航”产业链全覆盖,掌握了惯性导航及组合导航、高精度卫星导航定位的若干关键技术,同时其控股子公司具有从事军品研发、生产与销售的专业资质。6saesmc

2)苏奥传感-国内汽车油量传感器龙头6saesmc

苏奥传感全称为江苏奥力威传感高科股份有限公司,其主营业务是研发、生产和销售汽车零部件,主要产品分为三大类,分别为传感器及配件、燃油系统附件及汽车内饰件。目前是中国最大的汽车油量传感器制造企业之一,江苏省高新技术企业,公司于2016年4月29日在深交所创业板上市。苏奥传感目前公司拥有四家子公司,即传感器研究所、舒尔驰精密、烟台奥力威及武汉奥力威。2015年10月8日,公司决定对传感器研究所进行清算并注销。6saesmc

3)苏州固锝-已量产MEMS惯性传感器6saesmc

苏州固锝是国内半导体分立器件二极管行业最完善、最齐全的设计、制造、封装、销售的厂商,从前端芯片设计到后端封装技术,形成了一个完整的产业链。主要产品包括汽车整流二极管、功率模块、整流二极管芯片、硅整流二极管、开关二极管、稳压二极管、微型桥堆、军用熔断丝、光伏旁路模块等,产品广泛应用在航空航天、汽车、绿色照明、IT、家用电器以及大型设备的电源装置等许多领域。公司设计、研发太阳能电池用银浆以及各种电子浆料,研发并规模化生产物联网领域的MEMS传感器。6saesmc

4)华工科技-国内家电温度传感器龙头6saesmc

华工科技依托于华中科技大学,以激光技术及其应用为主业,建立了激光装备制造、光通信器件、激光全息仿伪、传感器、现代服务业的产业格局,将以智能制造和物联科技为主要业务发展方向。公司旗下企业华工激光、华工正源、华工高理、华工图像、华工赛百的产品广泛应用于机械制造、航空航天、汽车工业、钢铁冶金、船舶工业、通信网络、国防军工等重要领域,市场占有率处于行业领先地位。6saesmc

5)士兰微-国内稀缺的IDM模式半导体公司6saesmc

士兰微是一家专业从事集成电路以及半导体微电子相关产品的设计、生产与销售的高新技术企业。主要分为电源与功率驱动产品线、MCU 产品线、数字音视频产品线、物联网技术与产品线、射频与混合信号产品线、分立器件产品线等。目前是国内为数不多的IDM 模式半导体公司。6saesmc

6)汉威电子-国内气体传感器龙头6saesmc

汉威电子是国内最大的气体传感器及仪表制造商。公司围绕物联网产业,将感知传感器、智能终端、通讯技术、云计算和地理信息等物联网技术紧密结合,打造汉威云,建立完整的物联网产业链,结合环保治理、节能技术,为智慧城市、安全生产、环境保护、民生健康提供完善的解决方案。汉威电子坚持“聚焦专业细分市场”的发展战略,产品和系统解决方案已应用于全球近百个国家,建立了以传感器为核心,覆盖多门类检测仪表及行业物联网应用的整体布局。6saesmc

7)中航电测-军工MEMS龙头 6saesmc

中航电测仪器股份有限公司是中国航空工业集团公司控股企业,主营业务为研制电阻应变计、精密电阻、应变式传感器、称重仪表和软件、航空机载和地面测试系统、机动车性能及环保检测系统、机动车驾驶员智能化培训系统、远程联网监管网络平台、车载称重控制系统、工业自动化系统、精密机电控制产品和物联网应用等军民用测量和控制产品及系统解决方案。公司拥有国际水平的设计能力、高水平的工艺装备及工艺制造技术,在国内中高端应变计和传感器市场占据主导地位。6saesmc

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