前途无量的MEMS传感器，未来发展前景有多大？

什么是MEMS传感器？

MEMS传感器即微机电系统（Microelectro Mechanical Systems），MEMS 技术于 1980 年代发明，是一种利用硅基半导体制造工艺制造微型机械电子系统的技术，最早在汽车和军工领域有部分应用，主要产品包括 MEMS 传感器和 MEMS 执行器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

MEMS技术被认为是传统集成电路（IC）制造的扩展形式。传统 IC 制造技术 (VLSI) 与 MEMS 的主要区别在于，使用 MEMS 不仅可以制造电容器和电感器等电气元件，还可以制造齿轮、弹簧、梁等机械部件。使用传统 IC 技术，只能制造导体、绝缘体、二极管和晶体管。
MEMS 是借助先进的 IC 制造技术将有源和无源元件集成到单个硅基板中。有源元件是传感器和执行器，而无源元件是无源电子系统和无源机械系统。
由放大器、ADC、滤波器等信号处理电路组成的电子系统采用IC制造工艺设计，而由齿轮、曲柄、轴承等组成的机械系统采用微加工工艺设计。
传感器是当今数字世界的重要组成部分之一。由于所有的计算和处理都是在数字信号上完成的，所以在模拟世界和数字电子设备之间应该有一个媒介。传感器弥合了这一差距，因为它们用于观察模拟物理参数的时间效应并产生有意义的信息（对计算机）。
传感器的现代定义有时令人困惑，但简单来说，传感器是一种包含基本传感元件的设备，这些传感元件可以感知温度或湿度等物理量并将其转换为电信号。传感器还包括信号处理单元，如放大器、滤波器或 ADC 或这些元件的组合。
谈到 MEMS 传感器，如果传感器是使用 MEMS 技术设计和制造的，那么它被称为微机械微传感器或简称为 MEMS 传感器。
MEMS传感器的三波浪潮
MEMS 行业的第一波浪潮是汽车领域。从 1990 年到 2000 年，汽车电子化趋势带动了加速度计、角速度传感器、压力传感器、质量流量传感器的崛起，主要原因是 MEMS传感器在可靠性、性能方面可比拟机械类传感器，但在成本、体积、功能、成本方面的优势超过了机械传感器。
MEMS 行业的第二波浪潮是消费电子。从 2000 年到 2010 年，手机的快速发展带动运动类、声学类、光学类、环境类 MEMS 快速崛起。智能手机的传感器数量一般在 9~13个左右，比如 iPhone 中包含了近距离传感器、麦克风、加速度计、陀螺仪、温湿度传感器、环境光传感器等 9 种 MEMS 器件。iPhoneX 搭载 3D Sensing，进一步提升智能手机中传感器数量和价值量。随着智能手机的技术创新和手机厂商差异化竞争的趋势，传感器数量还将继续增长。
MEMS 行业的第三波浪潮是物联网。从 2010 年到 2020 年，随着联网节点呈现爆发式增长趋势，智能传感器与节点、传感器相关软件与算法、定制化物联网传感器解决方案将成为行业重要发展趋势。物联网的核心是传感、互连和计算，MEMS 在物联网中的重要应用场景包括智能家居、工业互联网、车联网、环境监测、智慧城市等领域。
随着未来联网设备数呈现高速增长态势，集成电源、MEMS、MCU、射频等器件的多功能联网传感器将持续增长，物联网将是 MEMS 的下一个重要增长极。
物联网生态系统的核心是传感、连接、计算。MEMS 传感器、微控制器、安全芯片等硬件将成为物联网发展的基础。传感器约占到物联网硬件市场规模的 20%，微型化、低功率、高集成度、低成本将成为物联网传感器的发展趋势。随着NB-IoT、LTE-V 等通信协议的逐步商业化，MEMS 传感器将在物联网发展中得到广泛应用。
MEMS 市场细分领域众多，前景广阔
根据 Yole Développement 的研究，全球MEMS 传感器市场规模将从 2015年的 118.5 亿美元增长至 2021 年的 396.9 亿美元，CAGR为 22%。预计到 2021 年，10 亿美元以上的 MEMS 细分领域包括射频 MEMS（38 亿美元）、光学类MEMS（116 亿美元）、惯性组合 MEMS（118 亿美元）、陀螺仪（15 亿美元）、加速度计（16 亿美元）、麦克风（18 亿美元）、压力传感器（38 亿美元）。
从市场增速看，2015 年至 2021 年 CAGR 排名靠前的MEMS 细分领域有：环境类MEMS（39%）、红外线传感器（29%）、射频 MEMS（21%）、其他（19%）、振荡器（16%）、微流体（13%）、辐射热测量计（13%）、惯性组合（10%）、麦克风（9%）、光学 MEMS（8%）、压力传感器（6%）。
从应用领域来看，MEMS 市场的主要应用领域集中在消费电子、医疗、汽车、工业等领域。按照应用领域分类，根据 Yole Développement 的研究，2021 年全球 MEMS 传感器市场规模分别为：电信（3 亿美元）、医疗（10 亿美元）、工业（18 亿美元）、国防（4 亿美元）、消费电子（111 美元）、汽车（48 亿美元）、航空航天（2 亿美元）；2015-2021年对应的 CAGR 增速为：电信（3.6%）、医疗（11.1%）、工业（7.3%）、国防（7.8%）、消费电子（11.8%）、汽车（4.2%）、航空航天（4.9%）。
全球 MEMS 市场竞争格局
2015 年全球 MEMS 企业 30 强实现 MEMS 销售收入 90.73 亿美元，同比增长 5%，其中，5 家 MEMS 企业实现销售额增速大于 20%：安华高（Avago Technologies）受益射频前端模组业务在4G手机频道应用的增长，实现销售收入增速为41%；应美盛（InvenSense）2015 年销售增速为 33%，得益于惯性传感器系统的多功能集成以及针对手机研发的STUDIO 传感软件套装业务的增长；台积电（TSMC）首次上榜，在应盛美和 mCube 等客户的业务推动，实现 29%的销售收入增长；Qorvo 和瑞声科技（AAC）分别实现 MEMS营收增速为28%、22%。
2016 年全球 MEMS 企业前 30 强实现MEMS 销售收入 93.5 亿美元，同比增长 1.6%。博世和德州仪器公司相比 2015 年排名没有变化，意法半导体和 Hewlett Packard 的 MEMS收入同比下降。受益 4G 应用以及 4.5G 对蜂窝技术要求提升，2016 年射频 MEMS 市场需求呈现高增长，博通凭借 RF MEMS 强劲出货首次排名第二，Qorvo 也受益射频前端市场，营收在 3 年内从 1.45 亿美元增长至 5.85 亿美元。
射频MEMS 市场将呈现高增长。Yole 预计 2017~2022 年，射频 MEMS 滤波器市场规模 CAGR 为 35%，此外，射频前端市场同期的 CAGR 为 14%。
MEMS 是智能汽车感知环境的关键
智能感知是智能汽车上路的基础。智能汽车的核心在于传感、计算、联网、决策。智能汽车感知环境的物理角度包括声学、光学、热学、电学、力学等方面，汽车上路需要软硬件协同一体化的智能传感器（包括 MEMS、MCU、RF、AP 等单元）。
主要有：

加速度计——用于电子稳定控制和安全气囊展开。
惯性测量单元或 IMU（它们是 MEMS 加速度计和 MEMS 陀螺仪的组合）——用于测量自动驾驶的偏航、俯仰和滚动。
磁力计 - 用于导航的方向。
压力和惯性传感器——用于制动控制。
压力传感器——胎压监测系统。
气流传感器 - 进气监控。
燃油传感器——燃油液位指示器。
撞击和碰撞传感器——撞击检测和安全气囊展开。
MEMS 麦克风——用于通信和降噪。
温度传感器——用于自动气候控制和发动机温度监测。
声学感知包括超声波雷达、麦克风、扬声器等。超声波雷达含有超声波发射器和采集器，主要用于自动泊车、道路行人与障碍物检测避障。麦克风与扬声器是 MEMS 的成产品之一，同时也是智能汽车人机交互的主要接口之一，语音的接收与作答是MEMS 在汽车内的重要应用之一。
光学感知包括红外夜视仪、激光雷达、CMOS 图像传感器、行车记录仪等。红外夜视仪包括红外探测器、红外发射器等 MEMS 器件，主要用于夜晚、雨雾等不良路况下的行人及动物检测。激光雷达包括激光生产器、激光采集器等，用于道路中车辆、行人、碍物的精准测距。
热学感知包括车身空调系统、温度传感器等。车身空调系统、动力控制系统等部件均有 MEMS 温度传感器。
电学感知包括射频器件、天线等 MEMS，主要用于车与车、车与人、车与道路之间的车联网通信。
力学感知包括加速度计、压力传感器、陀螺仪、电子罗盘、振荡器等 MEMS 传感器，运动类传感器主要用于智能汽车的高精度定位与导航，压力传感器用于胎压监测、油压监测等方面。
国内 MEMS 产业链完整，蓄势待发
中国是全球 MEMS 传感器最大的市场，重点产品包括运动类、声学类、射频类、红外成像等领域，构建了从科研、产品开发、设计到代工制造、封装测试、下游应用的完整产业链。2015 年中国 MEMS 传感器市场规模约为 300 亿元，连续两年增速在 15%以上，随着消费电子、汽车电子、物联网等市场的发展以及国内制造工艺技术的不断革新，中国MEMS 传感器市场将迎来重要发展机遇。
中国是全球 MEMS 行业的增长引擎。中国拥有全球最大的智能手机和汽车市场，但中高端传感器和传感器芯片自主化率低，MEMS 传感器需求十分强劲。以智能手机为例，目前iphone手机中所使用的MEMS器件在9~13个，随着智能手机部件更新的加快，MEM器件在智能手机中的使用量将有望达到 20 个。随着华为、小米、OPPO、Vivo 等国产机厂商在全球崛起，预计智能手机所需要的硅麦克风、加速度计、陀螺仪、电子罗盘、射频仪器、高精度压力传感器、气体传感器等 EMMS 器件将实现快速增长。
MEMS 产业链中，科研环节包括大学、科研院所等机构，产品开发环节包括上海微技术工业研究院、苏州纳米城、无锡物联网等单位，设计环节包括 MEMSIC、硅睿科技、敏芯微电子等，代工制造包括中芯国际、华虹宏力、CSMC、ASMC、耐威科技，封装测试包括长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技等，下游应用包括智能手机、平板电脑、汽车、工业等领域。
国内 MEMS 代工制造以 6 英寸和 8 英寸产线为主，封装测试环节是强项，应用领域正从手机、汽车走向 VR/AR、物联网等领域。
科技的进步一直在推动时代的发展，从工业时代到信息化时代，如今，物联网时代已经到来。毫无疑问，万物互联，万物皆可被感知的时代，最重要的技术突破就是传感器。
不论行业面临饱和停滞，抑或高速增长，MEMS一直以来都是一颗璀璨明星。智能物联网时代，MEMS传感器正在扮演着不可取代的重要角色。