MEMS传感器，空间无限

监测心率、睡眠情况跟踪、记步、记录卡路里、运动数据反馈……用设备记录各种身体数据已经成为很多人的习惯，这些能让我们更了解自己的智能产品背后，都离不开MEMS传感器。如果说集成电路是信息社会的“大脑”，那么MEMS智能传感器就是信息社会的“五官”。

MEMS即微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System），它被称为“超越人类感官的传感器”，MEMS传感器一半是芯片，一半是机械，是传统传感器的升级版，其尺寸更小、功耗更低、性能更好。就像是全芯片武装的微型机甲战士，深刻改变了人与自然交互的局面。

从消费电子到工控，MEMS那些常见又好玩的应用

智能穿戴中的心率监测

比如Apple Watch就用到MEMS加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风和脉搏传感器，小米手环就用了ADI的MEMS加速度和心率传感器来实现运动和心率监测。

VR设备中的追踪定位

最出名当属Meta旗下的Oculus VR，就采用了MEMS加速度计和陀螺仪。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。未来VR设备也可能会使用MEMS眼球追踪技术。

智能汽车中的自动驾驶、安全系统、语音交互系统等等

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。

智能汽车的主动安全系统和技术发展也是重要领域，比如侧翻与稳定性控制（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。

其实汽车领域还有很多应用，包括安全气囊会用到加速度计和压力传感器、汽车发动机会用到压力传感器和流量传感器等。

无人机中的飞行控制

无人机飞行姿态控制技术上，MEMS更是大放异彩，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，并且能在各种恶劣条件正常工作，获得高精度输出。

智能工厂的温度、湿度监测等等

在智能工厂里面，利用MEMS温度、湿度传感器可检测环境条件，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。

除了这些，MEMS传感器在智能手机、慧物流、智能家居、环境监测、智慧医疗等领域都有相当广泛的应用。

那么常见的MEMS种类都有哪些呢？

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。

其他MEMS传感器：麦克风、压力传感器、环境传感器

压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。可以用于辅助导航、测算爬了多少个楼层，或是用于室内定位等，而内部的气压传感器主要是测试设备封闭程度，还可以用于计算出海拔高度等。

环境传感器可细分为气体、温度和湿度传感器等。其中，MEMS温度传感器可用于任何需要检测温度的地方，刚刚我们也有提到，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。MEMS气体传感器主要用于检测目标气体的成分、浓度等。

未来技术之一：MEMS生物传感器

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。

MEMS 产业的价值链

MEMS产业同样以三大部分为主：芯片设计占产业链价值约35-45%；芯片制造产业链价值约20-25%；下游封装测试价值约35-40%。此外还有生产MEMS制造原材料、封装材料等支撑行业。

全球MEMS传感器产业链条主要集中在北美、欧洲、日本地区，其中美国、德国、日本三国占据全球传感器产业链主导地位，头部厂商同样集中在这些地区、

（1）惯性传感器（加速度计＋陀螺仪）：ST（意法半导体）、AKM（旭化成）、InvenSense（已被TDK收购）、罗伯特、BOSCH（博世）等。

（2）电子罗盘（磁力计＋加速度计）：AKM（旭化成）、Yamaha（雅马哈）、Alps Electric（阿尔卑斯） 、MEMSIC（被华灿光电收购）等。

目前国产厂商示例也也不容小觑，歌尔微电子、瑞声科技、赛微电子旗下全资子公司Silex Microsystems、高德红外都已进入2021年度全球MEMS厂商30强，分别名列第8、第21、第26和第29位。

2021年全球MEMS厂商排名（图源：Yole Intelligence）

MEMS未来前景和应用领域

Yole预计，2020-2026年MEMS终端市场将以7.2%的年复合增长率增长。其中，消费领域是最大的应用市场，约占全球MEMS收入的60%，预计到2026年约有112.7亿美元的市场。

其次是汽车领域，预计到2026汽车MEMS将上升到28.6亿美元。其他应用市场还有工业领域、医疗、电信、国防与航空航天等。

目前国际大厂大多布局消费电子和汽车电子两大市场，预计工控、医疗、航空等领域空间十分广阔，将成为国内厂商的着力点。

从MEMS器件方面来看，Yole预计，整体MEMS器件市场在2020年至2026年将以7.2%的年复合增长率增长，到2026年全球MEMS器件市场空间将达到182亿美元。

其中，射频MEMS器件占大头，到2026年射频MEMS器件大约有40.4亿美元的市场空间，压力MEMS器件大约是23.62亿美元，惯性器件约有21.27亿美元，麦克风MEMS约是18.71亿美元，然后是加速器、喷墨头、光学、微型测辐射热仪、陀螺仪、微流体等等。

1、工业领域：空间无限，MEMS传感器正在逐渐取代传统机械传感器 

随着机器人的智能化程度不断提高，其中加载的MEMS传感器将变得越来越多。据专家估算，由于机器人的智能化程度不同，传感等感知部分约占机器人总成本的10%到20%。机器人领域有望继消费电子、汽车之后，成为MEMS传感器的新兴的主要应用市场。

MEMS 技术的出现极大满足市场对小体积、高性能的要求，正在逐渐取代传统机械传感器。与传统传感器相比，基于 MEMS 工艺的传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、是与批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。

工业智能传感器一般包括传感单元、计算单元和接口单元，受物联网、5G 等技术推进影响，其主要需求逐渐向小型化、网络化、数字化、低功耗、高灵敏度和低成本等方向演进。

MEMS传感器以微电子和微机械加工技术制造，一般由MEMS芯片和与之配套的ASIC 芯片构成，其将电子系统与周围环境有机结合，微传感器接受动、光、热、声、磁等外界信号，并将其转化成电子系统能够识别、处理的电信号，部分 MEMS器件可通过微执行器实现对外部介质的操作功能。

2、机器人正成为MEMS传感器主要应用市场

MEMS传感器可以测量冲击、倾角、转动、加速度、振动等多种信号。MEMS技术对机器人的开发尤其有利，其可以通过对多种运动及环境因素感知，使它们变得更加智慧，使用时更加安全。以工业机器人为例，一方面智能机器人在工业领域的应用越来越广泛；另一方面，MEMS技术支撑机器人的外部感知，为数据采集提供高可靠性、可扩展性、灵敏度和成本效益高的解决方案。

惯性传感器中的加速度计、陀螺仪等产品是机器人当中应用最为广泛的产品类型。

在工业机器人中，位置角度感测、力度与扭矩载荷测量、航迹规划、智能图像及轮廓识别等都是最常见的应用场景，其中都离不开MEMS传感器的加持。加速度计可以用来监测工业设备的振动和旋转速度；陀螺仪传感器是一种基于自由空间移动和定位的控制系统，可用于感测与维持方向；基于加速度计和陀螺仪的惯性测量单元（IMU）在工业机器人中有着非常广泛的应用。

机器人的机械手臂中会集成编码器、加速度计、力传感器等。对于机器人这种高精密的机械设备，其手臂伸出去的角度和姿态都要考虑到安全性、稳定性等多种要素，编码器可以解算运行位姿和速度，加速度计可以检测运行安全，机械手臂的转动和展开需要力传感器测试载荷量程。导航更是常见的应用功能，在室内无法依靠GPS的情况下，要完成室内航迹的规划，IMU就是不可或缺的关键器件。

3、低功耗与微型化非常重要

当前MEMS传感器在机器人、智能装备等领域的应用依然面临诸多挑战。机器人的开发和应用，传感器将起到至关重要的作用。没有传感器，讲机器人就是一句空话。但是MEMS传感器和机器人的实际应用需求还有较大的差距。比如MEMS图像传感器的分辨率在很多场所还不够高，起不到“眼睛”的作用；像人类皮肤一样的MEMS柔性薄膜传感器还仅仅处于开发阶段。

现有的一些测力柔性传感器刚刚进入小批量应用；MEMS陀螺仪或者MEMS惯性测量单元传感器应用于机器人的小量程产品开发难，精度差距还很大；大多数MEMS传感器在工业环境应用，其环境适应性较差，导致稳定性差。由于技术限制， 大多数传感器用在服务型机器人还可以基本满足环境需求，但直接用在环境复杂的工业领域，就存在环境适应性不足的问题。应对上述挑战，MEMS传感器将向着不断提升感测精度、低功耗、微型化等方向发展。

中国已成全球MEMS最大单一市场，国产替代趋势向好

受益于工业控制、机器人等应用的拉动，我国目前已成为全球MEMS行业最大单一市场，预计到2023年中国MEMS市场规模将超过1200亿元，增速远高于全球平均水平。

以应用为龙头，推动产业的上下游互动，将是促进我国MEMS传感产业发展的一个重大机遇。

目前国内大部分 MEMS 厂家以设计为主，没有自主制造基地，而代工厂缺乏设计能力，整体产业链分散。伴随国内半导体制造工艺逐渐升级，加之本地化服务与成本优势，且 MEMS 体量较小，更加适合代工模式，因此 MEMS 制造环节向中国转移趋势明显。

根据赛迪顾问 2021 年 1 月最新数据，中国 MEMS 产线类型以 6 寸为主，占比超过 45%，6/8 寸兼容占比 22%，8 寸占比 22%。

未来在细分应用领域包括MEMS+AI、射频MEMS、光电MEMS和生物MEMS等领域有望走出成熟企业，此外先进封装层面，3D 晶圆级封装技术突破也将带来新的行业机遇。