MEMS 的全称是微型电子机械系统,利用传统的半导体工艺和材料,集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。具有小体积、低成本、集成化等特点。

 

MEMS 工作原理图

 


、MEMS 传感器的应用领域

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。

 

1、可穿戴设备应用

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。

 

 

2、VR 应用

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。

 

 

3、无人机应用

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。

 


4、车联网应用

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。

 

5、自动驾驶应用

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。

 


6、工业应用

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。

 

二、主要 MEMS 传感器种类及供应商

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。

 

 

1、MEMS 运动传感器

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。

 

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。

 

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。

 

2、MEMS 麦克风厂商

 

 

3、MEMS 压力传感器厂商

 

 

4、MEMS 环境传感器

环境传感器可细分为气体、温度和湿度传感器等。MEMS 温度传感器可用于任何需要检测温度的地方。

 


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。

 

 

MEMS 气体传感器主要用于检测目标气体的成分、浓度等。

 

 

5、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。

 

三、MEMS 产业链

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。

 

 

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。

 


1、全球 MEMS 生产厂商

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。

 

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。

 

2、MEMS 代工

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。

 

目前提供 MEMS 代工的 IDM 厂商主要有意法半导体、索尼、德州仪器等;台积电目前是全球最大的独立的 MEMS 代工厂,全球领先的纯 MEMS 代工厂还有 Silex Microsystems、Teledyne DALSA、Asia Pacific Microsystems、X-FAB 、Innovative Micro Technology 等,国内的中芯国际、华宏宏利、上海先进半导体也有生产 MEMS 的能力。

 

3、MEMS 封装测试

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。

 

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。

 

经过四十多年的发展,微机电系统(MEMS)已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术,应用前景广阔。