一文搞懂MEMS传感器产业链

一、MEMS简介


二、MEMS分类


三、MEMS 行业发展历程


四、国内传感器企业的主要布局区域


五、MEMS产业链流程


六、世界MEMS供应链


七、MEMS传感器生产厂商


八、MEMS传感器的应用


九、MEMS代工产业


十、MEMS封装测试


十一、MEMS传感器几大应用


十二、国内MEMS产业链相关领头雁企业


一、MEMS简介

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro Electromechanical System)，利用半导体制造工艺和材料，将传感器、执行器、机械机构、信号处理和控制电路等集成于一体的微型器件或系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。MEMS主要包含两个部分：传感器和执行器。

与传统的机械传感器相比，MEMS传感器具有体积小、集成化、智能化、低成本等优点，可以满足物联网时代对于传感器的要求。


二、MEMS分类

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。


传感器分类


三、MEMS 行业发展历程

MEMS 起源可追溯至 20 世纪 50 年代，硅的压阻效应被发现后，学者们开始了对硅传感器的研究。然而，MEMS 产业真正发展始于 20 世纪 80 年代，前后经历了 3 次产业化浪潮。

20 世纪 80 年代至 90 年代：1983 年 Honeywell 利用大型刻蚀硅片结构和背蚀刻膜片制作了集成压力传感器，将机械结构与电路集成在一个芯片内。80 年代末至 90 年代，汽车行业的快速发展，汽车电子应用如安全气囊、制动压力、轮胎压力监测系统等需求增长，巨大利润空间驱使欧洲、日本和美国的企业大量生产 MEMS，推动了 MEMS 行业发展的第yi次浪潮。

20 世纪 90 年代末至 21 世纪初：本阶段早期，喷墨打印头和微光学器件的巨大需求促进了 MEMS 行业的发展。而 2007 年后，消费电子产品对 MEMS 的强劲需求，手机、小家电、电子游戏、远程控制、移动互联网设备等消费电子产品要求体积更小且功耗更低的 MEMS 相关器件，对 MEMS 产品需求更大，掀起了 MEMS 行业发展的第二次产业化浪潮，并将持续推动 MEMS 行业向前发展。

2010 年至今：产品应用的扩展，使 MEMS 行业呈现新的趋势。MEMS 产品逐步应用于物联网、可穿戴设备等新领域，应用场景日益丰富，正渐渐覆盖人类生活的各个维度。此外，MEMS 是当前移动终端创新的方向，新的设备形态（如可穿戴设备）需要更加微型化的器件和更为便捷的交互方式。然而，物联网、可穿戴设备应用助推 MEMS 第三次产业化浪潮的同时，行业仍然面临来自产品规格、功率消耗、产品整合以及成本等方面的压力，MEMS 产品及相关技术亟待持续改进，以满足更小、更低能耗、更高性能的需求。


四、国内传感器企业的主要布局区域


长三角区域

以上海、无锡、南京为中心。

逐渐形成包括热敏、磁敏、图像、称重、光电、温度、气敏等较为完备的传感器生产体系及产业配套。

珠三角区域


以深圳中心城市为主。

由附近中小城市的外资企业组成以热敏、磁敏、超声波、称重为主的传感器产业体系。


东北地区



以沈阳、长春、哈尔滨为主。

主要生产MEMS力敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器。


京津区域


主要以高校为主。

从事新型传感器的研发，在某些领域tian补国内空白。北京已建立微米/纳米国家重点实验室。


中部地区


以郑州、武汉、太原为主。

产学研紧密结合的模式，在PTC/NTC热敏电阻、感应式数字液位传感器和气体传感器等产业方面发展态势良好。


五、MEMS产业链流程

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产业链流程


六、世界MEMS供应链

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。

世界MEMS供应链


七、MEMS传感器生产厂商

世界MEMS传感器制造厂商如下


罗伯特.博世


意法半导体(ST)


德州仪器


惠普


Qorvo


楼氏电子（Knowles）


应美盛(InvenSense)


DENSO


佳能


松下（Panasonic）


NXP—飞思卡尔（Freescale）


SENSATA


英飞凌（Infineon）


旭化成微电子（AKM ）


亚德诺半导体（Analog Devices）


村田制作所（Murata）


AMPHENOL


霍尼韦尔（Honeywell）


瑞声科技（AAC）


歌尔声学-世界MEMS麦克风领头雁


ABB


PCB


Vishay


HBM


MEAS


飞利浦


汉威电子-国内气体传感器领头雁


美新半导体(MEMSIC)(2016年7月被华灿光电收购)


北京青鸟元芯


华工科技-国内家电温度传感器领头雁


中航电测-军工MEMS领头雁


大立科技


昆仑海岸


高德红外


科陆电子


瑞声声学


航天机电


广陆数测


格科微电子


杭州麦乐克


华润半导体


......


八、MEMS传感器的应用

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。

MEMS陀螺仪是通过陀螺仪的重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。

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

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。苹果iPhone 5S和5C采用两颗楼氏电子（Knowles）、一颗是瑞声科技（AAC）的MEMS麦克风。


3、MSME压力传感器

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。

汽车和医疗是MEMS压力传感器很大的应用领域。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。


4、MEMS环境传感器

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。

还有森斯特（北京）电子科技有限公司（Nenvitech）、深圳市戴维莱传感技术开发有限公司、武汉四方光电科技有限公司、速丽德（Solidsense）、城市技术（CityTechnology） 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。


九、MEMS代工产业

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；台积电目前是世界很大的独立的MEMS代工厂，世界超过的纯MEMS代工厂还有Silex Microsystems、Teledyne DALSA、Asia Paci?c 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。

与传统集成电路产业类似，从 MEMS 产业价值链来看，根据行业内企业提供的产品或服务，可以分为设计、制造和封测三个环节。其中，MEMS 制造行业属于 MEMS 行业的一个环节，处于产业链的中游。该行业根据设计环节的需求开发各类 MEMS 芯片的工艺制程并实现规模生产，兼具资金密集型、技术密集型和智力密集型的特征，对企业资金实力、研发投入、技术积累等均提出了极高要求。

目前市场中，一方面 IDM 企业受到来自升级产业线以及降低成本维持利润的双重压力，市场中已出现 IDM 企业将制造环节外包的情况；另一方面，MEMS产品应用的爆发式增长需要不同领域、不同行业的新兴 MEMS 公司参与其中，但巨额的工厂建设投入、运维成本以及 MEMS 工艺开发、集成的复杂性却形成了较高的行业门槛，阻碍了市场的持续扩张。

在此背景下，纯 MEMS 代工厂与 MEMS 产品设计公司合作开发产品的商业模式将成为未来行业业务模式的主流。类似于传统集成电路行业发展趋势，MEMS 产业将逐步走向设计与制造分立、制造环节外包的模式。

MEMS 制造主要指 MEMS 芯片制造，行业内主要经营模式包括两类，一类是依靠自有生产线进行生产，另一类则是外包给 MEMS 代工厂进行生产。行业内提供 MEMS 制造代工服务的企业，从芯片类型和产业价值链来看，主要分为三类，即纯 MEMS 代工、IDM 企业代工以及传统集成电路 MEMS 代工。


1、纯 MEMS 代工

纯 MEMS 代工企业不提供任何设计服务，企业根据客户提供的 MEMS 芯片设计方案，进行工艺制程开发以及代工生产服务。代表企业有公司、TeledyneDalsa、IMT 等。


2、IDM 企业代工

IDM 企业即垂直整合器件制造商，该类厂商除了进行集成电路设计之外，一般还拥有自有的封装厂和测试厂，其业务范围涵盖集成电路的设计、制造、封装和测试所有环节。由于晶圆制造、封装和测试的生产线建设均需要巨额资金投入，因此 IDM 模式对企业的研发力量、资金实力和市场影响力都有极高的要求。在满足自身晶圆制造需求后，IDM 企业会将剩余的产能外包出去，提供 MEMS代工服务。采用 IDM 代工模式的企业均为世界芯片行业巨头，主要代表为博世（Bosch）、意法半导体（STMicro）、德州仪器（TI）等企业。


3、传统集成电路 MEMS 代工

传统集成电路（主要为 CMOS）代工企业以原有的 CMOS 产线为基础，嵌套部分特殊的生产 MEMS 工艺技术，将旧产线转化为 MEMS 代工线。由于批量生产能力突出，传统集成电路企业往往会集中向出货量较高的消费电子领域的MEMS 产品提供代工，该类代工企业以台积电（TSMC）、Global Foundries 等为代表。

历史发展过程中，由于 MEMS 产品在材料、加工、制造工序等单个产品差异较大，器件标准化程度较低，影响了产业垂直分工的发展，行业以 IDM 企业为主导。近年来，随着 MEMS 技术的发展和市场需求的逐渐兴起，MEMS 标准化的程度大大发展，平台化基础正在形成，越来越多的 MEMS 产品的产业链垂直分工条件日趋成熟。


十、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。


十一、MEMS传感器几大应用


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。


VR应用

VR设备需要足够jing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。


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。


智能汽车应用

车联网是物联网发展的重大领域，智能汽车是车联网的重心，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jue对压力传感器和流量传感器）等。


十二、MEMS产业链相关领头雁企业


1、赛微电子-国内MEMS代工领头雁

赛微电子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、生产与销售的专注资质。


2、苏奥传感-国内汽车油量传感器领头雁

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。目前是中国很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。


3、苏州固锝-已量产MEMS惯性传感器

苏州固锝是国内半导体分立器件二极管行业很完善、很齐全的设计、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。


4、华工科技-国内家电温度传感器领头雁

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超过地位。


5、士兰微-国内稀缺的IDM模式半导体公司

士兰微是一家专注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。


6、汉威电子-国内气体传感器领头雁

汉威电子是国内很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“聚焦专注细分市场”的发展战略，产品和系统解决方案已应用于世界近百个国家，建立了以传感器为重心，覆盖多门类检测仪表及行业物联网应用的整体布局。


7、中航电测-军工MEMS领头雁

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。