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1 乘風智能制造，MEMS傳感器工藝逐漸成熟

1.1 什么是MEMS

? 微機電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機電系統(tǒng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。微機電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)（半導體制造技術(shù)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術(shù)制作的高科技電子機械器件。MEMS是一個獨立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。例如，常見的MEMS產(chǎn)品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。一個MEMS傳感器里面最重要的芯片為MEMS芯片和ASIC芯片，其中MEMS芯片負責感知信號，將測量量轉(zhuǎn)化為電阻、電容等信號變化；ASIC芯片負責將電容、電阻等信號轉(zhuǎn)換為電信號，其中涉及到信號的轉(zhuǎn)換和放大等功能。

? MEMS側(cè)重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領(lǐng)域。它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。
? 常見的產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。

1.2 MEMS傳感器

? MEMS傳感器是基于微機電系統(tǒng)的典型傳感器件。它是指可以批量制造的，集微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器以及信號處理和控制電路于一體的器件或系統(tǒng)。其特征尺寸一般在0.1μm～100μm范圍。MEMS集成了當今科學技術(shù)的許多尖端成果，它將感知信息處理與執(zhí)行機構(gòu)相結(jié)合，改變了人類感知和控制外部世界的方式。
? 與傳統(tǒng)的機械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化等特點。在微米量級的特征尺寸MEMS傳感器可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。因此，MEMS傳感器正逐步取代傳統(tǒng)機械傳感器的主導地位，在消費電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機械、化工及醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

? 中國MEMS傳感器市場的起步和發(fā)展與中國3C產(chǎn)品(包括計算機、通信和消費類電子產(chǎn)品)及汽車電子產(chǎn)品保持快速增長、全球電子整機產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。近年來，隨著消費電子、汽車電子產(chǎn)品等下游行業(yè)的快速發(fā)展，我國MEMS傳感器市場需求旺盛，歷年持續(xù)保持快速增長。
? 根據(jù)Omdia的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2022年全球MEMS行業(yè)市場規(guī)模已達到184.77億美元，2017-2022年復合增長率為5.77%。
根據(jù)賽迪顧問的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與預測，2022年中國MEMS傳感器市場規(guī)模已達到982.1億元，同比增長15.1%，預計到2025年市場規(guī)模將達到1571.3億元，2022-2025年復合增長率為17.0%。

1.3 MEMS傳感器應(yīng)用領(lǐng)域

? MEMS傳感器種類極多，可應(yīng)用于物理、化學、生物等領(lǐng)域信號的探測，較為常見的種類有加速度傳感器、慣 性 傳 感 器、壓 力 傳 感 器、MEMS 陀 螺 儀 以 及MEMS 麥克風等。
? 目前 MEMS 傳感器在消費電子、醫(yī)療、汽車電子以及工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域占比最高，分別占據(jù)41.8%、28.1%、16.7%和 9.1%。

2 夯實科技強國基礎(chǔ)，MEMS傳感器無處不在

2.1 MEMS壓力傳感器

? MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到壓力時變形?？梢岳脩?yīng)變儀（壓阻型感測）來測量這種形變，也可以通過電容感測兩個面之間距離的變化來加以測量。這兩種方法都很流行，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)使用比較結(jié)實的壓阻方法。
? 常見的壓力傳感器有三種：壓阻式、電容式和壓電式。
? 具有體積小、重量輕、靈敏度高、精度高、動態(tài)特性好、耐腐蝕、零位小等優(yōu)點? 隨著MEMS壓力傳感器的出現(xiàn)和普及，智能手機中用壓力傳感器也越來越多，主要用來測量大氣壓力。測量大氣壓的目的，是為了通過不同高度的氣壓，來計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實現(xiàn)更為精確的三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級數(shù)等都可以檢測。
? MEMS壓力傳感器的原理也非常簡單，核心結(jié)構(gòu)就是一層薄膜元件，受到壓力時變形，形變會導致材料的電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應(yīng)變儀來測量這種形變，進而計算受到的壓力。

2.1.1 MEMS壓力傳感器原理

? 下圖是一種電容式MEM

S壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，當受到壓力時，上下兩個橫隔(傳感器橫隔上部、傳感器下部)之間的間距變化，導致隔板之間的電容變化，據(jù)此可以測算出壓力大小。

? 下圖是一種電阻式MEMS壓力傳感器的工作動圖，由一個帶有硅薄膜的底座和安裝在其上的電阻結(jié)構(gòu)組成，當外力施加時，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測量值。

2.1.2 MEMS壓力傳感器市場規(guī)模

? 根據(jù)Yole Intelligence的

統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年壓力傳感器是MEMS傳感器中銷售額最高的細分市場，也是銷售量第二大的細分市場，僅次于硅麥克風。MEMS壓力傳感器的市場規(guī)模從2018年的14.72億顆、17.63億美元增加至2021年的16.05億顆、20.04億美元，預計將于2027年增長至 25.35億顆、26.24億美元。

2.2 MEMS壓力傳感器應(yīng)用

? MEMS壓力傳感器是使用最廣泛的 MEMS傳感器產(chǎn)品之一，通常應(yīng)用于智能手機、航空航天、汽車、生物醫(yī)藥以及工藝控制等領(lǐng)域，按照壓力探測方式可以分為壓阻式、電容式、諧振傳感等，而最為常用的是壓阻式和電容式，因此這兩種壓力傳感器的技術(shù)迭代也最為活。
? 為充分降低微壓MEMS傳感器中測量的敏感性和線性度之間的矛盾，不斷提高微壓傳感器測量精度，一種新型的FBBM結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，該結(jié)構(gòu)包含了 4 個短梁和一個位于中心的方形凸塊，通過減少傳感膜結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)程度達到進一步降低壓力的非線性，并提高了壓阻靈敏度，達到了提升微壓MEMS傳感器精度的目標。
? 為滿足航空航天領(lǐng)域中在惡劣環(huán)境中的無源無線壓力傳感需求，一種基于藍寶石的隔膜和結(jié)構(gòu)體MEMS壓力傳感結(jié)構(gòu)被提出，在施加壓力時，傳感器隔膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)，傳感器的電諧振頻率因而隨壓力隔膜的偏轉(zhuǎn)而改變，實現(xiàn)了將輕微壓力轉(zhuǎn)換為電信號的目的，該結(jié)構(gòu)可在 1000℃ 的高溫下正常工作，滿足了惡劣環(huán)境下壓力傳感的需求。

2.2 MEMS壓力傳感器應(yīng)用

? 壓力傳感器的下游行業(yè)主要是石油、化工、電力、冶金、機械制造、國防工業(yè)、計量等。
? 隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展及工業(yè)化水平的提高，各行業(yè)對數(shù)字壓力檢測的需求增長較快；科技水平的提高以及產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的擴大等因素也將催生壓力傳感器在醫(yī)療、食品、氣象、鐵路等行業(yè)大量使用。

2.2 MEMS慣性傳感器

? 慣性傳感器是一種用于測量物體的加速度、角速度和傾斜角度等參數(shù)的電子傳感器。
? MEMS慣性傳感器指采用MEMS工藝制備的慣性傳感器，與傳統(tǒng)工藝制造的慣性傳感器相比，MEMS器件具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和智能化等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、汽車、船舶、消費電子、醫(yī)療等領(lǐng)域。
? 高性能MEMS慣性傳感器，包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計和MEMS慣性測量單元（IMU），均包含一顆微機械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過慣性技術(shù)實現(xiàn)物體運動姿態(tài)和運動軌跡的感知。陀螺儀和加速度計是慣性系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件，其性能高低直接決定慣性系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。硅基MEMS慣性傳感器因小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢，成為現(xiàn)代慣性傳感器的重要發(fā)展方向。
? 其中，陀螺儀用于感知物體運動的角速率，加速度計用于感知物體運動的線加速度，二者輔以時間維度進行運算后可得出物體相對于初始位置的偏離，進而獲得物體的運動狀態(tài)，包括當前位置、方向和速度。

2.2.1 MEMS陀螺儀

? MEMS陀螺儀是測量角速率的一種器件，是慣性系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于導航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測、平臺穩(wěn)定等應(yīng)用領(lǐng)域。
? 利用振動質(zhì)量塊被基座（儀表殼體）帶動旋轉(zhuǎn)時的哥式效應(yīng)來敏感角速度，具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高、可數(shù)字化及可重復大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。

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