微機(jī)電系統(tǒng)器件 微機(jī)電系統(tǒng)傳感器

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傳感器是物聯(lián)網(wǎng)傳感層的核心，也是各類智能設(shè)備必不可少的設(shè)備。傳感器有著悠久的歷史，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器的材料、形狀、結(jié)構(gòu)和工藝都在不斷變化和演變，其中微機(jī)電系統(tǒng)傳感器是一個重要的趨勢。

微機(jī)電系統(tǒng)是利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)和材料，集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械機(jī)構(gòu)、信號處理和控制電路于一體的微器件或系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)是在半導(dǎo)體制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是將微電路和微機(jī)械按功能集成在芯片上，使一個毫米或微米級的微機(jī)電系統(tǒng)具有準(zhǔn)確完整的電、機(jī)械和化學(xué)特性。

微機(jī)電系統(tǒng)傳感器是最成熟的高集成度微機(jī)電系統(tǒng)器件。下圖中的黑點是毫米級的MEMS傳感器。

傳感器根據(jù)工作原理可以分為物理傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器。本文討論的慣性傳感器是物理傳感器中的機(jī)械傳感器之一，主要測量力是力。

1.慣性傳感器。

慣性傳感器用于檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉(zhuǎn)和多自由度(DoF)運(yùn)動，是導(dǎo)航、定向和運(yùn)動載體控制的重要組成部分。慣性傳感器主要包括加速度計和陀螺儀。

加速度計:通過三維確定物體的加速度方向，測量位移狀態(tài)。常見的應(yīng)用是手機(jī)中的計步和舉手提亮屏幕。

陀螺儀:旋轉(zhuǎn)極快的轉(zhuǎn)軸與軸相連，外面有兩個萬向節(jié)和一個陀螺儀框架，允許它在三個軸的各個方向自由旋轉(zhuǎn)；測量沿一個軸或幾個軸的角速度，常見的應(yīng)用有晃動、身體感覺、無人機(jī)等。

二、申請路徑。

1.消費類和汽車電子為主，基于慣性傳感；國際企業(yè)占主導(dǎo)，但本地廠商差距較大。

全球微機(jī)電系統(tǒng)傳感器行業(yè)發(fā)展迅速。2018年市場規(guī)模超過1000億元，預(yù)計到2023年將超過2000億元，2016-2023年CAGR整體將接近13%。

作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，中國消費了全球近一半的MEMS器件。近年來，中國微機(jī)電系統(tǒng)消費電子產(chǎn)品的穩(wěn)步增長帶動了加速度傳感器、陀螺儀和硅麥克風(fēng)等微機(jī)電系統(tǒng)行業(yè)需求的快速增長，中國已成為全球微機(jī)電系統(tǒng)市場增長最快的地區(qū)。

消費類和汽車電子應(yīng)用市場占整個MEMS傳感器市場的近70%，并且這個比例會隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而擴(kuò)大。與全球相比，中國的微機(jī)電系統(tǒng)傳感器行業(yè)仍處于起步階段，強(qiáng)大的市場需求與相對薄弱的行業(yè)形成鮮明對比。本土的具有一定知名度和出貨量的MEMS企業(yè)還是屈指可數(shù)，在中國市場競爭的主要競爭對手還是跨國企業(yè)。

我國約有200家微機(jī)電系統(tǒng)傳感器設(shè)計制造企業(yè)，其中大部分屬于初創(chuàng)型中小企業(yè)。而且公司在業(yè)務(wù)規(guī)模、技術(shù)水平、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方面與國外有明顯差距。目前，國內(nèi)60%到70%的設(shè)計產(chǎn)品集中在加速度計、壓力傳感器等領(lǐng)域。

能進(jìn)入消費電子和汽車監(jiān)管渠道的國內(nèi)企業(yè)很少；可以大量出貨，一只手都數(shù)不過來。但是，能在這兩條軌道上進(jìn)入主流廠商的都是值得關(guān)注的！

2.陀螺儀產(chǎn)品進(jìn)化:基于慣性傳感器的多軸系統(tǒng)進(jìn)化。

Axis3主要用于低端消費類電子設(shè)備，axis6是目前高端手機(jī)的最高配置，axis9-10處于場景測試階段。

3.加速度計:單一加速度計正逐漸被組合式傳感器取代。

經(jīng)過四代更新?lián)Q代，加速度傳感器更輕更小，已經(jīng)從汽車和工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展到消費者。封裝形式也從陶瓷封裝擴(kuò)展到晶圓級封裝、柵格陣列封裝等形式。

性能主要體現(xiàn)在耐沖擊性、穩(wěn)定性、抗干擾性四個方面。耐沖擊性指標(biāo)指的是承受超強(qiáng)沖擊的能力，穩(wěn)定性指標(biāo)指的是對外來應(yīng)力的耐受性，抗干擾指標(biāo)指的是對外來高頻信號的自然濾波。

技術(shù)原理上，美國的PCB傳感器公司采用壓電式(主要用于橋梁監(jiān)測等極端領(lǐng)域)，博世、STF、飛思卡爾主要采用電容式，熱對流式主要采用AKM、美信。目前主流是電容式，熱式形成了寡頭格局，壓電式占比相對較小。

電容測量范圍廣，功耗低，可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，也是目前市場的主流。熱敏型具有突出的抗沖擊性和穩(wěn)定性，但測量范圍窄。目前主要用于汽車側(cè)氣囊，而功耗高，很難使用手機(jī)。然而，電容產(chǎn)品并沒有被國內(nèi)制造商做得突出。

六軸慣性模塊在汽車、手機(jī)中高端市場逐漸取代了原來的純加速度計，單加速度計市場處于緩慢下滑階段；加速度計市場可能需要拓展新的應(yīng)用(就像歷史更悠久的霍爾磁感應(yīng)一樣，保持了技術(shù)在不斷拓展的應(yīng)用領(lǐng)域的長期生命力)。

目前所有智能手機(jī)的高端手機(jī)約50%直接搭載6軸IMU，直接包含加速度計和陀螺儀的功能；剩下的50%是單加速度計，用在低端手機(jī)上。

第三，趨勢觀察。

1.產(chǎn)能是王道，IDM是稀缺資產(chǎn)。

微機(jī)電系統(tǒng)器件領(lǐng)域有三種主要模式:

IDM模式，即從設(shè)計、制造到模塊的能力，主要包括博世、意法半導(dǎo)體、TDK等。，其中博世產(chǎn)品份額全球第一；

無廠模式，即專注于器件設(shè)計、制造采用外包OEM模式，如婁氏電子(MEMS麥克風(fēng))、InvenSense(慣性傳感器)；→無晶圓廠設(shè)計公司的興起給專業(yè)晶圓廠、封裝和測試工廠帶來了機(jī)遇，也加速了微機(jī)電系統(tǒng)各個方面的分工趨勢。

代工模式，即以代工為主，全球主要企業(yè)包括TSMC、思萊克斯、X-Fab等。

由于微機(jī)電系統(tǒng)器件不同于傳統(tǒng)的集成電路行業(yè)，微機(jī)電系統(tǒng)的生產(chǎn)具有很強(qiáng)的特殊工藝特點(一個產(chǎn)品，一個設(shè)計，一個封裝)。從一條生產(chǎn)線換到另一條生產(chǎn)線需要長時間的重新調(diào)整、設(shè)置等。，這需要微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計制造商和代工廠之間非常緊密的結(jié)合；傳統(tǒng)IC行業(yè)因為EDA和下游代工廠的深度綁定，非常規(guī)范，可以用圖紙生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的集成電路所有標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)都聚集在一起不同，MEMS是人的感官和神經(jīng)，兩者有很大的不同，沒有標(biāo)準(zhǔn)單元可用。微機(jī)電系統(tǒng)生產(chǎn)需要調(diào)整很多參數(shù)和訣竅，所以對于有經(jīng)驗的技術(shù)人員來說是非常罕見的。

封裝測試比制造更重要。由于單個微機(jī)電系統(tǒng)的用途、環(huán)境和目的不同，對封裝有各種完全不同的要求。比如防水和不防水的硅麥?zhǔn)怯袇^(qū)別的，氣壓傳感器需要對外開放，不能密封。在整個微機(jī)電系統(tǒng)生產(chǎn)中，封裝和測試成本占35%-60%以上。龍頭企業(yè)一般都是把晶圓制造和封裝檢測控制在自己手里(比如博世的晶圓生產(chǎn)線和封裝檢測生產(chǎn)線都在德國，制造部分由韓國和德國的外包工廠完成)。

所以我們一直在思考，MEMS行業(yè)能否像IC行業(yè)一樣形成純無晶圓廠+代工廠的模式。目前國內(nèi)有一家企業(yè)正在嘗試這樣做:賽微電子(奈威科技)，但據(jù)了解目前進(jìn)展不是很順利。這種模式值得長期觀察。

那么在無晶圓廠+代工廠的道路還沒有完全完成之前，IDM模式已經(jīng)成為最理想的MEMS生產(chǎn)模式。由于供應(yīng)鏈的復(fù)雜性和流程差異，為了保證傳感器企業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模，他們會開始考慮建設(shè)制造生產(chǎn)線，即向IDM模式發(fā)展，以保證生產(chǎn)和供應(yīng)鏈的各個階段都是獨立可控、穩(wěn)定可靠的。國際巨頭企業(yè)大多處于IDM模式，而國內(nèi)只有一家IDM企業(yè):上市公司蘭斯微，主要經(jīng)營低端功率器件和傳感器(MEMS器件是蘭斯微目前的邊緣業(yè)務(wù)，占比不到10%)。

2.國內(nèi)替代趨勢較快，但窗口期也很短。

與全球相比，中國的微機(jī)電系統(tǒng)傳感器行業(yè)仍處于起步階段，市場需求強(qiáng)勁。

- 深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)有限公司是專業(yè)生產(chǎn)高品質(zhì)、高精度測力傳感器廠家。主要產(chǎn)品有微型拉壓力傳感器、拉桿式拉壓傳感器、S型拉壓力傳感器、環(huán)形傳感器、柱式傳感器、軸銷類傳感器、稱重類傳感器、多軸力傳感器、扭矩傳感器、微型位移傳感器、壓力變送器（液壓傳感器）、變送器/放大器、控制儀表、以及手持儀等力控產(chǎn)品達(dá)百余種，并已獲得多項國家專 利；

- 產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于10多種新型和智能化高端領(lǐng)域，包括工業(yè)自動化生產(chǎn)線、3C、新能源、機(jī)器人、機(jī)械制造、醫(yī)療、紡織、汽車、冶金以及交通等領(lǐng)域；

- 產(chǎn)品技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新、新品研發(fā)能力強(qiáng)。

- 深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)有限公司是專業(yè)生產(chǎn)高品質(zhì)、高精度測力傳感器廠家。主要產(chǎn)品有微型壓式傳感器、拉壓式柱式傳感器、螺桿拉壓式傳感器、S型拉壓力傳感器、軸銷傳感器、稱重測力傳感器、多維力傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器、壓力變送器（液壓傳感器）、變送器/放大器、控制儀表、以及手持儀等力控產(chǎn)品達(dá)百余種，并已獲得多項國家知識產(chǎn)權(quán)；

- 產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于10多種新型和智能化高端領(lǐng)域，包括工業(yè)自動化生產(chǎn)線、3C、新能源、機(jī)器人、機(jī)械制造、醫(yī)療、紡織、汽車、冶金以及交通等領(lǐng)域；

- 產(chǎn)品技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新、新品研發(fā)能力強(qiáng)。