1.1 什么是MEMS
? 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機(jī)電系統(tǒng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)。微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)（半導(dǎo)體制造技術(shù)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件。MEMS是一個(gè)獨(dú)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(jí)。例如，常見(jiàn)的MEMS產(chǎn)品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。一個(gè)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(fù)責(zé)感知信號(hào)，將測(cè)量量轉(zhuǎn)化為電阻、電容等信號(hào)變化；ASIC芯片負(fù)責(zé)將電容、電阻等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其中涉及到信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大等功能。
? MEMS側(cè)重于超精密機(jī)械加工，涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。它的學(xué)科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學(xué)、機(jī)械學(xué)的各分支。
? 常見(jiàn)的產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)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(jī)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(hào)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(dāng)今科學(xué)技術(shù)的許多尖端成果，它將感知信息處理與執(zhí)行機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)。在微米量級(jí)的特征尺寸MEMS傳感器可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。因此，MEMS傳感器正逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的主導(dǎo)地位，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
? 中國(guó)MEMS傳感器市場(chǎng)的起步和發(fā)展與中國(guó)3C產(chǎn)品(包括計(jì)算機(jī)、通信和消費(fèi)類電子產(chǎn)品)及汽車電子產(chǎn)品保持快速增長(zhǎng)、全球電子整機(jī)產(chǎn)業(yè)向中國(guó)轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。近年來(lái)，隨著消費(fèi)電子、汽車電子產(chǎn)品等下游行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)MEMS傳感器市場(chǎng)需求旺盛，歷年持續(xù)保持快速增長(zhǎng)。
? 根據(jù)Omdia的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全球MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到184.77億美元，2017-2022年復(fù)合增長(zhǎng)率為5.77%。
根據(jù)中科飛龍的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，2022年中國(guó)MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到982.1億元，同比增長(zhǎng)15.1%，預(yù)計(jì)到2025年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1571.3億元，2022-2025年復(fù)合增長(zhǎng)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(xué)、生物等領(lǐng)域信號(hào)的探測(cè)，較為常見(jiàn)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(fēng)等。
? 目前 MEMS 傳感器在消費(fèi)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(shí)科技強(qiáng)國(guó)基礎(chǔ)，MEMS傳感器無(wú)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(shí)變形。可以利用應(yīng)變儀（壓阻型感測(cè)）來(lái)測(cè)量這種形變，也可以通過(guò)電容感測(cè)兩個(gè)面之間距離的變化來(lái)加以測(cè)量。這兩種方法都很流行，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用比較結(jié)實(shí)的壓阻方法。
? 常見(jiàn)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(dòng)態(tài)特性好、耐腐蝕、零位小等優(yōu)點(diǎn)? 隨著MEMS壓力傳感器的出現(xiàn)和普及，智能手機(jī)中用壓力傳感器也越來(lái)越多，主要用來(lái)測(cè)量大氣壓力。測(cè)量大氣壓的目的，是為了通過(guò)不同高度的氣壓，來(lái)計(jì)算海拔高度，同GPS定位信號(hào)配合，實(shí)現(xiàn)更為精確的三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級(jí)數(shù)等都可以檢測(cè)。
? MEMS壓力傳感器的原理也非常簡(jiǎn)單，核心結(jié)構(gòu)就是一層薄膜元件，受到壓力時(shí)變形，形變會(huì)導(dǎo)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(lái)測(cè)量這種形變，進(jìn)而計(jì)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(dāng)受到壓力時(shí)，上下兩個(gè)橫隔(傳感器橫隔上部、傳感器下部)之間的間距變化，導(dǎo)致隔板之間的電容變化，據(jù)此可以測(cè)算出壓力大小。
? 下圖是一種電阻式MEMS壓力傳感器的工作動(dòng)圖，由一個(gè)帶有硅薄膜的底座和安裝在其上的電阻結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)外力施加時(shí)，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測(cè)量值。
2.1.2 MEMS壓力傳感器市場(chǎng)規(guī)模
? 根據(jù)Yole Intelligence的
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年壓力傳感器是MEMS傳感器中銷售額最高的細(xì)分市場(chǎng)，也是銷售量第二大的細(xì)分市場(chǎng)，僅次于硅麥克風(fēng)。MEMS壓力傳感器的市場(chǎng)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(yù)計(jì)將于2027年增長(zhǎng)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(jī)、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(cè)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(cè)量的敏感性和線性度之間的矛盾，不斷提高微壓傳感器測(cè)量精度，一種新型的FBBM結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，該結(jié)構(gòu)包含了 4 個(gè)短梁和一個(gè)位于中心的方形凸塊，通過(guò)減少傳感膜結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)程度達(dá)到進(jìn)一步降低壓力的非線性，并提高了壓阻靈敏度，達(dá)到了提升微壓MEMS傳感器精度的目標(biāo)。
? 為滿足航空航天領(lǐng)域中在惡劣環(huán)境中的無(wú)源無(wú)線壓力傳感需求，一種基于藍(lán)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(shí)，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(shí)現(xiàn)了將輕微壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(jī)械制造、國(guó)防工業(yè)、計(jì)量等。
? 隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及工業(yè)化水平的提高，各行業(yè)對(duì)數(shù)字壓力檢測(cè)的需求增長(zhǎng)較快；科技水平的提高以及產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)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(cè)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、汽車、船舶、消費(fèi)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(jì)和MEMS慣性測(cè)量單元（IMU），均包含一顆微機(jī)械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過(guò)慣性技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡的感知。陀螺儀和加速度計(jì)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(shì)，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(yùn)動(dòng)的角速率，加速度計(jì)用于感知物體運(yùn)動(dòng)的線加速度，二者輔以時(shí)間維度進(jìn)行運(yùn)算后可得出物體相對(duì)于初始位置的偏離，進(jìn)而獲得物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括當(dāng)前位置、方向和速度。
2.2.1 MEMS陀螺儀
? MEMS陀螺儀是測(cè)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(dǎo)航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、平臺(tái)穩(wěn)定等應(yīng)用領(lǐng)域。
? 利用振動(dòng)質(zhì)量塊被基座（儀表殼體）帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的哥式效應(yīng)來(lái)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(fù)大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
