MEMS传感器的介绍、分类以及应用领域和发展态势

时间:2020-05-08 15:06来源:www.winsensor.com 作者:郑州炜盛科技 点击:

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanical System),它是指可批量制作的,将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。你可以把它理解为利用传统的半导体工艺和材料,用微米技术在芯片上制造微型机械,并将其与对应电路集成为一个整体的技术。所以它是以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术平台。

MEMS微机电系统相对于传统的机械,它们的尺寸更小,最大的不超过一个厘米,甚至仅仅为几个微米,其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料,电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术,可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺,进行大批量、低成本生产,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

MEMS传感器的出现极大的满足了大家对产品小体积、高性能的要求。

  MEMS传感器的分类  

MEMS传感器的种类繁多,分类方法也很多。下面是按照工作原理分类如下:

其中每一种MEMS传感器又有很多种细分方法。如加速度计,按检测质量的运动方式划分,有角振动式和线振动式加速度计等,种类繁多,常见的MEMS传感器有压力传感器、加速度传感器、微机械陀螺仪、惯性传感器、MEMS硅麦克风等等; MEMS传感器的品种多到可以以万为单位,且不同MEMS之间参量较多,没有完全标准的工艺。这种行业特性让MEMS传感器制造的企业前期的研发投入过大,单品种的销量很难放大。以惯性传感器为例,其市场盈亏平衡规模为月产1000万只,即企业须至少每月生产1000万只惯性传感器才能保持不亏本状态,根据调查,国内绝大多数企业都远低于这一规模。国内最大的纯MEMS传感器公司美新至今是亏损的。所以只有企业做的越大它的赢利能力才越强。

  MEMS传感器的应用  

MEMS传感器作为获取信息的关键器件,对各种传感装置的微型化起着巨大的推动作用,已在太空卫星、运载火箭、航空航天设备、飞机、各种车辆、生特医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。MEMS传感器典型应用如下图:

在智能手机上,MEMS传感器提供在声音性能、场景切换、手势识别、方向定位、以及温度/压力/湿度传感器等广泛的应用;在汽车上,MEMS传感器借助气囊碰撞传感器、胎压监测系统(TPMS)和车辆稳定性控制增强车辆的性能。;医疗领域,通过MEMS传感器研成功制出微型胰岛素注射泵,并使心脏搭桥移植和人工细胞组织成为现实中可实际使用的治疗方式;在可穿戴应用中,MEMS传感器可实现运动追踪、心跳速率测量等。

  MEMS传感器典型应用举例  

随着电子技术的发展,MEMS的应用领域越来越广泛,由最早的工业、军用航空应用走向普通的消费市场。 军用与航空属于所谓的高价值MEMS应用领域,但是这两个领域的用量太小了,一年也就四千万美金左右,增长空间也是有限的。医疗电子上的MEMS器件价值也不错,它的传感器的平均销售价格远高于其它可比的MEMS领域。总体来看,一年高价值MEMS产业的营业收入将达到3亿美元左右。但是应用最广泛的当属于汽车电子产业和消费电子应用市场,这两大领域占了MEMS传感器市场的60%以上。我们下面分析一下这两个主要的应用领域。

汽车电子MEMS传感器

汽车电子产业被认为是MEMS传感器的第一波应用高潮的推动者,MEMS传感器在汽车上应用的快速发展主要是受益于各国政府全面推出汽车安全规定(比如要求所有汽车采用TPMS系统)和汽车智慧化的发展趋势。全球平均每辆汽车包含10個传感器,在高档汽车中,大约采用25至40只MEMS传感器,车越好,所用的MEMS就越多,BMW740i汽车上就有70多只MEMS。MEMS传感器可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求。其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统(ABS)、电子车身稳定程序(ESP)、电控悬挂(ECS)、电动手刹(EPB)、斜坡起动辅助(HAS)、胎压监控(EPMS)、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等等。

目前,压力传感器、加速计、陀螺仪与流量传感器四类器件合计占汽车MEMS系统的99%。其五年增长率均在3-12%。MEMS压力传感器是汽车中应用最多的传感器,汽车用MEMS压力传感器的价格大概在5~7美元。在汽车领域,MEMS压力传感器营业收入2013年预计达到12.6亿美元,占当年总体产业营业收入的74%。至少18个汽车应用领域将促进压力传感器的增长,包括:轮胎压力,电子稳定控制系统中的刹车传感器,侧面气囊,与日益严格的排放标准相关的引擎控制,大气压力与废气再循环压力。

按销售额计算,最大的五种汽车MEMS应用按降序排名是:ESC,安全气囊,进气歧管绝对压力(MAP),TPMS与翻滚探测。

全球汽车MEMS营业收入预测 (以100万美元计)

总体来看,2010-2015年中国仍将是全球第三大汽车MEMS传感器用戶,领先于日本以及列入“其它地区”的众多国家。北美将继续位居第一,欧洲排名第二。预计2015年总体汽车MEMS销售额將达到30亿美元,比2012年的24亿美元增长25%。中国的汽车MEMS传感器远远快于全球的平均增长速度。15年中国汽车MEMS销售额将增长到3.879亿美元,而2010年是1.943亿美元。

汽车电子用MEMS感应器的厂商中,博世在汽车上MEMS传感器的成功不仅是他的技术水平高,产品线非常宽,也是最大的压力传感供应商和低压领域MEMS的头号供应商,尤其是在电子稳定控制(ESC)系统领域,该公司是加速计、陀螺仪和压力传感器的主要供应商。为了顺应趋势,把加速计与陀螺仪封装在一起(组合式传感器)以降低ESC系统生产商总体成本。

消费类电子MEMS传感器

随着消费电子领域大发展及产品创新不断涌现,特别是受益于智能手机和平板电板的快速发展,消费电子已经取代汽车领域成为MEMS最大的应用市场。

全球智能手机与平板电脑用MEMS市场

MEMS传感器在消费电子领域的应用包括运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数等等,这使其渗透力远远超过传统意义上的半导体芯片,这些MEMS技术都在很大程度上提高了用户体验。在所有的领域中,手机是MEMS最大的应用领域。应用最多的传感器是加速计、陀螺仪与MEMS硅麦克风,其中加速度计是该市场中第一大应用产品。而近期陀螺仪增长迅速,已经成为继加速度计后的第二大应用产品。MEMS麦克风销售额2014年已经接近10亿美元,IHS表示全球MEMS麦克风市场仍将连续5年维持18%的年复合成长率(CAGR)。还有一些MEMS传感器正处于研发阶段或刚进入市场的,例如磁力计、指纹传感器、环境传感器、MEMS手机摄像头等。

全球MEMS传感器厂商排名前30位,以及手机和平板电脑占各个厂商比例

由于消费电子MEMS传感器价格要求较低,很多厂家并没有进入这个应用领域,这未来留给了中国厂商的机会。排名第29名的是中国的歌尔电子,它的销售额主要是来自于MEMS硅麦克风,是全球排名第三的MEMS硅麦克风。来自另外一家中国MEMS传感器厂家,美新半导体公司并没有上榜,美新半导体公司的2012年的销售额是6400万美金,应该是接近这个榜单。

  MEMS传感器市场发展态势  

美国著名市场研究公司Yole Développement预测,在今后5到10年内,消费类MEMS主要应用领域仍然是智能手机以及平板电脑。但是MEMS的应用领域将逐渐扩大,包括正在兴起的可穿戴设备、物联网等。虽然可穿戴设备现在它的比例还比较小,目前还不到10%,现在苹果、三星、华为都已经纷纷推出了一些可穿戴式产品,有点像当初的智能手机刚推出进的状态,未来肯定会成为MEMS传感器增长最快的市场还有关于物联网,可能要5到10年以后,智能家居、智能城市有了很好的发展,物联网在MEMS传感器应用方面会有很好的发展,但是在这之前很难看到在物联网方面MEMS传感器的发展。

由于MEMS传感器在消费端的应用已经由高端市场逐步扩散到一些低端手机、可穿戴式设备。这一块的应用市场未来也很大。中国MEMS公司由于与国际大公司的技术差距,未来会集中“进攻”低端消费MEMS领域。在这些要求不高的领域还是有很强的竟争力。

  中国的MEMS传感器行业政策的支持  

MEMS传感器是属于集成电路行业,中央与地方政府开始着力扶持集成电路(芯片)产业,无论从资金规模还是扶持思路上都是空前的。

1、3月5日,国务院总理李克强在今年两会上的政府工作报告中,首次提到集成电路(芯片)产业。

2、3月4日,上海市经信委则启动了集成电路设计人员专项奖励工作。此外,江苏、深圳等省市可能都将在两会后出台百亿产业基金,由政府牵头,吸纳社会资本。

3、2014年6月,国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》

4、2014年4月23日国家成立了1200亿元国家级芯片产业扶持基金。

总结:

1、MEMS传感器相对传统的传感器有很多的优势,广泛的应用在了消费类电子、医疗保健、汽车工业等行。

2、由于MEMS传感器行业的品种多达上万种,研发投入过大,单品种的销量很难放大,所以只有大企业才能赢利。

3、MEMS传感器已在消费电子产品、汽车工业、医疗保健、机器人及自动化工业、太空卫星、运载火箭、航空航天设备等领域有着广泛的应用,其中消费类电子已经成为了MEMS传感器的第一大应用市场,2014年全球销售额已达30亿美元。

4、汽车领域MEMS传感器前10名厂商的合计营业收入为21亿美元,去年总体汽车MEMS产业营业收入为23亿美元,10大厂商合计份额接近94%集中度非常高。是因为汽车上的使用的安全性能要求高,只有少数厂家能达到要求。

5、消费电子是MEMS最大的应用市场。厂商的集中度相对较低,是因为消费类的MEMS传感器要求较低。

6、MEMS传感器在低端消费电子的应用也很大,如一些低端手机、可穿戴式设备,中国的MEMS传感器与国际大公司还是有差距,中国MEMS企业未来在中低端的消费类市场还是有机会。

7、国家对MEMS传感器行业的政策支持力度非常大。

 

声明:文章观点仅代表作者本人,不代表本站立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容图片侵权或者其他问题,请联系本站作者侵删。