MEMS的全稱是微型電子機械系統(Micro-ElectroMechanical System),相對于傳統的機械,它們的尺寸更小,最大的不超過一個厘米,甚至僅僅為幾個微米,其厚度就更加微小。采用以硅為主的材料,電氣性能優良,硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當,密度與鋁類似,熱傳導率接近鉬和鎢。采用與集成電路(IC)類似的生成技術,可大量利用IC生產中的成熟技術、工藝,進行大批量、低成本生產,使性價比相對于傳統“機械”制造技術大幅度提高。
微機電系統是指可批量制作的,將微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統。你可以把它理解為利用傳統的半導體工藝和材料,用微米技術在芯片上制造微型機械,并將其與對應電路集成為一個整體的技術。所以它是以半導體制造技術為基礎發展起來的一種先進的制造技術平臺
MEMS傳感器的分類:
MEMS傳感器的種類繁多,分類方法也很多。下面是按照工作原理分類如下:
其中每一種MEMS傳感器又有很多種細分方法。如加速度計,按檢測質量的運動方式劃分,有角振動式和線振動式加速度計等,種類繁多,常見的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機械陀螺儀、慣性傳感器、MEMS硅麥克風等等;MEMS傳感器的品種多到可以以萬為單位,且不同MEMS之間參量較多,沒有完全標準的工藝。這種行業特性讓MEMS傳感器制造的企業前期的研發投入過大,單品種的銷量很難放大。以慣性傳感器為例,其市場盈虧平衡規模為月產1000萬只,即企業須至少每月生產1000萬只慣性傳感器才能保持不虧本狀態,根據調查,國內絕大多數企業都遠低于這一規模。國內最大的純MEMS傳感器公司美新至今是虧損的。所以只有企業做的越大它的贏利能力才越強。
MEMS傳感器的應用:
MEMS傳感器作為獲取信息的關鍵器件,對各種傳感裝置的微型化起著巨大的推動作用,已在太空衛星、運載火箭、航空航天設備、飛機、各種車輛、生特醫學及消費電子產品等領域中得到了廣泛的應用。MEMS傳感器典型應用如下圖。
在智能手機上,MEMS傳感器提供在聲音性能、場景切換、手勢識別、方向定位、以及溫度/壓力/濕度傳感器等廣泛的應用;在汽車上,MEMS傳感器借助氣囊碰撞傳感器、胎壓監測系統(TPMS)和車輛穩定性控制增強車輛的性能。;醫療領域,通過MEMS傳感器研成功制出微型胰島素注射泵,并使心臟搭橋移植和人工細胞組織成為現實中可實際使用的治療方式;在可穿戴應用中,MEMS傳感器可實現運動追蹤、心跳速率測量等。
MEMS傳感器典型應用舉例:
隨著電子技術的發展,MEMS的應用領域越來越廣泛,由最早的工業、軍用航空應用走向普通的消費市場?!≤娪门c航空屬于所謂的高價值MEMS應用領域,但是這兩個領域的用量太小了,一年也就四千萬美金左右,增長空間也是有限的。醫療電子上的MEMS器件價值也不錯,它的傳感器的平均銷售價格遠高于其它可比的MEMS領域??傮w來看,一年高價值MEMS產業的營業收入將達到3億美元左右。但是應用最廣泛的當屬于汽車電子產業和消費電子應用市場,這兩大領域占了MEMS傳感器市場的60%以上。我們下面分析一下這兩個主要的應用領域。
汽車電子MEMS傳感器:
汽車電子產業被認為是MEMS傳感器的第一波應用高潮的推動者,MEMS傳感器在汽車上應用的快速發展主要是受益于各國政府全面推出汽車安全規定(比如要求所有汽車采用TPMS系統)和汽車智慧化的發展趨勢。全球平均每輛汽車包含10個傳感器,在高檔汽車中,大約采用25至40只MEMS傳感器,車越好,所用的MEMS就越多,BMW740i汽車上就有70多只MEMS。MEMS傳感器可滿足汽車環境苛刻、可靠性高、精度準確、成本低的要求。其應用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統(ABS)、電子車身穩定程序(ESP)、電控懸掛(ECS)、電動手剎(EPB)、斜坡起動輔助(HAS)、胎壓監控(EPMS)、引擎防抖、車輛傾角計量和車內心跳檢測等等。
目前,壓力傳感器、加速計、陀螺儀與流量傳感器四類器件合計占汽車MEMS系統的99%。其五年增長率均在3-12%。MEMS壓力傳感器是汽車中應用最多的傳感器,汽車用MEMS壓力傳感器的價格大概在5~7美元。在汽車領域,MEMS壓力傳感器營業收入2013年預計達到12.6億美元,占當年總體產業營業收入的74%。至少18個汽車應用領域將促進壓力傳感器的增長,包括:輪胎壓力,電子穩定控制系統中的剎車傳感器,側面氣囊,與日益嚴格的排放標準相關的引擎控制,大氣壓力與廢氣再循環壓力。
按銷售額計算,最大的五種汽車MEMS應用按降序排名是:ESC,安全氣囊,進氣歧管絕對壓力(MAP),TPMS與翻滾探測。
全球汽車MEMS營業收入預測(以100萬美元計)
總體來看,2010-2015年中國仍將是全球第三大汽車MEMS傳感器用戶,領先于日本以及列入“其它地區”的眾多國家。北美將繼續位居第一,歐洲排名第二。預計2015年總體汽車MEMS銷售額將達到30億美元,比2012年的24億美元增長25%。中國的汽車MEMS傳感器遠遠快于全球的平均增長速度。15年中國汽車MEMS銷售額將增長到3.879億美元,而2010年是1.943億美元。
汽車電子用MEMS感應器廠商分析:
2012年10大汽車MEMS傳感器供應商的營業收入(以百萬美元計)
如表1所示,博世2012年汽車MEMS營業收入高達6.25億美元,遙遙領先于第二名日本Denso的2.96億美元。前10名廠商的合計營業收入為21億美元,去年總體汽車MEMS產業營業收入為23億美元,10大廠商合計份額接近94%。所以汽車用MEMS的產業集中度是非常高的。沒有一家來自中國的廠家。
博世在汽車上MEMS傳感器的成功不僅是他的技術水平高,產品線非常寬,不僅是最大的壓力傳感供應商,也是低壓領域MEMS的頭號供應商,尤其是在電子穩定控制(ESC)系統領域,該公司是加速計、陀螺儀和壓力傳感器的主要供應商。為了順應趨勢,把加速計與陀螺儀封裝在一起(組合式傳感器)以降低ESC系統生產商總體成本.
消費類電子MEMS傳感器:
隨著消費電子領域大發展及產品創新不斷涌現,特別是受益于智能手機和平板電板的快速發展,消費電子已經取代汽車領域成為MEMS最大的應用市場。
全球智能手機與平板電腦用MEMS市場
MEMS傳感器在消費電子領域的應用包括運動/墜落檢測、導航數據補償、游戲/人機界面、電源管理、GPS增強/盲區消除、速度/距離計數等等,這使其滲透力遠遠超過傳統意義上的半導體芯片,這些MEMS技術都在很大程度上提高了用戶體驗。在所有的領域中,手機是MEMS最大的應用領域。應用最多的傳感器是加速計、陀螺儀與MEMS硅麥克風,其中加速度計是該市場中第一大應用產品。而近期陀螺儀增長迅速,已經成為繼加速度計后的第二大應用產品。MEMS麥克風銷售額2014年已經接近10億美元,IHS表示全球MEMS麥克風市場仍將連續5年維持18%的年復合成長率(CAGR)。還有一些MEMS傳感器正處于研發階段或剛進入市場的,例如磁力計、指紋傳感器、環境傳感器、MEMS手機攝像頭等。
中國的MEMS傳感器行業政策的支持
MEMS傳感器是屬于集成電路行業,中央與地方政府開始著力扶持集成電路(芯片)產業,無論從資金規模還是扶持思路上都是空前的。
1、3月5日,國務院總理***在今年兩會上的政府工作報告中,首次提到集成電路(芯片)產業。
2、3月4日,上海市經信委則啟動了集成電路設計人員專項獎勵工作。此外,江蘇、深圳等省市可能都將在兩會后出臺百億產業基金,由政府牽頭,吸納社會資本。
3、2014年6月,國務院印發《國家集成電路產業發展推進綱要》
4、2014年4月23日國家成立了1200億元國家級芯片產業扶持基金。
總結:
1、MEMS傳感器相對傳統的傳感器有很多的優勢,廣泛的應用在了消費類電子、醫療保健、汽車工業等行。
2、由于MEMS傳感器行業的品種多達上萬種,研發投入過大,單品種的銷量很難放大,所以只有大企業才能贏利。
3、MEMS傳感器已在消費電子產品、汽車工業、醫療保健、機器人及自動化工業、太空衛星、運載火箭、航空航天設備等領域有著廣泛的應用,其中消費類電子已經成為了MEMS傳感器的第一大應用市場,2014年全球銷售額已達30億美元。
4、汽車領域MEMS傳感器前10名廠商的合計營業收入為21億美元,去年總體汽車MEMS產業營業收入為23億美元,10大廠商合計份額接近94%集中度非常高。是因為汽車上的使用的安全性能要求高,只有少數廠家能達到要求。
5、消費電子是MEMS最大的應用市場。Yole Developpement研究報告預測,2013至2018年間,全球MEMS消費類傳感器市場將以18.5%的年復合增長率增長,到2018年將達到64億美元。廠商的集中度相對較低,是因為消費類的MEMS傳感器要求較低。
6、2014年MEMS傳感器市場規模達到130億美元,預計到2018年,MEMS市場產值將以12%~13%的復合增長率增長至225億美元,單位出貨量達到23.5億。
7、MEMS傳感器在低端消費電子的應用也很大,如一些低端手機、可穿戴式設備,中國的MEMS傳感器與國際大公司還是有差距,中國MEMS企業未來在中低端的消費類市場還是有機會。
8、國家對MEMS傳感器行業的政策支持力度非常大。
評論