MEMS器件工作原理及市场现状

在集成电路行业不断发展的背景下，传统的集成电路无法持续地满足终端领域日益变化的需求，因此，微电子学、微机械学以及其他基础自然科学学科的相互融合之下，诞生了以集成电路工艺为基础，结合体微加工等技术打造的新型芯片，这就是MEMS。

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MEMS器件一览

MEMS器件介绍

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工作原理

集成电路的设计是为了利用硅的电学特性，而MEMS则利用硅的机械特性，或者说利用硅的电学和机械特性。MEMS传感器就是把一颗MEMS芯片和一颗专用集成电路芯片（ASIC芯片）封装在一块后形成的器件。一颗MEMS麦克风的主要器件是一颗MEMS芯片和一颗ASIC芯片，与基板、外壳等封装一起，就做成了一颗MEMS传感器。这也是大部分MEMS传感器的基础构造。MEMS芯片来将声音转化为电容、电阻等信号变化，ASIC芯片将电容、电阻等信号变化转化为电信号，由此实现MEMS传感器的功能——外界信号转化为电信号。

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MEMS器件类型

常见的MEMS器件产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。MEMS产品主要可以分为MEMS传感器和MEMS执行器。其中传感器是用于探测和检测物理、化学、生物等现象和信号的器件，而执行器是用于实现机械运动、力和扭矩等行为的器件。MEMS产品目前以传感器为主，MEMS执行器领域仅射频MEMS和喷墨打印头市场规模相对较大。MEMS传感器作为信息获取和交互的关键器件，目前已在消费电子、汽车、医疗、工业、通信、国防和航空等领域广泛应用。

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应用领域

MEMS器件的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

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差距原因

 

厂商差距显著

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技术瓶颈

设计MEMS器件的封装往往比设计普通集成电路的封装更加复杂，这是因为工程师常常要遵循一些额外的设计约束，以及满足工作在严酷环境条件下的需求。器件应该能够在这样的严苛环境下与被测量的介质非常明显地区别开来。这些介质可能是像干燥空气一样温和，或者像血液、散热器辐射等一样严苛。其他的介质还包括进行测量时的环境，例如，冲击、震动、温度变化、潮湿和EMI/RFI等。　

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人才积累

MEMS压力和惯性传感器都具有多品种、小批量的特点，技术经验和专业人才的积累是领先国内公司核心竞争力。目前国内缺乏从事MEMS压力传感器研发与量产的大型企业，全球MEMS压力传感器市场的市场份额仍然主要被博世、英飞凌、意法半导体等国外厂商占据。

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本身特质

 

MEMS的最大特点就是微型化，其体积和重量普遍较小，由于其独特的构造和物理特性，MEMS可以通过微细加工实现非常微弱的电学、光学、热学和机械效应。在MEMS系统中，所有的几何变形是如此之小(分子级)，以至于结构内应力与应变之间的线性关系(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的分子相互作用力引起的，而不是由于载荷压力引起，因此生产器件需要及其严苛的环境和相关技术的加持。

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MEMS器件市场现状

   

全球规模高速增长

整体来看，全球MEMS市场规模的收入从2020年的115亿美元增加到2021年的约136亿美元，同比增长17%。2021 年的收入是由消费和汽车应用的持续传感化以及医疗和工业终端市场及相关应用的进步推动的。由于芯片短缺和全球分配问题，惯性和压力MEMS等一些MEMS器件的ASP在2021年略有增长，为市场创造了额外的收入增长。随着物联网、云计算、大数据等高新科学技术的日益成熟，传统传感器由于体积较大、集成度低等劣势，已逐渐无法满足下游行业的需求。在此背景下，MEMS技术在传感器行业的运用日益提升，行业规模也得以迅速扩张。据资料显示，2021年全球MEMS行业市场规模约为136亿美元，同比增长12.9%。预计到2027年行业规模将增长至223亿美元。

国内市场不断扩大

随着近年来下游市场的快速发展及MEMS技术应用比例的不断提升，近年来我国MEMS行业发展迅速，已然成为全球MEMS市场发展最快的地区。据资料显示，2021年中国MEMS市场规模超过900亿元，同比增长超过20%，中国已成为全球MEMS产业最大单一市场，增速远高于全球平均水平，展现出了蓬勃发展的势头，2022年我国MEMS行业市场规模约为1044.3亿元，同比增长17.1%。

竞争格局明朗

从地域来看，在MEMS这个领域，依然是美国占据较强的地位，有接近一半的厂商是属于美国。欧洲也不逊色，有博世、意法半导体、恩智浦等。日本厂商以特色占有一席之地。中国靠麦克风市场（楼氏、歌尔微、瑞声科技）和代工市场（赛微电子）占据一定的地位。目前国内缺乏从事MEMS压力传感器研发与量产的大型企业，全球MEMS压力传感器市场的市场份额仍然主要被博世、英飞凌、意法半导体等国外厂商占据。目前已有少数企业已开始崭露头角，部分国内企业发力MEMS，已取得显著成果。敏芯作为中国最早成立的MEMS研发公司之一，现已拥有完整的芯片设计、晶圆制造、封装与测试等全产业链的自主研发设计能力，凭借完全自主设计的MEMS芯片与ASIC芯片成功打破了国外厂商长期垄断的格局。

总结

随着物联网、云计算、大数据等高新科学技术的日益成熟，传统传感器由于体积较大、集成度低等劣势，已逐渐无法满足下游行业的需求。与传统传感器相比，MEMS传感器具有微型化、重量轻、集成度高、智能化、低成本、功耗低、可大规模生产等优点，使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。在此背景下，MEMS技术在传感器行业的运用日益提升。目前，MEMS传感器已经广泛运用于消费电子、汽车、工业、医疗、通信等各个领域，随着人工智能和物联网技术的发展，MEMS传感器的应用场景将更加多元。

在国家政策的大力支持下，国内MEMS行业的研发与生产体系不断完善，各研发与生产环节的实力整体提升。各类产业园区和研究平台为完善国内MEMS行业的研发体系提供了基础。专业的晶圆制造和封装领域的企业逐渐加大对MEMS业务的投入，并与公司一起开发了MEMS产品相应生产环节的制造加工工艺。我国MEMS行业研发和生产体系不断完善，为国内MEMS行业的发展提供了良好的发展环境。 　
未来，MEMS器件需求将不断扩大，且国家大力支持半导体市场国产替代，在政策支持以及市场驱动下，半导体企业将不断加大技术、产品研发能力，逐渐缩小与国际领先企业之间差距，行业发展潜力巨大。   来源：半导体功率生态圈

 

审核编辑：黄飞