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引言

MEMS，全稱Micro Electromechanical System，微機電系統。是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。

MEMS最初大量用于汽車安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應用在汽車的各個領域，隨著MEMS技術的進一步發展，以及應用終端“輕、薄、短、小”的特點，對小體積高性能的MEMS產品需求增勢迅猛，消費電子、醫療等領域也大量出現了MEMS產品的身影。

02

MEMS傳感器的類別：

MEMS 傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。它具有體積小、質量輕、成本低、功耗低、可靠性高、技術附加值高, 適于批量化生產、易于集成和實現智能化等特點。MEMS 傳感器和IC芯片最大的區別在于：MEMS 是可動結構，利用微納加工技術同時加工出機械結構和電路系統。如圖1中所示，是目前市場中常見的一些MEMS傳感器，并且隨著MEMS傳感器的不斷發展，還出現了許多從前沒有的MEMS傳感器，如流體黏度傳感器，密度傳感器等等。

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MEMS傳感器的市場規模與發展

自2015年開始MEMS傳感器市場規模穩步提升[2]，產品需求大幅增加，在物聯網的發展和智能終端領域也得到廣泛應用，傳感器產品需求大幅增加，重心逐漸轉向技術含量較高的MEMS傳感器領域。在 MEMS 傳感器應用前景良好和國產化進程提速背景下，未來我國 MEMS 傳感器市場前景廣闊。前瞻產業研究院結合之前的發展數據預測，未來幾年我國MEMS傳感器市場規模年均增速保持在15%左右，預測到2025 年我國 MEMS 傳感器市場將達到 1488.6 億元[3]。

圖2：2015—2020年MEMS傳感器市場規模[2]

圖3：2020-2025年中國MEMS傳感器行業市場規模預測[3]

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常見的MEMS傳感器

以手機和汽車為例，根據博世的統計數據表示，2021年，一部5G手機大概消耗20個MEMS傳感器，一輛汽車，大概消耗50個以上MEMS傳感器，其中加速計、壓力傳感器、陀螺儀的應用合計占比超過95%，接下來，對這些常見的MEMS傳感器進行一個簡單的介紹

（1）MEMS壓力傳感器

壓力傳感器作為MEMS的頭號傳感器，在市場中占有巨大的份額，MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到壓力時會產生變形，常常通過壓阻或者電容的形式將形變轉化為電信號，再經過過轉換元件和轉換電路，輸出與壓力成線性關系的電流或者電壓信號。壓阻式和電容式這兩種方法都很流行，在工藝和性能上，壓阻式工藝復雜，溫度特性較差，電容式除了具有低溫度系數，零靜態功耗等優勢，還具有靈敏度高、線性度好、后續處理電路易于設計等優點，此外，除了電容式和壓阻式外，還有諧振式壓力傳感器等其他工作原理的MEMS壓力傳感器。MEMS壓力傳感器的應用領域包括:汽車、醫療和工業等，典型的應用比如：汽車的胎壓監測

（2）MEMS加速度傳感器

加速度傳感器的原理隨其應用而不同，有壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。以壓阻式MEMS加速度傳感器為例，其制作方法，是通過注入、推進、氧化的創新工藝來制作壓敏電阻；采用KHO各向異性深腐蝕來形成質量塊；并使用AES來釋放梁和質量塊；最后利用鍵合工藝來得到所需的“三明治”結構[4]。

圖4：MEMS壓阻式加速度傳感器結構[4]

（3）MEMS陀螺儀

微機械陀螺儀的設計和工作原理可能各種各樣，但是公開的微機械陀螺儀均采用振動物體傳感角速度的概念。利用振動來誘導和探測科里奧利力而設計的微機械陀螺儀沒有旋轉部件、不需要軸承，已被證明可以用微機械加工技術大批量生產，一般的微機械陀螺儀由梳子結構的驅動部分和電容板形狀的傳感部分組成，有的設計還帶有去驅動和傳感耦合的結構。MEMS陀螺儀常用于汽車旋轉速度的測量，與加速度傳感器一起組成主動控制系統。

圖5：MEMS陀螺儀[5]

（4）MEMS密粘度傳感器

粘密度作為流體的重要特性，描述了流體的流動特性和質量關系，目前市面上的粘密度計，主要針對的應用領域包括：實驗室測量，流體粘度、密度、濃度、質量監測/測量等，比較典型的包括：燃油質量監測，食品包裝氣監測，焊接氣體濃度監測，醫藥生產鏈的材料流體密度、濃度監測等等，與傳統的粘度測量方法（毛細管法、落球法和旋轉法等）和密度測量方法（氣量計、比重瓶和浮力法等）不同，MEMS粘密度傳感器常用的測量原理是采用諧振式的微懸臂梁結構，通過讓流體與懸臂之間發生諧振，利用諧振頻率與流體粘密度間關系，結合轉換模塊，將流體的粘密度數據轉換為數字信號。（圖為MEMS粘密度傳感器的芯片）

得益于核心部件的小巧精致，MEMS粘密度傳感器的體積小，結構緊湊，易于集成。圖為虹科液體粘密度傳感器DLO-M1

圖7：虹科液體粘密度傳感器DLO-M1[7]

參考文獻：

[1]王淑華. MEMS傳感器現狀及應用[J]. 微納電子技術,2011,48(08):516-522.

[2]韓允. MEMS傳感器的發展概況[J]. 電子產品世界,2019,26(01):4-8.

[3] 本土傳感器產業現狀、挑戰與建議 作者：李晨光

[4] MEMS加速度傳感器的原理與構造介紹 傳感器技術

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