一文读懂MEMS「微机电系统」

MEMS，增强人与物理世界的交互

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），中文称作微机电系统。它是利用半导体的加工技术将机械系统的尺寸缩小到毫米级，或微米级，再与微电路一起集成到芯片上。本质是将机械系统微型化，对工艺的要求较高，不同类型的MEMS产品都有独特的制造工艺和专属的封装形式。

与传统工艺制造的同类产品相比，MEMS具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、可以批量化生产、易于集成和实现智能化等优点。

经过40多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，并得到了大规模的商业化应用，包括消费电子、汽车、工业与通信、医疗健康、高可靠等各个领域。

产品类型多样，分为MEMS传感器和MEMS执行器

MEMS传感器

是应用最多的MEMS产品，用于检测物理、化学或生物现象的器件，其检测信号的类型多种多样，也衍生出了不同的MEMS传感器单品。

简单的说，MEMS传感器的核心，就是一颗微机械MEMS芯片（其内部包含了复杂的极微小型机械结构，具有较高定制化的特性）、加一颗集成电路专用芯片（ASIC）。前者负责将需要感知的外部信号，如位置、速度、压力、温度、湿度、声音、光学等等，转化为电容、电阻、电荷等信号，后者再将其进一步转化为电信号，并负责驱动MEMS芯片和进行外部通信等。

如，MEMS陀螺仪结构：MEMS芯片+ASIC芯片

MEMS执行器

是用来产生机械运动、力和转矩的器件。在结构上比MEMS传感器要简单许多，但对于材料及加工工艺的要求是很高的，如MEMS滤波器，目前5G射频前端用的滤波器的工艺就是MEMS。

MEMS产品分类

多角度，看MEMS的行业情况

从行业整体看

根据Yole的统计和预测，全球MEMS行业市场规模将从2021年的136亿美元增长到2027年的223亿美元，年复合增长率为9%。

从细分市场看

消费电子、汽车和工业市场是MEMS行业最大的三个细分市场。

从产品结构看

目前以MEMS传感器为主，其中的惯性传感器又是最大的细分产品，根据Yole的统计数据，2021年，其市场规模为35.09亿美元，占据MEMS整体行业的份额达到了25.81%。而在MEMS执行器中，射频器件市场规模最大。总的来说，MEMS的大规模应用主要集中在传感器和射频器件方向。

从全球竞争格局看

目前少数巨头企业占据了全球MEMS行业的主要市场，国内也面临较高的外资垄断份额和竞争挑战。根据Yole统计的数据，2021年世界MEMS产品市场份额主要集中在Honeywell（霍尼韦尔，美国）、ADI（美国，亚德诺）、Northrop Grumman/Litef（美国）等行业巨头手中，市场份额前三的公司合计占有50%以上的份额。

MEMS惯性传感器，最大的细分产品

MEMS惯性传感器，属于MEMS传感器的最大细分产品

主要包括陀螺仪（测量角速率，有大小有方向）、加速度计（测量线加速度，有大小有方向）、磁力计（用于测试磁场强度和方向，定位设备的方位，原理跟指南针类似）、以及惯性测量单元（IMU）（通常是3个轴向的MEMS陀螺仪+3个轴向的MEMS加速度计组合组成，可实现三维空间中对角速率和加速度的检测）四种类型。

根据Yole的报告，2021年世界MEMS惯性传感器市场规模约35.09亿美元，占据MEMS行业的25.81%。其中，MEMS陀螺仪和MEMS加速度计市场规模达到15.93亿美元，占MEMS惯性传感器规模的45.4%。

MEMS陀螺仪 ，第三代陀螺仪技术

陀螺仪

陀螺仪是测量角速率的一种器件。目前，市场上大量使用的陀螺仪主要包括第一代的激光陀螺仪、第二代的光纤陀螺仪和第三代的MEMS陀螺仪，三代技术均属于相对成熟的技术，并得到了广大的应用。而基于量子力学技术的第四代核磁共振陀螺、原子干涉陀螺等仍处于早期研究阶段。

MEMS陀螺仪三大技术指标

‍三代陀螺仪技术各有千秋，将保持长期生存

MEMS陀螺仪具有小型化、高集成、低成本、可批量生产的特点，虽然在精度上，较激光陀螺仪与光纤陀螺仪低，但后两者同样也面临体积大、价格高、抗机械冲击能力弱、难以大规模量产等痛点，同时更制约其下游应用行业朝小型化、低成本化、智能化发展。

目前，高性能MEMS陀螺仪的精度水平可以达到中低精度的激光陀螺仪和光纤陀螺仪的水平。未来随着其精度进一步提高，可在诸多战术级应用场景替代激光陀螺和光纤陀螺，并逐渐渗透导航级应用场景。

国际巨头和国内领先者的陀螺仪产品布局情况对比：

MEMS加速度计，领先企业均已布局

    加速度计是一种能够测量物体线加速度的器件。MEMS加速度计的产品构造与MEMS陀螺仪基本相同。

行业前景广阔，从三大市场来看怎么用

在高端工业、无人系统、高可靠等应用领域，主要适应于高性能MEMS惯性传感器，其核心壁垒主要是需要在复杂、多变的环境中持续保持高精度感知和传递外部环境变化。

自动驾驶，怎么用

现在的汽车系统中早已经搭载了多种MEMS惯性传感器，保障汽车驾驶的安全性能。如，最早应用的MEMS加速度计，用于监测汽车的行驶运动状态，在汽车突然减速情况下做出判断是否需要启动安全气囊，以及优化胎压监测（TPMS）传感器的电池寿命。在车身稳定系统上，则使用MEMS陀螺仪，以增强行车安全性。

现如今，汽车来到了自动驾驶时代。MEMS惯性测量单元（IMU）逐步得到了应用，用于自动驾驶并辅助GPS导航。IMU通常是由3个轴向的MEMS陀螺仪加3个轴向的MEMS加速度计组合组成，可实现三维空间中对角速率和加速度的检测，主要应用于惯性导航。在卫星信号较弱甚至丢失的情况下，结合IMU实时测量的加速度和角速率信息，可以动态确定自身位置变化，在短时间内仍可得到较高精度的位置信息，大大提高了用户体验。

惯性导航原理，不借助外源信息，也不向外发送任何信号

动中通，怎么用

动中通是对天线进行动态调整，使之保持与通讯卫星相对稳定的状态，从而保障通讯质量，常见的类型有车载、船载、机载和全自动便携站。

惯性传感器是动中通的核心部件，在运动过程中根据惯性测量信息自动控制天线的方位、仰角和极化角，确保天线的波束中心始终精确指向卫星，使系统在静态、高速、高动态下均可稳定运行，具有高机动性和高灵活性。

工业物联网，怎么用

各式各样的传感器共同组成了工业物联网的感知器官，其中高精度类的传感器是核心，保障系统稳定运行的同时，提供高质量的数据。

基于同样的原理，MEMS惯性传感器已在工业物联网中被广泛应用，包括有风力发电塔姿态监测、光伏发电太阳跟踪系统、电网塔架安全监测、水电大坝监测、机器振动监测、矿井矿山监测、工程机械监测等。

虽然目前我国在MEMS传感器领域的起步较晚，同国际巨头仍有一定的差距，但已经成为不可或缺的力量。