MEMS行业作为基于集成电路技术演化而来的新兴子行业，这几年发展迅速。如今，MEMS传感器和执行器已成为日常生活的一部分，近些年，大多数MEMS厂商迎来了可观的增长，国内传感器产业也越来越热闹，多家传感器企业获得资本青睐融资成功。
众所周知，传感器细分领域众多，但是貌似资本更关注以MEMS技术为主的智能传感器、激光雷达以及图像传感器等赛道。与传统的机械传感器相比，MEMS传感器具有体积小、集成化、智能化、低成本等优点，可以满足物联网时代对于传感器的要求。
MEMS作为半导体产业的后起之秀，有人把它看作中国半导体的另一突破口，行业发展潜力巨大。那么国产MEMS厂商与国外巨头的差距如何？MEMS市场情况和竞争格局如何？MEMS器件的未来应用在哪里？今天我们一起了解一下。
一、MEMS概述
MEMS即微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem），是利用大规模集成电路制造技术和微加工技术，把微传感器、微执行器、微结构、信号处理与控制电路、电源以及通信接口等集成在一片或者多片芯片上的微型器件或系统。
MEMS器件种类众多，主要分为MEMS传感器和MEMS执行器。MEMS传感器可以感知和测量物体的特定状态和变化，并按一定规律将被测量的状态和变化转变为电信号或者其它可用信号，MEMS执行器则将控制信号转变为微小机械运动或机械操作。
经过40多年的发展，MEMS从实验室走向实用化，已广泛应用于消费电子、汽车、工业与通信、医疗健康、高可靠等各个领域。基于MEMS技术的系统设备大大增强了人们与物理世界交互的能力，极大地改变了人们的生活方式。
二、MEMS 行业发展历程与3次产业浪潮
MEMS 起源可追溯至 20 世纪 50 年代，硅的压阻效应被发现后，学者们开始了对硅传感器的研究。然而，MEMS 产业真正发展始于 20 世纪 80 年代，前后经历了 3 次产业化浪潮。
20 世纪 80 年代至 90 年代：1983 年 Honeywell 利用大型刻蚀硅片结构和背蚀刻膜片制作了集成压力传感器，将机械结构与电路集成在一个芯片内。80 年代末至 90 年代，汽车行业的快速发展，汽车电子应用如安全气囊、制动压力、轮胎压力监测系统等需求增长，巨大利润空间驱使欧洲、日本和美国的企业大量生产 MEMS，推动了 MEMS 行业发展的第一次浪潮。
20 世纪 90 年代末至 21 世纪初：本阶段早期，喷墨打印头和微光学器件的巨大需求促进了 MEMS 行业的发展。而 2007 年后，消费电子产品对 MEMS 的强劲需求，手机、小家电、电子游戏、远程控制、移动互联网设备等消费电子产品要求体积更小且功耗更低的 MEMS 相关器件，对 MEMS 产品需求更大，掀起了 MEMS 行业发展的第二次产业化浪潮，并将持续推动 MEMS 行业向前发展。
2010 年至今：产品应用的扩展，使 MEMS 行业呈现新的趋势。MEMS 产品逐步应用于物联网、可穿戴设备等新领域，应用场景日益丰富，正渐渐覆盖人类生活的各个维度。此外，MEMS 是当前移动终端创新的方向，新的设备形态（如可穿戴设备）需要更加微型化的器件和更为便捷的交互方式。
然而，物联网、可穿戴设备应用助推 MEMS 第三次产业化浪潮的同时，行业仍然面临来自产品规格、功率消耗、产品整合以及成本等方面的压力，MEMS 产品及相关技术亟待持续改进，以满足更小、更低能耗、更高性能的需求。
三、MEMS产业链
与芯片产业一样，MEMS产业链也分上游设计、中游制造、下游封装测试三大环节。其中，有部分实力强劲的垂直整合制造厂商会参与到整条产业链各环节。不过，我国MEMS产业链虽然完备，但技术起步较晚，产品精度、敏感度等性能还处在快速追赶阶段。
1、上游设计
MEMS的设计综合了材料、结构、光学等学科，且需要考虑其制造、封装工艺、低成本、智能化等实际需求，要借助计算机辅助设计，通过复杂的试验验证设计方案可行性，方能满足各项严苛要求。上游设计企业现具备一定创新能力，但业务同质化，产品定位中低端，规模偏小。该环节附加值较高，国内产品以力学传感器为主，因此多数企业年营收在亿级以下。
2、中游制造
MEMS制造需具有独特专有的设备开发技术，目前，国内MEMS中游代工厂仍处成长期，代工产能有限、能力较为薄弱，国内具备规模的设计企业基本出海代工。在MEMS专业代工方面，国内企业通过并购、新设生产线等方式逐步进军。
3、下游封测
下游外购MEMS设计封测模式成熟，国内的声感MEMS具备国际竞争力。中国MEMS封装测试起步早，已诞生一批优秀MEMS麦克风企业，他们通过购买海外设计MEMS IP，委托代工并自行封测销售，直达下游，品牌影响力强，具备全球TOP30竞争力。
当前，MEMS发展受下游产业拉动大。随着物联网、数字孪生、AI等智能场景发展，MEMS还在继续呈现小型化、高精度等升级趋势。
四、MEMS器件分类
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。
五、MEMS国内外差距原因
1、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。
2、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。
3、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，因此生产器件需要极其严苛的环境和相关技术的加持。
六、MEMS器件市场现状
1、全球规模高速增长
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。
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，2021-2027年复合增长率为9.00%。
2、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%。
3、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传感器研发与量产的大型企业，全球MEMS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。
七、MEMS的应用领域
MEMS传感器能适应性强，能在各种恶劣条件下工作，并且其具备成本低、精度高、多元化的优势，因此MEMS的应用渗透到各行各业当中。随着物联网、工业4.0、元宇宙、云计算等产业进一步发展，将持续带动MEMS在核心场景的落地。
1、消费电子
消费电子是指可供消费者日常使用的电子设备，随着消费电子领域发展及产品创新不断涌现，消费电子已成为MEMS最大的应用市场。同时，与人们日常生活关联也最为密切。
在可穿戴设备层面，小米Mi Band使用了ADI MEMS加速度、心率传感器，实现运动和心率监测；Apple Watch 也运用MEMS加速度计、陀螺仪、麦克风及脉搏传感器。
智能穿戴设备VR/AR需要高精测定头部转动速度、角度、距离，MEMS加速度计、陀螺仪、磁力计的组合几乎是行业标配，甚至部分厂商还使用了MEMS眼球追踪技术；无人机则结合加速度计和陀螺仪，计算角度变化，确定位置、飞行姿态，实现在各种环境下自如飞行。
2、智能驾驶
在汽车领域，MEMS也有广泛成熟的应用，以提升驾驶体验和车辆安全性。
例如，安全气囊就同时采用了正面碰撞的高G加速度传感器和侧面碰撞的压力传感器；汽车发动机通过绝对压力传感器和流量传感器来检测进气量的进气歧管；部分汽车轮胎制造商还会在轮胎中埋置MEMS微型压力传感器，以免轮胎充气不足或过量导致驾驶事故。
另外一些汽车领域较新的MEMS应用，主要集中在车联网。在主动安全领域中，侧翻与稳定性控制可以通过MEMS加速度、角速度传感器来探测车身姿态；在人车交互领域中，MEMS麦克风可为驾驶员提供更好的交互体验；在精确导航中，微陀螺仪角速率传感器能够实现GPS信号补偿和汽车地盘控制系统，借此指示方向盘转动是否到位，是否存在脱轨、错轨风险。
除此之外，在越来越自动化的驾驶中，超声波、图像、毫米波雷达、激光雷达、夜视仪、3D感知等均应用到MEMS传感器。
3、智慧医疗
在智慧医疗场景中，远程医疗、智能医疗，结合大数据、云服务的医疗进阶应用也大量使用MEMS医疗感测元器件。
随着体外诊断、药物研究、病患监测、给药方式以及植入式医疗器械等领域发展，医疗设备需要迅速提高性能、降低成本、缩小尺寸。而MEMS技术可使医疗设备做到微型化，医疗检测、诊断、手术和治疗过程可以更加便捷、精准、微创甚至无痛。
MEMS压力传感器可以检测包括血压、眼内压、颅内压、子宫内压等在内的人体器官压力水平；MEMS惯性器件主要用于心脏病治疗设备；而MEMS图像传感器则普遍应用于包括CT扫描、内窥镜在内的医学成像设备中。
4、航空航天
在航空航天领域，MEMS的应用主要有状态传感器和环境传感器。状态传感器主要针对飞机姿态、燃料用量、生命活动、各种活动机件的即时位置等进行监测；环境传感器主要针对温湿度、氧气浓度、流量大小等方面进行测量。
通过提供有关航天器的工作信息，MEMS传感器可对飞机重要运行部件的精准测量、监控，起到故障诊断、系统自检、协调各子系统、模拟飞行等功能，在验证设计方案、提供飞行操作决策依据、保障正常飞行等场景发挥重要作用。
总体来看，MEMS的发展有扎实下游需求基础，其技术也随着科技发展在不断迭代更新。未来，在AI、VRAR、智能驾驶、智慧医疗、航空航天等产业拉动下，MEMS需求还将稳步提升，MEMS 传感器的应用也将为我们打开更大的想象空间。
