包含航天航空，國防！盤點MEMS傳感器的六大趨勢與四大新興應(yīng)用領(lǐng)域

本文主要探討MEMS傳感器的發(fā)展趨勢以及現(xiàn)在主要的應(yīng)用幾個重要領(lǐng)域。MEMS傳感器是一種新型的傳感器技術(shù)，是多學科領(lǐng)域交叉的前沿科技技術(shù)。 MEMS突出的優(yōu)點是利用微電子技術(shù)把傳感器、執(zhí)行器和處理電路這三部分集成在一起，組成單片集成傳感器或系統(tǒng)，更可以實現(xiàn)傳感器芯片的大規(guī)模批量制造，已廣泛用于信息、汽車、消費、工控等領(lǐng)域，并成為國際競爭的戰(zhàn)略制高點。 究其傳感器和MEMS的發(fā)展過程，二十世紀六十年代剛出現(xiàn)微加工器件，七十年代主要研究新的技術(shù)和擴展應(yīng)用方面，八十年代系列生產(chǎn)更為復雜的器件，九十年代是集成敏感系統(tǒng)的發(fā)展，2000年以后無線微系統(tǒng)開始發(fā)展。 縱觀2000年以后的MEMS傳感器專利數(shù)據(jù)，得到以下的數(shù)據(jù)：雖然從2000年以后，MEMS傳感器技術(shù)迅速發(fā)展，但是每個階段都有各自獨到的特點并且存在很大的差異。為便于分析可以把它劃分成三個階段，2000至2006年稱之為成長期，2007至2010年定義為發(fā)展期，2011年到現(xiàn)在被視為迅猛成長期。 伴隨著MEMS市場需求的日益增長，可以預測到MEMS技術(shù)必定會以快速發(fā)展的狀態(tài)并且一直保持快速地增長勢頭MEMS技術(shù)發(fā)展依賴與市場的需求，并且以市場需求為導向，它的發(fā)展快慢和所需的類型都和市場的所需密不可分。上世紀九十年代末，隨著MEMS技術(shù)越來越走向商業(yè)，該技術(shù)經(jīng)歷了起步期、生長期，大量的微傳感器產(chǎn)物大量的沖入了市場。

資料來源：敏芯股份招股說明書 隨后2000至2006年這六年期間，主要為汽車工業(yè)的發(fā)展，而汽車上需要的傳感器之多，這其中主要以壓力、加速度和熱傳感器為代表。而2007至2010年這三年，MEMS的發(fā)展可以說是進入了多元化階段，雖然在從專利數(shù)量方面分析并沒有發(fā)生很大的變化，但是應(yīng)用領(lǐng)域卻在不斷的擴大、拓寬，例如：在航空航天技術(shù)、生物醫(yī)藥領(lǐng)域、醫(yī)療電子、消費電子和化工機械等方面，都逐漸展現(xiàn)出了MEMS傳感器的影子。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的成長在一定程度上起到了催促作用。

資料來源：網(wǎng)絡(luò) 通過對專利權(quán)人的分析，可以獲得下面的定論：美國的霍尼韋爾公司和德國的羅伯特?博世公司，在全世界的MEMS研發(fā)中很長一段時間都占居重要的地位。羅伯特?博世公司的Gerhard Lammel預測：汽車工業(yè)是MEMS傳感器第一次被大量的推廣并被廣泛應(yīng)用，消費類產(chǎn)業(yè)占主導地位的就是智能手機，被認為是第二次大潮，而物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)被視為第三次大潮。 國家“863計劃”15年持續(xù)不斷的支持，MEMS傳感器在設(shè)計、加工、測試、封裝、裝配等方面都有了突飛猛進的提升，在科研人員的不懈努力下，開發(fā)研究出有獨立自主的知識產(chǎn)權(quán)，并且形成了我國自己的MEMS研究隊伍，建立了一大批MEMS研發(fā)基地，在短時間內(nèi)，形成了我國微納制造技術(shù)（NEMS）的研究和開發(fā)體系。

“863計劃”的八個領(lǐng)域 這十幾年以來，我國已經(jīng)有數(shù)百家公司從事MEMS/NEMS產(chǎn)品研發(fā)，已經(jīng)介入MEMS/NEMS技術(shù)研發(fā)的企業(yè)中也出現(xiàn)了大型集成電路生產(chǎn)骨干企業(yè)。實現(xiàn)了在消費類、汽車工業(yè)等行業(yè)的MEMS/NEMS的代工生產(chǎn)模式。

MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)鏈全景圖 結(jié)合國外的發(fā)展趨勢，可以看出，我國在MEMS技術(shù)方面和規(guī)模化生產(chǎn)方面的研究和投入較為不足，這就使得MEMS產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)化集成設(shè)計與規(guī)模生產(chǎn)兩方面的能力就顯得比較薄弱。

MEMS的五大趨勢

1.自供能化 傳感器低功耗及自供能需求日趨增加。隨著物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用對傳感需求的快速增長，傳感器使用數(shù)量急劇增加，能耗也將隨之翻倍。降低傳感器功耗，采用環(huán)境能量收集實現(xiàn)自供能，增強續(xù)航能力的需求將會伴隨傳感器發(fā)展的始終，且日趨強烈。

2. 集成化 MEMS和傳感器呈現(xiàn)多項功能高度集成化和組合化的趨勢。由于設(shè)計空間、成本和功耗預算日益緊縮，在同一襯底上集成多種敏感元器件、制成能夠檢測多個參量的多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。

3.智能化及邊緣計算 軟件正成為MEMS傳感器的重要組成部分，隨著多種傳感器進一步集成，越來越多的數(shù)據(jù)需要處理，軟件使得多種數(shù)據(jù)融合成為可能。MEMS產(chǎn)品發(fā)展必將從系統(tǒng)應(yīng)用的定義開始，開發(fā)具有軟件融合功能的智能傳感器，促進人工智能在傳感器領(lǐng)域更廣闊的應(yīng)用。

4. MEMS向NEMS演進 隨著終端設(shè)備小型化、種類多樣化，推動微電子加工技術(shù)特別是納米加工技術(shù)的快速發(fā)展，智能傳感器向更小尺寸演進是大勢所趨。與MEMS類似，NEMS（納機電系統(tǒng)）是專注納米尺度領(lǐng)域的微納系統(tǒng)技術(shù)，只不過尺寸更小。

5.大量使用新敏感材料 薄膜型壓電材料具有更好的工藝一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面積，可用于MEMS執(zhí)行器、揚聲器、觸覺和觸摸界面等。未來MEMS器件的驅(qū)動模式預計將從傳統(tǒng)的靜電梳齒驅(qū)動轉(zhuǎn)向壓電驅(qū)動。

6.更大的晶圓尺寸 相比于目前業(yè)界普遍應(yīng)用的6英寸、8英寸晶圓制造工藝，更大的晶圓尺寸能夠很大程度上降低成本、提高產(chǎn)量，并且晶圓尺寸的擴大與芯片特征尺寸的縮小是相應(yīng)促進和互相推動的。

MEMS的四大新興應(yīng)用領(lǐng)域

1.在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 我國的生物醫(yī)藥領(lǐng)域使用MEMS傳感器的頻率較高，主要可用于臨床化驗、健康指數(shù)的檢測等多項內(nèi)容。使用的MEMS傳感器主要為壓力傳感器、微型流體傳感器等多種系統(tǒng)。將MEMS傳感器應(yīng)用到醫(yī)用口服液當中，可通過口服方式將芯片送入人體，實現(xiàn)對身體目標器官的檢驗與分析。

此外，還可發(fā)揮MEMS傳感器的吸附作用，逐漸消除人體內(nèi)存在的危害細胞等物質(zhì)，同時清除多余的脂肪，以此降低人體出現(xiàn)心臟疾病的幾率。在生物醫(yī)療應(yīng)用方面，MEMS傳感器還可介入到手術(shù)之前來發(fā)揮功能，從而降低術(shù)中所形成風險，為提高手術(shù)的成功率提供重要的保障。 2.在環(huán)保項目生產(chǎn)運營管理領(lǐng)域中的應(yīng)用 從污泥處理方面來講，企業(yè)需在整個運營期間對各類機組進行隨時監(jiān)控，搜集一手數(shù)據(jù)信息，并將其發(fā)送到中央控制室，依據(jù)項目的具體要求來完成生產(chǎn)運營系統(tǒng)、全廠視頻監(jiān)控系統(tǒng)等內(nèi)容的構(gòu)建。

結(jié)合項目所提出的具體要求，接入對應(yīng)的監(jiān)管平臺中，將項目各監(jiān)控子站的數(shù)據(jù)同步上傳到監(jiān)管平臺，同時還需依據(jù)運營平臺數(shù)據(jù)庫及界面風格的具體要求，對設(shè)計進行統(tǒng)一設(shè)置，為后續(xù)的數(shù)據(jù)等層面對接提供便利。為實現(xiàn)上述要求，可對污泥處理企業(yè)的運營管理系統(tǒng)E-MES進行深度開發(fā)。該系統(tǒng)具有多協(xié)議接入功能，可接入到監(jiān)管平臺，對污泥的計量、視頻場景等各指標進行遠程監(jiān)控。 3.在軍事中的應(yīng)用 將MEMS傳感器系統(tǒng)與衛(wèi)星技術(shù)結(jié)合使用，便可在既定的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)信號傳輸。由于傳感器的質(zhì)量較小，其可應(yīng)用在超微型衛(wèi)星中。但衛(wèi)星系統(tǒng)的飛行時間較短，這便會影響MEMS傳感器在軍事系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

部分國家也將其應(yīng)用在裝甲兵的車用輪胎內(nèi)，可通過使用衛(wèi)星技術(shù)及探測儀等設(shè)備，拓展MEMS傳感器的應(yīng)用范圍。MEMS傳感器的耐磨和耐久性均較為理想，可布設(shè)在較為惡劣的環(huán)境中。 在軍事方面，可通過戰(zhàn)斗機的彈座系統(tǒng)對傳感器進行科學的測試，提升系統(tǒng)對惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)性，以此促使傳統(tǒng)MEMS傳感器芯片能夠在使用期間具有更高的穩(wěn)定性。此外還可對通信環(huán)境和地形進行系統(tǒng)識別，以此提高應(yīng)用功能。 4. 在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用 MEMS傳感器能夠在航空航天領(lǐng)域具有更為理想的應(yīng)用前景，不但可將其安裝在飛機的核心部分，同時還可依據(jù)安裝位置來實施更為精準的操作，提高控制的精準性。

如在飛機飛行期間，可通過MEMS傳感器來分析氣流環(huán)境、聲學等信息，同時對系統(tǒng)的控制部件進行研究，在保證飛機平穩(wěn)運行的前提下，提高燃料系統(tǒng)的運行效果，減少飛機飛行產(chǎn)生的噪音。此外，MEMS傳感器還可用于對宇宙的探索，將其植入到探測設(shè)備中，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，輔助完成拍攝的工作內(nèi)容。

推進中國MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展思路

1. 完善產(chǎn)業(yè)鏈 可將研究院、高校作為創(chuàng)新的載體，將工業(yè)類的MEMS傳感器的研究作為后續(xù)的發(fā)展方向，設(shè)置囊括產(chǎn)品設(shè)計、封裝和測試等的全產(chǎn)業(yè)鏈的服務(wù)平臺，打造資源共享的服務(wù)體系，從而開辟出技術(shù)創(chuàng)新的新渠道。將公共服務(wù)平臺作為基礎(chǔ)，將工業(yè)MEMS傳感器等的應(yīng)用作為目標，可盡量對示范企業(yè)提供扶持，形成布局更為優(yōu)化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。 2.攻克關(guān)鍵核心技術(shù) 可廣泛利用各類資源協(xié)同實施研究活動，深化研究多種能量收集器的集成設(shè)計、規(guī)?；瘻y試、晶圓級封裝等技術(shù)，研發(fā)出多種能量收集器傳感設(shè)備，從而能夠拓展能量收集器的應(yīng)用范圍，促使其發(fā)揮作用，實現(xiàn)更為理想的應(yīng)用效果。 3. 提升應(yīng)用規(guī)模與水平 可通過發(fā)揮公共技術(shù)平臺的作用來實現(xiàn)多個工業(yè)類MEMS傳感器等的轉(zhuǎn)化工作，并將其拓展應(yīng)用到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，針對重點領(lǐng)域和行業(yè)應(yīng)用各類產(chǎn)品，促使產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量均能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)的提升。研究人員需努力挖掘產(chǎn)品的功能及優(yōu)勢，結(jié)合產(chǎn)品的特征來將其投放到適合的領(lǐng)域，充分發(fā)揮產(chǎn)品的價值，從而實現(xiàn)預期目標。 4.加強支持力度 依據(jù)我國目前在智能微納傳感設(shè)備等方面提出的要求，針對“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等的應(yīng)用需求，選擇市場需求量較大的MEMS傳感器，開展封裝技術(shù)、單片集成多傳感設(shè)備等方面的重點技術(shù)研究，充分發(fā)揮研究人員的職業(yè)精神與素養(yǎng)，深化鉆研技術(shù)，全面提升產(chǎn)品的技術(shù)水平，不斷提升我國的科技競爭力，促使我國成為國際工業(yè)領(lǐng)域傳感器市場的重要供應(yīng)商，以科技創(chuàng)新推動我國向強國邁進，深化落實科技興國的戰(zhàn)略思想。

結(jié)語：

物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)的突起，工業(yè)4.0的發(fā)展，促使了MEMS發(fā)展。尤其人工智能（AI）的出現(xiàn)、開發(fā)和應(yīng)用，MEMS在各領(lǐng)域滲透發(fā)展顯得尤其重要。 盡管目前我國MEMS行業(yè)存在著種種亟待解決的問題，然而其市場潛力巨大，前景非?？春?。隨著中國在政策支持、工藝研發(fā)、融資渠道、生產(chǎn)管理、投入產(chǎn)出等方面的不斷努力，國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)化新的春天很快就會到來。 有關(guān)于MEMS傳感器有什么觀點，請在傳感器專家網(wǎng)公眾號本內(nèi)容底下留言討論，或在傳感交流圈中進行交流。 您對本文有什么看法？歡迎留言分享！ 順手轉(zhuǎn)發(fā)&點擊在看，將中國傳感產(chǎn)業(yè)動態(tài)傳遞給更多人了解！

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審核編輯 黃昊宇