MEMS傳感器：半導體和物聯網的結合點

2020-09-10 觀察者Aaron

什麼是傳感器

我在之前的物聯網相關文章中多次提到過，物聯網的底層是由無數的感知設備組成的，包括了各式各樣的傳感器和攝像頭。越是底層的架構越是基礎和重要，因此，傳感器實際上是未來能夠實現智能化社會的重要核心基礎。

傳感器的作用主要是將自然信號轉換為電信號，即將自然信息識別為我們可以認知的信息的過程。

圖：傳感器結構圖。資料來源：華宸資本

傳感器的結構也是如此，由測量和輸入的敏感元件、轉換和識別的轉變換元件，以及輸出的顯示器或者記錄儀等組成。

當前的傳感器正在從傳統的傳感器往智能方向發展，智能的傳感器將會內嵌有微處理機，可以實現信息儲存和數據處理的功能。

在全球市場規模方面，2016年至2018年，傳感器銷售額從108.21億美元上升至133.56億美元，年均複合增長率達 11.10%。

圖：傳感器全球市場規模圖。資料來源：WSTS，矽產業集團招股意向書

而傳感器的測量範圍也是非常廣的，一般根據我們對數據的需求，可以分為檢測光、放射線、聲音信號、磁信號、力、位置速度角度、溫度、壓力、氣體溼度、液體成分等等範圍。通常傳感器還可以結合和交叉使用來實現不同的應用和目的。

什麼是MEMS傳感器

MEMS是微機電系統（Microelectromechanical Systems）的縮寫。而MEMS傳感器則是指微米級的帶有微處理機的傳感器。

圖：傳感器的一種分類方式。資料來源：意法半導體官網

由於帶有智能化晶片，因此MEMS傳感器實際上是結合了半導體設計生產以及封裝、機械和電子等學科的交叉產品。

相對於傳統的傳感器，MEMS具有微型化、重量低、多功能的競爭優勢，因此可以廣泛的應用在各類智能硬體產品以及消費電子產品中。

  1. 當代的消費電子，包括手機以及各類可穿戴的智能設備均離不開MEMS傳感器的支持。加速度計、磁力計、陀螺儀、壓力傳感器等都是消費電子產品的必備零件。
  2. 在汽車電子領域也同樣如此，尤其在無人駕駛的未來，智能傳感器可以說在一定程度上決定了無人駕駛的未來發展速度和方向。
  3. 在工業生產和安全上的應用更加廣泛，自動化設備都離不開MEMS傳感器。
  4. 當前疫情流行，我們在公共場所看到的額溫槍、體溫計都是溫度和光傳感器在發生作用。

MENS傳感器的未來趨勢

（1）傳感器的功能融合

由於傳感器處於整個產業鏈的相對底層，因此傳感器的性能和價格實際上決定了上層應用的發展速度和應用規模。現在的消費電子設備中，將不同功能的傳感器融合，以提高性能和縮小體積是主流的發展方向。

圖：三種最常見的傳感器功能融合。資料來源：Yole development，天風證券

（2）軟硬體結合

而從傳感器本身來說，也在從純硬體往軟硬體結合的方向發展。傳感器也在從單純的傳感硬體逐漸走向系統集成。

圖：傳感器的集成趨勢。資料來源：ARM，民生證券

（3）從MEMS到NEMS

MEMS代表的是微米級的半導體傳感器，而隨著晶片技術的發展，晶片正在逐漸往縮小化的方向前進，同時封裝技術也正在往先進封裝發展，因此MEMS也正在小型化的趨勢中，未來將會逐步的從MEMS變為NEMS，即納米級的傳感器。

圖：傳感器體積縮小化的發展進程圖。資料來源：Yole development，民生證券

雖然上圖的數據以及比較老了，但是仍然可以看出來發展的趨勢。

（4）應用拓展

除了傳統的應用外，智能化的傳感器的應用範圍也在往更加智能化的下遊發展。智能家居和智能家電、物聯網、人工智慧均是當前MEMS傳感器應用落地的方向。

傳感器領域的典型企業——博世（BOSCH）

MEMS傳感器在全球範圍內的龍頭是博世。博世是全球最大的汽車電子技術供應商，它憑藉在汽車傳感器上的優勢超越了意法半導體，成為MEMS行業的老大。

博世的MEMS技術全球領先，在產品研發史上有著卓越的成就。

圖：博世的研究成就。資料來源：Bosch，民生證券

博世在MEMS領域的優勢主要體現在其強大的系統集成能力上，博世擁有領先的MEMS傳感器的功能集成、晶片一體化集成、硬體軟體以及雲系統的集成的能力。

小結

(1) 科技與時事的熱門概念

MEMS傳感器是結合了半導體、物聯網、5G通信、人工智慧以及防疫等不同應用方向的最底層的基礎設施。

(2) 未來還有廣闊的新增空間

經歷了從汽車電子到消費電子的應用擴展後，物聯網和人工智慧應用將會是MEMS未來的一片新天地。

(3) 中國的產業鏈已經相對完整

MEMS傳感器的國產產業鏈也已經相對完整了。在整條產業鏈中，研發設計領域的代表公司有已經登錄科創板的睿創微納以及敏芯微；在代工領域的代表則有中芯國際和耐威科技；在封測領域傳統的半導體封測廠長電科技和華天科技等均可以實現；而在消費端，中國是全球MEMS傳感器最大的消費市場。MEMS行業的國產化和未來發展是值得期待的。

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