传感器处于整个物联网系统的最底层，即感知层，是数据采集的入口， 物联网的“心脏”。随着万物互联时代的到来，传感器产业被注入了“兴奋剂”。

　　1 传感器简介

　　传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，其功能实现主要由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分合力完成的。

　　传感器构成

　　传感器自从20世纪50年代伊始，经历了三大发展阶段，从最原始的结构型传感器演变为固体传感器以及最新的智能传感器，传感器技术发生翻天覆地的变化。

　　根据传感器的基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。这些可以归为物理类，化学类，生物类三大块。

　　随着新技术革命催生的信息化时代的到来，传感器作为人类五官的延伸与升级版功能器官，成为获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

　　传感器早期的发展就是来自工业自动化的推动，通过控制各个生产节点上加速度、 压力、温度、物位等物理类传感器参量，大幅提高工业生产的效率，技术已较为成熟，根据不同应用，其产品体系也非常丰富。但是目前传感器对于视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等人类真实感觉的信息探测还不是非常成熟，这也是现阶段的智能型传感器亟待解决与提升的方面。

　　2 传感器市场格局

　　传感器最初是作为单独的测量仪器来探测信息，伴随技术的集成化趋势，传感器逐步走向模块化，甚至微型化，经常作为一个微型的模块化器件嵌入一套功能齐全的系统， 其性能决定了整套系统的性能。因而在工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资 源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等众多领域，都离不开各种功能的传感器。

　　从应用领域来看，工业、汽车电子、通信电子、消费电子四部分是传感器最大的市 场。国内工业和汽车电子产品领域的传感器占比约 42%左右，而发展最快的是汽车电子和通信电子应用市场。

　　从传感器种类来看，流量传感器、压力传感器、温度传感器占据最大的市场份额， 分别占 21%、19%、14%。

　　目前全球传感器市场主要由美国、日本、德国的几家龙头公司主导。2013 年美国、 日本、德国占据近 60%的市场份额。2014 年，全球传感器市场规模达 1260 亿美元，同比增长 20%左右。美国、日本、德国及中国合计占据全球传感器市场份额的 72 %，其中中国占比约 11%。

　　博世、意法半导体、霍尼韦尔、飞思卡尔、日立等传统的电子行业巨头，都把传感器作为未来业务的主要增长点。中国传感器市场中 70%左右的份额被这些意法半导体、 飞思卡尔等外资企业占据。中国本土企业市场份额较小，具有代表性的企业有汉威电子、 大立科技、华工科技等。

　　国外传感器主要企业

　　国内传感器主要企业

　　国内传感器企业落后于国外企业，目前有很多亟待解决的问题，比如创新能力弱， 关键技术受制于人，产业结构不合理，本土企业规模小能力弱。

　　目前国内传感器产业面临的挑战有：

　　1、创新能力弱

　　• 传感器在高精度、高敏感度分析、成分分析和特殊应用的高端方面与国外差距巨大，中高档传感器产品几乎 100%从国外进口，90%芯片依赖国外。

　　• 国内缺乏对新原理、新器件和新材料传感器的研发和产业化能力。

　　2、关键技术尚未突破

　　• 设计技术、封装技术、装备技术等方面都存在较大差距。

　　• 国内尚无一套有自主知识产权的传感器设计软件，国产传感器可靠性比国外同类产品低1-2个 数量级，传感器封装尚未形成系列、标准和统一接口。传感器工艺装备研发与生产被国外垄断。

　　3、产业结构不合理

　　• 品种、规格、系列不全，技术指标不高，国内传感器产品往往形不成系列。

　　• 产品在测量精度、温度特性、响应时间、稳定性、可靠性等指标与国外也有相当大的差距。

　　4、企业能力弱

　　• 我国传感器企业95%以上属小型企业，规模小、研发能力弱、规模效益差。

　　• 从目前市场份额和市场竞争力指数来看，外资企业仍占据较大的优势。

　　目前我国传感器企业正努力追赶国外企业，并出现区域的传感器企业集群，企业主 要集中在长三角地区，并逐渐形成以北京、上海、南京、深圳、沈阳和西安等中心城市为主的区域空间布局。

　　随着物联网的快速发展，其他区域的传感器产业也将被带动发展起来。另外在国家的“双加工程”(加大力度和加快发展)的政策支持下，本土传感器企业有望提升技术攫取更多的市场份额。

　　国内传感器企业的主要布局区域

　　3 MEMS 传感器成发展方向

　　随着物联网的快速发展，传感器的需求将大幅增加。华为预测，到 2025 年全球物联网设备的数量将接近 1000亿，新部署的传感器速度将达到每小时 200万个。

　　根据BCC Research 的数据，2015 年全球传感器市场规模为 1019 亿美元，预计 2016-2021 年的 复合增长率为 11%，到 2021 年将达到 1906 亿美元，传感器的市场空间极为广阔。近年来，国内传感器市场持续快速增长，2015 年中国传感器市场规模为 1200 亿元左右， 预测未来 5 年传感器复合年增长率为 9.5%，2020 年传感器市 场规模将突破 1800 亿元。

　　2015-2020年中国传感器市场规模及增速

　　在万物互联的时代，将需要大量智能化的新型传感器来实现智慧城市的多种功能。 与传统的传感器相比，MEMS 传感器在尺寸、性能、智能化等方面都具有明显的优势， 将成为传感器发展的新方向。

　　因为传统的基于机电工艺制成的传感器和执行器在体积、价格和产能上不能适应工业、消费电子等领域的需求，MEMS 开始发展起来。

　　MEMS 的全称是微型电子机械系统(Micro Electromechanical System)，利用半导体制造工艺和材料，将传感器、执行器、机械机构、信号处理和控制电路等集成于一体的微型器件或系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。

　　MEMS陀螺仪结构图

　　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。

　　1980 年，第一个 MEMS 传感器推出，至今已有 30 多年的发展史，重量、湿度、 加速度计、压力、麦克风等 MEMS 传感器不断的出现，MEMS 技术也在不断的向前演进。

　　MEMS 传感器第一轮商业化浪潮始于 20 世纪 80、90 年代，MEMS 压力和惯性传 感器开始在汽车上的应用。第二轮的浪潮出现源于 PC 的兴起，MEMS 技术在投影仪和 喷墨打印头上大量使用，智能手机的流行进一步推动这波浪潮的快速发展。目前正开启 一个新的时代—物联网时代。

　　在万物互联的时代，MEMS 传感器将参与物联网建设的方方面面，MEMS 传感器将进入新一轮的快速成长周期。

　　4 MEMS产业链全解析

　　MEMS 是多学科交叉的复杂系统，整个产业链涉及设计、制造、封装测试、软件及应用方案环节。

　　MEMS 产业链的上游负责 MEMS 器件设计、材料和生产设备供应，中游生产制造出 MEMS 器件，下游使用 MEMS 器件来制造终端电子产品。

　　MEMS 产业链关联方

　　MEMS 整个产业链复杂，涉及的厂商众多。中国的设计、制造、封装测试厂商都在 积极布局 MEMS，已形成完整 MEMS 的产业链。

　　全球 MEMS 供应链

　　国外厂商主导 MEMS传感器市场

　　MEMS 器件市场主要被欧美厂商占据，2015年营收前三十名的只有两个中国厂商，生产 MEMS 麦克风的瑞声科技、歌尔股份排在 20 和 26 位，营收分别为 1.4 亿和 0.84 亿美元。

　　2015年全球前20大MEMS制造商营收情况

　　但瑞声科技和歌尔股份是 MEMS 麦克风的主要供应商，在全球 MEMS 麦克风市场具有重要地位，已进入苹果供应链。因此，在某些细分市场，国内厂商具有发展空间。 国内的美新半导体、深迪半导体、敏芯微电子、苏州明皜也在积极的发展 MEMS 传感器， 有望享受万物互联时代的 MEMS 传感器盛宴。

　　MEMS 制造工艺国内代工厂落后

　　MEMS 制造工艺复杂并且非标准化，不同类型 MEMS 传感器使用的制造工艺流程完全不同。例如 9 轴惯性传感器、MEMS 麦克风、压力传感器、湿度传感器功能不同， 有的需要与环境接触，器件内部结构完全不同，所以采用不同的制造工艺。

　　不同类型MEMS传感器不同的制造工艺

　　由于不同的 MEMS 器件采用不同的加工工艺，所以工艺开发是目前 MEMS 代工厂 面临的主要问题之一。技术领先的代工厂开发速度较快，在较短的时间内能形成稳定产 能、且较高良率。

　　在 MEMS 先进工艺上，国内厂商仍落后于国际领先的代工厂。例如电子罗盘的要求 是三轴磁力计、偏差要在1度以下、并且功耗要低。现在国内的代工厂将GMR做在CMOS 上，国际领先的代工厂已经在采用 8 英寸晶圆生产 TMR，TMR 可以实现 1 度以下，甚 至 0.01-0.05 度的精度，但 TMR 生产线需要巨大的投资。

　　2014 年，全球 MEMS 代工市场规模为 6.86 亿美元，在 2015-2020 年间以 3.7%复 合增长率增长，预计到 2020 年可以达到 8.6 亿美元。全球 MEMS 代工市场的增长主要 由 Fabless 商业模式的厂商驱动的，比如楼氏电子、英美盛、歌尔股份等。

　　全球 MEMS代工市场规模

　　MEMS 代工主要有两种类型：IDM 厂商提供的 MEMS 代工，独立的代工厂提供的 MEMS代工，其中独立的代工厂包括集成电路代工厂和纯MEMS代工厂。

　　近几年Fabless 模式的 MEMS 器件制造商发展迅速，独立的 MEMS 代工厂努力寻求标准化的工艺以提 升规模经济，减少制造时间和降低成本，使得独立的 MEMS 代工厂快速成长，但目前 IDM 代工仍处于市场领导地位。

　　目前提供 MEMS 代工的 IDM 厂商主要有意法半导体、索尼、德州仪器等。台积电目前是全球最大的独立的 MEMS 代工厂，全球领先的纯 MEMS 代工厂还有 Silex Microsystems、Teledyne DALSA 、Asia Paci?c Microsystems、X-FAB 、Innovative Micro Technology 等，国内的中芯国际、华宏宏利、上海先进半导体也有生产 MEMS 的能力。

　　国内封测厂商已具国际竞争力

　　在整个 MEMS 器件制造过程中，封装是后道工序。采用一定的材料以一定的形式将 器件封装起来。MEMS 封装提供多种功能，包括电源和信号通路、热管理、机械支撑以 及环境和接口保护等。

　　2016 年，全球封装测试市场整合并购频发，日月光与矽品强强联合、安靠并购 J-Device、长电科技并购星科金朋。目前全球封测市场已形成日月光、安靠、长电科技三强鼎立的局面。

　　2015年全球封装测试厂商市场份额

　　目前具备 MEMS 封装测试能力的国际厂商主要有日月光、安靠、矽品、力成科技等， 国内有华天科技、长电科技、晶方科技等厂商。尽管国内的 MEMS 前端制造还落后于国际大厂，由于国内的封装技术起步较早，国内 MEMS 产业链后端封装较为完善。国内华 天科技、长电科技、晶方科技等厂商都在积极布局 MEMS 先进封装生产线，并表现出强悍的实力，已经具备国际竞争力。

　　MEMS 封装技术与 IC 封装有着诸多不同，对企业的要求很高。众所周知，MEMS 器件价格下降非常之快，目前部分 MEMS 器件中封装成本甚至占到总价格的 40%到60%。如何做到低成本封装是封测厂商面临的巨大挑战。

　　5 MEMS传感器的发展新趋势

　　智能手机、可穿戴设备等智能硬件快速发展，功能越来越强大，PCB 的空间也越来越紧张，对器件尺寸要求极高。因此， MEMS 传感器的集成化和小型化是发展的必然趋势。

　　MEMS传感器向集成化方向发展

　　MEMS 传感器的智能化，必然带来功耗的提升，而功耗是智能硬件等应用最为关注的指标之一。因此，如何在提高智能化水平的同时降低功耗，是 MEMS 传感器将面临的挑战。

　　MEMS 无线传感器是趋势

　　无线传感器网络在医疗、家电、农业、建筑物状态监控等领域广泛的应用。英特尔 在俄勒冈州建立了第一个无线葡糖园。无线传感器被分布在葡萄园的每个角落，每隔一 分钟检测一次土壤温度，以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。

　　功耗和尺寸是无线传感器最关心的问题，而 MEMS 自身的特性正适用于无线传感 器。MEMS 传感器与微控制器、无线收发器模块化，并采用 SiP 封装技术，MEMS 无线传感器与传统无线传感器相比在功耗和尺寸上优势巨大，在万物互联时代将前景无限。

　　智能手机推动 MEMS 传感器向低成本、小尺寸、高性能、低功耗的方向发展。而在 物联网时代， 集成 MEMS 传感器、微控制器、无线收发器的无线传感器模块将是新趋势。

　　医疗保健领域将成为发展热点

　　人口老龄化问题席卷全球，人们的医疗保健问题变的空前重要。截至2015年，我国65周岁及以上人口数为14386 万人，占比 10.5%，已经明显高于 7%的老龄化社会标准。

　　MEMS 固有的优势促进了医疗设备的自动化，小型化和便携式，这种技术上的进步反过来又推动了 新市场的增长，MEMS 传感器在医疗保健领域前景广阔。

　　MEMS传感器在医疗保健领域市场规模

　　根据Yole的数据，2015年MEMS在医疗保健领域的市场规模为 27亿美元，到2021 年将达到 76 亿美元，年复合增长率为 18.8%，是 MEMS 增长速度最快的领域，医疗保 健将成为 MEMS 传感器发展的热点。

　　环境监测将是发展新方向

　　环境问题也是全球面临的主要问题之一。近年来人们对于生活的环境质量要求上升， 因此带动一波环境传感器的需求上涨。无论是温度、湿度、海拔高度、大气气压以及紫外线都可由环境传感器测得。意法半导体与博世公司都认为，环境传感器将是下一波 MEMS 传感器一大重要发展方向。

　　由于现在生活环境中空气污染严重，所以在环境传感器的应用中，与气体传感器相关 的应用将会是环境传感器未来的重要关注目标。人们希望借助气体传感器得知生活中空 气污染物、有毒气体及细悬浮微粒的含量是否超标，达到危害人们身体健康的程度。 MEMS 气体传感器也有望进入智能硬件，发展潜力无限。

　　结语

　　中国制造 2025 规划将集成电路与 MEMS 产业提升为国家战略，现在既有国家推动，又有市场内在需求，MEMS 传感器产业即将迎来第三春。一个发展了30多年的行业，一样给从业者希望，充满想象。