MEMS傳感器成就六大市場(chǎng)顛覆，未來(lái)發(fā)展前景到底有多大？

縱觀智能手機(jī)、汽車(chē)電子、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人/無(wú)人機(jī)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，MEMS傳感器成為了成就未來(lái)創(chuàng)新的顛覆性技術(shù)之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外也是掀起一股MEMS熱。日前，在傳感器產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大會(huì)2017暨中國(guó)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟年會(huì)（Sensor China）上，東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任黃慶安教授帶來(lái)了“顛覆性技術(shù)：微納傳感器（MEMS）技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用”的演講議題，深入探討了傳感器技術(shù)的演變及發(fā)展方向，并通過(guò)數(shù)據(jù)從智能手機(jī)、汽車(chē)、醫(yī)療/健康監(jiān)護(hù)、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人/無(wú)人機(jī)、軍事應(yīng)用六大市場(chǎng)分析了MEMS市場(chǎng)的發(fā)展前景。
 

傳感器在1880年出現(xiàn)，過(guò)去是多品種、小批量，主要用在工業(yè)和國(guó)防，很少為人所知。隨著微納米技術(shù)（MEMS）1987年出現(xiàn)，傳感器制造方式變革為高精度并行制造，改變了傳統(tǒng)傳感器多品種、小批量的生產(chǎn)模式，進(jìn)入人類(lèi)生活，黃教授表示。
 

傳感器的定義是，能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。完整的傳感器包括傳感器和電路兩個(gè)部分，各有各的制造辦法；合在一起就構(gòu)成了多品種、小批量的格局。過(guò)去傳感器部分價(jià)格貴、體積大、功耗也大，后端用的電路卻是低成本、高性能，兩者并不匹配。
 

集成電路由于采用高精度并行制造，實(shí)現(xiàn)了低成本、大批量的生產(chǎn)，同時(shí)由于采用硅材料（低成本），材料成本也非常低。
 

因此，業(yè)界提出了三個(gè)問(wèn)題。1.能不能用集成電路制造方式生產(chǎn)傳感器？這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)。2.能不能把傳感器和電路一起集成制造？這個(gè)問(wèn)題已有一部分實(shí)現(xiàn)。3.能不能把傳感器、電路、封裝體、基本、電源一起集成制造？這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在正在研究。大規(guī)模生產(chǎn)，意味著有大量市場(chǎng)和應(yīng)用，因此我國(guó)從2000年開(kāi)始就制定了MEMS研發(fā)計(jì)劃，包括863計(jì)劃和973計(jì)劃中的MEMS內(nèi)容。
 

我國(guó)這幾年MEMS比較熱，在2014年突然涌現(xiàn)出多家MEMS公司。統(tǒng)計(jì)到2014年，中資MEMS企業(yè)當(dāng)中有11家是做軟件和專用電路設(shè)計(jì)；143家做MEMS產(chǎn)品設(shè)計(jì)；16家做MEMS封裝與測(cè)試；20家是MEMS前端制造工藝線。
 

從我國(guó)自2006年以來(lái)發(fā)布的若干科技發(fā)展規(guī)劃綱要中可以看出，傳感器在我國(guó)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略中不可或缺。MEMS傳感器則是未來(lái)顛覆性的技術(shù)之一。我們可以將創(chuàng)新分為兩種，一種是漸進(jìn)式技術(shù)創(chuàng)新，另一種是顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。例如，機(jī)械照相機(jī)被數(shù)碼照像機(jī)（CMOS圖像傳感器）替代，導(dǎo)致柯達(dá)公司倒閉，以及傳統(tǒng)手機(jī)被智能手機(jī)（觸摸屏和MEMS是其中兩個(gè)核心技術(shù)），導(dǎo)致諾基亞隕落，就是顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的兩個(gè)典型案例。
 

2014年4月，美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)協(xié)會(huì)（MACFAM）在年會(huì)上討論了對(duì)美國(guó)未來(lái)制造業(yè)影響的5項(xiàng)顛覆性技術(shù)：增材制造（3D打?。⑾冗M(jìn)材料（納米材料）、下一代機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)（先進(jìn)傳感器）、人工智能。這五項(xiàng)現(xiàn)在都是社會(huì)的熱點(diǎn)。
 

那么MEMS市場(chǎng)的發(fā)展前景有多大？我們可以從消費(fèi)類(lèi)（主要是智能手機(jī)）、汽車(chē)、醫(yī)療與健康監(jiān)護(hù)、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人與無(wú)人機(jī)，以及軍事這幾個(gè)方面來(lái)看。
 

1.手機(jī)用MEMS。2014年全球手機(jī)銷(xiāo)量達(dá)18億部，其中智能手機(jī)占12億部；中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售的智能手機(jī)是1.03億部。MEMS在智能手機(jī)里的主要應(yīng)用包括：運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、光學(xué)、聲音、接口、激光測(cè)距、3D觸摸、安全（例如指紋識(shí)別、人臉識(shí)別），以及通信（例如天線調(diào)諧器、濾波器、MEMS振蕩器）。2007年時(shí)iPhone Edge用了5個(gè)傳感器，2014年三星S5/iPhone 6中是12只傳感器，到2021年手機(jī)中的傳感器數(shù)量估計(jì)在20個(gè)左右。手機(jī)用傳感器乘上手機(jī)的銷(xiāo)售量就是一個(gè)非常大的量，2014年智能手機(jī)用MEMS達(dá)到了25億美元。
 

2.汽車(chē)用傳感器。過(guò)去傳感器在汽車(chē)中主要是用于實(shí)現(xiàn)安全（例如防撞）、節(jié)能（例如發(fā)動(dòng)機(jī)流量、溫度檢測(cè)）以及舒適。近年來(lái)，傳感器新增了一項(xiàng)應(yīng)用——自動(dòng)駕駛。2014年汽車(chē)全世界銷(xiāo)量達(dá)8716萬(wàn)輛；中國(guó)銷(xiāo)量為2369萬(wàn)輛，是世界第一大市場(chǎng)，占全世界27%的市場(chǎng)。其中，普通轎車(chē)上會(huì)裝100只以上的傳感器，20多萬(wàn)的豪華轎車(chē)上會(huì)裝200多只傳感器，再乘以汽車(chē)銷(xiāo)量，也是一個(gè)非常大的市場(chǎng)。2014年汽車(chē)上的傳感器數(shù)量超過(guò)了11億只。
 

3.醫(yī)療與健康監(jiān)護(hù)MEMS。醫(yī)療與健康監(jiān)護(hù)類(lèi)設(shè)備朝小型化和集成化的方向發(fā)展，由臺(tái)式機(jī)（醫(yī)院）發(fā)展到便攜式（家庭），再到可穿戴和可植入，可以在任何地方使用。這個(gè)趨勢(shì)需要我們MEMS的傳感器做到小型化，例如健康監(jiān)護(hù)類(lèi)的心率、血壓傳感器等。2015年醫(yī)療與健康監(jiān)護(hù)MEMS的市場(chǎng)是45億美元。

4.物聯(lián)網(wǎng)傳感器。物聯(lián)網(wǎng)是一類(lèi)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。2012年美國(guó)T SENSORS SUMMIT峰會(huì)上指出，傳感器是加速物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈到1萬(wàn)億美元的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器、微能源/能量收集與存儲(chǔ)管理以及收發(fā)模塊三個(gè)部分；對(duì)傳感器提出了低成本、低功耗和多功能的要求。物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)對(duì)微納器件需求年增長(zhǎng)率達(dá)53%，到2024年預(yù)計(jì)達(dá)到450億美元。
 

5.機(jī)器人與無(wú)人機(jī)用傳感器。機(jī)器人與無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域和種類(lèi)非常多。2014年機(jī)器人與無(wú)人機(jī)市場(chǎng)約250億美元，預(yù)計(jì)到2020年會(huì)達(dá)到420億美元。2014年機(jī)器人與無(wú)人機(jī)用傳感器是3億美元，到2020年估計(jì)會(huì)達(dá)到6億美元。
 

6.軍用MEMS。MEMS最先出現(xiàn)是在80年代末期的美國(guó)軍方應(yīng)用。美國(guó)DARPA 90年代初期專門(mén)成立微系統(tǒng)辦公室，將MEMS技術(shù)列為國(guó)防需求開(kāi)發(fā)探索的核心技術(shù)之一。第一類(lèi)是微型慣性器件，即MEMS加速度計(jì)和陀螺儀；MEMS加速度計(jì)和陀螺儀在2015年已經(jīng)覆蓋美軍90%的戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器。第二類(lèi)是RF MEMS軍事應(yīng)用，即相控陣?yán)走_(dá)與通信系統(tǒng)。第三類(lèi)是微能源，希望用MEMS提高衛(wèi)星等的能量密度。第四類(lèi)，以微納航天器為代表的天基為系統(tǒng)及其應(yīng)用是航天技術(shù)發(fā)展的前沿，也是各國(guó)航天裝備體系建設(shè)的重要方向。“衛(wèi)星以前感覺(jué)是非常高端的事情，但是現(xiàn)在不是了，因?yàn)槠渲兴肕EMS微型加速度、陀螺、推進(jìn)器、星敏感器、成像器件、RF器件都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很低成本。”黃教授透露，“2015年9月20號(hào)我們?cè)谔h(yuǎn)衛(wèi)星發(fā)射中心的一箭20星項(xiàng)目，里面有12個(gè)就來(lái)自高校。”
 

為了實(shí)現(xiàn)上述這么大的市場(chǎng)，MEMS的制造技術(shù)也在發(fā)展，包括：硅+并行制造的MEMS制造方式、MEMS+電路的MEMS集成制造方式、MEMS+電路的MEMS集成制造方式、MEMS+電路的MEMS異質(zhì)集成制造方式、MEMS三維異質(zhì)集成制造方式等。“一個(gè)案例是智能灰塵（物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)）。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括傳感器、處理器、能量收集、能量存儲(chǔ)、射頻、天線和時(shí)鐘等多個(gè)器件，90年代做的原型電路板很大，到今天則集成到了2mm×2mm×0.5mm一個(gè)芯片上。”黃教授補(bǔ)充。
 

2015年世界傳感器市場(chǎng)達(dá)1587億美元，其中美國(guó)占29%，日本是19.5%，德國(guó)是11.3%，這三個(gè)國(guó)家加起來(lái)占了60%，說(shuō)明發(fā)達(dá)國(guó)家還是占有傳感器的市場(chǎng)。
 

但我國(guó)傳感器需求年增長(zhǎng)率比較高（＞20%），2015年中國(guó)用掉的傳感器超過(guò)了1000億人民幣。因此，我國(guó)在“十三五”里提出了一個(gè)“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”（約24億）的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)，對(duì)先進(jìn)傳感器做規(guī)劃。除此之外，科技部在今年7月也公布了科技創(chuàng)新規(guī)劃，其中包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、綠色制造、智能機(jī)器人和工業(yè)傳感器等。這當(dāng)中工業(yè)傳感器指的是高端的傳感器，而不是消費(fèi)類(lèi)，黃教授解釋道。