MEMS傳感器成就六大市場顛覆，未來發(fā)展前景到底有多大？

縱觀智能手機、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)和機器人/無人機等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，MEMS傳感器成為了成就未來創(chuàng)新的顛覆性技術(shù)之一。近年來，國內(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2017暨中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟年會（Sensor China）上，東南大學(xué)MEMS教育部重點實驗室主任黃慶安教授帶來了“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，并通過數(shù)據(jù)從智能手機、汽車、醫(yī)療/健康監(jiān)護、物聯(lián)網(wǎng)、機器人/無人機、軍事應(yīng)用六大市場分析了MEMS市場的發(fā)展前景。
 

傳感器在1880年出現(xiàn)，過去是多品種、小批量，主要用在工業(yè)和國防，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，進入人類生活，黃教授表示。
 

傳感器的定義是，能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置。完整的傳感器包括傳感器和電路兩個部分，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。過去傳感器部分價格貴、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，實現(xiàn)了低成本、大批量的生產(chǎn)，同時由于采用硅材料（低成本），材料成本也非常低。
 

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

我國這幾年MEMS比較熱，在2014年突然涌現(xiàn)出多家MEMS公司。統(tǒng)計到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；143家做MEMS產(chǎn)品設(shè)計；16家做MEMS封裝與測試；20家是MEMS前端制造工藝線。
 

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

2014年4月，美國先進制造業(yè)協(xié)會（MACFAM）在年會上討論了對美國未來制造業(yè)影響的5項顛覆性技術(shù)：增材制造（3D打?。?、先進材料（納米材料）、下一代機器人、物聯(lián)網(wǎng)（先進傳感器）、人工智能。這五項現(xiàn)在都是社會的熱點。
 

那么MEMS市場的發(fā)展前景有多大？我們可以從消費類（主要是智能手機）、汽車、醫(yī)療與健康監(jiān)護、物聯(lián)網(wǎng)、機器人與無人機，以及軍事這幾個方面來看。
 

1.手機用MEMS。2014年全球手機銷量達18億部，其中智能手機占12億部；中國市場銷售的智能手機是1.03億部。MEMS在智能手機里的主要應(yīng)用包括：運動檢測、環(huán)境檢測、光學(xué)、聲音、接口、激光測距、3D觸摸、安全（例如指紋識別、人臉識別），以及通信（例如天線調(diào)諧器、濾波器、MEMS振蕩器）。2007年時iPhone Edge用了5個傳感器，2014年三星S5/iPhone 6中是12只傳感器，到2021年手機中的傳感器數(shù)量估計在20個左右。手機用傳感器乘上手機的銷售量就是一個非常大的量，2014年智能手機用MEMS達到了25億美元。
 

2.汽車用傳感器。過去傳感器在汽車中主要是用于實現(xiàn)安全（例如防撞）、節(jié)能（例如發(fā)動機流量、溫度檢測）以及舒適。近年來，傳感器新增了一項應(yīng)用——自動駕駛。2014年汽車全世界銷量達8716萬輛；中國銷量為2369萬輛，是世界第一大市場，占全世界27%的市場。其中，普通轎車上會裝100只以上的傳感器，20多萬的豪華轎車上會裝200多只傳感器，再乘以汽車銷量，也是一個非常大的市場。2014年汽車上的傳感器數(shù)量超過了11億只。
 

3.醫(yī)療與健康監(jiān)護MEMS。醫(yī)療與健康監(jiān)護類設(shè)備朝小型化和集成化的方向發(fā)展，由臺式機（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。這個趨勢需要我們MEMS的傳感器做到小型化，例如健康監(jiān)護類的心率、血壓傳感器等。2015年醫(yī)療與健康監(jiān)護MEMS的市場是45億美元。

4.物聯(lián)網(wǎng)傳感器。物聯(lián)網(wǎng)是一類戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。2012年美國T SENSORS SUMMIT峰會上指出，傳感器是加速物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈到1萬億美元的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點主要包括傳感器、微能源/能量收集與存儲管理以及收發(fā)模塊三個部分；對傳感器提出了低成本、低功耗和多功能的要求。物聯(lián)網(wǎng)市場對微納器件需求年增長率達53%，到2024年預(yù)計達到450億美元。
 

5.機器人與無人機用傳感器。機器人與無人機應(yīng)用領(lǐng)域和種類非常多。2014年機器人與無人機市場約250億美元，預(yù)計到2020年會達到420億美元。2014年機器人與無人機用傳感器是3億美元，到2020年估計會達到6億美元。
 

6.軍用MEMS。MEMS最先出現(xiàn)是在80年代末期的美國軍方應(yīng)用。美國DARPA 90年代初期專門成立微系統(tǒng)辦公室，將MEMS技術(shù)列為國防需求開發(fā)探索的核心技術(shù)之一。第一類是微型慣性器件，即MEMS加速度計和陀螺儀；MEMS加速度計和陀螺儀在2015年已經(jīng)覆蓋美軍90%的戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器。第二類是RF MEMS軍事應(yīng)用，即相控陣雷達與通信系統(tǒng)。第三類是微能源，希望用MEMS提高衛(wèi)星等的能量密度。第四類，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，也是各國航天裝備體系建設(shè)的重要方向。“衛(wèi)星以前感覺是非常高端的事情，但是現(xiàn)在不是了，因為其中所用MEMS微型加速度、陀螺、推進器、星敏感器、成像器件、RF器件都已經(jīng)實現(xiàn)了很低成本。”黃教授透露，“2015年9月20號我們在太遠衛(wèi)星發(fā)射中心的一箭20星項目，里面有12個就來自高校。”
 

為了實現(xiàn)上述這么大的市場，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。“一個案例是智能灰塵（物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點）。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點包括傳感器、處理器、能量收集、能量存儲、射頻、天線和時鐘等多個器件，90年代做的原型電路板很大，到今天則集成到了2mm×2mm×0.5mm一個芯片上。”黃教授補充。
 

2015年世界傳感器市場達1587億美元，其中美國占29%，日本是19.5%，德國是11.3%，這三個國家加起來占了60%，說明發(fā)達國家還是占有傳感器的市場。
 

但我國傳感器需求年增長率比較高（＞20%），2015年中國用掉的傳感器超過了1000億人民幣。因此，我國在“十三五”里提出了一個“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”（約24億）的國家重點研發(fā)專項，對先進傳感器做規(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，而不是消費類，黃教授解釋道。