MEMS传感器技术发展现状与趋势

MEMS传感器技术发展现状与趋势

刘进长1，刘振忠2，张建3

（1. 科技部高技术研究发展中心；2.天津理工大学；3.河北工业大学）

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)传感器是在微电子技术基础上发展起来的、多学科交叉的前沿技术方向，在“中国制造2025”和“工业4.0”中发挥着关键作用。本文对MEMS传感器技术国内外发展现状与趋势进行了分析，并提出了我国进一步发展重点和对策建议。

一、关于MEMS传感器

1. 定义及特点

MEMS传感器是基于微机电系统的典型传感器件。它是指可以批量制造的，集微结构、微传感器、微执行器以及信号处理和控制电路于一体的器件或系统。其特征尺寸一般在0.1μm～100μm范围。MEMS集成了当今科学技术的许多尖端成果，它将感知信息处理与执行机构相结合，改变了人类感知和控制外部世界的方式。

MEMS传感器种类繁多，根据MEMS传感器的测量对象，可以分力学传感器、电学传感器、气体传感器、离子传感器、光学传感器、声学传感器、生物传感器、热学传感器和磁学传感器等类型。

2. 作用与意义

MEMS传感技术自诞生以来，不仅在实验室研究中取得成功，同时已开始产业化并带来了令人瞩目的社会经济效益。

典型MEMS传感器产品的应用，已对未来新型MEMS传感器的研制和产业化起到示范作用。例如，智能制造领域用到的阵列传感器、单片集成传感器、多功能集成传感器、低功耗传感器等;离散制造业用转速传感器、涡流传感器、运动部件温度、应变、振动传感器等;流程工业用压力、流量、风速、电场、气体传感器、继电器等典型产品，均为新型MEMS传感器的开发奠定了技术基础。

此外，随着材料制备与微米纳米加工技术的日趋完善，以及对于一系列微米纳米尺度科学问题的了解，新型MEMS传感器技术已经影响到制造、安全、通讯、交通、医疗、能源、环境等多个领域和层面，发挥了不可替代的作用。

例如：应用于机械装备监控的MEMS传感器，可快速地探测到机器的非正常运行状态，预防生产机械的非计划停机;应用于国防军事领域的高精度MEMS传感器，可提高武器的作战水平;应用于海洋及水下装备的监测，可适应我国对海权维护、海洋开发和资源综合利用的需求;面向重大疾病早期诊疗的MEMS传感芯片，可实现对痕量重大疾病标志物的检测;利用体声波MEMS传感器件实现细胞水平的生化应用，可实现对肿瘤细胞的药物释放及靶向治疗;利用微流控系统操控生化分子及生物细胞的方法，可实现微纳尺度下的生化检测;利用多参数复合MEMS传感系统与相关器件，可实现多种生物分子和细胞信号的同时采集和分析;利用危险气体及颗粒物的便携式体声波传感系统，可监测生活生产过程中遇到的水质监测、大气环境污染问题等。

二、世界发展现状与趋势

国际知名学者美国Univ. Michigan的K.D. Wise对传感器及MEMS发展历程，以及每个阶段的前沿技术研究和同期出现的公司进行了总结：20世纪60年代第一代微加工器件问世，70年代主要是技术扩展及新的应用，80年代是更复杂的器件产业化，90年代主要是发展集成敏感系统，2000年以后开始发展无线集成微系统。

从2000年至今全球的MEMS传感器专利数据可以看出：

自2000年后，MEMS传感器技术整体进入成长期，但不同时间段成长速度存在差异。2000—2006年为缓慢成长期，2007—2010年为平稳发展期，2011至今为快速成长期。随着MEMS传感器市场需求的不断增加，以及以中国为代表的新兴研发主体开始加入，可以预测MEMS传感器未来仍将保持快速发展的态势。

MEMS传感器为市场导向型技术，其发展速度、类型分布均与市场的需求有着紧密的联系。20世纪90年代末期MEMS技术的商业化浪潮，推动了该技术由萌芽期转向成长期，众多微传感器产品进入市场。随后2000—2006年的发展主要源于汽车工业对压力传感器、加速度计、热传感器等的大量需求。

2007—2010年MEMS进入多元化的发展阶段，虽然专利数量变化不大，但应用领域不断拓宽，除汽车工业外，航空航天、生物医药、医疗电子、消费电子、化工机械等领域，也逐渐出现MEMS传感器的身影。

2011年至今，MEMS传感器快速增长的主要原因，是消费电子领域对MEMS传感器需求量的增加，同时物联网、智能制造等的发展也起到了一定的推动作用。

通过专利权人的分析可以看出，美国和德国由于分别拥有霍尼韦尔国际公司和罗伯特•博世有限公司，在全球的MEMS传感器研发中一直处于重要的地位。MEMS传感器研发的主要地区集中在亚洲，具体到国家来看，由日本、韩国逐步转移至中国。

罗伯特·博世(Robert Bosch)公司Gerhard Lammel总结与预测：MEMS传感器大规模应用第一次浪潮是汽车工业，第二次浪潮是消费类产业(智能手机为主)，而第三次浪潮将是物联网及服务。美国Transparency Market Research咨询公司预测，物联网传感器年增长率24.5%，到2023年将达到347.89亿美元。

三、我国发展现状与水平

中国在MEMS传感器领域的研究较晚，但目前已经成为不可或缺的力量，后发优势突显。国家863计划持续15年的支持，大大促进了MEMS传感器的设计、加工、测试、封装、装配等关键技术的进步，产生了一批具有自主知识产权的核心技术，凝聚并形成了我国MEMS/NEMS研究与开发的队伍，建立了一批MEMS/NEMS研发基地，在相对较短时间内，形成了我国微纳制造技术研究与开发体系，使我国MEMS/NEMS自主创新能力显著提高，产业技术竞争力得到提升。

近10年来，我国从事MEMS/NEMS产品研发的公司已增长到200余个，大型集成电路生产骨干企业已经介入MEMS/NEMS技术研发，应用于消费类、汽车等行业的MEMS/NEMS的代工生产模式已经实现，并形成了由设计、制造、封装、可靠性、测试等环节构成的完整研发体系和生产技术链。

2013年，在“十二五”863计划中布置的“工业用高端微纳传感器与系统研究开发”项目含9个课题，目前已完成验收，在MEMS能量收集器方面形成了较好的积累。

四、我国进一步发展重点与对策

从当前国际发展趋势，以及国内的发展状况来看，我国对MEMS全产业链、规模化设计和规模化生产方面的研究与投入均不足，使得MEMS产业在产业化集成设计与规模生产两方面的能力都非常薄弱。为改善这种局面，提出如下重点与对策：

1. 完善产业链

以科研院所、高校为创新载体，以工业类MEMS传感器、能量收集器的研究与发展为目标，建设可贯通产品设计、工艺制造、封装和测试产业链条的公共技术服务平台，形成资源共享、优势互补的公共服务体系，进而为实现持续的技术创新开辟新的途径。以公共服务平台为技术依托，以工业类MEMS传感器、能量收集器的应用与推广为目标，孵化并扶持多家示范企业，形成门类齐全、布局合理、结构优化的产业体系。

2. 加强合作，攻克关键核心技术

集中多方资源，协同开展研究，努力攻克多种能量收集器智能传感器集成化设计、规模化制造工艺、规模化标准化测试技术、晶圆级封装、高密度封装等关键核心技术;开发多种能量收集器MEMS传感器，促进能量收集器的创新性应用。

3. 提升应用规模与水平

利用公共技术服务平台完成多个工业类MEMS传感器、能量收集器向产品转化，并实现其在“中国制造2025”和“工业4.0”中的广泛应用，实现面向重点行业和重点领域的应用及其多种产品的产量显著增长。

4. 凝炼重点，加强支持力度

针对我国智能微纳传感器、能量收集器的发展需求，面向“中国制造2025”和“工业4.0”，重点选择市场急需的MEMS传感器，开展封装技术、可靠性测试技术和单片集成多传感器及其无线传输系统等核心关键技术研究，力争在世界工业领域传感器市场占领一席之地。

本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”（编号：ZLY2015072）研究成果之一。