MEMS传感器的下一轮技术变革
2020年是跌宕起伏的一年，新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情、中美贸易争端、单边主义盛行等错综复杂的全球形势影响了各行各业，改变了人们的生活方式，甚至影响了我们对世界的看法。当然，这些也对MEMS产业产生了重要的影响。不过，困境中往往孕育着机遇，并不是所有的MEMS细分领域都在上述负面影响中挣扎。
2021年，MEMS传感器的下一轮技术变革正在进行时...
例如，红外探测器和微流控器件市场就在新冠肺炎大流行中获得了现象级的大幅增长。此外，疫情带来的居家隔离、远程办公，推动了5G部署、“非接触”语音交互以及数据中心等应用发展，从而加速了射频滤波器、MEMS振荡器、MEMS麦克风等器件的持续增长；但是，由于消费需求端的急剧萎缩，整体消费类MEMS市场小幅下降2.6%，全球汽车市场猛踩刹车，使得这些市场相关的压力传感器、惯性传感器需求下跌。
2019~2025年MEMS市场预测（按终端市场细分）（来源：Yole）
根据Yole预测，受新冠疫情等纷繁形势的影响，2020年MEMS市场营收年同比预计下降5.2%，其中消费(-2.6%)、汽车(-27.5%)和通信(-20.5%)市场负增长，工业(11.5%)、医疗(10.6%)、国防和航天(4.7%)市场继续增长。总体而言，2021年起预计将从阴霾中走出，到2025年全球MEMS市场规模将增长至177亿美元，2019~2025年期间的复合年增长率为7.4%。
另一方面，新冠肺炎疫情确实阻碍了MEMS市场营收的增长，但却并没有影响MEMS技术和应用的中长期演进趋势。MEMS和传感器仍在向着微型化、集成化、网络化、低功耗以及智能化演进，具体来说有以下几个发展趋势：
（1）MEMS和传感器呈现多项功能高度集成化和组合化的趋势。由于设计空间、成本和功耗预算日益紧缩，在同一衬底上集成多种敏感元器件、制成能够检测多个参量的多功能组合MEMS传感器成为重要解决方案。
（2）传感器智能化及边缘计算。软件正成为MEMS传感器的重要组成部分，随着多种传感器进一步集成，越来越多的数据需要处理，软件使得多种数据融合成为可能。MEMS产品发展必将从系统应用的定义开始，开发具有软件融合功能的智能传感器，促进人工智能在传感器领域更广阔的应用。
（3）传感器低功耗及自供能需求日趋增加。随着物联网等应用对传感需求的快速增长，传感器使用数量急剧增加，能耗也将随之翻倍。降低传感器功耗，采用环境能量收集实现自供能，增强续航能力的需求将会伴随传感器发展的始终，且日趋强烈。
（4）MEMS向NEMS演进。随着终端设备小型化、种类多样化，推动微电子加工技术特别是纳米加工技术的快速发展，智能传感器向更小尺寸演进是大势所趋。与MEMS类似，NEMS（纳机电系统）是专注纳米尺度领域的微纳系统技术，只不过尺寸更小。
（5）新敏感材料的兴起。薄膜型压电材料具有更好的工艺一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面积，可用于MEMS执行器、扬声器、触觉和触摸界面等。未来MEMS器件的驱动模式预计将从传统的静电梳齿驱动转向压电驱动。
（6）更大的晶圆尺寸。相比于目前业界普遍应用的6英寸、8英寸晶圆制造工艺，更大的晶圆尺寸能够很大程度上降低成本、提高产量，并且晶圆尺寸的扩大与芯片特征尺寸的缩小是相应促进和互相推动的。例如，用12英寸晶圆工艺线制造的MEMS产品已经出现。
接下来，让我们管窥红外、语音、气体和运动（惯性）等热门传感器领域，聚焦这些领域的优质企业如何进行MEMS和传感器技术创新，重塑产业链。
01
中国红外探测器厂商重塑全球产业新格局
新冠疫情“危中藏机”，疫情使红外测温枪、红外热像仪等无接触快速测温设备成为防疫刚需，红外测温以迅雷不及掩耳之势覆盖了全民生活，更成为全球疫情防控的决胜技术。中国红外探测器厂商抓住机遇，在保障国内疫情防控需求的同时远销海外，获得了全球客户的广泛认可，代表“中国芯”参与全球抗疫。在此背景下，“中国牌”测温产品及红外探测器厂商的营业收入和利润增长显著，出货量远超去年同期，实现了跨越式大发展，重塑了全球红外行业新格局。
根据麦姆斯咨询观察统计，2020年全球红外热成像探测器出货量市场份额情况：美国FLIR以35%的市场占有率排名第一，而国内的海康威视、高德红外、睿创微纳、大立科技分别位列第二、第三、第四及第七位，总体已占据全球市场份额的近45%，下图展示了2020年中国主要厂商的出货量预测占比。纵观产业格局，中国红外热成像探测器厂商已经可以与国外厂商“分庭抗礼”。
2020年中国主要红外热成像探测器出货量预测占比（来源：麦姆斯咨询）
而在热电堆红外探测器方面，此前主要依赖于进口产品，典型供应商如德国海曼、日本石塚、日本欧姆龙、日本松下、瑞士泰科、比利时迈来芯以及我国台湾众智等。由疫情带来的巨大市场机遇，使得上海微技术工研院、烨映电子（已进行上市辅导备案拟科创板IPO）、创芯海微、森霸传感、炜盛科技、西人马等众多国内供应商一度处于“卖断货”的状态。此外，相关厂商也在积极布局热电堆阵列技术，以期拓展智能家居、智慧安防、智慧零售等更加广阔的应用领域。
江苏创芯海微科技有限公司是一家专注于红外探测器研发、生产与服务的创新型科技企业，产品主要包括热电堆红外探测器芯片、TO封装及SMD封装产品、长距离器件、相关模组和阵列产品等，主要应用于人体测温、出入口监控、智能空调、微波炉、智能手机、智能家居、可穿戴设备等市场。创芯海微研发团队的红外技术研发可追溯至2010年以前，是中国较早一批从事MEMS红外热电堆技术的研发团队之一。
创芯海微WA2智能红外测温挂件
2021年初，创芯海微发布了一款适用于群体红外便携式测温的热电堆测温挂件WA2。WA2智能红外测温挂件是一款具有区域成员体温监测管理和行程溯源功能的非接触式红外测温型可穿戴智能产品。该产品采用创芯海微自主研发的MEMS热电堆红外传感器和红外测温模组，可实现高精度、高可靠和高效率的无接触温度测量。将WA2智能红外测温挂件产品与手机蓝牙连接，通过手机微信小程序上传温度数据至云端后台，可以生成体温变化图表。WA2智能红外测温挂件还内置了行程溯源机制，能够在发生疫情时，应有关部门要求提供行程轨迹信息，为迅速排查密切接触人员提供依据。
此外，2021年创芯海微还将发布50至100厘米的长距离测温探测器、单点高性能测温探测器、8 x 8和32 x 32阵列红外探测器，以及红外光源、湿度传感器、气体传感器等多款新产品。
疫情显著提高了社会对红外设备的认知度和下游应用领域的潜在机会，后疫情时代，红外探测器需求预计将由“突击爆发”转为“长期持续、稳定增长”的新阶段。
02
智能语音交互日益普及，MEMS麦克风再上新台阶
随着5G时代提前到来，人工智能+物联网（AIoT）设备的大爆发以及创新人工智能语音应用的不断涌现，“语音人机交互”正成为广泛智能设备的重要入口，快速改变人们的生活。而MEMS麦克风作为语音人机交互入口的核心元件，具备尺寸小、功耗低、性能优、一致性高、成本低等优点，被业界誉为智能设备的“听觉细胞”。
据麦姆斯咨询统计数据显示，MEMS麦克风市场规模从2010年的15.9亿元人民币一路增长到2019年的86.8亿元人民币，复合年增长率高达20.75%。随着近些年中国MEMS麦克风厂商的长足进步，2019年，楼氏电子的市场份额下滑至36%，以“歌尔股份、瑞声科技、敏芯股份、共达电声、芯奥微、华景传感”为代表的中国大陆厂商和以“钰太科技、美律”为代表的中国台湾厂商成为全球MEMS麦克风的主要参与者，进入了苹果、华为等主流智能手机品牌厂商供应链，合计市场份额占据全球市场的半壁江山。
近年，得益于苹果AirPods 2语音唤醒功能和AirPods Pro主动降噪功能的广受关注，真无线立体声（TWS）耳机已成为继智能手机、智能音箱之后，为MEMS麦克风市场注入强劲增长动力的“第三大功臣”。
2019年第一季度至2020年第三季度全球TWS耳机市场（来源：Counterpoint）
根据Counterpoint发布的市场跟踪数据，尽管面对新冠疫情带来的经济危机，不断增长的移动视频应用，以及智能手机制造商取消耳机插孔（甚至不附赠耳机），仍推动全球TWS耳机市场在2020年第三季度的季度环比增长了24%，预计2020年的整体出货量将略高于最初的市场预期。
另一方面，疫情带来的“非接触式”需求推动了门禁控制、电梯控制、信息显示等应用逐渐向语音交互转变，越来越多的智能语音设备支持“永久在线（Always On）”的语音唤醒。此外，在家办公、远程办公已成气候，人们越来越接受线上会议、视频办公等“新常态”，这对高性能麦克风阵列和语音捕获算法提出了新要求。综合来看，2020年新冠疫情突如其来的短期挑战，并没有对MEMS麦克风的市场需求带来多大影响，预计2020年MEMS麦克风出货量仍将实现两位数的快速增长。
“支持Always On语音唤醒的设备，一般采用CPU/AP/DSP以10 ms间隔反覆启动并侦测用户的语音信息，以判断是否有唤醒语音输入。这种CPU/AP/DSP不间断工作方案，使系统静态电流很大（>10 mA），缩短了电子产品的电池续航时间。我们的新款MEMS麦克风ZT6311内建语音活动监测（Voice activity Detection，VAD）功能，采用多模式（Multi-mode）模拟前端（AFE），VAD算法消耗的静态电流极小，可大大提升电子产品的电池续航时间。”钰太科技有限公司副总经理庄育民在接受麦姆斯咨询采访时表示，“高品质远场拾音需要高性能麦克风阵列，MEMS麦克风灵敏度正负误差需要控制在±1 dB以內。另外，主动降噪还要求MEMS麦克风低频响应好，钰太科技可以做到最低10 Hz有响应。”
无锡芯奥微传感技术有限公司销售副总顾悦在受访麦姆斯咨询采访时表示：“TWS耳机目前已经被各大智能手机厂商和AIoT企业认可为未来两年最可见增长的智能终端，依然将是MEMS麦克风未来两年的重要增长点。除此之外，高度集成化的智能可穿戴设备以及更多应用场景下的智能家居，也将有力推动MEMS麦克风的需求增长。”芯奥微自2010年起从事MEMS传感器的研发和生产，现已逐步发展成中国知名的MEMS麦克风专业品牌制造商。
针对当前热门应用对MEMS麦克风提出的新要求，顾悦补充说：“主动降噪和高品质拾音需求，对MEMS麦克风的信噪比（SNR）、声学过载点（AOP）、更低的低频截止频率和相位一致性提出了更高的要求。为此，芯奥微将在2021年推出系列高SNR（70~72 dB）、高AOP的智能数字麦克风，以及一款超低功耗的模拟麦克风（<30 uA）。”
TDK在2020年中推出了一款全球超低功耗的脉冲密度调制（PDM）麦克风InvenSense T3902，这款麦克风在3.5mm x 2.65mm x 0.98mm的封装中提供了效率极高的185μA超低功耗模式（Always On）、64.5 dB的高信噪比和120 dB的高声学过载点，支持远场通信（视频和电话会议），可在嘈杂的环境中实现清晰的音频捕捉。“T3902是目前市场上功耗最低的PDM麦克风，旨在满足高性能、超低功耗音频市场不断增长的需求。”TDK InvenSense音频产品董事总经理Kieran Harney评价称，“TDK在可穿戴设备和物联网领域具备强大的实力，全系列MEMS麦克风使我们成为解决客户音频挑战的理想合作伙伴。”
03
MEMS气体传感器，为新兴的健康和环境应用打开了大门
随着智能化、信息技术的发展，工业转型升级、环境监测、空气品质改善、智能家居、医疗器械开发等各个领域对气体传感器的需求持续升级，新兴的细分应用不断涌现。
目前市场上的气体传感器，以半导体、电化学、催化燃烧、光学等技术为主。其中，光学原理（红外、光散射等）的气体传感器出现及应运较晚，技术难度较大、成本较高，目前所占市场份额较小。根据Yole统计，2017年全球气体传感器市场中电化学、红外、半导体技术共同占据了95%以上的市场份额，其中，电化学、半导体、红外技术的气体传感器占比分别达44.2%、38.3%和15.1%，催化燃烧、光电离子探测、超声波气体传感技术的市场份额占比较低，分别为1.5%、0.5%和0.4%。
全球气体传感器领先企业主要集中在美国、日本和欧洲地区，主要包括：城市技术、费加罗、安费诺、博世、盛思锐、艾迈斯半导体等。国内企业在技术水平上整体仍处于追赶阶段，研究和产业化相对成熟的领域主要是半导体和催化燃烧气体传感器，这两类在国内市场占有率较高，并具有较强的国际竞争力，在电化学和红外气体传感器领域起步晚，缺乏系统深入的研究，相较国际厂商影响力较弱。国内气体传感器代表企业主要有：汉威科技（旗下炜盛电子）、四方光电、攀藤科技、慧闻科技、睿感（ScioSense）、戴维莱传感、武汉微纳、合肥微纳等。
未来，各种气体检测原理都会被用于环境中多种污染物的检测和评估。MEMS和丝网印刷技术为气体传感器的小型化打开了大门，使这些微型化气体传感器能够集成进入智能手机和可穿戴设备等消费电子产品。与此同时，气体传感器也将在物联网发展中扮演关键角色，采暖、通风和空调（HVAC）系统、空气净化器、智能窗户、汽车、医疗器械、大气环境监测、石油化工产业及其他应用都将采用气体传感器来改善人们的生活品质。根据Yole预测，全球气体传感器市场规模到2022年将增长至10亿美元，2018年~2023年期间的复合年增长率为7.3%。
TDK推出的全球首款直接MEMS气体传感器TCE-11101
TDK推出一款可以直接准确检测家居、汽车、物联网、医疗保健和其他应用中CO2浓度的小型化超低功耗MEMS传感器TCE-11101。TCE-11101内部集成ASIC提供自动校准、数据上报，以及I2C接口用于数据输出和器件配置。这使它可以非常容易地集成到几乎任何应用中，它的低功耗优势，也使它可以在电池供电的设备中使用。
TDK InvenSense新兴业务部门高级总监Sreeni Rao博士评价称：“TCE-11101融合了TDK独一无二的新材料技术、MEMS工艺、人工智能算法，提供了一个体积远远小于传统传感器（5mm x 5mm x 1mm）、耗电量小于1mW并能精确测量CO2气体浓度的解决方案，提供了非常宽的检测范围（400 ppm到50000 ppm）。TCE-11101大大扩展了在各种新应用和现有应用中的CO2检测用例。”
武汉微纳传感技术有限公司是一家专注于MEMS气体感测解决方案，集研发、生产、销售为一体的高新技术企业。武汉微纳营销总监李佳枫在接受麦姆斯咨询采访时表示：“MEMS气体传感器小型化、集成化、智能化、低成本的优势，更适合智能家居、环境监测、可穿戴/手机、安防、农业、医疗健康、汽车电子需求，实现有害气体预警侦测及节能减排。武汉微纳MEMS气体传感器在一致性、重复性、长期稳定性达到国际先进的同时，持续投入小型化、智能化开发，2021年将量产业界更小尺寸封装（2.5mm x 2.5mm x 1mm）的MEMS气体传感器。”
武汉微纳推出的MEMS VOC气体传感器
04
运动传感器高度集成化和组合化，人工智能提高产品附加值
运动传感器是一类将物体运动参数转换成电子信号的器件，以加速度计、陀螺仪、高度计、磁力计为代表的MEMS运动传感器已经无处不在。在MEMS和传感器呈现多项功能高度集成化和组合化趋势下，运动传感器也不例外。如今，分立式运动传感器，尤其是消费类单轴、3轴加速度计和磁力计，市场已经趋于饱和、价格不断侵蚀，而6轴、7轴、9轴甚至以上（3轴加速度计+3轴陀螺仪+3轴磁力计+气压/温湿度传感器）组合式运动传感器市场逐渐兴起。
组合式传感器拥有一些分立式传感器无法比拟的优势，例如：采用同一颗ASIC处理信号，并将多个传感器芯片封装在一起，可降低成本；如果两种传感器芯片工艺相同或相近，可以做成单芯片，极大减小传感器尺寸；将滤波、数据融合和人工智能等算法集成，提高产品附加值。
根据Yole预测，2019~2025年期间，分立式加速度计、陀螺仪、磁力计的复合年增长率分别为1%、-0.2%和1%，增长几乎停滞甚至陷入负增长，而组合式运动传感器的复合年增长率可达4.1%，市场规模到2025年预计将增长至11.8亿美元。
据麦姆斯咨询此前报道，2020年12月，博世子公司Bosch Sensortec发布了全球首款自学习人工智能传感器：BHI260AP。这是一款革命性的自学习运动传感器，全球首款用于可穿戴和耳穿戴设备的自学习人工智能传感器，其独特的自学习和个性化功能，使用户能够通过定制化健身活动轻松训练设备。一体化解决方案不仅降低了开发时间、成本和复杂性，最重要的是，还通过自动追踪降低了功耗。
全球首款自学习人工智能传感器：BHI260AP
这款传感器使可穿戴和耳穿戴设备制造商能够通过传感器中的自学习人工智能软件，提供高度个性化的健身追踪。它能识别和适应各种动作，并学习任何基于重复、循环动作的新健身活动。因此，用户既是培训人员，也是学员。
“自学习人工智能传感器将改变用户与健身设备的互动方式，从单纯的单向方式转变为互动的训练方式。”Bosch Sensortec首席执行官Stefan Finkbeiner博士说，“这种新型传感器结合了Bosch Sensortec在智能运动传感器方面的长期经验，以及我们在创新软件开发领域的强大能力。”
美新半导体产品、市场及销售副总裁卢牮在接受麦姆斯咨询采访时表示：“多年以来，高灵敏度、高精度、低漂移等硬件指标一直是传感器行业必备要素，被整个行业孜孜以求；随着物联网越来越普及，我们看到多传感器融合越来越成为重要方向，并且随着设备的造型越来越轻巧，在极低能耗下的Always On越来越成为产品设计的挑战。美新半导体曾经在各个时期推出过多款引领行业的超低功耗超小尺寸的产品，我们将继续坚持这些特色。”
对于2021年运动传感器新产品计划，卢牮介绍称：“美新半导体将在2021年第2季度推出MC3500系列加速度计，在秉承美新半导体一贯的超低功耗超小尺寸的特色优势下，结合强大的算法功能，无论其功能还是功耗都将超越国际领先的竞争对手，其嗅探模式下小于0.4μA的功耗，更将Always On发挥到极致。此外，凭借极具挑战的0.7 mm的超薄厚度，能够确保可穿戴设备的造型轻巧美观。
2020年，美新半导体的AMR地磁产品线成长很快，已经是全球主要的供应商之一，2021年第3季度将推出下一代产品，对系统功耗、功能接口进行升级。未来我们还将突破6轴惯性传感器，不断加强算法能力和子系统领域的投入。在产业形态上，美新将坚持IDM策略，进一步做强封测和先进组装能力，进一步依托无锡和绍兴工厂把磁传感器和加速度产品线做大做强。”
苏州明皜传感科技有限公司市场总监陆晓青在接受麦姆斯咨询采访时表示：“MEMS传感器终将朝着微型化、高集成度的方向发展。国际一线供应商已经能够实现系统级9轴惯性传感器封装，并且在逐步向“9+”轴方向演进，如9轴惯性传感器与气体、气压、温湿度传感器集成产品，相比之下，国内供应商目前最多为6轴产品，且封装尺寸较国际产品还存在不小差距。面对未来室内外导航、自动驾驶和个人穿戴设备等对惯性传感器的高精度、小尺寸、低功耗、多功能的需求，明皜传感即将推出一款主打超低功耗的3轴加速度计，并正在布局一款6轴惯性传感器。”
来源：麦姆斯咨询
