本期看点
① 它虽小，却功能强大
② 它虽老，却日益重要
③ MEMS 黄金时代到来，MEMS器件国产化空间广阔
④ 助力智能制造，MEMS赋能产业数字金融
电影《黑客帝国》中，人类的大脑接入网络，生活在虚拟世界中，浑然不觉地过着各式各样的生活，喝着饮料也只不过是网络产生并发送给大脑的信号而已。电影中的Matrix世界本身就是人工智能所搭建的，内部所有的一些都是信号的流动。 前两年的《头号玩家》，人类的意识连线到网络，人与人由传统的对话交流演变了网络信号的交流，最终导致无法分清虚拟和现实。
物联网的初衷是将万物连上网络，从而更好地为人类服务，在电影中人类的大脑也成为了物联网的一部分。 物联网的基础是感知获取数据，各种智慧数据捕捉器连接了现实物理世界和数字世界，而如今有一项技术正让智慧数据捕捉器越来越强大。 在之前的《聚量观察》中我们聊过温湿度传感器、声学成像仪、振动传感器、激光雷达等等，这些产品之间有个共性，依托的核心技术就是这项技术——MEMS。
1、它虽小，却功能强大
MEMS（Microelectromechanical Systems），即微机电系统，它是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，是利用集成电路制造技术和微机械加工技术，把微传感器、微执行器等制造在一块芯片上的微型集成系统。输入信号是物理信号，通过传感器转换为数字或模拟信号，如电、光、磁等，也就是把物理世界转化成了010101的数字世界，经过信号处理后，由执行器与外界产生作用、进行通信。
通俗地说，之前传统方法制造的各类传感器是利用机械等传统加工手段做成的。随着半导体等技术的飞速发展，人类可以在很小的空间里放入数以亿计的晶体管。既然能将晶体管做得那么小，也可以使用制造半导体的技术，将传统的机械结构做得和芯片一样大小，而且还可以把微型机械结构和芯片封装在一起，这就出现了MEMS系统。
MEMS原理图
一般微机电设备的通常尺寸在20微米到一毫米之间，由尺寸为1至100微米的部件组成，具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量生产等特点。
显微镜下的MEMS结构（注意图片上的刻度，是微米哦）
它在日本被称作微机械（Micromachines），在欧洲被称作微系统技术（Micro SystemsTechnology，MST），比微机电系统更小的，在纳米范围的类似技术被称为纳机电系统（Nanoelectromechanical Systems，NEMS）。
2、它虽老，却日益重要
MEMS 技术被誉为 21 世纪具有革命性的高新技术，起源于 1947 年美国贝尔实验室晶体管的发明。发展至今，射频 MEMS、压力传感器、麦克风、加速度计、陀螺仪和惯性组合是目前应用最为广泛的MEMS器件。
MEMS技术发展历程
MEMS传感器经历了三次技术发展浪潮，汽车电子、消费电子和物联网分别为主要的推动力量。
MEMS经历的三次技术发展浪潮
● 第一次发展浪潮发生在 20 世纪 80 年代末至 90年代。1993 年，美国 ADI 公司采用MEMS 技术成功实现微型加速度计的商品化，大批量应用于汽车防撞气囊，标志着 MEMS 技术产业化的开端。除安全气囊外，还有制动压力、轮胎压力监测系统等汽车电子应用需求增长，巨大利润空间驱动欧洲、日本和美国的企业大量研发生产 MEMS 传感器产品；
● 第二次发展浪潮发生在 2007 年以后，随着以智能手机为代表的消费电子产品的快速普及和发展，MEMS 商业化的进展明显加快。消费电子产品要求体积更小且功耗更低的 MEMS 传感器产品；
● 第三次发展浪潮是物联网的出现，受益于物联网产业的快速发展，MEMS行业带来巨大的发展红利。物联网的产业架构可以分为四层：感知层、传输层、平台层和应用层，MEMS 器件是物联网感知层重要组成部分。
物联网的发展带动智能终端设备普及，推动 MEMS 需求放量。据全球移动通信系统协会 GSMA 统计，全球物联网设备数量已从 2010 年 的 20 亿台，增长到2019 年的 120 亿台，预测到 2025 年全球物联网设备将达到 246 亿台，2019 到 2025 年将保持 12.7%的复合增长率。
3、MEMS 黄金时代到来，MEMS器件国产化空间广阔
数字科技时代下，科技行业是目前最具活力的行业之一，据统计，科技行业每 5 到 10 年都有一次大趋势，每15 年就会出现一次技术转移。自 2000 年以来，科技行业已经从传统的计算机和智能手机等个人电子消费向人工智能（AI）和物联网（IoT）方向前进了一大步。一般而言，技术转移都始于半导体，这是所有技术的核心。 类似于传统半导体产业，MEMS 产业链一般也包括设计研发、生产制造、封装测试、系统应用等四大环节。芯片设计企业专注于 MEMS 芯片及其产品结构的设计，完成设计后交由第三方晶圆厂生产制造出 MEMS 芯片，经过封装测试后实现向各个领域的客户出货。其中，先进封装是决定MEMS器件性能及整个MEMS产业的重要环节。
MEMS产业链全景图
数字科技时代下，科技行业是目前最具活力的行业之一，据统计，科技行业每 5 到 10 年都有一次大趋势，每15 年就会出现一次技术转移。自 2000 年以来，科技行业已经从传统的计算机和智能手机等个人电子消费向人工智能（AI）和物联网（IoT）方向前进了一大步。一般而言，技术转移都始于半导体，这是所有技术的核心。 类似于传统半导体产业，MEMS 产业链一般也包括设计研发、生产制造、封装测试、系统应用等四大环节。芯片设计企业专注于 MEMS 芯片及其产品结构的设计，完成设计后交由第三方晶圆厂生产制造出 MEMS 芯片，经过封装测试后实现向各个领域的客户出货。其中，先进封装是决定MEMS器件性能及整个MEMS产业的重要环节。
MEMS 传感器生产主要有 Fabless 和 IDM 两种模式。
● Fabless 模式是主流，是以设计为主的垂直分工（Fabless）模式，企业主要负责 MEMS 产品的设计与销售，将生产、测试、封装等环节外包，典型的企业有楼氏、HP、佳能等；
● IDM 模式是集成器件制造（Integrated Device Manufacture，简称 IDM）模式，也是目前国际大厂主要的商业模式，典型的 IDM 厂商有 Bosch（博世）、三星、TI（德州仪器）、东芝、ST（意法半导体）等，IDM厂商的经营范围涵盖了设计、制造、封装测试等各环节，甚至延伸至下游电子终端。
国内市场方面，MEMS产业现在正处于“春天”，MEMS传感器技术趋于成熟，已经形成完整 MEMS 产业链条，处于大规模商用量产阶段，未来十年将是中国MEMS产业的黄金十年。
从市场规模上来看，根据IHS的数据，2019年全球MEMS市场规模为165亿美元（折合人民币千亿以上）。根据赛迪智库的统计，2019年中国MEMS市场规模约600亿元，占全球市场比例约54%，且国内市场增速持续高于全球。
MEMS行业全球及中国市场规模
4、助力智能制造，赋能产业数字金融
在过去的几十年中，MEMS研究人员和开发人员已经针对几乎所有可能的感应方式，包括温湿度、压力、惯性力、化学物质、磁场、辐射等，展示了数量众多的微型传感器。尤其在如今的工业互联网时代，MEMS 传感器广泛应用于AR/VR、可穿戴等消费电子，智能驾驶、智能工厂、智慧物流、智能家居、环境监测、智慧医疗等物联网领域。随着人工智能和物联网技术的发展，MEMS传感器的应用场景将更加多元。
MEMS传感器是人工智能重要的底层感知硬件之一，传感器收集的数据越丰富和精准，人工智能的功能才会越完善。应用于产业数字金融中，MEMS的各类传感器可以通过各种感应方式，实时监测工厂、仓库等场景中的设备、货物、人员的状态，采集供应链、产业链的每一笔底层交易信息。
传感器是装备智能化、生产智能化的重要手段。在工业领域，目前的工业机器人和机床并不具备外部感知能力。未来，机器需要变得更加智能，在加工过程中还要具备对产品质量进行分析和自动决策的能力，这才是真正的智能制造装备。工业物联网结合传感器、5G、大数据、云计算等技术手段，在各层次之间交互传递信息，赋能工业物联网、产业互联网的发展，优化产业链上企业生产管理，提高生产效率。
MEMS技术应用于产业数字金融，最终不仅可实现实体企业自身的数字化监控，通过这些物联网传感器采集到的数据还可以推送给金融机构，作为判断企业交易信用的重要依据，以此形成金融机构与实体产业之间的良性互通。
在万物互联时代下，MEMS 传感器正扮演着越来越重要的角色，工业互联网作为智能制造的基础平台，将会在整个制造业发展过程中起到越来越关键的作用，数字化的工业发展趋势将会引导中国从制造大国向制造强国转变。
参考文献：
[1]https://www.mems-exchange.org/MEMS/what-is.html
[2]https://zh.wikipedia.org/wiki/微机电系统
[3]Yole Développement：《2020 年 MEMS 产业态势》
[4]信达证券：《业务拓展顺利，打造MEMS平台型企业》
[5]东方证券：《MEMS迎物联网浪潮，国产化加速》
[6]赛迪顾问：《2019 年中国 MEMS传感器潜力市场暨细分领域优秀本土企业》
[7]中国电子报：《MEMS智能传感器驶向发展快车道》
[8]Eeworld - St_AMSChina：《ST发力工业传感器市场》
[9]《2020年中国工业传感器市场年度报告》
