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本帖最后由 创芯讲堂运营 于 2020-9-16 11:17 编辑
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目 录
序
前言 第1章 走在产业前沿的时代骄子 1
1.1 MEMS的前世今生 2
1.1.1 MEMS是什么 2
1.1.2 MEMS的四个阶段 5
1.2 小小的MEMS有大大的玄机 7
1.2.1 基本结构及原理 8
1.2.2 MEMS设计 9
1.2.3 MEMS制造 16
1.2.4 MEMS 封装 30
1.2.5 MEMS测试 35
第2章 揭开MEMS的神秘面纱 44
2.1 传感MEMS技术 45
2.1.1 气体传感器 45
2.1.2 加速度传感器 51
2.1.3 陀螺仪 54
2.1.4 磁传感器 57
2.1.5 声敏传感器 62
2.2 生物MEMS技术 65
2.2.1 相关分类 67
2.2.2 发展及现状 68
2.2.3 热点与挑战 71
2.3 光学MEMS技术 76
2.3.1 相关分类 78
2.3.2 发展及现状 84
2.3.3 热点与挑战 86
2.4 射频MEMS技术 88
2.4.1 相关分类 90
2.4.2 发展及现状 95
2.4.3 热点与挑战 96
第3章 悄然改变生活的MEMS 97
3.1 全球个人娱乐产业的支撑 98
3.1.1 手机 98
3.1.2 可穿戴设备 103
3.1.3 游戏机 107
3.2 汽车巨头雄霸市场的撒手锏 108
3.2.1 车用传感器的分类 109
3.2.2 车用MEMS 110
3.2.3 ADAS将推进汽车传感器的融合 114
3.2.4 无人驾驶汽车中的MEMS传感器 116
3.3 工业4.0背后的隐形功臣 121
3.3.1 工业机器人 121
3.3.2 智能机器人 125
3.3.3 智慧工厂 127
3.4 智慧医疗不眠的守护神 130
3.4.1 医用测压 130
3.4.2 医疗植入 131
3.4.3 胎心检测 132
3.4.4 癌症检测 133
3.5 国家之间航空航天角力的硬科技 134
3.6 其他 135
3.6.1 仿生传感器 135
3.6.2 智能家居 136
第4章 全球视角下的MEMS产业布局 140
4.1 全球MEMS产业分布详解 141
4.1.1 美国 141
4.1.2 日本 143
4.1.3 欧洲 145
4.2 知名MEMS企业概览 147
4.2.1 博世（Bosch） 147
4.2.2 意法半导体（ST） 148
4.2.3 德州仪器（TI） 150
4.2.4 英飞凌（Infineon） 151
4.2.5 楼氏电子（Knowles） 153
4.2.6 应美盛（InvenSense） 155
4.2.7 电装（Denso） 156
4.2.8 松下（Panasonic） 157
4.2.9 亚德诺半导体（ADI） 158
4.3 我国MEMS产业分布 159
第5章 MEMS企业并购整合的酸甜苦辣 161
5.1 所谓酸者，虽入口却意味深长 162
软银:豪赌 物联网春天的巨人 162
5.2 所谓甜者，尝到甜头一发不可收 171
5.2.1 TDK，拥抱新的智能世界 171
5.2.2 奥地利AMS的买买买 179
5.3 所谓苦者，未尝所愿也 184
高通，拟并购进入汽车半导体市场的巨人 184
5.4 所谓涩者，一波三折 189
美新半导体，本土加速度传感器的王者 189
第6章 逐渐清晰的MEMS投资方向 193
6.1 政策引导下的投资方向 194
6.1.1 政策在说什么 194
6.1.2 政府想要什么 197
6.2 不同投资人眼中的MEMS投资机会 200
6.2.1 政府投资平台 201
6.2.2 科技公司投资平台 203
6.2.3 市场化投资基金 203
样章试读 MEMS，正在悄然改变我们的生活 一，手机 手机是MEMS在消费类产品中最大的应用领域。 手机应用包含MEMS麦克风、3D加速器、RF被动与主动组件、相机稳定与GPS的陀螺仪、小型燃料电池与生化芯片等，应用最多的传感器是加速计、陀螺仪与MEMS硅麦克风，其中加速度计是该市场中第一大应用产品。而近期陀螺仪增长迅速，已经成为继加速度计后的第二大应用产品。还有一些MEMS传感器或刚进入市场的，例如磁传感器、指纹传感器、环境传感器、MEMS手机摄像头等。而MEMS传感器在手机应用的数量规模以及多样性，也仍不断在快速成长当中。 图3-1 苹果手机中传感器示意 美国苹果公司于2007年首度将MEMS加速度计应用在iPhone中，开启手机产业的传感器革命。iPhone6 Plus就使用了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压计、指纹传感器、接近与环境光传感器、MEMS麦克风和Image Sensor等MEMS传感器。截至目前，Apple公司已拥有超过三百五十项与传感器相关的发明专利，而申请内容包括触控、影像、运动、振动感测、数据运算、掉落感知及亮度感知等等。 手机中用到的各种传感器解析： 1）光线传感器 原理：光敏三极管，接受外界光线时，会产生强弱不等的电流，从而感知环境光亮度。 用途：通常用于调节屏幕自动背光的亮度。根据环境光线明暗来判断用户的使用条件，从而对手机进行智能调节，达到节能和方便用户使用的目的。黑暗环境下自动降低背光亮度，以免背光太亮刺眼。太阳下自动增加屏幕亮度，使显示更清楚。手机移动到耳边打电话时，自动关闭屏幕和背光，可以延长手机的续航时间，同时关闭触屏，又可以达到防止打电话过程中误触屏幕挂断电话的误操作。 此外，还可以将手机设计成利用光线亮度控制铃声音量的功能，即通过外界光线的强弱，来控制铃声的大小，如手机装在衣服口袋或是皮包里时，就大声振铃，而取出时，环境光线改变了，振铃就随着减小，该功能一方面可以避免铃声过小误接电话，一方面又可以适应环境的需要，避免影响他人，同时还能节省电量。 2）距离传感器 原理：距离传感器是利用“飞行时间法”（Flying Time）的原理来实现测距离，以检测物体的距离的一种传感器。“飞行时间法”是通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间间隔来计算与物体之间的距离。红外LED灯发射红外线，被近距离物体反射后，红外探测器通过接收到红外线的强度，测定距离，一般有效距离在10cm内。距离传感器同时拥有发射和接收装置，一般体积较大。 用途：检测手机是否贴在耳朵上正在打电话，以便自动熄灭屏幕达到省电目的，也可用于皮套、口袋模式下自动实现解锁与锁屏动作。 3）重力传感器 原理：重力传感器是根据压电效应的原理来工作的，所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。 重力传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。传感器内部一块重物和压电片整合在一起，通过正交两个方向产生的电压大小，来计算出水平方向。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其他方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。 用途：手机横竖屏智能切换、拍照照片朝向、重力感应类游戏（如滚钢珠）。 4）加速度传感器 原理和分类，如前述。 用途：游戏控制、图像自动翻转、计步、防手抖、手机摆放位置朝向角度检测。 5）磁传感器 原理和分类，如前述。 用途：指南针、地图导航方向、金属探测器APP。 6）陀螺仪 原理和分类，如前述。 用途：体感、摇一摇（晃动手机实现一些功能）、平移/转动/移动手机可在游戏中控制视角、VR虚拟现实、在GPS没有信号时（如隧道中）根据物体运动状态实现惯性导航。 7）GPS 原理：地球特定轨道上运行着24颗GPS卫星，每一颗卫星都在时刻不停地向全世界广播自己的当前的位置坐标及时间戳信息。手机GPS模块通过天线接收到这些信息。GPS模块中的芯片根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，根据卫星发射坐标的时间戳与接收时的时间差计算出卫星与手机的距离，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置坐标。 用途：地图、导航、测速、测距。 8）指纹传感器 指纹传感器是实现指纹自动采集的关键器件。指纹传感器按传感原理，即指纹成像原理和技术，分为光学指纹传感器、半导体 电容传感器、半导体热敏传感器、半导体压感传感器、 超声波传感器和 射频RF传感器等。目前的主流是半导体电容式指纹识别，但识别速度更快识别率更高的超声波指纹识别会逐渐普及。 光学指纹传感器原理：主要是利用 光的折射和反射原理，光从底部射向三棱镜，并经棱镜射出，射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一样。CMOS或者CCD的光学器件就会收集到不同明暗程度的图片信息，就完成指纹的采集。 半导体电容指纹传感器原理：在一块集成有成千上万半导体器件的“平板”上，手指贴在其上与其构成电容的一极，另一极是硅晶片阵列，由于手指平面凸凹不平，凸点处和凹点处接触平板的实际距离大小就不一样，形成的电容/电感数值也就不一样，通过人体带有的微电场与电容传感器间形成微电流，指纹的波峰波谷与感应器之间的距离形成电容高低差，设备根据这个原理将采集到的不同的数值汇总，从而描绘出指纹图像。 超声波指纹传感器原理：超声波多用于测量距离，比如海底地形测绘用的声呐系统。超声波指纹识别的原理也相同，就是直接扫描并测绘指纹纹理，甚至连毛孔都能测绘出来。因此超声波获得的指纹是3D立体的，而电容指纹是2D平面的。超声波不仅识别速度更快、而且不受汗水油污的干扰、指纹细节更丰富难以破解。 用途：手机解锁、信息保护、在线识别、移动支付等安全功能。 图3-4 指纹传感器原理 9）霍尔感应器 原理如前述。 用途：翻盖/滑盖自动解锁、合盖自动锁屏、锁定键盘及解除键盘锁、实现皮套功能等。 10）气压传感器 原理：气压传感器是用于测量气体的绝对压强的仪器，分为变容式或变阻式气压传感器，将薄膜与变阻器或电容连接起来，气压变化导致电阻或电容的数值发生变化，从而获得气压数据。 用途：海拔计算/误差修正、配合GPS实现三维定位。 11）心率传感器 原理：用高亮度LED光源照射手指，当心脏将新鲜的血液压入毛细血管时，亮度（红色的深度）呈现如波浪般的周期性变化，通过摄像头快速捕捉这一有规律变化的间隔，再通过手机内应用换算，从而判断出心脏的收缩频率。 用途：运动、健康。 图3-6 心率传感器功能示意 12）血氧传感器 原理：血氧传感器用于感受血液中氧分压并转换成可用输出信号的仪器。血液中血红蛋白和氧合血红蛋白对红外光和红光的吸收比率不同，用红外光和红光两个LED同时照射手指，测量反射光的吸收光谱，就可以测量血氧含量。血氧传感器均由发光器件和接收器件组成。其中，发光器件是由波长为660nm或650nm的红光和波长为940nm或910nm的红外光发射管组成。光敏接收器件大都采用接收面积大，灵敏度高，暗电流小，噪声低的PIN型光敏二极管,由它将接收到的入射光信号转换成电信号。 用途：运动检测、健康检测。 13）紫外线传感器 原理：利用某些半导体、金属或金属化合物等光敏元件的光电发射效应，通过光伏模式和光导模式在紫外线照射下会释放出大量电子，将紫外线信号转换为可测量的电信号，检测这种放电效应可计算出紫外线强度。 用途：为健康和健身方面的应用提供环境光和红外（IR）接近感测功能。 综上所述，前七个传感器，几乎是每个智能手机的标配；第八个传感器-指纹识别，归功于移动支付时代的到来，安全与便捷性要求的提高，现在有全面普及的趋势，，第九个传感器，官方卖皮套的手机或平板一般都支持。 最后四个传感器比较少见，主要针对户外、运动、健康一类的特殊用户群体，多见于高端手机，以及智能手表手环一类的产品。 手机已经从 通信工具，转变为全能的个人助理工具，设计师尽可能多地在手机上集成不同的功能，可以想象未来的手机会集成越来越多的传感器。随着带宽提升的5G来临，不断改善的显示技术（更高的分辨率、更好的视频质量、增强的对比度/亮度等），新设计，增强现实，更小尺寸且具有更多传感功能，将不断推动MEMS和传感器的快速发展，为消费电子产品的“升级、换代”划成一个里程碑式的注脚。在智能手机端，将出现大量新型传感器：惯性传感器、3D光学传感器、IR（红外）传感器、环境传感器、指纹识别传感器、光谱传感器以及光学MEMS（例如自动对焦和/或微投影）。
二，可穿戴装置 目前，最常见的收集身体运动数据的技术是计算步数，这种技术首次是用在计步器上，如今也给消费者提供数据来源。除了在外形上的改变——从皮带夹到手环，大多数计步设备需要加入其他功能，检测身体其他指标。市场上有成千上万的传感器，并且还会越来越多。现在，工程师都开始使用传感器来检测和测量心率、汗液、温度、睡眠、生殖健康，卡路里、GPS坐标、血压、UV紫外线和葡萄糖水平。
加速度传感器、磁场传感器、陀螺仪等惯性传感器和气压、湿度、紫外指数等环境传感器被广泛用于消费类可穿戴产品,不过,专有解决方案却需要定制的MEMS传感器。例如,MEMS青光眼镜是一种柔软的一次性硅隐形眼镜,内置一个MEMS传感器,用于捕捉角膜区自发性周向变化。因为能够24小时连续无创测量角膜变化,该解决方案是目前辨别正常眼压青光眼和非青光眼的最实用方法 。 图3-2 可穿戴设备中传感器示意 1）加速传感器 原理如前述。 应用：横竖屏、翻转应用、计步器、双击功能、手势识别、防盗、FREEFALLDETECTION、检测震动。 2）磁场传感器 原理如前述。 用途：地图方向指示、室内定位导航 3）陀螺仪 原理如前述。 用途：VR头盔、运动手环等 4）温度传感器 原理：导体的电阻随温度变化 用途：用于记录温度变化。虽然它不同于温度计，但是传感器的概念是类似的，都是通过红外线提供体温的读数。对此类温度传感器而言，个体锻炼越多，发热会越多，从而捕捉到信息。 5）气压传感器 原理和分类如前述。 6）指纹传感器 原理如前述。 用途：用于按键直接开锁、感知的应用。 7）生物阻抗传感器 原理：人体是一个大的生物电导体，各组织、器官均有一定的阻抗，当人体的局部器官发生病变时，该部位的阻抗必然与其他部位不同，因而可通过2～128通道的生物电探针，来测量人体的生物阻抗，从而对人体的健康和病变进行检测诊断。皮肤电反应是测量皮肤的电阻并将其解释为身体的某种活动的方法。它也称为皮肤电反应或心理电反射。这并不意味着健身追踪器将产生电击，但是某些健身追踪可以使用该传感器来收集心率的数据。 用途：用于检查皮肤对小电流的电阻，将广泛应用于亚健康监护、慢性病监测、急性病监护、中医模式诊断、运动健康监护等业务。 8）光学传感器 原理：光照引发光电二极管产生相应的电信号，经由模数转换将其转换为数字信号，比较数字信号与预设值，实现测量功能。利用皮肤反射的光来测量脉搏。该器件本质目的是模仿人眼对环境感知（仅亮度），调节可穿戴设备适应环境需求。 图3-8 各种各样的可穿戴设备 用途：运动监测、导航、娱乐、人机交互，例如：调节屏幕亮度、测量心率、测量脉搏。 典型设备：Nike+ FuelBand、Jawbone Up、Fitbit Flex、咕咚手环、Pebble、Geak Watch、InWatch、Galaxy Gear。 除了手环、计步器之外，创新型可穿戴设备还包括： 1）织入袜子的温度传感器 一款可以检测糖尿病患者健康状况的智能袜子，可以通过温度传感器检测患者是否出现了炎症。OFweek传感器网讯 近日，据媒体报道，CES 2017上出现了一款可以检测糖尿病患者健康状况的智能袜子，它来自初创的企业SirenCare。该袜子可以通过温度传感器检测患者是否出现了炎症。 据悉，I型和II型糖尿病最容易出现足部肿胀的状况，假如没有及时检测出来，肿胀会演变为更加严重的疾病，造成患者足部感染，甚至需要截肢。因此，对足部的状况监测可以保证提早预防各种并发症的发生。这款智能袜子的内置传感器就能对早期检测起到关键作用。 智能袜子虽然是一款可穿戴设备，但不需要经常充电。每个袜子的内置电池都充满电量，可以使用六个月。只要穿上袜子，其内置传感器会自动启动。袜子一旦被脱下，传感器则会自动关闭，进入睡眠模式。 此外，这款袜子支持机洗，患者至少可以穿六个月，所有的数据都存储于袜子的传感器、手机App以及云盘中。当足部出现损伤时，袜子可以检测到高温差，然后通过App会发出警报，提醒患者足部出现了问题。 2）智能健身T恤的内置心率传感器和GPS定位 这款健身数据跟踪设备可以直接在 T 恤里面完成健身数据的跟踪。 T恤采用无袖设计，它里面缝合了运动传感器，并且是嵌入织物当中，很薄且不引人注意。这就意味着，运动者无须佩戴额外的监测设备，比如腕带设备或者是胸前设备。另外，这个T恤还设计了一个小型传感器，位于后领上。 这个传感器上还附带有GPS，可用于确定运动员的速度，距离和加速度。另外，官方还打造了一个专门的iPad应用，可以实时显示数据，允许教练跟踪每个运动员的表现，并根据需要调整训练计划，有效地监控训练期间的工作量。 生命在于运动，运动是生命中不可或缺的重要组成部分。因此，通过运动传感器随时随地测量、记录和分析人体的活动情况具有重大价值：用户可以知道跑步步数、游泳圈数、骑车距离、能量消耗和睡眠时间等。 可穿戴装置是目前最热门的新兴产品，其所使用的感测组件，无论在尺寸、耗电量、感测灵敏度或是组件可靠度上，通常皆须面对更严苛的要求。最成功的组件案例是惯性传感器与MEMS麦克风，包括Google、Apple、微软(Microsoft)、摩托罗拉(Motorola)等多家知名大厂，皆已将此两组件整合在自家的穿戴装置产品内，成为其传感器标准配备。 可穿戴装置两大功能项目在于量化生活(QuantifiedSelf)及随身环境安全监测。其所需感测功能大致可包括活动感知、影像感测、环境感测及生理感测四大类别。MEMS组件在穿戴装置上的应用诉求，是使系统达到微小化、低功耗、高性能及多功能整合等目的。eMarketer 预测可穿戴用户的增长主要来自智能手表。但是，整体可穿戴设备市场仍然以健康和健身追踪器为主，健身和健康监测是MEMS传感器在可穿戴装置中的代表性的应用。计步表或计步器是利用三轴MEMS加速度传感器，在特定的情况下，计步器的传感器能够精确地测定在步行和跑步过程中作用在系统上的加速度，通过处理加速度数据，计步器显示用户走过的步数和速度，以及在身体运动过程中所消耗掉的热量。
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发表于 2020-9-16 10:20:33
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