半导体传感器 压力传感器 半导体压力传感器原理及结构

半导体压力传感器原理及结构

　　半导体压力传感器原理

　　半导体压力传感器可分为两类，一类是根据半导体PN结（或肖特基结）在应力作用下，I-υ特性发生变化的原理制成的各种压敏二极管或晶体管。这种压力敏感元件的性能很不稳定，未得到很大的发展。另一类是根据半导体压阻效应构成的传感器，这是半导体压力传感器的主要品种。早期大多是将半导体应变片粘贴在弹性元件上，制成各种应力和应变的测量仪器。60年代，随着半导体集成电路技术的发展，出现了由扩散电阻作为压阻元件的半导体压力传感器。这种压力传感器结构简单可靠，没有相对运动部件，传感器的压力敏感元件和弹性元件合为一体，免除了机械滞后和蠕变，提高了传感器的性能。

　　半导体的压阻效应 　半导体具有一种与外力有关的特性，即电阻率（以符号ρ 表示）随所承受的应力而改变，称为压阻效应。单位应力作用下所产生的电阻率的相对变化，称为压阻系数，以符号π表示。以数学式表示为 墹ρ/ρ=πσ

　　式中σ 表示应力。半导体电阻承受应力时所产生的电阻值的变化（墹R/R），主要由电阻率的变化所决定，所以上述压阻效应的表达式也可写成 墹R/R=πσ

　　在外力作用下，半导体晶体中产生一定的应力（σ）和应变（ε），它们之间的相互关系，由材料的杨氏模量（Y）决定，即 Y=σ/ε

　　若以半导体所承受的应变来表示压阻效应，则是 墹R/R=Gε

　　G 称为压力传感器的灵敏因子，它表示在单位应变下所产生的电阻值的相对变化。

　　压阻系数或灵敏因子是半导体压阻效应的基本物理参数。它们之间的关系正如应力与应变之间的关系一样，由材料的杨氏模量决定，即 G=πY

　　由于半导体晶体在弹性上各向异性，杨氏模量和压阻系数随晶向而改变。半导体压阻效应的大小，还与半导体的电阻率密切有关，电阻率越低灵敏因子的数值越小。扩散电阻的压阻效应由扩散电阻的晶体取向和杂质浓度决定。杂质浓度主要是指扩散层的表面杂质浓度。

　　半导体压力传感器结构

　　常用的半导体压力传感器选用N 型硅片作为基片。先把硅片制成一定几何形状的弹性受力部件，在此硅片的受力部位，沿不同的晶向制作四个P型扩散电阻，然后用这四个电阻构成四臂惠斯登电桥，在外力作用下电阻值的变化就变成电信号输出。这个具有压力效应的惠斯登电桥是压力传感器的心脏，通常称作压阻电桥（图1）。压阻电桥的特点是：①电桥四臂的电阻值相等（均为R0）；②电桥相邻臂的压阻效应数值相等、符号相反；③电桥四臂的电阻温度系数相同，又始终处于同一温度下。图中R0为室温下无应力时的电阻值；墹RT为温度变化时由电阻温度系数（α）所引起的变化；墹Rδ为承受应变（ε）时引起的电阻值变化；电桥的输出电压为 u=I0墹Rδ=I0RGδ　 （恒流源电桥）

　　式中I0为恒流源电流， E为恒压源电压。压阻电桥的输出电压直接与应变（ε）成正比，与电阻温度系数引起的RT无关，这使传感器的温度漂移大大减小。半导体压力传感器中应用最广的是一种检测流体压力的传感器。其主要结构是全部由单晶硅材料构成的膜盒（图2）。膜片制成杯状，杯底是承受外力的部分，压力电桥就制作在杯底上面。用同样的硅单晶材料制成圆环台座，然后把膜片粘结在台座上。这种压力传感器具有灵敏度高、体积小、固体化等优点，已在航空、宇宙航行、自动化仪表和医疗仪器等方面得到广泛应用。

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国产化率不足5%的核心器件：MEMS压力传感器

什么是MEMS压力传感器

压力传感器(Pressure Transducer)是工业实践中常用的一种器件设备，通常由压力敏感元件（弹性敏感元件、位移敏感元件）和信号处理单元组成，工作原理通常基于压敏材料的变化或压力引起的形变，它能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号，以便实现准确测量、控制和监测，具有高精度、耐腐蚀和紧凑结构等特点，适用于多种恶劣环境。其广泛应用于汽车电子领域及各种工业自控产品中，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，其中，汽车电子领域是压力传感器应用规模最大的单一赛道，占比超过35%。

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MEMS 压力传感器，全称微机电系统（Microelectro Mechanical Systems） 压力传感器，它们融合了尖端微电子技术和精密微机械加工技术，通过微型机械结构与电子电路的结合，利用单晶硅硅片等传统半导体材料制作而成的芯片作为主要部分，通过检测物理形变或电荷累积来测量压力，进而转化为电信号进行处理，实现对压力变化的敏感监测和精确转换。其核心优势在于微型化设计，让 MEMS 压力传感器在精度、尺寸、响应速度和能耗方面均具有卓越表现。

二、 MEMS压力传感器的分类

MEMS压力传感器根据不同的应用需求、不同的品类设计，有多种分类方式。行业内主流的分类方式有按照工作原理划分、按器件结构划分、按封装方式划分等。

资料来源：公开资料整理

资料来源：民生证券

三、 上下游产业链

资料来源：公开资料整理

01 上游原材料及芯片设计

MEMS压力传感器上游主要包括原材料供应和芯片设计等环节。MEMS压力传感器所需的材料可以分为四大类：半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料。

半导体材料

半导体材料是MEMS压力传感器最主要的原材料之一。随着半导体国产化政策支持、资本支持力度不断加大及晶圆产能持续扩张等因素带动下，我国半导体材料市场规模加速扩张。

陶瓷材料

目前，我国电子陶瓷已进入到优化升级的发展阶段，得益于下游电子工业、光纤通讯、国防军工等众多行业的巨大市场需求，电子陶瓷行业市场规模不断扩大。未来随着5G通信技术革新、电子元器件、新能源、智能装备、物联网等领域的需求增加，国产替代进口速度加快，中国电子陶瓷行业市场规模将会继续保持高速增长态势。

金属材料

铜材为MEMS上游主要原材料。其中铜材是指以纯铜或铜合金制成各种形状包括棒、线等。

芯片设计

MEMS的设计综合了材料、结构、光学等学科，且需要考虑其制造、封装工艺、低成本、智能化等实际需求，要借助计算机辅助设计，通过复杂的试验验证设计方案可行性，方能满足各项严苛要求。

02 中游生产企业

资料来源：公开资料整理

03 下游主要应用

目前，汽车、消费电子、医疗是MEMS压力传感器较大的应用领域。汽车产业占MEMS压力传感器市场销售额超40%，其次是消费电子，销售额占比约23%，医疗领域占17%，工业领域占约15%，其余市场如军用、航空航天等领域。

图表：MEMS压力传感器行业下游应用占比

资料来源：Yole

汽车行业

汽车领域是MEMS传感器重要下游应用领域之一。在汽车领域，MEMS压力传感器以小型化、高精度和可靠性等特点，广泛应用于安全系统（如制动系统的压力监测、安全气囊的压力控制及碰撞保护）、排放控制（发动机排放气体压力控制与监测）、轮胎监测、发动机管理和悬挂系统等领域。高端的汽车一般都会有上百个传感器，包括30-50个MEMS传感器，其中就有10个左右的MEMS压力传感器。这些传感器可提供关键数据，帮助汽车制造商优化发动机性能、提高燃油效率并增加驾驶安全性。

消费电子

随着3D导航、运动监测和健康监测等应用的发展，MEMS压力传感器在消费电子产品中的应用也越来越普遍。智能手机、平板电脑和智能手表等设备中的压力传感器可用于气压计、高度计和室内导航等功能。智能可穿戴设备中的压力传感器还可以监测心率和体力活动等运动和健康指标，提供更精确的数据。此外，MEMS压力传感器在无人机、航模等领域应用广泛，可提供海拔信息，与导航系统协同实现精准飞行控制。

医疗行业

在医疗行业，MEMS压力传感器被广泛应用于各种医疗设备和检测系统中。它们可以用于血压检测、呼吸机和人工呼吸器的控制、体内压力监测以及药物输送系统等。这些传感器提供了准确的压力测量，帮助医疗工作人员进行诊断和治疗。

工业自动化

在工业自动化领域，MEMS压力传感器用于监测和控制各种工业过程，它们被广泛应用于液体和气体管道系统、液位监测、压力控制和流量测量等领域。这些传感器的高精度和可靠性对于确保工业过程的稳定和安全至关重要。

航空航天

MEMS压力传感器可用于飞机和火箭的空气动力学性能测试、高空气压监测、气象数据收集以及航空器和天基设备的气压控制。其小型化和轻量化特性使其成为航空航天领域中理想的选择，能够满足严苛的环境要求。

图表：MEMS压力传感器在各行业应用趋势

资料来源：Yole

四、 MEMS压力传感器行业情况

01 市场规模

Yole预测，2019-2026年全球MEMS压力传感器市场规模从16.84亿美元增长至22.15亿美元，年均复合增长率约为5% ；出货量 从14.85亿颗 增长至21.83亿颗 ，年均复合增长率为4.9% 。

资料来源：Yole

目前，MEMS 压力传感器已成为MEMS 传感器市场规模最大的细分市场之一，在汽车、工业、医疗和和航天航空领域均有广泛的应用。根据前瞻产业研究院数据，2020年我国MEMS压力传感器市场规模约为135亿元 。在消费电子、可穿戴设备、无人机、医疗等行业高需求的推动下，结合国内MEMS压力传感器国产化进程加快，以及市场历年增长趋势，预测到2025年 约接近300亿元 。

资料来源：CCID前瞻产业研究院

02 行业竞争格局

MEMS压力传感器因其高技术壁垒和工艺要求，长期以来国内市场主要由海外企业主导。外资企业几乎垄断了全球MEMS压力传感器市场 ，高筑的技术壁垒下本土玩家屈指可数，国产化率不足5%，且国内企业主要以组装为主，核心芯片依赖进口 。这种局面形成了MEMS行业的寡头竞争格局，市场集中度相当高。据Yole统计，市场前三名的集中度（CR3）达到了77%左右，全球头部厂商包括博世、泰科电子、英飞凌、 森萨塔和恩智浦、安费诺、霍尼韦尔、意法半导体、迈来芯等。

在压力传感器领域，中高压压力传感器的总成及核心芯片、器件的市场份额几乎全部被森萨塔占据；差压压力传感器总成的市场份额主要被BOSCH（博世）、DENSO（电装）、Delphi（德尔福）、Sensata（森萨塔）等公司占据，核心芯片、器件的市场份额主要被NXP、Infineon、Melexis等公司占据，国内企业的市场占有率极低。

资料来源：Yole

国内企业已经在积极布局高精度等高端MEMS压力传感器的研发和生产。率先布局的厂商主要包括具备核心研发能力和标定检测能力的厂商，如康斯特、敏芯股份、华培动力和安培龙等。

从主要上市企业有关MEMS 压力传感器的研发项目来看，各企业积极布局高精度等高端MEMS 压力传感器，我国MEMS 压力传感器芯片设计国产化以及行业产业化可期。

03 行业特点

（1）行业整体情况

技术人才匮乏 ，传感器进口依赖度高。相比同为技术密集型行业的传统半导体集成电路行业，MEMS 压力传感器行业属于多学科交叉行业，MEMS 传感器设计、制造和封装测试涉及电子、机械、材料、工艺制造、物理、化学、生物等众多学科，对不同专业背景复合型人才需求量大，而中国 MEMS 传感器行业起步较晚，传感器技术研发落后德国、美国等国家近十年，技术和人才储备匮乏，基础研究不充分，严重制约行业的发展。

当前，中国芯片行业从业者不到 30 万人，其中高端人才供给不足。作为与芯片行业高度重合且多学科交叉特性更强的特殊行业，MEMS 压力传感器行业在人才资源积累上更加缺乏。受此影响，中国 MEMS 压力传感器企业规模小、产品研发周期长、盈利能力低，多采用外购芯片封装测试的商业模式，导致本土企业及其下游客户对海外领先企业产品的进口依赖度高，中高端产品进口比例超过 80%，传感器芯片进口比例约 90%。中国对海外 MEMS压力传感器的高度依存度将影响本土企业吸引人才、提高盈利和扩大产能，对 MEMS压力传感器行业国产化进程造成负面影响。

国内目前产、学、研资源比较分散，同时产学研脱节，做材料的不会做芯片，做芯片的不懂传感器具体芯体和传感器具体研发设计及实际现场需求，目前国内压力领域没有一家销售额超过10亿元的传感器公司，大多以购买国外芯片和芯体进行组装的小实体，并且没有力量投入持续研发和工艺改进 。而国外的私营企业发展模式，国际企业先因需要解决采集压力信号的需求，转化为需要做传感器来采集信号，在此过程中企业自己研发芯片和集成电路及各种材料相关的部件集成为传感器，国外企业都是经过上百年或者几十年的积累、并购、整合发展出的行业巨无霸。

（2）行业特点

产品高度定制化

MEMS压力传感器产品为非标准化产品。由于MEMS压力传感器中复杂的极微小型机械系统的存在，MEMS压力传感器的芯片设计和工艺研发必须紧密配合，而且MEMS传感器的应用场景多样，所处环境对于其中的极微小型机械系统而言较为恶劣，因此需要定制化开发晶圆和传感器模组的专业封测设备系统和测试流程。MEMS压力传感器公司则在芯片的研发和传感器销售的同时，需要深度参与晶圆代工和封测环节的工艺开发和持续优化调整的过程。

产品种类多、细分领域市场规模小、企业体量较小

从MEMS压力传感器应用场景来看，分为汽车、消费电子（可穿戴设备、家电、无人机等）、医疗、工业等，不同应用场景的需求和传感器所处的环境不同，需要进行不同品类的设计，各应用领域的细分市场规模亦不大。

公开数据显示，我国现有约100家MEMS压力传感器企业，一线梯队企业产值过亿元的不多，多数在5000万元-1亿元的区间，且均未突破核心技术壁垒。由于MEMS压力传感器单颗价值量较小，客制化程度较高，多数企业会专注在细分市场领域，单个企业的营收规模亦偏小。

下游产品验证要求高，准入门槛较高

在车规级芯片产品需要满足更严苛的技术标准和门槛，需要通过更为严苛的测试，以满足汽车行业对于产品安全性、稳定性和使用寿命的苛刻要求。供应商如果想要进入汽车供应链，必须要经过一系列的验证测试，一般认证周期一般需要1-2年。

医用MEMS传感器作为医疗行业中的关键设备，其核心价值在于数据采集。具体的认证标准如ISO 13485，侧重要求医疗器械领域的芯片生产企业建立和维护相应的质量管理体系。IEC 60601医疗电气设备安全标准，要求芯片在设计、制造和使用上符合相关的电气安全性能要求，并能在一定的电气环境下运作稳定可靠。FDA 510(k)针对医疗器械的市场准入认证，要求芯片生产企业根据相关法规和标准规定的安全性数据和证明文件提交到FDA进行评估和审批。

五、 行业关注点及投资逻辑

产品竞争力：量程、温域、精度、稳定性等方面

锂离子电池未来的发展方向主要表现在：①小型化、薄型化，从而满足消费类电子产品的需求；②大容量、大功率充放电，从而满足应用于动力、储能领域。前者要求铝塑膜在保证水、氧等阻隔性的同时向轻薄、 柔韧性方向发展，后者要求铝塑膜具有更高机械强度、更高阻隔性及更长使用寿命。技术要求的不断提高使得行业壁垒仍在持续提升。

材料和封装工艺创新是发展的重要方向

材料方面，国内科研所已经在探索SiC高温压力传感器，采用碳化硅单晶材料的全MEMS工艺加工技术来制备敏感元件，具有体积小、耐高温、可满足微压力测量需求的特点。又如高精度石英谐振式压力传感器，采用全石英谐振式敏感芯片结构，利用石英MEMS工艺技术加工而成，具备精度高稳定性好、抗辐照、功耗低数字输出等优点，便于系统集成和应用开发。

封测方面，由于MEMS压力传感器需要与外界复杂环境进行接触，感知外部信号的变化，所以需要对成品的封装结构和封装工艺进行研发与设计，以降低产品失效的可能性。如低压MEMS芯片的高可靠性方案，需在芯片封测层面上进行了耐强酸，耐水汽，耐化学腐蚀的设计和流片保护工艺。中压类领域，可利用基于MEMS的硅-玻璃-陶瓷烧结技术，实现替代传统陶瓷电容中压传感器的方案。

研发团队需具备较强的科研背景和熟练的工程技术

高端压力传感器制造设计到材料、微纳工艺制造、技术壁垒高，传感器行业是材料、机械、电子、计算机和自动化多学科交叉的综合性学科，对实践要求很高，从掌握理论到能批量生产以及保证良率生产需要全面复合型经验丰富的团队 。压力MEMS传感器行业具有较高的技术门槛，国内科研院所在完善国内MEMS行业的研发体系方面提供了技术基础和人才基础。在分析企业的核心研发团队时，可重点关注核心技术人员是否来自国内MEMS领域相关的重点科研院所或实验室。同时，头部厂商研发技术实力较强，亦可关注核心技术人员是否出自如博世、英飞凌、森萨塔、泰科电子等头部厂商特别是其在国内设立的研发中心。

结语

MEMS压力传感器作为工业实践中常用的核心零部件，行业规模大，长坡厚雪，技术壁垒较高，我们期待国内企业能够早日打破国外垄断 ，突破关键核心技术 ，提高产品良率、质量和性能 ，完成材料配方、芯片设计、工艺定型各个节点的突破，最终实现产品量产，积极开拓和增加下游应用领域的国际市场份额 。

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