pn结传感器 空调自控系统中常用传感器

空调自控系统中常用传感器

传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。

国际电工委员会（IEC）的定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。

传感器主要应用在自动测试与自动控制领域中。

它将诸入压力、温度、流量、位移等参数转换为电量，然后，通过电的方法进行测量和控制。

⑴金属材料制成的热电阻温度传感器；

⑵金属氧化物半导体材料制成的热敏电阻式温度传感器；

⑶由半导体PN结制成的半导体热敏电阻温度传感器；

通常称：

①金属热电阻；通常称为热电阻；

②半导体热电阻；通常称为热敏电阻；

空调系统常用温度传感器的外形图片：

①热电阻传感器；

②金属氧化物半导体热敏电阻传感器；

③半导体PN结热敏电阻传感器；

㈠ 热电阻传感器

1、热电阻传感器的定义：

物资的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。利用电阻随温度变化而变化的特性（即热电阻效应）制成的传感器称为热电阻传感器。

2、热电阻传感器的作用：

热电阻传感器主要用于检测温度和与温度有关的参量；因此也称为热电阻温度传感器。

3、金属热电阻温度传感器

⑴空调系统常用金属热电阻温度传感器结构与外形；

①结构示意图

金属丝通常用：铂、铜、铁和镍；

②外形

⑵金属热电阻温度传感器的测温原理

热电阻是热电阻温度计的测温元件，它是利用金属导体电阻值随温度变化而变化的特性来实现温度测量的。

金属导体电阻值与温度的关系为：

式中：Rt-温度为t℃时电阻值；

R0-温度为t0（通常为0℃）时电阻值；

a-温度系数，即温度每升高1℃时的电阻相对变化量；

Δt-温度变化量；

ΔRt-温度改变Δt时的电阻变化量。

⑶对金属热电阻材料的要求：

①电阻温度系数a要大，最好是常数；

②电阻率ρ应尽可能大；

③在热电阻使用温度范围内，材料的物理和化学性能稳定；

④加工性能好，价格便宜；

比较符合以上要求的金属材料有：铂、铜、铁、镍；使用最广泛的是：铂和铜；

⑷金属热电阻温度传感器的特点：

①结构简单、工作可靠、电阻温度特性好、测温灵敏度高、精度高、测温范围较广（-200℃～＋650℃）。

②阻值－温度（R-t）特性：温度每升高1℃，热电阻的阻值升高约0.4％～0.6％。即电阻温度系数较小。

③正温度系数热敏电阻；

④阻值与温度不是线性变化，但在一定的范围内可进似为常数（线性变化）。

⑸热电阻传感器的主要技术数据

①分度号：

热电阻的分度号是以热电阻在0℃时的电阻值来标记的，以便与相应的调节器配套使用。我国常用的工业铂热电阻分度号主要有：

①BA1：取R0 =46.00 Ώ；

②BA2：取R0 =100.00 Ώ；

③BA3：取R0 =300.00 Ώ；

常用的为：Pt100（分度号）；

国际产品：Pt300、 Pt1000 、Pt3000等；

铜热电阻分度号有：R0 = Cu50；R0 = Cu100；

②百度电阻比：

铂的电阻值与其纯度密切相关，纯度越高，其电阻率越大。

铂的纯度通常用百度电阻比。

W（100）表示：

R100-温度为100℃时铂电阻的电阻值；

R0-温度为0℃时铂电阻的电阻值；

国际温标规定，要求标准铂热电阻：W（100）≥1.3925

W（100）越大，纯度越高；

③阻值-温度（Rt-t）特性：

热电阻的阻值随温度变化关系称为热电阻的阻值-温度（Rt-t）特性；

例：温度在0℃～ 850℃范围内时：

式中：

A-是实验确定的常数，A＝3.96847×10-3℃-1

B-是实验确定的常数，B＝-5.847×10-7℃-2

④几种常用国产热电阻技术参数表：

⑹金属热电阻的时间常数：

① 时间常数T；②延迟时间τ；③动态特性；

时间常数一般在：10S～4min之内；

大热惯性：在1.5min～4min之内；

一般热惯性：在10S～1.5min之内；

小热惯性：在10S之内；

㈡ 金属氧化物半导体热敏电阻

金属氧化物半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的温度敏感元件。

金属氧化物半导体热敏电阻通常用铁、镍、钛、镁、铜等金属氧化物按一定的比例混合经高温烧结而成。通过改变其中氧化物的成分和比例，可以得到不同测温范围、阻值和温度系数的NTC热敏电阻。

1、金属氧化物半导体热敏电阻的基本类型

⑴半导体热敏电阻的类型：

①负温度系数热敏电阻（NTC）；

②正温度系数热敏电阻（PTC）；

③临界温度（突变温度）系数热敏电阻（CTR）；

⑵几种常用半导体热敏电阻的特性曲线：

⑶部分半导体热敏电阻外形封装图片

金属管封装；玻璃封装；塑料封装；环氧树脂封装；

2、负温度系数半导体热敏电阻的特性

⑴电阻值与温度的关系（Rt-t）如下：

式中：RT、RT0 -温度为T、T0（K）时的温度值；

B-温度系数，大约为1500～5000K；

⑵ B参数：通常是指温度在25℃（T1）和50℃（T2）的B值：

式中：B-常数；

R1-在温度为T1（K）时的电阻值；

R2-在温度为T2（K）时的电阻值；

T1、T2-温度；

㈢ 半导体PN结温度传感器

半导体PN结温度传感器是利用半导体PN结两端电压随温度变化而变化的原理工作的。

1、种类：

① 二极管温度传感器：

② 晶体管温度传感器；

③ 集成温度传感器；

2、二极管温度传感器

⑴ 二极管温度传感器工作原理

根据PN结理论，对于一个理想的二极管，只要正向电压Uf大于几个kT/q0，其正向电流IF与正向电压Uf和温度T之间的关系可表示为：

在温度二极管的正向电压UF与温度T之间的关系，在一定的电流下，其正向电压随温度的升高而降低，故呈现负温度系数。通常为：-2mV/℃。

⑵ 二极管正向电压与温度的关系曲线

硅二极管1N457、锗二极管1N270正向电压随温度变化曲线；

⑶ 二极管温度

传感器的特点：简单、价廉、线性度较好；但互换性较差；

工作温度范围一般在-50～150℃范围内；

⑷ 硅二极管温度传感器应用

3、晶体三极管温度传感器

二极管温度传感器存在的不足：

①自热温升对测量精度的影响较大；

②工作电流较小（300uA）；

③互换性差；

⑴NPN型三极管温度传感器的工作原理

NPN三极管在集电极电流IC恒定时，基极和发射极间的电压UBE随环境温度变化而变化。

若集电极电流IC恒定则电压U仅随温度T呈单调单值函数关系。

⑵硅三极管UBE电压与温度关系曲线

温度系数为-2.4mV∕℃；测温范围-50℃～200℃；

⑶三极管温度传感器的特点：

结构简单、灵敏度高、热响应时间短（小于1S）、精度高、寿命长、体积小。

阻值－温度（R-t）特性好。是负温度系数（NTC）热敏电阻；阻值与温度为线性变化关系，稳定性和互换性好。

4、集成温度传感器

⑴集成温度传感器的定义：

集成温度传感器是将温度传感器与放大电路，偏置电源及线性化集成电路等采用集成化技术制作在同一块芯片上制成。

⑵优点：

测温精度高（精±0.5℃ ）复现性好；线性好，体积小；

热容量小、稳定性好；输出电信号大；

⑶集成温度传感器按输出信号的形式分：电压型；电流型；

⑷使用温度范围：-50～150℃

⑸集成温度传感器LM35性能介绍

LM35的温度系数为：10mv∕℃；常温下测量精度为：±0.5℃；最大功耗电流为：70uA；自身发热对测量精度的影响在0.1℃以内；

采用4V以上单电源供电时，测温范围为：2～150℃；

采用双电源供电时，测温范围为：

-55 ～+150℃（金属封装）；-40 ～+110℃（T092封装）；

5、上述温度传感器的特性小结：

⑴热电阻温度传感器是根据金属导体的电阻值随温度变化而变化的原理测温的；

温度升高电阻值增大，称为正温度系数（PTC）热电阻。

在一定范围内温－阻特性基本呈线性变化；

⑵金属氧化物半导体材料制成的热敏电阻其温度

特性为：温度升高，电阻值减小，通常被称为负温度系数（NTC）热敏电阻。温－阻特性呈非线性变化；

⑶半导体PN结制成的半导体热敏电阻是根据PN结正向压降随温度变化的原理工作的。也是负温度系数（NTC）热敏电阻。温－阻特性基本呈良好的线性变化；

二、温度变送器

1、温度变送器的定义：

将温度传感器输出的信号变换为标准电压或电流的器件称为温度变送器；

2、变送器的作用及数学表达式

⑴变送器的作用：

①把传感器输入的非电量（电量）信号转换为标准的电量信号（电压：0～10V DC、电流：4～20mA DC等）；

②对输入信号进行线性化放大与处理；

③变送器通常由电子线路组成，因此电子线路本身的时间常数、滞后都比较小；与传感器相比较通常可以忽约。

⑵变送器的数学表达式：

式中：BZ-变送器输出的标准信号；

θz-传感器测量信号（传感器输出信号）；

KB-变送器的放大系数（静态特性）。

⑶变送器的传递函数：

3、温度变送器工作原理及方框图：

三、湿度（敏）传感器

㈠ 湿空气的状态参数：

在空气调节技术中，常用的状态参数是压力、温度、含湿量、相对湿度、比焓及密度；

⑴压力：

湿空气是由干空气和水蒸气组成的混合气体，其总压力P应等于干空气的分压力Pg与水蒸气的分压力Pq之和；即：P=Pg+Pq；

水蒸气分压力的大小，反映了湿空气中水蒸气含量的多少。湿空气的温度越高，空气中饱和水蒸气分压力也就越大，说明空气能容纳的水气数量越多。

水蒸气分压力是衡量湿空气干燥与潮湿的基本指标，是一个重要的参数。

⑵温度：是表示湿空气冷热程度的指标；

⑶含湿量（d）：是指1kg干空气所带有的水蒸气质量，其单位是g∕kg（干空气）。它是表示湿空气湿度大小的重要参数之一。

在空气调节中，常用含湿量来表示空气被加湿或减湿的程度。

⑷相对湿度（φ）：是指空气中水蒸气分压力Pq与同温度下饱和水蒸气分压力Pqb之比；

它表示空气接近饱和的程度：

绝对湿度给出的是空间内水分的具体含量；而相对湿度则指出了大气的潮湿程度；

㈡ 湿度传感器的分类：

主要有两大类：

1、水分子亲和力型湿敏传感器；碳膜湿敏传感器、电解质湿敏传感器、高分子材料湿敏传感器、金属氧化物膜湿敏传感器、金属氧化物陶瓷湿敏传感器等。

2、非水分子亲和力型湿敏传感器；

热敏电阻式湿敏传感器、红外湿敏传感器、超声波湿敏传感器等。

㈢ 对湿度传感器的技术要求：

1、使用寿命长，长期工作的稳定性好；

2、测量范围宽，湿度和温度系数小；

3、灵敏度高、感湿特性线性度好；

4、湿滞回差小；

5、响应速度快，时间短；

6、一致性和互换性好，制造工艺简单，易于批量生产，转换电路简单，成本低廉；

7、能在恶劣环境下工作；

㈣ 湿度传感器的主要参数：

1、感湿特性曲线：

感湿特性曲线是指湿度传感器的输出量与被测环境湿度间的关系曲线；

2、测湿量程：

测湿量程是指湿敏传感器能以规定的精度测量的最大范围；

3、灵敏度：

常用感湿特性曲线的斜率来定义灵敏度，即灵敏度是输出量增量与输入量增量之比；

4、湿度温度系数：

湿度传感器的特性往往随环境温度的变化而变化，即在不同的环境温度下有不同的感湿特性曲线。

5、响应时间：

当环境湿度改变时，湿度传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过程所需要的时间，称为响应时间；

6、湿滞回线和湿滞回差：

7、电压特性：

由于直流电压回造成水分子的电解，会导致电导率随时间下降，因此测试电压应采用交流电压；

湿敏传感器的电压特性是指感湿特征量与外加交流电压之间的关系；

㈤ 空调系统中常用湿度传感器

1、种类：

⑴毛发湿度传感器（控制器）；

⑵氯化锂湿度传感器；

⑶半导体陶瓷湿度传感器；

⑷电容式湿度传感器；

2、常用湿度传感器外形结构图

⑴毛发式湿度控制器

⑵氯化锂湿度传感器

⑶半导体陶瓷湿度传感器

⑷电容式湿度传感器

3、毛发式湿度控制器

⑴ 组成与结构：

⑵工作原理与作用

根据毛发在在不同的空气湿度下伸缩率不同的特性，利用其长度发生变化产生的位移量作用湿度控制信号，通过不同形式的控制器、放大器、执行器来控制空气的相对湿度。

对加湿器或除湿机进行双位控制；

⑶特点：

测量范围：20％～96％；

控制范围在40％～80％时有较好的线性度；

控制精度较低（大于±5％）；

结构简单、工作可靠、价格便宜、不需要经常维护；

毛发或尼龙薄膜长时间使用后，易产生变形和老化；

属于触点式控制型器件；

4、氯化锂湿度传感器

⑴ 传感器的组成结构：

⑵工作原理：

氯化锂(LiCl)是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定的离子型无机盐类。它具有吸湿、放湿的特性，其吸湿量与空气相对湿度成一定的函数关系。随着空气相对湿度的变化，氯化锂吸湿量也随着变化。只有当它的蒸气压等于周围空气的水蒸气分压力时，才处于平衡状态。因此，随着空气相对湿度的增加，氯化锂的吸湿量也随着增加，从而使氯化锂中导电离子数增加，最后导致它的电阻减少。当氯化锂的蒸气压高于空气中水蒸气分压力时，氯化锂放出水分，导致电阻增大。

⑶氯化锂湿度传感器的性能参数与特点

①性能参数：

测量范围较宽15％～95％RH；

测量精度±2％～5％RH；

线性度较好的测量范围：45％～70％ RH；

温度对测量精度影响较大；

最高使用温度≤55℃；

②性能特点：

传感器必须使用交变电压；

使用环境应保持清洁、无粉尘与纤维；

稳定性不太高，会出现测量漂移；

⑷氯化锂湿度传感器的应用原理方框图

特点：

①温度，相对湿度同时检测，为了保证检测精度，采用温度信号对相对湿度信号进行补偿方式；

②输出信号为标准电压或电流信号；

5、半导体陶瓷湿敏电阻（烧结型）

⑴组成结构示意图

⑵半导体陶瓷湿敏电阻的特点：

①使用寿命长，可在恶劣环境下工作；

②可检测到1%RH低湿状态；

③响应快、测量精度高；

④使用范围宽，以及湿滞回差小；

⑤使用过程中需经常进行电加热清洗；

⑶SM-1型半导体陶瓷湿敏元件的性能曲线

①湿敏元件的感湿特性曲线；

②湿敏元件的加热清洗特性；

6、电容湿度传感器与变送器

⑵电容湿度传感器工作原理

根据电容器电容量的关系：

式中：

C-电容量；

ε-极板间介质的介电时间常数（F∕m）；

A-两平行极板间的相互覆盖的有效面积（m2）；

δ-两平行极板间的距离（m）；

电容量C直接受到ε、 A、δ的影响；

电容湿度传感器是利用当湿度变化时，改变极间介质的介电常数，通过测量电容量来测量相对湿度的。

极间介质选择具有吸湿，放湿特性的极薄的聚合物薄膜，电极采用金箔制成，要求薄到能允许水蒸气通过。

由于聚合物薄膜的吸、放湿特性，使其含水量随着空气相对湿度变化而变化。

水的介电常数与空气的介电常数相差很大，所以，当水分子被聚合物吸收后，将使平板电容器电容量产生很大的变化，通过检测电容器的电容量变化值，即可知道空气的相对湿度；

⑶电容湿敏变送器特性曲线

①性能特性曲线：

通常湿敏电容传感器不单独使用，都是做成湿敏变速器后使用；

②主要技术参数：输出电压0～10V；

测量湿度范围：0％～95％RH；环境温度范围：0～55℃；测量精度：±3％～±5%；

⑷湿度电容变送器的性能特点

①温度稳定性好；

②需要的动作能量低；

③动态响应快；

④可获得较大的湿度相对变化量；

⑤结构简单，可在恶劣环境下工作；

⑥不需要加清洗电压；

几种温度传感器的特性：

①金属热电阻温度传感器：

金属热电阻传感器是利用金属导体电阻值随温度变化而变化的特性来实现温度测量的，并按正温度系数特性变化。

②金属氧化物半导体温度传感器：

金属氧化物半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的温度敏感元件。通过改变其中氧化物的成分和比例，可以得到不同测温范围、阻值和温度系数的热敏电阻。

③金属氧化物半导体温度传感器的类型：

负温度系数热敏电阻（NTC）；

正温度系数热敏电阻（PTC）；

临界温度（突变温度）系数热敏电（CTR）；

④半导体二极管温度传感器：

半导体PN结温度传感器是利用半导体PN结两端电压随温度变化而变化的原理工作的。二极管温度传感器具有正的温度特性；

具有简单、价廉、线性度好的优点；互换性较差；

⑤晶体管温度传感器与集成温度传感器

晶体管温度传感器与集成温度传感器具有负的温度系数；

阻值与温度为线性变化关系，稳定性和互换性好。

结构简单、灵敏度高、热响应时间短（小于1S）、精度高、寿命长、体积小。

阻值-温度（R-t）特性好。

4、变送器的定义：

将传感器输出的信号变换为标准电压或

标准电流的器件称为变送器；

通常转换为：0～5VDC电压信号；0～10VDC电压信号；4～20mA、4～25mA的DC电流信号；

5、湿度传感器

①氯化锂湿度传感器:

氯化锂湿度传感器是利用在两金属极板之间的氯化锂涂层随空气中相对湿度的变化引起金属极板之间的电阻值变化的原理工作的。在使用时应注意，禁止在传感器两端加入直流电压；

②电容式湿度传感器:

电容湿度传感器是利用当湿度变化时，改变电容器极间介质的介电常数，通过电容器容量的测量来测量相对湿度的。

③半导体陶瓷湿度传感器

半导体陶瓷湿度传感器是采用多孔陶瓷基片表面上涂敷金属氧化物而制成的；空气中湿度高时，多孔陶瓷基片中吸收的水分多，则导电性能加强，电阻值减小。反之，则增大。半导体陶瓷湿度传感器中有一个加热线圈，在控制系统中需有相应的控制电路，定时给加热线圈通电对传感器进行清洗；

风机盘管控制系统设计方案确定：

空调、除湿两用机制冷系统原理图：

本文来源于互联网。暖通南社整理编辑

你真的懂MEMS吗？

你真的懂MEMS吗？

2019-01-27

微机电系统（Micro-Electro Mechanical System）是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。简单理解，MEMS就是将传统传感器的机械部件微型化后，通过三维堆叠技术，例如三维硅穿孔 TSV 等技术把器件固定在硅晶元（wafer）上，最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式， 最终切割组装而成的硅基传感器。 受益于普通传感器无法企及的 IC 硅片加工批量化生产带来的成本优势， MEMS 同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。

传统 ECM 驻极体电容麦克风/Apple Watch 楼氏 MEMS 硅麦克风

诸如最典型的半导体发展历史： 从 20 世纪初在英国物理学家弗莱明手下发明的第一个电子管，到 1943 年拥有 17468 个电子三极管的 ENIAC 和 1954 年诞生装有 800 个晶体管的计算机 TRADIC， 到 1954 年飞兆半导体发明了平面工艺使得集成电路可以量产， 从而诞生了 1964 年具有里程碑意义的首款使用集成电路的计算机 IBM 360。 模拟量到数字化、 大体积到小型化以及随之而来的高度集成化，是所有近现代化产业发展前进的永恒追求。

半导体的发展历史： 从电子管-晶体管-集成电路

正因为 MEMS 拥有如此众多跨世代的优势， 目前来看我们认为其是替代传统传感器的唯一可能选择，也可能是未来构筑物联网感知层传感器最主要的选择之一。

1）微型化： MEMS 器件体积小， 一般单个 MEMS 传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位， 重量轻、耗能低。 同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。 MEMS 更高的表面体积比（表面积比体积） 可以提高表面传感器的敏感程度。

2）硅基加工工艺，可兼容传统 IC 生产工艺：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨，同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺。

3）批量生产： 以单个 5mm*5mm 尺寸的 MEMS 传感器为例， 用硅微加工工艺在一片 8 英寸的硅片晶元上可同时切割出大约 1000 个 MEMS 芯片， 批量生产可大大降低单个 MEMS 的生产成本。

4）集成化： 一般来说，单颗 MEMS 往往在封装机械传感器的同时， 还会集成ASIC 芯片，控制 MEMS 芯片以及转换模拟量为数字量输出。 同时不同的封装工艺可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的 MEMS。 随着 MEMS 的工艺的发展，现在倾向于单个 MEMS 芯片中整合更多的功能， 实现更高的集成度。 例如惯性传感器 IMU（Inertial measurement unit） 中， 从最早的分立惯性传感器，到 ADI 推出的一个封装内中集成了三轴陀螺仪、加速度计、磁力计和一个压力传感器以及 ADSP-BF512 Blackfin 处理器的 10 自由度高精度 MEMS 惯性测量单元。

5）多学科交叉： MEMS 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。MEMS 是构筑物联网的基础物理感知层传感器的最主要选择之一。 由于物联网特别是无线传感器网络对器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感，传感器的微型化对物联网产业的发展至关重要。 MEMS 微机电系统结合兼容传统的半导体工艺， 采用微米技术在芯片上制造微型机械，并将其与对应电路集成为一个整体的技术，它是以半导体制造技术为基础发展起来的， 批量化生产能满足物联网对传感器的巨大需求量和低成本要求。

物联网时代到来，MEMS的机会

全球半导体产业中， PC 在主导产业 10 多年后， 已经逐渐让位于消费电子， 随着摩尔定律逐渐到达其瓶颈， 制程的进步已经渐近其物理极限。 根据 MonolithIC 3D 创办人 Zvi Or-Bach 的观点，在 28 纳米之后， 晶圆厂可以继续把晶体做得更小、但却无法更便宜， 对制程要求相对较低的物联网应用可能会成为成熟制程重要的下游产业应用。

摩尔定律正在接近极限

就目前趋势来看， 高端制程在整个 IC 封装工艺中， 占比已经开始相对下降。 先进制程节点元件的实际工程成本，已经证明对产业界大多数厂商来说都太昂贵；因此半导体产业确实已经分头发展，只有少数会追求微缩至 7 纳米，而大多数仍维持采用 28 纳米或更旧节点的设计。

未来可以预见未来大规模下游应用主要会以新的消费电子例如 AR/VR， 以及物联网例如智能驾驶、 智慧物流、 智能家居等。 而传感器做为感知层，是不可或缺的关键基础物理层部分，物联网的快速发展，将会给 MEMS 行业带来巨大的发展红利。

物联网的系统架构主要包括三部分：感知层、传输层和应用层。 感知层的作用主要是获取环境信息和物与物的交互， 主要由传感器、 微处理器和 RF 无线收发器等组成； 传输层主要用于感知层之间的信息传递，由包括 NB IOT、Zig Bee、Thread、蓝牙等通讯协议组成；应用层主要包括云计算、云存储、 大数据和数据挖掘以及人机交互等软件应用层面构成。 感知层传感器处于整个物联网的最底层，是数据采集的入口，物联网的“心脏”， 有着巨大的发展空间。

物联网的三层架构

物联网产业覆盖面广，小到手机，大到新能源汽车以及大量未联网的设备、终端都将联通，为市场带来万亿市值增长潜力。互联网、智能手机的出世推动了信息产业第二波浪潮，但目前已趋于成熟，增速较为平缓，而以传感网、物联网为代表的信息获取或信息感知正在推动信息产业进入第三次浪潮，物联网时代已经启动。

物联网：第三次产业化浪潮

2015 年，全球物联网产业规模已接近 3500 亿美元，中国物联网产业规模达到7500 亿人民币。 Forrester Research 预测，到 2020 年，物联网产业的规模要比信息互联网大 30 倍，将有 240 亿台物联网设备接入互联网，真正实现万物互联。

随着国内设计、制造、封测等多个环节的技术和工艺正在逐步成熟， MEMS 作为物理量连接半导体的产物，将恰逢其时的受益于物联网产业的发展， MEMS 在消费电子、汽车电子、工业控制、军工、智能家居、智慧城市等领域将得到更为广泛的应用，根据 Yole developpement 的预测， 2016-2020 年 MEMS 传感器市场将以 13%年复合成长率增长， 2020 年 MEMS 传感器市场将达到 300 亿美元,前景无限。

MEMS 全球市场产值预测（亿美元）

2015 年中国 MEMS 器件市场规模为 308 亿元人民币，占据全球市场的三分之一。从发展速度而言，中国 MEMS 市场增速一直快于全球市场增速。中国 MEMS 器件市场平均增速约 15 - 20%，中国集成电路市场增速约为 7 - 10%，横向对比而言，MEMS 器件市场的增速两倍于集成电路市场。

中国近年 MEMS 传感器市场规模（亿元）

MEMS产业链一览，国外领先

MEMS 没有一个固定成型的标准化的生产工艺流程， 每一款 MEMS 都针对下游特定的应用场合， 因而有独特的设计和对应的封装形式，千差万别。

MEMS 和传统的半导体产业有着巨大的不同， 她是微型机械加工工艺和半导体工艺的结合。 MEMS 传感器本身一般是个比较复杂的微型物理机械结构，并没有 PN 结。但同时单个 MEMS 一般都会集成 ASIC 芯片并植在硅晶圆片上， 再封装测试和切割，后道工艺流程又类似传统 COMS 工艺流程。

因此 MEMS 性能的提升很大程度上不会过分依赖于硅晶圆制程工艺的升级， 而更倾向于根据下游应用需求定制设计、对微型机械结构的优化、对不同材料的选择，实现每一款传感器的独特功能，因此也不存在传统半导体工艺晶圆厂不同世代的制程工艺升级路线图（ROAD MAP）。

IC 制程工艺更接近于 2D 平面 VS MEMS3 维立体堆叠

典型的 MEMS 系统如图所示，由传感器、信息处理单元、执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/或数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它微系统进行通信。 MEMS 将电子系统与周围环境有机结合在一起，微传感器接收运动、光、热、声、磁等自然界信号，信号再被转换成电子系统能够识别、处理的电信号，部分 MEMS 器件可通过微执行器实现对外部介质的操作功能。

传感器工作原理

MEMS 产业链类似于传统半导体产业，主要包括了四大部分：前端 fabless 设计环节、 ODM 代工晶圆厂生产环节、 封装测试到下游最终应用的四大环节。

MEMS 产业链划分

全球前十名 MEMS 厂商主要包括博世、意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、InvenSense、 Avago 和 Qorvo、 楼氏电子、松下等等。 其中 BOSCH 因为其在汽车电子和消费电子的双重布局，牢牢占据着行业的第一的位置，其营收约占前五大公司合计营收的三分之一。

大部分 MEMS 行业的主要厂商是以 Fabless 为主， 例如楼氏、 HP、佳能等。同时，平行的也有 IDM 厂商垂直参与到整条产业链的各个环节，比如 Bosch、 ST等都建有自己的晶元代工生产线。

全球主要 MEMS 厂商的生产模式定位

基于之前阐述的 MEMS 本身区别于传统 IC 产业特征， 我们认为行业的核心门槛在于两点：设计理念和封测工艺。

前者不仅仅包括对传统 IC 设计的理解，更需要包括多学科的综和，例如微观材料学、力学、 化学等等。 原因是因为内部涉及机械结构，空腔，和不同的应用场景，如导航，光学，物理传感等。可以展开细说。

后者， 因为单个 MEMS 被设计出来的使用用途、使用环境、 实现目的不同，对封装有着各种完全不同的要求。 比如对硅麦有防水和不防水区分，光学血氧浓度传感器需要穿孔和空腔安装透镜，气压传感器需要向外界敞开不能密封等等。 在整个 MEMS 生产中，封测的成本占比达到 35%-60%以上。

MEMS 成本结构拆分

一、设计环节

作为 MEMS 的核心门槛之一， 半导体设计环节因为其 fabless 的轻资产特性，及其核心门槛， 国内公司投资较为积极。 国内有众多比较知名的 Fabless， 例如海思半导体、 展讯、 RDA、全志科技、 国民技术、澜起科技等等。

但国内 MEMS 行业的 fabless 规模相对较小， 但市场规模来说具备很大的发展空间。 面对国内巨大的消费电子市场， 自产自销满足国内部分中低端市场需求，也是国内 Fabless 公司的一个捷径。例如苏州敏芯， 他的微硅麦克风传感器产品已经渗透至以消费类电子产品为主的各个细分应用中，成功应用在 MOTOROLA， SONY， ASUS，联想，魅族，小米等品牌客户的产品上。

中国 MEMS 设计企业主要集中于华东地区，约占全国企业总数的 55%，其中，以上海、苏州、无锡三地为产业集中地：

• 上海：深迪，矽睿，丽恒，芯敏，微联，铭动，文襄，天英，巨哥

• 苏州：明皜，敏芯，双桥，多维，能斯达，汶灏，圣赛诺尔，希美

• 无锡：美新，乐尔，康森斯克，微奥，杰德，必创，微纳，芯奥微，沃浦

• 其他： 深圳瑞声，山东歌尔，河北美泰，山西科泰，郑州炜盛，北京水木智芯，浙江大立，武汉高德，成都国腾，西安励德，天津微纳芯等。

国内 MEMS 企业布局

二、制造环节：代工、 封测

统计的前十大中，设计全为中资而制造和封装绝大多数为外资。但外资的成长性弱于中资，所以中资制造业和测试封装业的实际增长应高于统计的平均数据。尤其是测试封装，增速均高于行业： 5 年复合增速长电科技 16.5%、华天科技26.94%、通富微电 8.25%、晶方科技 34.2%。

IC 产业通过单一工艺即可支持整个产品世代，其产品制造工艺标准化程度高，批量化生产相对简易。而 MEMS 产品种类丰富、功能各异，工艺开发过程中呈现出“一类产品，一种制造工艺”的特点。 MEMS 芯片或器件的种类多达上万、个性特征明显，除了采用相同的硅材料外，不同的 MEMS 产品之间没有完全标准的工艺，产品参量较多，每类产品品种实现量产都需要从前端研发重新投入，工艺开发周期长，且量产率较传统半导体生产行业相比更低，依靠单一种类的MEMS 产品很难支撑一个公司。

虽然不同种类的 MEMS 从用途来说截然不同，封装形式也是天壤之别。但是从封装结构上来说， 大致可以分为以下 3 类： 封闭式封装（Closed Package）、开放空腔式封装（Open Cavity Package）、眼式封装（Open Eyed Package）。

MEMS封装形式

中国 MEMS 产业在 2009 年后才逐渐起步，目前尚未形成规模，产业整体处于从实验室研发向商用量产转型阶段。国内 MEMS 厂家在营业规模、技术水平、产品结构、产业环境上与国外有明显差距， 60%-70%的设计产品依旧集中在加速度计、压力传感器等传统领域，对新产品（例如生物传感器、化学传感器、陀螺仪）的涉足不多。工艺水平与经验缺失制约代工厂发展，制造环节亟需填补空白。

微机电系统的生产制造涵盖设计、制造和封测。由于系统器件具有高度定制化、制程控制与材质特殊的特点，封装与测试环节至少占到整个成本的 60%。因此，为了能够在日益严峻的产品价格下跌趋势下有效降低成本，多数无晶圆或轻晶圆MEMS 供应商将封装与测试环节外包给专业封测厂商，这也将为 MEMS 器件封装及测试厂商带来机遇。

随着国家政策扶持，近两年中国 MEMS 产线投资兴起， 2014 年国内 MEMS 代工厂建设投资超过 1.5 亿美元，但是技术的匮乏和人才的缺失依然是产业短板。MEMS 技术与 IC 技术有本质差异，技术核心领域在于工艺和制造， MEMS 制造结构复杂、高度定制化、依赖于专用设备，且具有很强的规模效应。目前，本土MEMS产业明显落后国际水平，国内市场严重依赖进口，市场份额基本被Bosch、ST、 ADI、 Honeywell、 Infineon、 AKM 等国际大公司寡头垄断，中高端 MEMS传感器进口比例达 80%，传感器芯片进口比例高达 90%。

MEMS 制造目前主要分为三类，纯 MEMS 代工、 IDM 企业代工和传统集成电路 MEMS 代工。与其将 MEMS 看做一种产品倒不如把它看成一种工艺， MEMS器件依赖各种工艺和许多变量。只有经过多年的工艺改进及测试， MEMS 器件才能真正被商品化。研发团队一般需要大量时间来搜索有关工艺及材料物理特性方面的资料。利用单一一种材料(如多晶硅)制得的器件可能需要根据多晶硅的来源及沉积方法来标记工艺中的变化。因此每一种工艺都需要长期、大量的数据来稳定一个工艺。

国内 MEMS 代工厂华润上华、中芯国际、上海先进等，硬件条件虽与国际水平相近，但开发能力远不及海外代工厂；中国 MEMS 代工企业还未积累起足够的工艺技术储备和大规模市场验证反馈的经验，加工工艺的一致性、可重复性都不能满足设计需要，产品的良率和可靠性也无法达到规模生产要求。因此商业化阶段的本土设计公司更愿意同 TSMC、 X-Fab、 Silex 等海外成熟代工厂合作。

代工环节薄弱导致好的设计无法迅速产品化并推向市场，极大地制约了中国MEMS 产业的发展，产业中游迫切需要有工艺经验和高端技术的厂商填补洼地。虽然大部分 MEMS 业务仍然掌握在 IDM 企业中，随着制造工艺逐渐标准化，MEMS 产业未来会沿着传统集成电路行业发展趋势，将逐步走向设计与制造分离的模式。纯 MEMS 代工厂与 MEMS 设计公司合作开发的商业模式将成为未来业务模式的主流。

MEMS 代工企业类型比较

MEMS 技术自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视，对比传统集成电路，该系统拥有诸多优点，体积小、重量轻，最大不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度更加微小。 MEMS 的原材料以硅为主，价格低廉，产量充足批量，良率高。同时使用寿命长，耗能低，但由于 MEMS 的工艺难度高，其良率仍然与传统 IC 制造相比有一定的差距。

就工艺方面，目前全球主要的技术途径有三种，一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；二是以德国为代表发展起来的利用 X 射线深度光刻、微电铸、微铸塑的 LIGA 技术；三是以日本为代表发展的精密加工技术，如微细电火花 EDM、超声波加工。

尽管 MEMS 和 IC 在封装和外观上具有相似性，但实质上 MEMS 在芯片设计和制造工艺方面与 IC 不同。 IC 一般是平面器件，通过数百道工艺步骤，在若干个特定平面层上使用图案化模板制造而来，表现出特定的电学或电磁学功能来实现模拟、数字、计算或储存等特定任务。理想状态下， IC 基本元件（晶体管）是一种纯粹的电学器件，几乎所有的 IC 应用和功能方面具有共通性。相对地，MEMS 是一种 3D 微机械结构。基于硅工艺技术， MEMS 相比于传统的“大型器件”，微米级别的 MEMS 器件能够更广泛、灵活地应用在汽车电子、消费电子等领域。

国内 MEMS 主要的传感器设计公司有美新半导体、明皜传感、矽睿科技、深迪半导体、敏芯微电子等。 同时国内 MEMS 企业规模还相对较小，单个企业较少有年销售额超过 1 亿美金； 高端传感器还主要是以进口产品为主，整个 MEMS 传感器主要以国外品牌为主。根据《中国传感器产业发展白皮书（2014）》显示中国中高端传感器的进口比例达 80%，传感器芯片的进口比例更高达 90%，显示本土中高端传感器技术和产业化的落后。从产品使用领域结构来看， 国内 MEMS 公司在营业规模、技术水平、产品结构、与国外有明显差距， 60%-70%的设计产品集中在加速度计、压力传感器等传统领域。工艺开发是我国 MEMS 行业目前面临最主要的问题， 产品在本身技术实力和生产工艺还有待于进步。

中国传感器产品结构

虽然国内主要集中在初级阶段，中低端应用。 但从近几年的发展来看， 中国地区已经成为过去五年全球 MEMS 市场发展最快的地区。 2015 年，我国 MEMS 市场规模接近 300 亿元，且连续两年增幅高达 15%以上；而且从中长期来看，国内 MEMS 行业的发展增速会快于国外， 到 2020 年，我国传感器市场增幅将进一步提升，年平均增长率将达到 20%以上，继续保持全球前列。

MEMS 行业发展趋势

1） MEMS 封装将会向标准化演进， 模块平台标准化意味着更快的反应速度。

根据 Amkor 公司的观点， MEMS 的整合正在向标准化、 平台化演进。 从之前众多分散复杂的封装形式（Discrete Packaging）逐渐演化到以密封模压封装（Overmolded）、集成电路便面裸露封装（Exposed Die Surface）、空腔封装（Cavity Package） 这三种载体为主的封装形式。

MEMS 封装向标准化演进

2） SIP（System In Package） 系统级的高度集成化会是 MEMS 未来在互联网应用场合的主要承载形式。

随着下游最重要的应用场景物联网的快速发展， MEMS 在 IOT 平台的产品未来会逐渐演化到 SIP 封装就显得尤为重要。往往单个 MEMS 模块会集成包括 MCU（Microcontroller Unit）、 RF 模块（Radio Frequenc，例如蓝牙， NB IOT 发射模块） 和 MEMS 传感器等多个功能部分。 系统级的封装带来的同样是快速响应速度和及时的产品更新换代，这对于消费电子产品来说极端重要。目前很多代工厂或者封装厂例如 Amkor 都在推广标准化的 IOT MEMS 平台产品。

MEMS 在 IOT 应用领域的 SIP 封装

而采用的封装形式主要会以空腔封装（Cavity Package）和混合空腔封装（Hybird Cavity Package）。

MEMS 在 IOT 应用领域的 SIP 封装

3）未来 MEMS 产品可能会逐渐演变为低端、中端和高端三类。

低端 MEMS 主要应用于消费电子类产品如智能手机、平板电脑等。 中端 MEMS 主要应用于GPS 辅 助导 航 系 统 、工 业 自 动 化 、 工 程 机械 等 工 业 领 域 。 根据 Yole Developpment 报告，作为智能感知时代的重要硬件基础， 2014 年中低端MEMS 传感器市场规模达到 130 亿美元，预计到 2018 年，中低端 MEMS 市场产值将以 12%～13%的复合增长率增长至 225 亿美元。

在今后 5 到 10 年内随着 MEMS 技术的成熟，以智能手机以及平板电脑为主要应用对象的低端MEMS 市场利润将逐渐下降，但未来在可穿戴设备、物联网领域还有一定机遇；以工业、医疗及汽车为应用对象的中端 MEMS 还将持续提供增长和盈利；未来以工业 4.0 和国防军工市场也应用对象的高端 MEMS 将为带来显著的超额收益。据市场研究机构预测，高端 MEMS 市场在 2016 年~2021 年的其年复合增长达到 13.4%，而同期全球 MEMS 市场的复合年增长率仅为 8.9%，其中军事、航天、高端医疗电子和工业 4.0 应用四个领域将会占未来高端 MEMS 市场营收的 80%。

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