MEMS傳感器是物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等新一代信息技術的感知基礎和數(shù)據(jù)來源，已成為推動經(jīng)濟社會發(fā)展的關鍵基礎與重要引擎。本文梳理了MEMS概念與分類、技術優(yōu)勢、應用領域及市場格局，探討了MEMS產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀和特點，分析了產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇與趨勢，并對我國如何實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級提出了建議。

圖片來源：Photo by Joshua Sortino on Unsplash

MEMS概要：原理與分類

MEMS全稱Micro Electromechanical System，即微機電系統(tǒng)，是將微電子與精密機械結合發(fā)展的工程技術，尺寸在1微米到100微米量級，核心功能是將物理信號轉換為電子設備能夠識別的電信號，主要用于傳感器。這需要MEMS器件具有通道、孔、懸臂、膜、腔等一系列結構以測量環(huán)境變量，涵蓋機械(移動和旋轉)、光學、電子(開關和計算)、熱學、生物等功能結構，涉及眾多交叉學科。

圖1 MEMS傳感器結構示意圖(圖片來源：Sandia)

MEMS傳感器發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：1990~2000年的汽車電子化浪潮，點燃了MEMS傳感器的需求;2000~2010年的消費電子浪潮，推動MEMS傳感器呈現(xiàn)多品類、多功能一體化的發(fā)展態(tài)勢;2010年至今的物聯(lián)網(wǎng)及人工智能浪潮，帶動了MEMS傳感器單品放量、軟硬協(xié)同化發(fā)展。

MEMS傳感器的種類繁多，根據(jù)測量量不同可分為：MEMS物理傳感器、MEMS化學傳感器、MEMS生物傳感器三大類，每一種MEMS傳感器又有很多細分類別，如圖2所示。常見的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機械陀螺儀、慣性傳感器、MEMS硅麥克風等等。MEMS傳感器的品種多到以萬為單位，且不同MEMS之間參量較多，沒有完全標準的工藝。

圖2 MEMS傳感器分類(圖片來源：華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院整理)

MEMS繼承了集成電路的先進制造工藝，相比傳統(tǒng)產(chǎn)品，具有微型化、成本低、效能高、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)勢，產(chǎn)能高，良品率高。微米量級的特征尺寸使MEMS傳感器可以輕松勝任某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能，是微型傳感器的主力軍，正加速應用于大眾生活及工業(yè)生產(chǎn)的各個方面。

應用領域：百花齊放，精彩紛呈

作為獲取信息的關鍵入口，MEMS傳感器已在汽車、消費電子、航空航天、生物醫(yī)學等領域中得到了廣泛的應用。

汽車：在20世紀90年代，MEMS首先在汽車工業(yè)開始應用，汽車電子被認為是MEMS傳感器第一波應用高潮的推動者。受益于汽車行業(yè)安全規(guī)定及信息化、智能化浪潮，MEMS傳感器在汽車領域得到飛速發(fā)展，其應用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統(tǒng)、電子車身穩(wěn)定程序、電控懸掛、電動手剎、斜坡起動輔助、胎壓監(jiān)控、引擎防抖、車輛傾角計量和車內(nèi)心跳檢測等。根據(jù)相關調(diào)研數(shù)據(jù)，目前平均每輛汽車包含10-30個MEMS傳感器，而在高檔汽車中大約會采用30甚至上百個MEMS傳感器。

消費電子：隨著消費電子的大發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，該領域已經(jīng)取代汽車成為MEMS最大的應用市場。MEMS傳感器在消費電子產(chǎn)品中可用于運動/墜落檢測、導航數(shù)據(jù)補償、游戲/人機界面交互、電源管理、GPS增強/盲區(qū)消除、速度/距離計數(shù)等，應用較多的品類為MEMS麥克風、3D加速器、MEMS 射頻組件、GPS陀螺儀、小型燃料電池與生化芯片等。多種MEMS傳感器的綜合應用可增加電子設備的娛樂性及智能性，改善交互性能，大大提升了用戶體驗。

圖3 MEMS傳感器在智能手機領域的應用(圖片來源：Yole Development，民生證券)

航空航天：MEMS在航空航天領域主要有狀態(tài)傳感器和環(huán)境傳感器之分。狀態(tài)傳感器主要針對飛機姿態(tài)、燃料用量、生命活動、各種活動機件的即時位置等進行監(jiān)測。環(huán)境傳感器主要針對溫濕度、氧氣濃度、流量大小等方面進行測量。通過提供有關航天器的工作信息，MEMS傳感器起到故障診斷、提供決策依據(jù)、保障正常飛行的作用。近期事故頻出已全球停飛的波音737MAX飛機，故障主要原因之一是迎角傳感器產(chǎn)生讀數(shù)輸出錯誤，導致了系統(tǒng)不能起到嚴格的保護作用。小小傳感器對航空航天安全的重要性可見一斑。

生物醫(yī)療：隨著體外診斷、藥物研究、病患監(jiān)測、給藥方式以及植入式醫(yī)療器械等領域發(fā)展，醫(yī)療設備需要迅速提高性能、降低成本、縮小尺寸。MEMS技術使醫(yī)療設備可以做到微型化，醫(yī)療檢測、診斷、手術和治療過程可以更加便捷、精準，甚至無痛。MEMS壓力傳感器可以檢測包括血壓、眼內(nèi)壓、顱內(nèi)壓、子宮內(nèi)壓等在內(nèi)的人體器官壓力水平。MEMS慣性器件最主要用于心臟病治療設備。MEMS圖像傳感器普遍應用于包括CT掃描、內(nèi)窺鏡在內(nèi)的醫(yī)學成像設備中。MEMS技術在傳感和執(zhí)行功能上的優(yōu)勢，使其在醫(yī)療健康行業(yè)的應用廣泛增長。

此外，MEMS技術在國防、工業(yè)、能源及環(huán)保等領域也有廣泛應用，為各行各業(yè)提供自動化、智能化的數(shù)據(jù)接口，賦能智能社會。根據(jù)相關市場調(diào)研數(shù)據(jù)，全球MEMS市場結構中消費電子領域占比最高，增長空間最大的是生物醫(yī)療領域。

市場格局：競爭激烈，美德日企業(yè)主導市場

市場調(diào)查公司Yole Development公布了2018年全球MEMS 產(chǎn)品銷售額TOP30的企業(yè)排行榜，如圖4所示。數(shù)據(jù)顯示，2018年總銷售額比2017年增加了5%，至103億美元(約人民幣700.4億元)。TOP30企業(yè)的銷售額占據(jù)了全球MEMS市場規(guī)模約90%的份額。

圖4 2018年MEMS廠家銷售額排名TOP30，單位：百萬美元(數(shù)據(jù)來源：Yole Development，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院整理)

從頭部企業(yè)看，“雙博(博通+博世)廝殺”效應顯現(xiàn)。兩家的營收均超過10億美元，大幅領先后續(xù)廠商，形成寡頭現(xiàn)象。TOP1博通從2013年開始飛速增長，并曾經(jīng)因試圖收購高通公司而名噪一時。博通主打射頻類MEMS產(chǎn)品，智能手機快速普及導致射頻MEMS產(chǎn)品量價齊升，這對博通保持首位起到了決定性作用。排名第二的博世主打運動類MEMS產(chǎn)品，雙重布局于汽車和消費電子領域。據(jù)調(diào)研，幾乎所有的新車都要搭載博世的5個MEMS，全球約50%的智能手機都要至少搭載博世的1個MEMS。同時博世擁有自己的MEMS制造基地，可以優(yōu)化制造成本。可以預計，今后博通與博世的“斗爭”將會愈演愈烈。

從頸部企業(yè)看，產(chǎn)品多元，競爭激烈。TOP3的意法半導體不僅提供車載、工業(yè)、民用等方面的MEMS產(chǎn)品，也為其他公司代工生產(chǎn)MEMS。作為老牌廠商的TOP4德州儀器市場份額逐年下降，正在積極開拓車載等新市場。TOP5的QROVO也定位在射頻MEMS賽道，目前正在積極彌補交付延遲問題。作為同樣營收超5億美元的TOP6惠普公司，正憑借MEMS噴墨頭實現(xiàn)增長。此外，TOP30其他企業(yè)的產(chǎn)品還覆蓋了聲學MEMS(樓氏、歌爾股份、瑞聲科技)，輻射類MEMS(FLIR、ULIS)，生物類MEMS(歐姆龍)、圖像類MEMS(佳能、索尼)，并紛紛在自己的賽道實現(xiàn)跨越和趕超。

中國企業(yè)兩家上榜，分別是TOP11的歌爾股份(GCERTEK)和TOP23的瑞聲科技(AAC)。兩家企業(yè)主攻聲學MEMS產(chǎn)品及系統(tǒng)集成，排名相較2017年沒有變化。但受2018年下游市場智能手機銷售疲軟影響，兩家企業(yè)2018年業(yè)績不佳。預計未來兩年在智能音箱、AR/VR等產(chǎn)品需求的帶動下，可以期待兩家企業(yè)亮眼的表現(xiàn)。

由于MEMS傳感器產(chǎn)品種類多，應用領域要求差異大，因此各企業(yè)都有自已主攻的市場領域和一定的生存空間。整體來看，MEMS傳感器市場被國外企業(yè)主導。

產(chǎn)業(yè)鏈：中國設計、代工有待加強，封測環(huán)節(jié)具備競爭力

類似于集成電路行業(yè)，MEMS產(chǎn)業(yè)鏈也分為上游設計-中游制造-下游封裝測試三大環(huán)節(jié)，如圖5所示，各環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)分工明確。大部分MEMS行業(yè)的主要廠商是以Fabless為主，例如博通、樓氏等。同時，也有IDM廠商垂直參與到整條產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)，可提高品牌整競爭力。

圖5 MEMS產(chǎn)業(yè)鏈及代表企業(yè)(圖片來源：華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院整理)

國內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈布局完整，但總體而言產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展的起步階段，產(chǎn)品在精度和敏感度等性能指標上與國外存在巨大差距，應用范圍也多局限于傳統(tǒng)領域。

設計環(huán)節(jié)：企業(yè)具備一定創(chuàng)新能力，但業(yè)務重合度高，產(chǎn)品定位中低端，行業(yè)整體營收規(guī)模偏小。MEMS設計屬于產(chǎn)業(yè)鏈高附加值環(huán)節(jié)，國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品以力學傳感器為主，在市場中處于中低端水平。企業(yè)銷售額普遍偏小，除美新半導體每年有2-3億元的營收外，蘇州敏芯、無錫芯奧微、南京高華等少數(shù)企業(yè)收入為千萬級，其余絕大多數(shù)企業(yè)是百萬級或尚未開始產(chǎn)品銷售。

代工環(huán)節(jié)：技術授權建設產(chǎn)線的產(chǎn)能尚未開出，純MEMS代工廠仍處于產(chǎn)業(yè)導入期。MEMS代工可分為中試線、IC代工和MEMS專業(yè)代工三種。中試線多以高校及科研院所為主體，作為產(chǎn)業(yè)共性技術研發(fā)平臺，不以盈利為目的，產(chǎn)能有限。IC代工廠MEMS業(yè)務處于起步階段，能力較為薄弱，國內(nèi)具備一定規(guī)模的設計企業(yè)基本選擇國外代工廠。MEMS專業(yè)代工方面，2015年底國內(nèi)廠商耐威科技收購瑞典MEMS代工廠Silex Microsystems，從而一舉掌握全球領先的MEMS代工技術。此外，罕王微電子、西安勵德微系統(tǒng)等一批企業(yè)也相繼進入專業(yè)MEMS代工領域。

封測環(huán)節(jié)：外購MEMS芯片封測模式較為成熟，以聲學MEMS產(chǎn)品為主的企業(yè)具備一定國際競爭力。雖然國內(nèi)MEMS代工落后于國際大廠，但封裝測試技術起步較早，已取得不錯的成績，并具備國際競爭力。其中，以MEMS麥克風為主要產(chǎn)品的歌爾股份和瑞聲科技，由于商業(yè)模式為購買國外設計廠商的MEMS產(chǎn)品IP，委托代工制造后自己完成產(chǎn)品的封裝測試及銷售，因而存在一定的溢價空間，現(xiàn)已躋身全球MEMS TOP30的陣營。

發(fā)展趨勢：市場景氣度高，產(chǎn)品向“四化”演進

從市場規(guī)?？矗芤嬗谌斯ぶ悄?、5G、物聯(lián)網(wǎng)等新產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展帶動，預計未來MEMS產(chǎn)業(yè)將有較快增長。

各大MEMS企業(yè)在2018年增長略低于預期，反映出半導體行業(yè)正在進行溫和的調(diào)整。但隨著人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)火熱發(fā)展，消費電子、智能汽車等市場需求逐步復蘇，新產(chǎn)品、新功能、新領域不斷拓展，據(jù)Yole預測，MEMS市場將在2018年至2024年期間實現(xiàn)顯著增長：整體市場營收的復合年增長率約為8.3%，出貨量的復合年增長率約為11.9%。

各細分產(chǎn)品預計增長情況如圖6所示。整體來看，傳統(tǒng)產(chǎn)品如慣性MEMS、壓力MEMS及噴墨頭MEMS增長空間有限;振蕩器、指紋、熱電MEMS等滲透率仍有較大提升空間，未來前景看好。

圖6 2018-2024 MEMS細分產(chǎn)品市場增長預測(數(shù)據(jù)來源：Yole Development，華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院整理)

從技術和產(chǎn)品趨勢看，MEMS傳感器正在向四化——智能化、集成化、低功耗化、微型化演進。

加入信號處理功能，實現(xiàn)智能化?，F(xiàn)代傳感器作為電子產(chǎn)品的“感知中樞”，通過加入微控制單元和相應信號處理算法，還可以承擔自動調(diào)零、校準和標定等功能，實現(xiàn)終端設備的智能化。

傳感器呈現(xiàn)多項功能高度集成化和組合化。由于設計空間、成本和功耗預算日益緊縮，在同一襯底上集成多種敏感元器件、制成能夠檢測多個參量的多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。

傳感器低功耗化需求日趨增加。隨著物聯(lián)網(wǎng)等應用對傳感需求的快速增長，傳感器使用數(shù)量急劇增加，能耗也將隨之翻倍。降低MEMS功耗，增強續(xù)航能力的需求將會伴隨傳感器發(fā)展的始終，且日趨強烈。

微型化不可逆，MEMS向NEMS演進。與MEMS類似，NEMS(納機電系統(tǒng))是專注納米尺度領域的微納系統(tǒng)技術，只不過尺寸更小。而隨著終端設備小型化、種類多樣化，MEMS向更小尺寸演進是大勢所趨。

總結

作為“More than Moore”的重要方向和突破口，并在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等熱點應用風口催化下，MEMS產(chǎn)業(yè)目前正處于巨大的戰(zhàn)略機遇期。

從產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)看，國內(nèi)缺乏對MEMS相關關鍵技術的自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力。從企業(yè)規(guī)?？?，2018年我國MEMS傳感器制造企業(yè)大約有200家，大多屬于初創(chuàng)類中小型企業(yè)。從產(chǎn)品結構看，國內(nèi)MEMS公司在營業(yè)規(guī)模、技術水平、產(chǎn)品結構等與國外有明顯差距，主要產(chǎn)品集中在中低端的傳統(tǒng)領域。

盡管我國MEMS傳感器廠商面臨挑戰(zhàn)諸多，但從上游設計、中游制造、下游封測等領域國產(chǎn)替代的空間巨大。中國MEMS發(fā)展任重道遠，中國應以巨大的市場應用為牽引，不斷彌合人才缺口，研判和把握未來趨勢，錨定自主創(chuàng)新之路，實現(xiàn)規(guī)?；绕鸷挖s超。