89406/25
本文来自平安银行创新委员会等多家金融机构，认为MEMS是半导体产业的后起之秀，文中简明扼要地阐述了国产MEMS厂商与国外巨头的差距，MEMS市场情况和竞争格局、MEMS器件的未来应用等，认为“我国MEMS行业研发和生产体系不断完善，为国内MEMS行业的发展提供了良好的发展环境。”行业发展潜力巨大。众多金融机构看好中国半导体的MEMS赛道。
一、半导体后起之秀——MEMS与传统的机械工艺相比，MEMS具有微型化、集成化、多样化等特点，生产出的产品功能多样，集成度高。MEMS产品主要分为MEMS传感器与MEMS执行器，其类别繁多，按测量数量类别可划分为物理、化学、生物型三类，各类别传感器结构虽有不同，但运作逻辑类似，即与外界环境进行接触，感知外部信号的变化，将物理、化学信号转换为电信号输出。在去年的FIFA世界杯赛上，除了球员们在场上的精彩表现之外，最抢眼的莫过于引入的“半自动越位识别系统”。这一系统之所以能够精准判罚
，关键就在于足球内部的芯片内置了一个500Hz的运动传感器，传感器将感知的足球运动数据信号输出给裁判系统，实现快速的判决，这个传感器所采用的技术是MEMS。除了体育赛事，MEMS的应用其实已经渗透到了日常生活的方方面面，被广泛应用在物联网、医疗、人工智能等各个领域，从手机、相机、GPS导航等电子产品，再到智慧医疗、智能驾驶等场景，都能见到MEMS传感器的身影。随着全球电子制造产业链加速向亚太地区转移，MEMS的产业重心也在不断迁移，我国成为MEMS发展潜力最大，增速最快的市场。截至2022年末，我国MEMS传感器市场规模达1008亿，预计2023年将达到1200亿。与芯片产业一样，MEMS产业链也分上游设计、中游制造、下游封装测试三大环节。其中，有部分实力强劲的垂直整合制造厂商会参与到整条产业链各环节。不过，我国MEMS产业链虽然完备，但技术起步较晚，产品精度、敏感度等性能还处在快速追赶阶段。
1上游设计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。上游设计企业现具备一定创新能力，但业务同质化，产品定位中低端，规模偏小。该环节附加值较高，国内产品以力学传感器为主，因此多数企业年营收在亿级以下。2中游制造MEMS制造需具有独特专有的设备开发技术，目前，国内MEMS中游代工厂仍处成长期，代工产能有限、能力较为薄弱，国内具备规模的设计企业基本出海代工。在MEMS专业代工方面，国内企业通过并购、新设生产线等方式逐步进军。3下游封测下游外购MEMS设计封测模式成熟，国内的声感MEMS具备国际竞争力。中国MEMS封装测试起步早，已诞生一批优秀MEMS麦克风企业，他们通过购买海外设计MEMS IP，委托代工并自行封测销售，直达下游，品牌影响力强，具备全球TOP30竞争力。
当前，MEMS发展受下游产业拉动大。随着物联网、数字孪生、AI等智能场景发展，MEMS还在继续呈现小型化、高精度等升级趋势。
二、MEMS器件一览
1、工作原理集成电路的设计是为了利用硅的电学特性，而MEMS则利用硅的机械特性，或者说利用硅的电学和机械特性。MEMS传感器就是把一颗MEMS芯片和一颗专用集成电路芯片（ASIC芯片）封装在一块后形成的器件。一颗MEMS麦克风的主要器件是一颗MEMS芯片和一颗ASIC芯片，与基板、外壳等封装一起，就做成了一颗MEMS传感器。这也是大部分MEMS传感器的基础构造。MEMS芯片来将声音转化为电容、电阻等信号变化，ASIC芯片将电容、电阻等信号变化转化为电信号，由此实现MEMS传感器的功能——外界信号转化为电信号。2、MEMS器件类型常见的MEMS器件产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。MEMS产品主要可以分为MEMS传感器和MEMS执行器。其中传感器是用于探测和检测物理、化学、生物等现象和信号的器件，而执行器是用于实现机械运动、力和扭矩等行为的器件。MEMS产品目前以传感器为主，MEMS执行器领域仅射频MEMS和喷墨打印头市场规模相对较大。MEMS传感器作为信息获取和交互的关键器件，目前已在消费电子、汽车、医疗、工业、通信、国防和航空等领域广泛应用。
3、应用领域MEMS器件的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。三、差距原因1、技术瓶颈设计MEMS器件的封装往往比设计普通集成电路的封装更加复杂，这是因为工程师常常要遵循一些额外的设计约束，以及满足工作在严酷环境条件下的需求。器件应该能够在这样的严苛环境下与被测量的介质非常明显地区别开来。这些介质可能是像干燥空气一样温和，或者像血液、散热器辐射等一样严苛。其他的介质还包括进行测量时的环境，例如，冲击、震动、温度变化、潮湿和EMI/RFI等。2、人才积累MEMS压力和惯性传感器都具有多品种、小批量的特点，技术经验和专业人才的积累是领先国内公司核心竞争力。目前国内缺乏从事MEMS压力传感器研发与量产的大型企业，全球MEMS压力传感器市场的市场份额仍然主要被博世、英飞凌、意法半导体等国外厂商占据。3、本身特质MEMS的最大特点就是微型化，其体积和重量普遍较小，由于其独特的构造和物理特性，MEMS可以通过微细加工实现非常微弱的电学、光学、热学和机械效应。在MEMS系统中，所有的几何变形是如此之小(分子级)，以至于结构内应力与应变之间的线性关系(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的分子相互作用力引起的，而不是由于载荷压力引起，因此生产器件需要及其严苛的环境和相关技术的加持。四、MEMS器件市场现状1、全球规模高速增长整来看，全球MEMS市场规模的收入从2020年的115亿美元增加到2021年的约136亿美元，同比增长17%。2021 年的收入是由消费和汽车应用的持续传感化以及医疗和工业终端市场及相关应用的进步推动的。由于芯片短缺和全球分配问题，惯性和压力MEMS等一些MEMS器件的ASP在2021年略有增长，为市场创造了额外的收入增长。随着物联网、云计算、大数据等高新科学技术的日益成熟，传统传感器由于体积较大、集成度低等劣势，已逐渐无法满足下游行业的需求。在此背景下，MEMS技术在传感器行业的运用日益提升，行业规模也得以迅速扩张。据资料显示，2021年全球MEMS行业市场规模约为136亿美元，同比增长12.9%。预计到2027年行业规模将增长至223亿美元。2、国内市场不断扩大随着近年来下游市场的快速发展及MEMS技术应用比例的不断提升，近年来我国MEMS行业发展迅速，已然成为全球MEMS市场发展最快的地区。据资料显示，2021年中国MEMS市场规模超过900亿元，同比增长超过20%，中国已成为全球MEMS产业最大单一市场，增速远高于全球平均水平，展现出了蓬勃发展的势头，2022年我国MEMS行业市场规模约为1044.3亿元，同比增长17.1%。3、竞争格局明朗从地域来看，在MEMS这个领域，依然是美国占据较强的地位，有接近一半的厂商是属于美国。欧洲也不逊色，有博世、意法半导体、恩智浦等。日本厂商以特色占有一席之地。中国靠麦克风市场（楼氏、歌尔微、瑞声科技）和代工市场（赛微电子）占据一定的地位。目前国内缺乏从事MEMS传感器研发与量产的大型企业，全球MEMS传感器市场的市场份额仍然主要被博世、英飞凌、意法半导体等国外厂商占据。目前已有少数企业已开始崭露头角，部分国内企业发力MEMS，已取得显著成果。敏芯作为中国最早成立的MEMS研发公司之一，现已拥有完整的芯片设计、晶圆制造、封装与测试等全产业链的自主研发设计能力，凭借完全自主设计的MEMS芯片与ASIC芯片成功打破了国外厂商长期垄断的格局。五、MEMS持续火热，加快推进应用领域MEMS传感器能适应性强，能在各种恶劣条件下工作，并且其具备成本低、精度高、多元化的优势，因此MEMS的应用渗透到各行各业当中。随着物联网、工业4.0、元宇宙、云计算等产业进一步发展，将持续带动MEMS在核心场景的落地。
消费电子消费电子是指可供消费者日常使用的电子设备，随着消费电子领域发展及产品创新不断涌现，消费电子已成为MEMS最大的应用市场。同时，与人们日常生活关联也最为密切。在可穿戴设备层面，小米Mi Band使用了ADI MEMS加速度、心率传感器，实现运动和心率监测；Apple Watch 也运用MEMS加速度计、陀螺仪、麦克风及脉搏传感器。智能穿戴设备VR/AR需要高精测定头部转动速度、角度、距离，MEMS加速度计、陀螺仪、磁力计的组合几乎是行业标配，甚至部分厂商还使用了MEMS眼球追踪技术；无人机则结合加速度计和陀螺仪，计算角度变化，确定位置、飞行姿态，实现在各种环境下自如飞行。智能驾驶在汽车领域，MEMS也有广泛成熟的应用，以提升驾驶体验和车辆安全性。例如，安全气囊就同时采用了正面碰撞的高G加速度传感器和侧面碰撞的压力传感器；汽车发动机通过绝对压力传感器和流量传感器来检测进气量的进气歧管；部分汽车轮胎制造商还会在轮胎中埋置MEMS微型压力传感器，以免轮胎充气不足或过量导致驾驶事故。另外一些汽车领域较新的MEMS应用，主要集中在车联网。在主动安全领域中，侧翻与稳定性控制可以通过MEMS加速度、角速度传感器来探测车身姿态；在人车交互领域中，MEMS麦克风可为驾驶员提供更好的交互体验；在精确导航中，微陀螺仪角速率传感器能够实现GPS信号补偿和汽车地盘控制系统，借此指示方向盘转动是否到位，是否存在脱轨、错轨风险。除此之外，在越来越自动化的驾驶中，超声波、图像、毫米波雷达、激光雷达、夜视仪、3D感知等均应用到MEMS传感器。
智慧医疗在智慧医疗场景中，远程医疗、智能医疗，结合大数据、云服务的医疗进阶应用也大量使用MEMS医疗感测元器件。随着体外诊断、药物研究、病患监测、给药方式以及植入式医疗器械等领域发展，医疗设备需要迅速提高性能、降低成本、缩小尺寸。而MEMS技术可使医疗设备做到微型化，医疗检测、诊断、手术和治疗过程可以更加便捷、精准、微创甚至无痛。MEMS压力传感器可以检测包括血压、眼内压、颅内压、子宫内压等在内的人体器官压力水平；MEMS惯性器件主要用于心脏病治疗设备；而MEMS图像传感器则普遍应用于包括CT扫描、内窥镜在内的医学成像设备中。
航空航天在航空航天领域，MEMS的应用主要有状态传感器和环境传感器。状态传感器主要针对飞机姿态、燃料用量、生命活动、各种活动机件的即时位置等进行监测；环境传感器主要针对温湿度、氧气浓度、流量大小等方面进行测量。通过提供有关航天器的工作信息，MEMS传感器可对飞机重要运行部件的精准测量、监控，起到故障诊断、系统自检、协调各子系统、模拟飞行等功能，在验证设计方案、提供飞行操作决策依据、保障正常飞行等场景发挥重要作用。总体来看，MEMS的发展有扎实下游需求基础，其技术也随着科技发展在不断迭代更新。未来，在AI、VRAR、智能驾驶、智慧医疗、航空航天等产业拉动下，MEMS需求还将稳步提升，MEMS 传感器的应用也将为我们打开更大的想象空间。
结语随着物联网、云计算、大数据等高新科学技术的日益成熟，传统传感器由于体积较大、集成度低等劣势，已逐渐无法满足下游行业的需求。与传统传感器相比，MEMS传感器具有微型化、重量轻、集成度高、智能化、低成本、功耗低、可大规模生产等优点，使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。在此背景下，MEMS技术在传感器行业的运用日益提升。目前，MEMS传感器已经广泛运用于消费电子、汽车、工业、医疗、通信等各个领域，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。在国家政策的大力支持下，国内MEMS行业的研发与生产体系不断完善，各研发与生产环节的实力整体提升。各类产业园区和研究平台为完善国内MEMS行业的研发体系提供了基础。专业的晶圆制造和封装领域的企业逐渐加大对MEMS业务的投入，并与公司一起开发了MEMS产品相应生产环节的制造加工工艺。我国MEMS行业研发和生产体系不断完善，为国内MEMS行业的发展提供了良好的发展环境。未来，MEMS器件需求将不断扩大，且国家大力支持半导体市场国产替代，在政策支持以及市场驱动下，半导体企业将不断加大技术、产品研发能力，逐渐缩小与国际领先企业之间差距，行业发展潜力巨大。本文来源：平安银行创新委员会、交易银行、新微超凡知识产权您对本文有什么看法？欢迎在传感器专家网本内容底下留言讨论，或在中国最大的传感社区：传感交流圈中进行交流。
京公网安备 11011402013531号