一、MEMS基本概念和相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策

MEMS基本概念

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機(jī)電系統(tǒng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。主要由傳感器、動(dòng)作器（執(zhí)行器）和微能源三大部分組成。

微機(jī)電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)的基本特點(diǎn)。

MEMS是一項(xiàng)革命性的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一項(xiàng)關(guān)系到國(guó)家的科技發(fā)展、經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)防安全的關(guān)鍵技術(shù)。在十四五規(guī)劃的集成電路綱要就包含了MEMS。

MEMS相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策

近年來(lái)，中國(guó)發(fā)展智能傳感器產(chǎn)業(yè)已上升為國(guó)家戰(zhàn)略。隨著一系列政策的頻繁出臺(tái)以及3C產(chǎn)品、汽車電子等下游行業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)MEMS傳感器市場(chǎng)需求旺盛，歷年持續(xù)保持快速增長(zhǎng)，從細(xì)分領(lǐng)域來(lái)看，慣性傳感器、壓力傳感器、麥克風(fēng)等領(lǐng)域均保持連年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

資料來(lái)源：國(guó)務(wù)院，國(guó)家發(fā)改委，工業(yè)和信息化部

二、MEMS主要分類和應(yīng)用

MEMS 傳感器種類很多，也有多種分類方法。按其工作原理，大致可分為 MEMS 物理、化學(xué)和生物傳感器，其中每一種 MEMS 傳感器又可分為很多種小類，不同的 MEMS 傳感器可以測(cè)量不同的量，實(shí)現(xiàn)不同的功能。主要的 MEMS 傳感器包括運(yùn)動(dòng)傳感器、壓力、麥克風(fēng)、環(huán)境、光傳感器等。其中運(yùn)動(dòng)傳感器可分為陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)。

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看，目前全球排名前五的MEMS傳感器細(xì)分領(lǐng)域?yàn)樯漕l、壓力、麥克風(fēng)、加速計(jì)和陀螺儀，占比接近65%；中國(guó)市場(chǎng)的這一排序?yàn)樯漕l、壓力、麥克風(fēng)、慣性和加速度計(jì)，與全球市場(chǎng)相似。

圖3  MEMS產(chǎn)品結(jié)構(gòu)傳感器分類

三、MEMS產(chǎn)業(yè)鏈

類似于傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，主要包括了四大部分：前端 Fabless 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、ODM 代工晶圓廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)、封裝測(cè)試到下游最終應(yīng)用的四大環(huán)節(jié)。

圖4  MEMS產(chǎn)業(yè)鏈

圖5  MEMS產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)分

中國(guó)的設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試廠商都在積極布局 MEMS，已形成完整 MEMS 的產(chǎn)業(yè)鏈。

圖6  MEMS產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)分布

長(zhǎng)三角區(qū)域：以上海、無(wú)錫、南京為中心。逐漸形成包括熱敏、磁敏、圖像、稱重、光電、溫度、氣敏等較為完備的傳感器生產(chǎn)體系及產(chǎn)業(yè)配套。

珠三角區(qū)域：以深圳中心城市為主。由附近中小城市的外資企業(yè)組成以熱敏、磁敏、超聲波、稱重為主的傳感器產(chǎn)業(yè)體系。

東北地區(qū)：以沈陽(yáng)、長(zhǎng)春、哈爾濱為主。主要生產(chǎn) MEMS 力敏傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器。

京津區(qū)域：主要以高校為主。從事新型傳感器的研發(fā)，在某些領(lǐng)域填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。北京已建立微米 / 納米國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

中部地區(qū)：以鄭州、武漢、太原為主。產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的模式，在 PTC/NTC 熱敏電阻、感應(yīng)式數(shù)字液位傳感器和氣體傳感器等產(chǎn)業(yè)方面發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。

圖8  國(guó)內(nèi)MEMS企業(yè)分布

四、現(xiàn)有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局

從競(jìng)爭(zhēng)者數(shù)量來(lái)看，由于MEMS傳感器類型較多，生產(chǎn)廠商眾多。2019年中國(guó)MEMS市場(chǎng)主要以外國(guó)廠商為主，博通和博世并駕齊驅(qū)，其他主要競(jìng)爭(zhēng)者包括意法半導(dǎo)體、德州儀器、Qorvo等。

美國(guó)廠商占比超過(guò)半數(shù)，歐美、日本廠商在MEMS主要的芯片和微機(jī)電制造領(lǐng)域相對(duì)發(fā)達(dá)。國(guó)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)者也有不俗表現(xiàn)，歌爾股份在2019年首次躋身全球MEMS廠商前十，瑞聲科技排名22；代工廠領(lǐng)域，賽微電子控股公司Silex排名第一?？傮w來(lái)看，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)者優(yōu)勢(shì)明顯，但國(guó)內(nèi)企業(yè)新秀在加速追趕。

競(jìng)爭(zhēng)格局：美、日、德企主導(dǎo)傳感器市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力弱

全球傳感器市場(chǎng)的主要廠商有GE傳感器、愛(ài)默生、西門子、博世、意法半導(dǎo)體、霍尼韋爾、ABB、日本橫河、歐姆龍、施耐德電氣、E+H等，中國(guó)傳感器市場(chǎng)中70%左右的份額被這些外資企業(yè)占據(jù)。

在全球消費(fèi)類慣性傳感器（加速度計(jì)+陀螺儀）市場(chǎng)，意法半導(dǎo)體處于市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者的地位，占據(jù)四成左右的市場(chǎng)份額。

全球傳感器分布

綜上對(duì)市場(chǎng)規(guī)模、技術(shù)成熟度、企業(yè)經(jīng)營(yíng)狀況、競(jìng)爭(zhēng)者數(shù)量等方面的分析，我們判斷，國(guó)內(nèi)MEMS傳感器行業(yè)的國(guó)產(chǎn)替代尚處于成長(zhǎng)初期，MEMS國(guó)產(chǎn)企業(yè)正在加快追趕行業(yè)巨頭。隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能汽車、5G技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)將保持繼續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)替代步伐有望加速。

MEMS產(chǎn)業(yè)曾是美國(guó)、歐盟、日本三分天下之勢(shì)，且各有千秋。美國(guó)以軍促民，發(fā)揮軍政產(chǎn)學(xué)研協(xié)同效應(yīng)，在MEMS技術(shù)綜合實(shí)力方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)；日本則在汽車電子用MEMS、機(jī)器人用MEMS等方向能力突出，在全球前10名MEMS巨頭中，日本的數(shù)量常年與美國(guó)一致，但企業(yè)規(guī)模略遜于美國(guó)；歐盟在汽車電子用MEMS、消費(fèi)電子用MEMS占有重要的市場(chǎng)份額，擁有超過(guò)100家的MEMS芯片研發(fā)和生產(chǎn)機(jī)構(gòu)。

中國(guó)MEMS市場(chǎng)長(zhǎng)期以國(guó)外廠商為主，其在MEMS技術(shù)中各環(huán)節(jié)均較為成熟，在使用壽命和產(chǎn)品精度上優(yōu)勢(shì)明顯。2019年，中國(guó)MEMS市場(chǎng)廠商前十名為博通、博世、意法半導(dǎo)體、德州儀器、QORVO、惠普、樓氏、恩智浦、歌爾和TDK，其中美國(guó)公司占比達(dá)到54%。中國(guó)企業(yè)歌爾擠入前十，且2019年MEMS收入同比增長(zhǎng)達(dá)36%，遠(yuǎn)超同行業(yè)其他頭部公司；瑞聲科技排名第22位，收入同比增長(zhǎng)11%，同樣高于行業(yè)整體水平。

傳感器企業(yè)市場(chǎng)分布

五、國(guó)產(chǎn)廠家面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

1 、國(guó)產(chǎn)廠家面臨的機(jī)遇

目前，國(guó)內(nèi)MEMS傳感器廠商整體規(guī)模不大。除歌爾與瑞聲年?duì)I收在1億美元以上，美新半導(dǎo)體、美泰科技、芯奧微等本土MEMS傳感器廠商年?duì)I收均在6000萬(wàn)美元以下，整體規(guī)模較小。另外，國(guó)內(nèi)廠商經(jīng)營(yíng)產(chǎn)品種類較為單一，產(chǎn)品線多數(shù)為一條，多為元器件供應(yīng)商，解決方案供應(yīng)能力較差。而國(guó)際巨頭Invensense、英飛凌等國(guó)外廠商擁有2到3條產(chǎn)品線，博世、電裝、意法半導(dǎo)體等MEMS產(chǎn)品線超過(guò)4條且具備一體化解決方案供給能力。相比之下，小供應(yīng)商很難在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)制造，因此排名靠前的大供應(yīng)商市場(chǎng)份額相對(duì)穩(wěn)定，市場(chǎng)集中度較高。

2、  國(guó)產(chǎn)非上市公司MEMS企業(yè)

3、 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

（1）MEMS和傳感器呈現(xiàn)多項(xiàng)功能高度集成化和組合化的趨勢(shì)。由于設(shè)計(jì)空間、成本和功耗預(yù)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(cè)多個(gè)參量的多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。

（2）傳感器智能化及邊緣計(jì)算。軟件正成為MEMS傳感器的重要組成部分，隨著多種傳感器進(jìn)一步集成，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)需要處理，軟件使得多種數(shù)據(jù)融合成為可能。MEMS產(chǎn)品發(fā)展必將從系統(tǒng)應(yīng)用的定義開(kāi)始，開(kāi)發(fā)具有軟件融合功能的智能傳感器，促進(jìn)人工智能在傳感器領(lǐng)域更廣闊的應(yīng)用。

（3）傳感器低功耗及自供能需求日趨增加。隨著物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用對(duì)傳感需求的快速增長(zhǎng)，傳感器使用數(shù)量急劇增加，能耗也將隨之翻倍。降低傳感器功耗，采用環(huán)境能量收集實(shí)現(xiàn)自供能，增強(qiáng)續(xù)航能力的需求將會(huì)伴隨傳感器發(fā)展的始終，且日趨強(qiáng)烈。

（4）MEMS向NEMS演進(jìn)。隨著終端設(shè)備小型化、種類多樣化，推動(dòng)微電子加工技術(shù)特別是納米加工技術(shù)的快速發(fā)展，智能傳感器向更小尺寸演進(jìn)是大勢(shì)所趨。與MEMS類似，NEMS（納機(jī)電系統(tǒng)）是專注納米尺度領(lǐng)域的微納系統(tǒng)技術(shù)，只不過(guò)尺寸更小。

（5）新敏感材料的興起。薄膜型壓電材料具有更好的工藝一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面積，可用于MEMS執(zhí)行器、揚(yáng)聲器、觸覺(jué)和觸摸界面等。未來(lái)MEMS器件的驅(qū)動(dòng)模式預(yù)計(jì)將從傳統(tǒng)的靜電梳齒驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向壓電驅(qū)動(dòng)。

（6）更大的晶圓尺寸。相比于目前業(yè)界普遍 應(yīng)用的6英寸、8英寸晶圓制造工藝，更大的晶圓尺寸能夠很大程度上降低成本、提高產(chǎn)量，并且晶圓尺寸的擴(kuò)大與芯片特征尺寸的縮小是相應(yīng)促進(jìn)和互相推動(dòng)的。例如，用12英寸晶圓工藝線制造的MEMS產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)。

六、總結(jié)

MEMS傳感器目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、通信等各個(gè)領(lǐng)域，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，MEMS傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景將更加多元。MEMS傳感器是人工智能重要的底層硬件之一，傳感器收集的數(shù)據(jù)越豐富和精準(zhǔn)，人工智能的功能才會(huì)越完善。物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的核心是傳感、連接和計(jì)算，隨著聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的不斷增長(zhǎng)，對(duì)智能傳感器數(shù)量和智能化程度的要求也不斷提升。未來(lái)，智能家居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能城市等新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都將為MEMS傳感器行業(yè)帶來(lái)更廣闊的市場(chǎng)空間。

因其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，MEMS傳感器應(yīng)用絕不僅局限于可穿戴設(shè)備，未來(lái)醫(yī)療、人工智能以及汽車電子等領(lǐng)域的傳輸?shù)讓蛹軜?gòu)均要依賴MEMS傳感器來(lái)布局。

從目前全球的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，汽車工業(yè)和消費(fèi)類電子的市場(chǎng)已經(jīng)發(fā)展的足夠發(fā)達(dá)，成為了MEMS傳感器的發(fā)展基礎(chǔ)，未來(lái)醫(yī)療、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等智能現(xiàn)代化趨勢(shì)明顯，未來(lái)MEMS傳感器的發(fā)展?jié)摿艽蟆?