傳感器領(lǐng)域的璀璨明星——MEMS芯片行業(yè)概況

（1）MEMS行業(yè)概述

①M(fèi)EMS技術(shù)概述

MEMS即微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem），是利用大規(guī)模集成電路制造技術(shù)和微加工技術(shù)，把微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理與控制電路、電源以及通信接口等集成在一片或者多片芯片上的微型器件或系統(tǒng)。

MEMS器件種類眾多，主要分為MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器。MEMS傳感器可以感知和測(cè)量物體的特定狀態(tài)和變化，并按一定規(guī)律將被測(cè)量的狀態(tài)和變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或者其它可用信號(hào)，MEMS執(zhí)行器則將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿?a target="_blank">機(jī)械運(yùn)動(dòng)或機(jī)械操作。經(jīng)過40多年的發(fā)展，MEMS從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没?，已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)與通信、醫(yī)療健康、高可靠等各個(gè)領(lǐng)域?；贛EMS技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)備大大增強(qiáng)了人們與物理世界交互的能力，極大地改變了人們的生活方式。

②MEMS行業(yè)發(fā)展歷程

MEMS技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)具有革命性的高新技術(shù)之一，其誕生和發(fā)展是需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的綜合結(jié)果，亦是微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)的巧妙結(jié)合。

MEMS起源可追溯至20世紀(jì)50年代。硅的壓阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，學(xué)者們開始了對(duì)硅傳感器的研究。20世紀(jì)70年代末至90年代，安全氣囊、制動(dòng)壓力、輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)等汽車行業(yè)應(yīng)用需求增長(zhǎng)推動(dòng)了MEMS行業(yè)發(fā)展的第一次浪潮，壓力傳感器和加速度計(jì)取得快速發(fā)展。

1979年Roylance和Angell研制出壓阻式微加速度計(jì)，1983年Honeywell用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片研制出壓力傳感器。20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初，信息技術(shù)的興起和微光學(xué)器件的需求推動(dòng)了MEMS行業(yè)發(fā)展的第二次浪潮，MEMS慣性傳感器與MEMS執(zhí)行器取得共同發(fā)展。MEMS慣性傳感器方面，1991年，電容式微加速度計(jì)開始被研制，1998年美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室研制出了較早的MEMS陀螺儀。MEMS執(zhí)行器方面，1994年德州儀器以光學(xué)MEMS微鏡為基礎(chǔ)推岀投影儀，21世紀(jì)初MEMS噴墨打印頭出現(xiàn)。

2010年至今，產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景的日益豐富推動(dòng)了MEMS行業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，如高性能的MEMS陀螺儀在工業(yè)儀器、航空、機(jī)器人等多方面得到應(yīng)用。MEMS商業(yè)化將MEMS技術(shù)從最早的汽車應(yīng)用領(lǐng)域向航空、工業(yè)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。

③MEMS行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈

MEMS產(chǎn)業(yè)鏈一般可分為四個(gè)環(huán)節(jié)：芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試以及系統(tǒng)應(yīng)用。MEMS行業(yè)主要有Fabless和IDM兩種經(jīng)營(yíng)模式。采用Fabless模式的MEMS企業(yè)主要負(fù)責(zé)MEMS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與銷售，將生產(chǎn)、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)外包。采用IDM模式的國(guó)際企業(yè)，如博世、意法半導(dǎo)體、亞德諾半導(dǎo)體、霍尼韋爾等，經(jīng)營(yíng)范圍覆蓋了芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和封裝測(cè)試等各環(huán)節(jié)。

（2）MEMS行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀

①全球市場(chǎng)現(xiàn)狀

根據(jù)Yole的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，全球MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的136億美元增長(zhǎng)到2027年的223億美元，2021-2027年復(fù)合增長(zhǎng)率為9.00%。

MEMS器件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)、通信等多個(gè)領(lǐng)域。從2021年市場(chǎng)規(guī)模來看，消費(fèi)電子、汽車和工業(yè)市場(chǎng)是MEMS行業(yè)最大的三個(gè)細(xì)分市場(chǎng)。

從全球競(jìng)爭(zhēng)格局的角度看，目前少數(shù)巨頭企業(yè)占據(jù)了全球MEMS行業(yè)的主導(dǎo)地位，2021年前十大MEMS廠商市場(chǎng)占比達(dá)到了57.94%，市場(chǎng)集中度較高。

②國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)狀

受益于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、人工智能等戰(zhàn)略的實(shí)施，加之各級(jí)政府加速推動(dòng)智慧城市建設(shè)、智能制造、智慧醫(yī)療發(fā)展，MEMS市場(chǎng)具有較大的發(fā)展機(jī)遇。根據(jù)賽迪顧問數(shù)據(jù)整理，2020年中國(guó)MEMS市場(chǎng)保持快速增長(zhǎng)，整體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到736.70億元，同比增長(zhǎng)23.24%，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)增速持續(xù)高于全球。預(yù)計(jì)2022年中國(guó)MEMS市場(chǎng)規(guī)模將突破1,000億元，2020-2022年復(fù)合增長(zhǎng)率為19.06%。

2021年中國(guó)MEMS市場(chǎng)以國(guó)外廠商為主，中國(guó)廠商中歌爾股份有限公司、瑞聲科技控股有限公司、武漢高德紅外股份有限公司、臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司進(jìn)入了前30大廠商行列，發(fā)達(dá)國(guó)家在MEMS芯片設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域技術(shù)先進(jìn)，在產(chǎn)品性能和可靠性等方面優(yōu)勢(shì)更為明顯。

（3）MEMS產(chǎn)品類型與市場(chǎng)結(jié)構(gòu)

MEMS產(chǎn)品主要分為MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器，常見的MEMS器件如下表所示：

①M(fèi)EMS傳感器和MEMS執(zhí)行器的比較

MEMS傳感器是用來檢測(cè)物理、化學(xué)或生物現(xiàn)象的器件；而MEMS執(zhí)行器是用來產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)、力和轉(zhuǎn)矩的器件，兩者用途存在較大差異，因而技術(shù)路線和難點(diǎn)不同。由于客戶應(yīng)用MEMS產(chǎn)品的環(huán)境具有多樣性，需要檢測(cè)的外界信號(hào)種類較多，從而導(dǎo)致MEMS傳感器種類眾多，需求差異大，不同類型的MEMS傳感器的工藝差異大，需開發(fā)合適的工藝方案；另外MEMS傳感器往往需要匹配復(fù)雜的ASIC芯片，所以MEMS傳感器的開發(fā)往往需要從系統(tǒng)的角度考慮。而MEMS執(zhí)行器通常只是完成單一的動(dòng)作，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但對(duì)于材料制備，以及加工工藝的一致性要求較高，如MEMS射頻濾波器等；另外，MEMS執(zhí)行器無需或只需要簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路即可，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。

②不同類型MEMS傳感器的比較

由于MEMS傳感器測(cè)量的外部信號(hào)不同，不同類型的MEMS傳感器技術(shù)差異較大。MEMS慣性傳感器主要檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，需要將傳感器安裝在載體上用于檢測(cè)載體的運(yùn)動(dòng)，因此MEMS多為密閉式封裝。而壓力/光學(xué)/聲學(xué)傳感器需要通過直接接觸被測(cè)量，所以多為開放式封裝，同時(shí)需要結(jié)合使用環(huán)境設(shè)計(jì)有利于檢測(cè)信號(hào)的傳感器敏感單元表面結(jié)構(gòu)。MEMS慣性傳感器相對(duì)于壓力傳感器、聲學(xué)傳感器等其他類型的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域較廣，在高可靠領(lǐng)域及其他工業(yè)、消費(fèi)領(lǐng)域均具備豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于性能、成本、功耗、體積的要求差異較大。相對(duì)于在工業(yè)及消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用較廣的聲學(xué)傳感器、環(huán)境傳感器等，高性能MEMS慣性傳感器多應(yīng)用于高可靠領(lǐng)域，復(fù)雜環(huán)境下對(duì)于產(chǎn)品性能要求高，因此對(duì)產(chǎn)品可靠性提出了更嚴(yán)格的需求，存在較高的技術(shù)門檻。MEMS壓力傳感器主要是壓阻式和電容式，使用廣泛，成本低；部分高端壓力傳感器采用諧振式原理，精度高，售價(jià)高，多用于儀表校驗(yàn)等對(duì)精度要求高的領(lǐng)域。MEMS聲學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器主要應(yīng)用于消費(fèi)類電子，例如智能手機(jī)中的MEMS麥克風(fēng)和接近傳感器，產(chǎn)品具有體積小、成本低、功耗低的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品絕對(duì)性能要求相對(duì)不高，行業(yè)內(nèi)廠商競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)激烈。

③MEMS傳感器的工作原理

MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械技術(shù)工藝制造出來的微型傳感器，種類繁多，是使用最廣泛的MEMS產(chǎn)品。MEMS傳感器通過微傳感元件和傳輸單元，可將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)出另一種可監(jiān)測(cè)信號(hào)。與傳統(tǒng)工藝制造的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)。MEMS慣性傳感器屬于MEMS傳感器的重要分支，主要包括陀螺儀、加速度計(jì)等，并可通過組合形成慣性組合傳感器IMU。

④MEMS傳感器行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

按照YoleDeveloppement統(tǒng)計(jì)的MEMS產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模數(shù)據(jù)，2021年不同類型MEMS產(chǎn)品的市場(chǎng)份額如下所示：

MEMS慣性傳感器包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、慣性傳感組合，2021年上述四類產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模合計(jì)35.09億美元，占比25.81%，是MEMS行業(yè)中的主要產(chǎn)品類型。

審核編輯 ：李倩