多數人可能并不知道，MEMS這種低調的工業(yè)品，不僅是科技界公認最具發(fā)展潛力的研究領(lǐng)域之一，更是衡量工業(yè)國家核心競爭力的指標之一，被業(yè)界人士視為一輩子都做不完的產(chǎn)業(yè)。
作為無(wú)處不在的一種革命性關(guān)鍵技術(shù)，MEMS已滲透到我們生活的方方面面，涵蓋幾乎所有需要微型化的產(chǎn)品。蘋(píng)果、華為、三星、小米、OPPO等各種知名品牌都離不開(kāi)MEMS技術(shù)。
本文從技術(shù)到中國產(chǎn)業(yè)現狀，全面介紹了中國的MEMS，本文關(guān)注MEMS國產(chǎn)替代。在本文中，你將了解到：MEMS到底是什么，MEMS的市場(chǎng)情況和國產(chǎn)化布局，國產(chǎn)MEMS及背后的思考。并試圖回答國產(chǎn)替代浪潮下，國內的MEMS企業(yè)們如何追趕的問(wèn)題。國產(chǎn)MEMS替代機會(huì )在哪？
原標題：《MEMS：給萬(wàn)億蘋(píng)果充值》
作者：付斌 | 編輯：李拓
神奇的MEMS，是機械，也是微電子
1959年，物理學(xué)家理查德·費曼在加州理工學(xué)院的演講《微觀(guān)世界有無(wú)垠的空間》中，曾大膽構想原子尺度的工業(yè)世界，人們甚至可以吞下外科醫生機器人，清除動(dòng)脈血栓或消滅腫瘤。
如今，這種構想不再是科幻，MEMS就是一種比人類(lèi)頭發(fā)的直徑還小很多倍的微型機械，它就像細胞一樣，構建了微觀(guān)的人工智慧世界。比如吞食MEMS診斷藥丸檢測體內身體指標，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸到病人體外，再比如用MEMS為細胞做手術(shù)?？梢哉f(shuō)，我們在宏觀(guān)世界能做什么，MEMS就能幫我們在微觀(guān)做什么。
MEMS全稱(chēng)為微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System），又稱(chēng)微系統技術(shù)、微機械等。是由微傳感器、微執行器、信號處理和控制電路、通信接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統。該系統可在微觀(guān)尺度上單獨或批量執行傳感、控制和驅動(dòng)操作，并在宏觀(guān)尺度上實(shí)現各類(lèi)功能。
隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家又提出了納機電系統NEMS（Nano-Electro-Mechanical System）的概念。由于二者結構相同，且歸屬于同一領(lǐng)域，下文中MEMS均代指MEMS/NEMS。
MEMS是最先進(jìn)的機械技術(shù)與最先進(jìn)的微電子技術(shù)的結晶。它是一種結構偏向機械，制造偏向微電子的技術(shù)，兼具微型化、低成本、高效能、大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，這也是它最有商業(yè)價(jià)值的地方：一方面，MEMS會(huì )使用諸多微觀(guān)模擬元件（類(lèi)似我們?？吹降暮暧^(guān)機械零件），組成體積極微小的器件，如通道、孔、懸臂、膜、腔等結構；另一方面，它能通過(guò)微納米技術(shù)，在芯片上制造微型機械結構，因此可大批量生產(chǎn)，且有較低的生產(chǎn)成本。
用機械當五官和四肢，當機械學(xué)會(huì )感知和運動(dòng)
MEMS是一種能與自然界交流的器件，感知化學(xué)、電學(xué)、機械、熱學(xué)、輻射、磁場(chǎng)六個(gè)能量域的環(huán)境參數，再做出相應的反應。
MEMS傳感器關(guān)注的能量域，制表丨果殼硬科技
資料來(lái)源丨Nanoscale Research Letters
感知和運動(dòng)是MEMS的兩大特質(zhì)，以此分為兩類(lèi)：MEMS傳感器和MEMS執行器。二者功能均是將信號或功率，從一個(gè)能量域轉換為另一個(gè)能量域，傳感器是將環(huán)境信號轉換為電信號，執行器是將電信號轉換為機械運動(dòng)，二者相輔相成。
MEMS傳感器和驅動(dòng)器主要種類(lèi)，制表丨果殼硬科技
資料來(lái)源丨和林微納招股書(shū)
MEMS傳感器被人譽(yù)為電五官。若把處理器比作人腦，通信比作神經(jīng)系統，MEMS傳感器就是五官和皮膚，感知物理、化學(xué)或生物量的存在和強度。其機理是沉積在設備傳感層上的聚合物吸收了特定化學(xué)物質(zhì)，產(chǎn)生了應力、質(zhì)量、電氣或機械特性變化，最終由MEMS利用壓阻式、電容式或光學(xué)式等傳感機制檢測這些變化。需要強調的是，MEMS傳感器是傳統傳感器的升級版，其尺寸更小、功耗更低、性能更好。
MEMS執行器相當于人的四肢，能執行各種微操作和運動(dòng)，如微馬達、微開(kāi)關(guān)、微推進(jìn)器、微泵和微閥等。其機理是采用電熱、電磁、靜電或壓電四種驅動(dòng)機制使器件產(chǎn)生微觀(guān)結構運動(dòng)。
MEMS驅動(dòng)和傳感技術(shù)及特點(diǎn)，制表丨果殼硬科技
資料來(lái)源丨Nanoscale Research Letters
MEMS，比集成電路更難制造
MEMS工藝流程包括研發(fā)設計（芯片設計、工藝流程設計、機電和結構設計、設計驗證等）、晶圓制造（融合離子擴散、薄膜沉積PVD/CVD、光刻、干法刻蝕、濕法腐蝕等）、封裝測試，看似與集成電路相同，實(shí)則比集成電路更難。
從集成電路到MEMS，是平面工藝到立體工藝、電路靜態(tài)結構到機械可動(dòng)結構、半導體到機械/化學(xué)/光學(xué)等多學(xué)科交叉融合、電子產(chǎn)品應用環(huán)境到各種自然界或人造環(huán)境的變化。
MEMS工藝與IC工藝對比，制表丨果殼硬科技
MEMS襯底材料（支撐材料）硅是主流，一些特殊應用會(huì )使用玻璃、高分子聚合物、金屬等，二氧化鈦（TiO2）、二氧化錫（SnO2）和氧化鋅（ZnO）等金屬氧化物也逐漸成為有吸引力的材料。
加工技術(shù)依據材料分為硅基和非硅基兩種路線(xiàn)。硅基MEMS加工技術(shù)以集成電路加工技術(shù)為基礎，具有批量化、成本低、集成度高等優(yōu)勢；非硅基加工技術(shù)包括LIGA、準LIGA（即X光同步輻射光刻、電鑄成型及注塑工藝）和精密加工技術(shù)，非硅基加工技術(shù)實(shí)現的可動(dòng)微結構能夠擁有更大縱向尺寸，但批量能力差、重復性差、加工成本高。
MEMS制造工藝不完全盤(pán)點(diǎn)，制表丨果殼硬科技
雖然MEMS處處都好，但對研發(fā)商來(lái)說(shuō)，想說(shuō)愛(ài)它不容易：一方面，它擁有一種產(chǎn)品，一種工藝的特點(diǎn)，每種器件的設計、制造、封裝、測試方法均存在較大差異，市場(chǎng)很難形成標準化，成熟的產(chǎn)品才能表現出一定的集中度；另一方面，做MEMS要耐得住性子，極端情況下一款傳感器的研發(fā)需6年~8年，加上測試、導入產(chǎn)業(yè)鏈的時(shí)間，成品甚至能花費近20年；除此之外，MEMS與集成電路產(chǎn)業(yè)的通病就是價(jià)格與產(chǎn)品重要性不成正比。
有應用才會(huì )有市場(chǎng)，產(chǎn)業(yè)步入高速發(fā)展期
其實(shí)，MEMS還是個(gè)90后，它的商用歷史只有三十多年，產(chǎn)業(yè)剛剛步入成熟期。從MEMS的研發(fā)歷史來(lái)看，是從結構研究逐漸到材料的過(guò)程。
MEMS技術(shù)歷史發(fā)展特征，制表丨果殼硬科技
MEMS會(huì )伴隨電子、機械、材料、信息、物理、化學(xué)、光學(xué)及生物醫學(xué)等學(xué)科的技術(shù)成長(cháng)，同時(shí)當MEMS與不同技術(shù)結合會(huì )再產(chǎn)生新的器件。在此過(guò)程中，一些器件應用逐漸衰退，新器件應用開(kāi)始起步，往復循環(huán)，生生不息。
縱覽三十多年歷史，MEMS新器件的驅動(dòng)力主要源于應用，只有當新產(chǎn)品要用到某些器件，才會(huì )引發(fā)大規模研究和生產(chǎn)：
1990年~2000年汽車(chē)安全掀起第一次熱潮；
2000年~2010年智能手機引發(fā)第二次熱潮；
2010年~2020年智能手表、TWS耳機、可穿戴設備主導第三次熱潮；
2020年至今車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能醫療、智能城市以及萬(wàn)物互聯(lián)等應用讓第四次熱潮蓄勢待發(fā)。
各MEMS器件所處應用階段，圖源丨《科技情報參考》
前景雖好，但國內力量分散，無(wú)領(lǐng)導企業(yè)
由于MEMS的生產(chǎn)過(guò)程與集成電路類(lèi)似，所以主要玩家基本也是集成電路企業(yè)。相比投資火熱的集成電路，MEMS產(chǎn)業(yè)相對較小，同時(shí)高技術(shù)門(mén)檻攔住了許多初創(chuàng )玩家。
近幾年MEMS的應用場(chǎng)景逐步增加，需求量持續攀升：主流智能手機開(kāi)始將MEMS麥克風(fēng)使用量拉升至2~4顆，用于語(yǔ)音采集、噪音消除和改善語(yǔ)音識別等功能；單只TWS耳機中至少要使用2顆MEMS麥克風(fēng)，用于通話(huà)、離線(xiàn)喚醒、音樂(lè )控制、應用開(kāi)啟和降噪模式切換等多種功能；每輛汽車(chē)的MEMS傳感器使用數量拉升至30顆甚至上百顆，用于輔助自動(dòng)駕駛、車(chē)輛檢測等功能。
應用帶動(dòng)下，MEMS的市場(chǎng)前景樂(lè )觀(guān)。Yole預測，MEMS全球市場(chǎng)份額將由2020年的121億美元升至2026年的182億美元，年復合增長(cháng)率7.17%。其中，消費領(lǐng)域是MEMS的最大應用市場(chǎng)，約占整體收入的60%，其次分別為汽車(chē)、工業(yè)、醫療、航空航天和通信。
以終端市場(chǎng)分類(lèi)的MEMS市場(chǎng)情況，圖源丨Yole
從器件上來(lái)看，MEMS傳感器是絕對的主力，全球市場(chǎng)規模預計從2020年的90億美元提升至2026年的128億美元，年均復合增長(cháng)率為6.1%。其中，壓力傳感器和慣性組合傳感器極具潛力，至2026年全球市場(chǎng)規模將分別達到23.6億美元和21.3億美元，其次是聲學(xué)傳感器（MEMS麥克風(fēng)）、加速度傳感器、陀螺儀傳感器等。
MEMS射頻器件增長(cháng)勢頭猛烈，至2026年將有40.5億美元的全球市場(chǎng)空間。噴墨打印頭、微型測輻射熱儀、光學(xué)傳感器、硅基微流控器件等將持續保持增長(cháng)。
以器件類(lèi)型分類(lèi)的MEMS市場(chǎng)情況，圖源丨歌爾微電子招股書(shū)
從領(lǐng)域上來(lái)看，消費、汽車(chē)、工業(yè)、醫療四大領(lǐng)域均有一定市場(chǎng)前景，但增速有所區別，物聯(lián)網(wǎng)、智慧醫療、智慧城市是MEMS主要驅動(dòng)力。
不同領(lǐng)域分類(lèi)的全球MEMS市場(chǎng)情況，制表丨果殼硬科技
資料來(lái)源丨Yole
目前MEMS市場(chǎng)以國外廠(chǎng)商為主，頂級的MEMS廠(chǎng)商包括博世、博通、Qorvo、意法半導體、德州儀器、歌爾微、惠普、樓氏、TDK、英飛凌等。國產(chǎn)MEMS企業(yè)是追趕者，歌爾微（MEMS麥克風(fēng)）、瑞聲科技（MEMS麥克風(fēng)）、高德紅外（紅外傳感器）三家企業(yè)上榜2020年全球市場(chǎng)銷(xiāo)售額排行前30。
按細分領(lǐng)域劃分，MEMS聲學(xué)傳感器領(lǐng)域樓氏、瑞聲科技、歌爾微三家公司占據全球市場(chǎng)份額的75%，MEMS壓力傳感器領(lǐng)域博世、泰科電子和英飛凌三家公司占據全球市場(chǎng)份額的57%，MEMS慣性組合傳感器領(lǐng)域博世、意法半導體和TDK三家廠(chǎng)商占據全球市場(chǎng)份額的76%。
全球MEMS廠(chǎng)商TOP10，圖源丨歌爾微電子招股書(shū)
在國內，MEMS市場(chǎng)潛力巨大。據賽迪顧問(wèn)預測，從2020年至2030年，國內MEMS市場(chǎng)規模將由736.7億元人民幣提升至超過(guò)1200億元人民幣。
我國MEMS起步并不比國外晚很多，但由于歷史原因導致力量分散、條塊分割、投入嚴重不足，直到2010年前后產(chǎn)業(yè)才形成雛形，僅從MEMS傳感器來(lái)說(shuō)，依然存在較大缺口，超過(guò)90%的芯片與高檔傳感器芯片需要從國外進(jìn)口，導致價(jià)格直線(xiàn)上升，且在MEMS的產(chǎn)品結構布局上不足20%。
不過(guò)好在國內已形成較好的企業(yè)資源、創(chuàng )新資源和載體平臺，并已擁有至少37條MEMS產(chǎn)線(xiàn)，發(fā)展后勁足。
中國MEMS產(chǎn)業(yè)資源分布，圖源丨賽迪顧問(wèn)
從二級市場(chǎng)上來(lái)看，國產(chǎn)MEMS已擁有研發(fā)設計、設備材料、晶圓制造、封裝測試、集成應用的完備產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)擁有豐富種類(lèi)器件。
中國MEMS主要上市企業(yè)基本信息，資料來(lái)源 丨前瞻經(jīng)濟學(xué)人
國內MEMS投資和兼并也持續活躍，2020年相關(guān)案例達116個(gè)、金額347億。項目投資以A輪為主，感知技術(shù)離應用層越近，越能吸引投資者，項目估值和投資金額越大。從投資項目來(lái)看，資本較為看好生物、機器視覺(jué)、自動(dòng)駕駛和語(yǔ)音交互領(lǐng)域等應用。
2020年國內MEMS各領(lǐng)域投融資事件數量及投資金額占比，圖源丨賽迪顧問(wèn)
2020年國內MEMS投融資情況及分布情況，圖源丨賽迪顧問(wèn)
未上市MEMS企業(yè)不完全統計，制表丨果殼硬科技
參考資料丨國泰君安產(chǎn)業(yè)觀(guān)察，有刪改
國產(chǎn)傳感器廠(chǎng)商，怎么去追趕？
作為追趕者，國產(chǎn)廠(chǎng)商該怎么走？果殼硬科技團隊認為有如下四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：
1. 國產(chǎn)MEMS需要注重產(chǎn)業(yè)集中化
從2020年的MEMS專(zhuān)利數量來(lái)看，美國占全球MEMS專(zhuān)利總申請量的32%，處于領(lǐng)先狀態(tài)。雖然中國也有13%，但申請人以高校和科研機構為主，產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化有一定差距。另外，MEMS產(chǎn)業(yè)本身就較為分散，國內不僅缺乏系統性，甚至過(guò)于寄予希望于短期獲利。
因此，國產(chǎn)MEMS在未來(lái)要注重產(chǎn)業(yè)化和集中化，具體包括：
產(chǎn)研結合：技術(shù)是限制MEMS企業(yè)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)孵化科研院所或高新技術(shù)企業(yè)，對這類(lèi)企業(yè)提供必要政策、資金的支持和MEMS生產(chǎn)設備的支持，通過(guò)軟件、硬件配套使技術(shù)快速轉化為成熟產(chǎn)品；產(chǎn)業(yè)合作：市場(chǎng)是限制MEMS企業(yè)發(fā)展的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，MEMS產(chǎn)品單價(jià)低，從研發(fā)到上市周期長(cháng)，需巨大規模才能盈利，如果能與下游客戶(hù)形成緊密的戰略合作，既能提供穩定的市場(chǎng)，也能充分了解下游客戶(hù)的需求；發(fā)展路徑：先與國外企業(yè)合作，引入有市場(chǎng)前景的MEMS產(chǎn)品及技術(shù)或購買(mǎi)國外MEMS自行封測，再自主設計和制造低端MEMS進(jìn)行國產(chǎn)替代，積累技術(shù)和市場(chǎng)，逐步突破技術(shù)進(jìn)入高端市場(chǎng)，最后不斷吞并中小型企業(yè)，并將這種經(jīng)驗復制到其他MEMS產(chǎn)品上，國內歌爾微、瑞聲兩家企業(yè)均是通過(guò)此種模式發(fā)展壯大。
2. 抓住下行周期的黃金期
現有市場(chǎng)，消費電子仍會(huì )是MEMS的主戰場(chǎng)，但顯現在行業(yè)上的趨勢是消費電子需求不濟，整體行業(yè)正進(jìn)入下行周期，這會(huì )帶動(dòng)MEMS進(jìn)入整固期。此時(shí)對已入局MEMS并有技術(shù)積累的企業(yè)來(lái)說(shuō)，將是黃金收購期，可抓住這次機遇利用收購快速提升競爭能力。
另外，在消費電子景氣度下降期間，汽車(chē)和醫療領(lǐng)域的新市場(chǎng)更值得被發(fā)掘。汽車(chē)方面，激光雷達、圖像識別、主動(dòng)剎車(chē)、胎壓等新傳感器短期需求將會(huì )持續增加；醫療方面，用于護理點(diǎn)的微流控MEMS、用于監測人體溫度的微型測輻射熱儀、用于醫學(xué)成像的壓電微機械超聲換能器（PMUT）將會(huì )是MEMS的新天地。
3. 降本增效的關(guān)鍵是代工
對MEMS行業(yè)來(lái)說(shuō)，一直無(wú)法解決的問(wèn)題就是市場(chǎng)規模在膨脹，但單器件卻越來(lái)越便宜。對下游廠(chǎng)商而言，用MEMS就是為了便宜。MEMS封裝測試占總成本30%~70%，因此對國產(chǎn)MEMS廠(chǎng)商而言，想掙錢(qián)，就要先降低制造成本。
國外大多數MEMS企業(yè)是IDM模式（Integrated Device Manufacturer，指從設計、制造、封裝、測試到銷(xiāo)售一體化垂直整合型公司），這些企業(yè)都擁有自主的制造能力。但國內則是以Fabless模式（設計型公司）為主導，雖然這些公司設計的產(chǎn)品越來(lái)越強大，但制造能力依賴(lài)外部代工廠(chǎng)。
更為困難的是，國內MEMS晶圓生產(chǎn)能力與國際先進(jìn)水平差距較大。據中國電子技術(shù)標準化研究院信息顯示，國內僅華潤上華、中芯國際、上海先進(jìn)半導體寥寥幾家公司的晶圓生產(chǎn)線(xiàn)與國際水平相近，且生產(chǎn)經(jīng)驗無(wú)法達到國外規?；a(chǎn)的標準，同時(shí)國內MEMS封裝技術(shù)沒(méi)有統一接口標準，產(chǎn)品外形千差萬(wàn)別。
總而言之，當制造不再是問(wèn)題，國產(chǎn)MEMS就會(huì )越來(lái)越強大。另外，國產(chǎn)制造商還能通過(guò)添加更多附加服務(wù)，來(lái)抵消影響，如提供高度復雜的軟件支持或提供支持AI的傳感解決方案。
4. 技術(shù)和市場(chǎng)要圍繞應用走
MEMS在市場(chǎng)的價(jià)值一定是體現在應用上的，反觀(guān)應用已經(jīng)實(shí)現了三次進(jìn)化：2000年~2010年是離線(xiàn)時(shí)代，傳感和執行的價(jià)值僅限于獨立動(dòng)作，如屏幕旋轉、計步、硬件打??；2010年~2020年是在線(xiàn)時(shí)代，MEMS開(kāi)始與云端連接，如地理定位、狀態(tài)監測、汽車(chē)導航和3D打??；2020年到現在是生活時(shí)代，離線(xiàn)和在線(xiàn)已經(jīng)沒(méi)有差別，通過(guò)內置機器學(xué)習內核、微型DSP并應用人工智能技術(shù)，讓數字和真實(shí)之間無(wú)縫銜接，如零延遲反饋、預測性維護、全息圖等。
國產(chǎn)MEMS研究界和產(chǎn)業(yè)界除了要追趕新材料（如PZT、氮化鋁、氧化釩）、新封裝（如3D晶圓級封裝）技術(shù)以求進(jìn)一步降本增效外，還應注重與下游應用的匹配，做到感、知、聯(lián)一體化。
對MEMS來(lái)說(shuō)，最重要的是能做什么。當應用鋪開(kāi)，市場(chǎng)自然會(huì )打開(kāi)。
