近年來(lái)，國內傳感器產(chǎn)業(yè)賽道的投融資熱潮越來(lái)越盛，多家傳感器企業(yè)獲得資本青睞，或有巨額融資或已成功登陸中國股市。
然而，傳感器細分領(lǐng)域眾多，并非所有領(lǐng)域都獲得資本青睞，總體來(lái)說(shuō)，以MEMS技術(shù)為主的智能傳感器、激光雷達以及圖像傳感器等賽道獲得機會(huì )較多，其中MEMS更是備受關(guān)注。
那么，這些金融機構為什么看好中國的MEMS智能傳感器產(chǎn)業(yè)呢？
本文來(lái)自平安銀行創(chuàng )新委員會(huì )等多家金融機構，認為MEMS是半導體產(chǎn)業(yè)的后起之秀，文中簡(jiǎn)明扼要地闡述了國產(chǎn)MEMS廠(chǎng)商與國外巨頭的差距，MEMS市場(chǎng)情況和競爭格局、MEMS器件的未來(lái)應用等，認為我國MEMS行業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)體系不斷完善，為國內MEMS行業(yè)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展環(huán)境。行業(yè)發(fā)展潛力巨大。
眾多金融機構看好中國半導體的MEMS賽道。
一、半導體后起之秀——MEMS
與傳統的機械工藝相比，MEMS具有微型化、集成化、多樣化等特點(diǎn)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品功能多樣，集成度高。
MEMS產(chǎn)品主要分為MEMS傳感器與MEMS執行器，其類(lèi)別繁多，按測量數量類(lèi)別可劃分為物理、化學(xué)、生物型三類(lèi)，各類(lèi)別傳感器結構雖有不同，但運作邏輯類(lèi)似，即與外界環(huán)境進(jìn)行接觸，感知外部信號的變化，將物理、化學(xué)信號轉換為電信號輸出。
在去年的FIFA世界杯賽上，除了球員們在場(chǎng)上的精彩表現之外，最搶眼的莫過(guò)于引入的半自動(dòng)越位識別系統。這一系統之所以能夠精準判罰，關(guān)鍵就在于足球內部的芯片內置了一個(gè)500Hz的運動(dòng)傳感器，傳感器將感知的足球運動(dòng)數據信號輸出給裁判系統，實(shí)現快速的判決，這個(gè)傳感器所采用的技術(shù)是MEMS。
除了體育賽事，MEMS的應用其實(shí)已經(jīng)滲透到了日常生活的方方面面，被廣泛應用在物聯(lián)網(wǎng)、醫療、人工智能等各個(gè)領(lǐng)域，從手機、相機、GPS導航等電子產(chǎn)品，再到智慧醫療、智能駕駛等場(chǎng)景，都能見(jiàn)到MEMS傳感器的身影。隨著(zhù)全球電子制造產(chǎn)業(yè)鏈加速向亞太地區轉移，MEMS的產(chǎn)業(yè)重心也在不斷遷移，我國成為MEMS發(fā)展潛力最大，增速最快的市場(chǎng)。截至2022年末，我國MEMS傳感器市場(chǎng)規模達1008億，預計2023年將達到1200億。
與芯片產(chǎn)業(yè)一樣，MEMS產(chǎn)業(yè)鏈也分上游設計、中游制造、下游封裝測試三大環(huán)節。其中，有部分實(shí)力強勁的垂直整合制造廠(chǎng)商會(huì )參與到整條產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節。不過(guò)，我國MEMS產(chǎn)業(yè)鏈雖然完備，但技術(shù)起步較晚，產(chǎn)品精度、敏感度等性能還處在快速追趕階段。
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上游設計
MEMS的設計綜合了材料、結構、光學(xué)等學(xué)科，且需要考慮其制造、封裝工藝、低成本、智能化等實(shí)際需求，要借助計算機輔助設計，通過(guò)復雜的試驗驗證設計方案可行性，方能滿(mǎn)足各項嚴苛要求。上游設計企業(yè)現具備一定創(chuàng )新能力，但業(yè)務(wù)同質(zhì)化，產(chǎn)品定位中低端，規模偏小。該環(huán)節附加值較高，國內產(chǎn)品以力學(xué)傳感器為主，因此多數企業(yè)年營(yíng)收在億級以下。
2
中游制造
MEMS制造需具有獨特專(zhuān)有的設備開(kāi)發(fā)技術(shù)，目前，國內MEMS中游代工廠(chǎng)仍處成長(cháng)期，代工產(chǎn)能有限、能力較為薄弱，國內具備規模的設計企業(yè)基本出海代工。在MEMS專(zhuān)業(yè)代工方面，國內企業(yè)通過(guò)并購、新設生產(chǎn)線(xiàn)等方式逐步進(jìn)軍。
3
下游封測
下游外購MEMS設計封測模式成熟，國內的聲感MEMS具備國際競爭力。中國MEMS封裝測試起步早，已誕生一批優(yōu)秀MEMS麥克風(fēng)企業(yè)，他們通過(guò)購買(mǎi)海外設計MEMS IP，委托代工并自行封測銷(xiāo)售，直達下游，品牌影響力強，具備全球TOP30競爭力。
當前，MEMS發(fā)展受下游產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)大。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、數字孿生、AI等智能場(chǎng)景發(fā)展，MEMS還在繼續呈現小型化、高精度等升級趨勢。
二、MEMS器件一覽
1、工作原理
集成電路的設計是為了利用硅的電學(xué)特性，而MEMS則利用硅的機械特性，或者說(shuō)利用硅的電學(xué)和機械特性。MEMS傳感器就是把一顆MEMS芯片和一顆專(zhuān)用集成電路芯片（ASIC芯片）封裝在一塊后形成的器件。
一顆MEMS麥克風(fēng)的主要器件是一顆MEMS芯片和一顆ASIC芯片，與基板、外殼等封裝一起，就做成了一顆MEMS傳感器。這也是大部分MEMS傳感器的基礎構造。MEMS芯片來(lái)將聲音轉化為電容、電阻等信號變化，ASIC芯片將電容、電阻等信號變化轉化為電信號，由此實(shí)現MEMS傳感器的功能——外界信號轉化為電信號。
2、MEMS器件類(lèi)型
常見(jiàn)的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風(fēng)、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。
MEMS產(chǎn)品主要可以分為MEMS傳感器和MEMS執行器。其中傳感器是用于探測和檢測物理、化學(xué)、生物等現象和信號的器件，而執行器是用于實(shí)現機械運動(dòng)、力和扭矩等行為的器件。MEMS產(chǎn)品目前以傳感器為主，MEMS執行器領(lǐng)域僅射頻MEMS和噴墨打印頭市場(chǎng)規模相對較大。MEMS傳感器作為信息獲取和交互的關(guān)鍵器件，目前已在消費電子、汽車(chē)、醫療、工業(yè)、通信、國防和航空等領(lǐng)域廣泛應用。
3、應用領(lǐng)域
MEMS器件的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車(chē)、生物醫學(xué)、環(huán)境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著(zhù)十分廣闊的應用前景。
MEMS是隨著(zhù)半導體集成電路微細加工技術(shù)和超精密機械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，目前MEMS加工技術(shù)還被廣泛應用于微流控芯片與合成生物學(xué)等領(lǐng)域，從而進(jìn)行生物化學(xué)等實(shí)驗室技術(shù)流程的芯片集成化。
三、差距原因
1、技術(shù)瓶頸
設計MEMS器件的封裝往往比設計普通集成電路的封裝更加復雜，這是因為工程師常常要遵循一些額外的設計約束，以及滿(mǎn)足工作在嚴酷環(huán)境條件下的需求。器件應該能夠在這樣的嚴苛環(huán)境下與被測量的介質(zhì)非常明顯地區別開(kāi)來(lái)。這些介質(zhì)可能是像干燥空氣一樣溫和，或者像血液、散熱器輻射等一樣嚴苛。其他的介質(zhì)還包括進(jìn)行測量時(shí)的環(huán)境，例如，沖擊、震動(dòng)、溫度變化、潮濕和EMI/RFI等。
2、人才積累
MEMS壓力和慣性傳感器都具有多品種、小批量的特點(diǎn)，技術(shù)經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)人才的積累是領(lǐng)先國內公司核心競爭力。目前國內缺乏從事MEMS壓力傳感器研發(fā)與量產(chǎn)的大型企業(yè)，全球MEMS壓力傳感器市場(chǎng)的市場(chǎng)份額仍然主要被博世、英飛凌、意法半導體等國外廠(chǎng)商占據。
3、本身特質(zhì)
MEMS的最大特點(diǎn)就是微型化，其體積和重量普遍較小，由于其獨特的構造和物理特性，MEMS可以通過(guò)微細加工實(shí)現非常微弱的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和機械效應。在MEMS系統中，所有的幾何變形是如此之小(分子級)，以至于結構內應力與應變之間的線(xiàn)性關(guān)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間的分子相互作用力引起的，而不是由于載荷壓力引起，因此生產(chǎn)器件需要及其嚴苛的環(huán)境和相關(guān)技術(shù)的加持。
四、MEMS器件市場(chǎng)現狀
1、全球規模高速增長(cháng)
整來(lái)看，全球MEMS市場(chǎng)規模的收入從2020年的115億美元增加到2021年的約136億美元，同比增長(cháng)17%。2021 年的收入是由消費和汽車(chē)應用的持續傳感化以及醫療和工業(yè)終端市場(chǎng)及相關(guān)應用的進(jìn)步推動(dòng)的。由于芯片短缺和全球分配問(wèn)題，慣性和壓力MEMS等一些MEMS器件的ASP在2021年略有增長(cháng)，為市場(chǎng)創(chuàng )造了額外的收入增長(cháng)。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據等高新科學(xué)技術(shù)的日益成熟，傳統傳感器由于體積較大、集成度低等劣勢，已逐漸無(wú)法滿(mǎn)足下游行業(yè)的需求。
在此背景下，MEMS技術(shù)在傳感器行業(yè)的運用日益提升，行業(yè)規模也得以迅速擴張。據資料顯示，2021年全球MEMS行業(yè)市場(chǎng)規模約為136億美元，同比增長(cháng)12.9%。預計到2027年行業(yè)規模將增長(cháng)至223億美元。
2、國內市場(chǎng)不斷擴大
隨著(zhù)近年來(lái)下游市場(chǎng)的快速發(fā)展及MEMS技術(shù)應用比例的不斷提升，近年來(lái)我國MEMS行業(yè)發(fā)展迅速，已然成為全球MEMS市場(chǎng)發(fā)展最快的地區。據資料顯示，2021年中國MEMS市場(chǎng)規模超過(guò)900億元，同比增長(cháng)超過(guò)20%，中國已成為全球MEMS產(chǎn)業(yè)最大單一市場(chǎng)，增速遠高于全球平均水平，展現出了蓬勃發(fā)展的勢頭，2022年我國MEMS行業(yè)市場(chǎng)規模約為1044.3億元，同比增長(cháng)17.1%。
3、競爭格局明朗
從地域來(lái)看，在MEMS這個(gè)領(lǐng)域，依然是美國占據較強的地位，有接近一半的廠(chǎng)商是屬于美國。歐洲也不遜色，有博世、意法半導體、恩智浦等。日本廠(chǎng)商以特色占有一席之地。
中國靠麥克風(fēng)市場(chǎng)（樓氏、歌爾微、瑞聲科技）和代工市場(chǎng)（賽微電子）占據一定的地位。目前國內缺乏從事MEMS傳感器研發(fā)與量產(chǎn)的大型企業(yè)，全球MEMS傳感器市場(chǎng)的市場(chǎng)份額仍然主要被博世、英飛凌、意法半導體等國外廠(chǎng)商占據。目前已有少數企業(yè)已開(kāi)始嶄露頭角，部分國內企業(yè)發(fā)力MEMS，已取得顯著(zhù)成果。
敏芯作為中國最早成立的MEMS研發(fā)公司之一，現已擁有完整的芯片設計、晶圓制造、封裝與測試等全產(chǎn)業(yè)鏈的自主研發(fā)設計能力，憑借完全自主設計的MEMS芯片與ASIC芯片成功打破了國外廠(chǎng)商長(cháng)期壟斷的格局。
五、MEMS持續火熱，加快推進(jìn)應用領(lǐng)域
MEMS傳感器能適應性強，能在各種惡劣條件下工作，并且其具備成本低、精度高、多元化的優(yōu)勢，因此MEMS的應用滲透到各行各業(yè)當中。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、元宇宙、云計算等產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，將持續帶動(dòng)MEMS在核心場(chǎng)景的落地。
消費電子
消費電子是指可供消費者日常使用的電子設備，隨著(zhù)消費電子領(lǐng)域發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng )新不斷涌現，消費電子已成為MEMS最大的應用市場(chǎng)。同時(shí)，與人們日常生活關(guān)聯(lián)也最為密切。
在可穿戴設備層面，小米Mi Band使用了ADI MEMS加速度、心率傳感器，實(shí)現運動(dòng)和心率監測；Apple Watch 也運用MEMS加速度計、陀螺儀、麥克風(fēng)及脈搏傳感器。
智能穿戴設備VR/AR需要高精測定頭部轉動(dòng)速度、角度、距離，MEMS加速度計、陀螺儀、磁力計的組合幾乎是行業(yè)標配，甚至部分廠(chǎng)商還使用了MEMS眼球追蹤技術(shù)；無(wú)人機則結合加速度計和陀螺儀，計算角度變化，確定位置、飛行姿態(tài)，實(shí)現在各種環(huán)境下自如飛行。
智能駕駛
在汽車(chē)領(lǐng)域，MEMS也有廣泛成熟的應用，以提升駕駛體驗和車(chē)輛安全性。
例如，安全氣囊就同時(shí)采用了正面碰撞的高G加速度傳感器和側面碰撞的壓力傳感器；汽車(chē)發(fā)動(dòng)機通過(guò)絕對壓力傳感器和流量傳感器來(lái)檢測進(jìn)氣量的進(jìn)氣歧管；部分汽車(chē)輪胎制造商還會(huì )在輪胎中埋置MEMS微型壓力傳感器，以免輪胎充氣不足或過(guò)量導致駕駛事故。
另外一些汽車(chē)領(lǐng)域較新的MEMS應用，主要集中在車(chē)聯(lián)網(wǎng)。在主動(dòng)安全領(lǐng)域中，側翻與穩定性控制可以通過(guò)MEMS加速度、角速度傳感器來(lái)探測車(chē)身姿態(tài)；在人車(chē)交互領(lǐng)域中，MEMS麥克風(fēng)可為駕駛員提供更好的交互體驗；在精確導航中，微陀螺儀角速率傳感器能夠實(shí)現GPS信號補償和汽車(chē)地盤(pán)控制系統，借此指示方向盤(pán)轉動(dòng)是否到位，是否存在脫軌、錯軌風(fēng)險。
除此之外，在越來(lái)越自動(dòng)化的駕駛中，超聲波、圖像、毫米波雷達、激光雷達、夜視儀、3D感知等均應用到MEMS傳感器。
智慧醫療
在智慧醫療場(chǎng)景中，遠程醫療、智能醫療，結合大數據、云服務(wù)的醫療進(jìn)階應用也大量使用MEMS醫療感測元器件。
隨著(zhù)體外診斷、藥物研究、病患監測、給藥方式以及植入式醫療器械等領(lǐng)域發(fā)展，醫療設備需要迅速提高性能、降低成本、縮小尺寸。而MEMS技術(shù)可使醫療設備做到微型化，醫療檢測、診斷、手術(shù)和治療過(guò)程可以更加便捷、精準、微創(chuàng )甚至無(wú)痛。
MEMS壓力傳感器可以檢測包括血壓、眼內壓、顱內壓、子宮內壓等在內的人體器官壓力水平；MEMS慣性器件主要用于心臟病治療設備；而MEMS圖像傳感器則普遍應用于包括CT掃描、內窺鏡在內的醫學(xué)成像設備中。
航空航天
在航空航天領(lǐng)域，MEMS的應用主要有狀態(tài)傳感器和環(huán)境傳感器。狀態(tài)傳感器主要針對飛機姿態(tài)、燃料用量、生命活動(dòng)、各種活動(dòng)機件的即時(shí)位置等進(jìn)行監測；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(jìn)行測量。
通過(guò)提供有關(guān)航天器的工作信息，MEMS傳感器可對飛機重要運行部件的精準測量、監控，起到故障診斷、系統自檢、協(xié)調各子系統、模擬飛行等功能，在驗證設計方案、提供飛行操作決策依據、保障正常飛行等場(chǎng)景發(fā)揮重要作用。
總體來(lái)看，MEMS的發(fā)展有扎實(shí)下游需求基礎，其技術(shù)也隨著(zhù)科技發(fā)展在不斷迭代更新。未來(lái)，在A(yíng)I、VRAR、智能駕駛、智慧醫療、航空航天等產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)下，MEMS需求還將穩步提升，MEMS 傳感器的應用也將為我們打開(kāi)更大的想象空間。
結語(yǔ)
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據等高新科學(xué)技術(shù)的日益成熟，傳統傳感器由于體積較大、集成度低等劣勢，已逐漸無(wú)法滿(mǎn)足下游行業(yè)的需求。與傳統傳感器相比，MEMS傳感器具有微型化、重量輕、集成度高、智能化、低成本、功耗低、可大規模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實(shí)現的功能。在此背景下，MEMS技術(shù)在傳感器行業(yè)的運用日益提升。
目前，MEMS傳感器已經(jīng)廣泛運用于消費電子、汽車(chē)、工業(yè)、醫療、通信等各個(gè)領(lǐng)域，隨著(zhù)人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，MEMS傳感器的應用場(chǎng)景將更加多元。在國家政策的大力支持下，國內MEMS行業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)體系不斷完善，各研發(fā)與生產(chǎn)環(huán)節的實(shí)力整體提升。
各類(lèi)產(chǎn)業(yè)園區和研究平臺為完善國內MEMS行業(yè)的研發(fā)體系提供了基礎。專(zhuān)業(yè)的晶圓制造和封裝領(lǐng)域的企業(yè)逐漸加大對MEMS業(yè)務(wù)的投入，并與公司一起開(kāi)發(fā)了MEMS產(chǎn)品相應生產(chǎn)環(huán)節的制造加工工藝。我國MEMS行業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)體系不斷完善，為國內MEMS行業(yè)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展環(huán)境。
未來(lái)，MEMS器件需求將不斷擴大，且國家大力支持半導體市場(chǎng)國產(chǎn)替代，在政策支持以及市場(chǎng)驅動(dòng)下，半導體企業(yè)將不斷加大技術(shù)、產(chǎn)品研發(fā)能力，逐漸縮小與國際領(lǐng)先企業(yè)之間差距，行業(yè)發(fā)展潛力巨大。
