MEMS傳感器是物聯網、人工智能、5G等新一代信息技術的感知基礎和數據來源,已成為推動經濟社會發展的關鍵基礎與重要引擎。本文梳理了MEMS概念與分類、技術優勢、應用領域及市場格局,探討了MEMS產業鏈現狀和特點,分析了產業發展機遇與趨勢,并對我國如何實現產業升級提出了建議。
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MEMS概要:原理與分類
MEMS全稱Micro Electromechanical System,即微機電系統,是將微電子與精密機械結合發展的工程技術,尺寸在1微米到100微米量級,核心功能是將物理信號轉換為電子設備能夠識別的電信號,主要用于傳感器。這需要MEMS器件具有通道、孔、懸臂、膜、腔等一系列結構以測量環境變量,涵蓋機械(移動和旋轉)、光學、電子(開關和計算)、熱學、生物等功能結構,涉及眾多交叉學科。
圖1 MEMS傳感器結構示意圖(圖片來源:Sandia)
MEMS傳感器發展經歷了三個階段:1990~2000年的汽車電子化浪潮,點燃了MEMS傳感器的需求;2000~2010年的消費電子浪潮,推動MEMS傳感器呈現多品類、多功能一體化的發展態勢;2010年至今的物聯網及人工智能浪潮,帶動了MEMS傳感器單品放量、軟硬協同化發展。
MEMS傳感器的種類繁多,根據測量量不同可分為:MEMS物理傳感器、MEMS化學傳感器、MEMS生物傳感器三大類,每一種MEMS傳感器又有很多細分類別,如圖2所示。常見的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機械陀螺儀、慣性傳感器、MEMS硅麥克風等等。MEMS傳感器的品種多到以萬為單位,且不同MEMS之間參量較多,沒有完全標準的工藝。
圖2 MEMS傳感器分類(圖片來源:華夏幸福產業研究院整理)
MEMS繼承了集成電路的先進制造工藝,相比傳統產品,具有微型化、成本低、效能高、可大批量生產等優勢,產能高,良品率高。微米量級的特征尺寸使MEMS傳感器可以輕松勝任某些傳統機械傳感器所不能實現的功能,是微型傳感器的主力軍,正加速應用于大眾生活及工業生產的各個方面。
應用領域:百花齊放,精彩紛呈
作為獲取信息的關鍵入口,MEMS傳感器已在汽車、消費電子、航空航天、生物醫學等領域中得到了廣泛的應用。
汽車:在20世紀90年代,MEMS首先在汽車工業開始應用,汽車電子被認為是MEMS傳感器第一波應用高潮的推動者。受益于汽車行業安全規定及信息化、智能化浪潮,MEMS傳感器在汽車領域得到飛速發展,其應用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統、電子車身穩定程序、電控懸掛、電動手剎、斜坡起動輔助、胎壓監控、引擎防抖、車輛傾角計量和車內心跳檢測等。根據相關調研數據,目前平均每輛汽車包含10-30個MEMS傳感器,而在高檔汽車中大約會采用30甚至上百個MEMS傳感器。
消費電子:隨著消費電子的大發展及產品創新不斷涌現,該領域已經取代汽車成為MEMS最大的應用市場。MEMS傳感器在消費電子產品中可用于運動/墜落檢測、導航數據補償、游戲/人機界面交互、電源管理、GPS增強/盲區消除、速度/距離計數等,應用較多的品類為MEMS麥克風、3D加速器、MEMS 射頻組件、GPS陀螺儀、小型燃料電池與生化芯片等。多種MEMS傳感器的綜合應用可增加電子設備的娛樂性及智能性,改善交互性能,大大提升了用戶體驗。
圖3 MEMS傳感器在智能手機領域的應用(圖片來源:Yole Development,民生證券)
航空航天:MEMS在航空航天領域主要有狀態傳感器和環境傳感器之分。狀態傳感器主要針對飛機姿態、燃料用量、生命活動、各種活動機件的即時位置等進行監測。環境傳感器主要針對溫濕度、氧氣濃度、流量大小等方面進行測量。通過提供有關航天器的工作信息,MEMS傳感器起到故障診斷、提供決策依據、保障正常飛行的作用。近期事故頻出已全球停飛的波音737MAX飛機,故障主要原因之一是迎角傳感器產生讀數輸出錯誤,導致了系統不能起到嚴格的保護作用。小小傳感器對航空航天安全的重要性可見一斑。
生物醫療:隨著體外診斷、藥物研究、病患監測、給藥方式以及植入式醫療器械等領域發展,醫療設備需要迅速提高性能、降低成本、縮小尺寸。MEMS技術使醫療設備可以做到微型化,醫療檢測、診斷、手術和治療過程可以更加便捷、精準,甚至無痛。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慣性器件最主要用于心臟病治療設備。MEMS圖像傳感器普遍應用于包括CT掃描、內窺鏡在內的醫學成像設備中。MEMS技術在傳感和執行功能上的優勢,使其在醫療健康行業的應用廣泛增長。
此外,MEMS技術在國防、工業、能源及環保等領域也有廣泛應用,為各行各業提供自動化、智能化的數據接口,賦能智能社會。根據相關市場調研數據,全球MEMS市場結構中消費電子領域占比最高,增長空間最大的是生物醫療領域。
市場格局:競爭激烈,美德日企業主導市場
市場調查公司Yole Development公布了2018年全球MEMS 產品銷售額TOP30的企業排行榜,如圖4所示。數據顯示,2018年總銷售額比2017年增加了5%,至103億美元(約人民幣700.4億元)。TOP30企業的銷售額占據了全球MEMS市場規模約90%的份額。
圖4 2018年MEMS廠家銷售額排名TOP30,單位:百萬美元(數據來源:Yole Development,華夏幸福產業研究院整理)
從頭部企業看,“雙博(博通+博世)廝殺”效應顯現。兩家的營收均超過10億美元,大幅領先后續廠商,形成寡頭現象。TOP1博通從2013年開始飛速增長,并曾經因試圖收購高通公司而名噪一時。博通主打射頻類MEMS產品,智能手機快速普及導致射頻MEMS產品量價齊升,這對博通保持首位起到了決定性作用。排名第二的博世主打運動類MEMS產品,雙重布局于汽車和消費電子領域。據調研,幾乎所有的新車都要搭載博世的5個MEMS,全球約50%的智能手機都要至少搭載博世的1個MEMS。同時博世擁有自己的MEMS制造基地,可以優化制造成本??梢灶A計,今后博通與博世的“斗爭”將會愈演愈烈。
從頸部企業看,產品多元,競爭激烈。TOP3的意法半導體不僅提供車載、工業、民用等方面的MEMS產品,也為其他公司代工生產MEMS。作為老牌廠商的TOP4德州儀器市場份額逐年下降,正在積極開拓車載等新市場。TOP5的QROVO也定位在射頻MEMS賽道,目前正在積極彌補交付延遲問題。作為同樣營收超5億美元的TOP6惠普公司,正憑借MEMS噴墨頭實現增長。此外,TOP30其他企業的產品還覆蓋了聲學MEMS(樓氏、歌爾股份、瑞聲科技),輻射類MEMS(FLIR、ULIS),生物類MEMS(歐姆龍)、圖像類MEMS(佳能、索尼),并紛紛在自己的賽道實現跨越和趕超。
中國企業兩家上榜,分別是TOP11的歌爾股份(GCERTEK)和TOP23的瑞聲科技(AAC)。兩家企業主攻聲學MEMS產品及系統集成,排名相較2017年沒有變化。但受2018年下游市場智能手機銷售疲軟影響,兩家企業2018年業績不佳。預計未來兩年在智能音箱、AR/VR等產品需求的帶動下,可以期待兩家企業亮眼的表現。
由于MEMS傳感器產品種類多,應用領域要求差異大,因此各企業都有自已主攻的市場領域和一定的生存空間。整體來看,MEMS傳感器市場被國外企業主導。
產業鏈:中國設計、代工有待加強,封測環節具備競爭力
類似于集成電路行業,MEMS產業鏈也分為上游設計-中游制造-下游封裝測試三大環節,如圖5所示,各環節產業分工明確。大部分MEMS行業的主要廠商是以Fabless為主,例如博通、樓氏等。同時,也有IDM廠商垂直參與到整條產業鏈的各個環節,可提高品牌整競爭力。
國內MEMS產業鏈布局完整,但總體而言產業還處于發展的起步階段,產品在精度和敏感度等性能指標上與國外存在巨大差距,應用范圍也多局限于傳統領域。
設計環節:企業具備一定創新能力,但業務重合度高,產品定位中低端,行業整體營收規模偏小。MEMS設計屬于產業鏈高附加值環節,國內企業產品以力學傳感器為主,在市場中處于中低端水平。企業銷售額普遍偏小,除美新半導體每年有2-3億元的營收外,蘇州敏芯、無錫芯奧微、南京高華等少數企業收入為千萬級,其余絕大多數企業是百萬級或尚未開始產品銷售。
代工環節:技術授權建設產線的產能尚未開出,純MEMS代工廠仍處于產業導入期。MEMS代工可分為中試線、IC代工和MEMS專業代工三種。中試線多以高校及科研院所為主體,作為產業共性技術研發平臺,不以盈利為目的,產能有限。IC代工廠MEMS業務處于起步階段,能力較為薄弱,國內具備一定規模的設計企業基本選擇國外代工廠。MEMS專業代工方面,2015年底國內廠商耐威科技收購瑞典MEMS代工廠Silex Microsystems,從而一舉掌握全球領先的MEMS代工技術。此外,罕王微電子、西安勵德微系統等一批企業也相繼進入專業MEMS代工領域。
封測環節:外購MEMS芯片封測模式較為成熟,以聲學MEMS產品為主的企業具備一定國際競爭力。雖然國內MEMS代工落后于國際大廠,但封裝測試技術起步較早,已取得不錯的成績,并具備國際競爭力。其中,以MEMS麥克風為主要產品的歌爾股份和瑞聲科技,由于商業模式為購買國外設計廠商的MEMS產品IP,委托代工制造后自己完成產品的封裝測試及銷售,因而存在一定的溢價空間,現已躋身全球MEMS TOP30的陣營。
發展趨勢:市場景氣度高,產品向“四化”演進
從市場規模看,受益于人工智能、5G、物聯網等新產業高速發展帶動,預計未來MEMS產業將有較快增長。
各大MEMS企業在2018年增長略低于預期,反映出半導體行業正在進行溫和的調整。但隨著人工智能、5G、物聯網等新興產業火熱發展,消費電子、智能汽車等市場需求逐步復蘇,新產品、新功能、新領域不斷拓展,據Yole預測,MEMS市場將在2018年至2024年期間實現顯著增長:整體市場營收的復合年增長率約為8.3%,出貨量的復合年增長率約為11.9%。
各細分產品預計增長情況如圖6所示。整體來看,傳統產品如慣性MEMS、壓力MEMS及噴墨頭MEMS增長空間有限;振蕩器、指紋、熱電MEMS等滲透率仍有較大提升空間,未來前景看好。
從技術和產品趨勢看,MEMS傳感器正在向四化——智能化、集成化、低功耗化、微型化演進。
加入信號處理功能,實現智能化?,F代傳感器作為電子產品的“感知中樞”,通過加入微控制單元和相應信號處理算法,還可以承擔自動調零、校準和標定等功能,實現終端設備的智能化。
傳感器呈現多項功能高度集成化和組合化。由于設計空間、成本和功耗預算日益緊縮,在同一襯底上集成多種敏感元器件、制成能夠檢測多個參量的多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。
傳感器低功耗化需求日趨增加。隨著物聯網等應用對傳感需求的快速增長,傳感器使用數量急劇增加,能耗也將隨之翻倍。降低MEMS功耗,增強續航能力的需求將會伴隨傳感器發展的始終,且日趨強烈。
微型化不可逆,MEMS向NEMS演進。與MEMS類似,NEMS(納機電系統)是專注納米尺度領域的微納系統技術,只不過尺寸更小。而隨著終端設備小型化、種類多樣化,MEMS向更小尺寸演進是大勢所趨。
總結
作為“More than Moore”的重要方向和突破口,并在人工智能、物聯網等熱點應用風口催化下,MEMS產業目前正處于巨大的戰略機遇期。
從產業鏈環節看,國內缺乏對MEMS相關關鍵技術的自主研發和產業化能力。從企業規模看,2018年我國MEMS傳感器制造企業大約有200家,大多屬于初創類中小型企業。從產品結構看,國內MEMS公司在營業規模、技術水平、產品結構等與國外有明顯差距,主要產品集中在中低端的傳統領域。
盡管我國MEMS傳感器廠商面臨挑戰諸多,但從上游設計、中游制造、下游封測等領域國產替代的空間巨大。中國MEMS發展任重道遠,中國應以巨大的市場應用為牽引,不斷彌合人才缺口,研判和把握未來趨勢,錨定自主創新之路,實現規模化崛起和趕超。
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