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傳感器領(lǐng)域的璀璨明星——MEMS芯片行業(yè)概況

qq876811522 ? 來源:寬客吧 ? 2023-05-04 11:10 ? 次閱讀

(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)。

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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量物體的特定狀態(tài)和變化,并按一定規(guī)律將被測量的狀態(tài)和變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛘咂渌捎眯盘枺琈EMS執(zhí)行器則將控制信號轉(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褟V泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)通信、醫(yī)療健康、高可靠等各個(gè)領(lǐng)域。基于MEMS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。

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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、輪胎壓力檢測系統(tǒng)等汽車行業(yè)應(yīng)用需求增長推動(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)。

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2010年至今,產(chǎn)品應(yīng)用場景的日益豐富推動(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)、晶圓制造封裝測試以及系統(tǒng)應(yīng)用。MEMS行業(yè)主要有Fabless和IDM兩種經(jīng)營模式。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、測試等環(huán)節(jié)外包。采用IDM模式的國際企業(yè),如博世意法半導(dǎo)體、亞德諾半導(dǎo)體、霍尼韋爾等,經(jīng)營范圍覆蓋了芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和封裝測試等各環(huán)節(jié)。

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(2)MEMS行業(yè)市場現(xiàn)狀

①全球市場現(xiàn)狀

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

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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年市場規(guī)模來看,消費(fèi)電子、汽車和工業(yè)市場是MEMS行業(yè)最大的三個(gè)細(xì)分市場。

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從全球競爭格局的角度看,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廠商市場占比達(dá)到了57.94%,市場集中度較高。

②國內(nèi)市場現(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MEMS市場保持快速增長,整體市場規(guī)模達(dá)到736.70億元,同比增長23.24%,國內(nèi)市場增速持續(xù)高于全球。預(yù)計(jì)2022年中國MEMS市場規(guī)模將突破1,000億元,2020-2022年復(fù)合增長率為19.06%。

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2021年中國MEMS市場以國外廠商為主,中國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)勢更為明顯。

(3)MEMS產(chǎn)品類型與市場結(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:

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①M(fèi)EMS傳感器和MEMS執(zhí)行器的比較

MEMS傳感器是用來檢測物理、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,需要檢測的外界信號種類較多,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)較為簡單,但對于材料制備,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單的驅(qū)動(dòng)電路即可,系統(tǒng)相對簡單。

②不同類型MEMS傳感器的比較

由于MEMS傳感器測量的外部信號不同,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物體的運(yùn)動(dòng),需要將傳感器安裝在載體上用于檢測載體的運(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)有利于檢測信號的傳感器敏感單元表面結(jié)構(gòu)。MEMS慣性傳感器相對于壓力傳感器、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)用場景,不同應(yīng)用場景對于性能、成本、功耗、體積的要求差異較大。相對于在工業(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)境下對于產(chǎn)品性能要求高,因此對產(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),對產(chǎn)品絕對性能要求相對不高,行業(yè)內(nèi)廠商競爭相對激烈。

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,可將輸入的信號轉(zhuǎn)換,并導(dǎo)出另一種可監(jiān)測信號。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。

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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)品市場規(guī)模數(shù)據(jù),2021年不同類型MEMS產(chǎn)品的市場份額如下所示:

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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

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