(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)。
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)與通信、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。
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)。
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)。
(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%。
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。
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%。
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:
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。
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:
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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