MEMS行業(yè)作為基于集成電路技術(shù)演化而來(lái)的新興子行業(yè)，這幾年發(fā)展迅速。如今，MEMS傳感器和執(zhí)行器已成為日常生活的一部分，近些年，大多數(shù)MEMS廠商迎來(lái)了可觀的增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)也越來(lái)越熱鬧，多家傳感器企業(yè)獲得資本青睞融資成功。
眾所周知，傳感器細(xì)分領(lǐng)域眾多，但是貌似資本更關(guān)注以MEMS技術(shù)為主的智能傳感器、激光雷達(dá)以及圖像傳感器等賽道。與傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、集成化、智能化、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)于傳感器的要求。
MEMS作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的后起之秀，有人把它看作中國(guó)半導(dǎo)體的另一突破口，行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?/strong>。那么國(guó)產(chǎn)MEMS廠商與國(guó)外巨頭的差距如何？MEMS市場(chǎng)情況和競(jìng)爭(zhēng)格局如何？MEMS器件的未來(lái)應(yīng)用在哪里？今天我們一起了解一下。
一、MEMS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(hào)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(cè)量物體的特定狀態(tài)和變化，并按一定規(guī)律將被測(cè)量的狀態(tài)和變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或者其它可用信號(hào)，MEMS執(zhí)行器則將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿C(jī)械運(yùn)動(dòng)或機(jī)械操作。
經(jīng)過(guò)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。
二、MEMS 行業(yè)發(fā)展歷程與3次產(chǎn)業(yè)浪潮
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(duì)硅傳感器的研究。然而，MEMS 產(chǎn)業(yè)真正發(fā)展始于 20 世紀(jì) 80 年代，前后經(jīng)歷了 3 次產(chǎn)業(yè)化浪潮。
20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代：1983 年 Honeywell 利用大型刻蝕硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作了集成壓力傳感器，將機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)。80 年代末至 90 年代，汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車電子應(yīng)用如安全氣囊、制動(dòng)壓力、輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等需求增長(zhǎng)，巨大利潤(rùn)空間驅(qū)使歐洲、日本和美國(guó)的企業(yè)大量生產(chǎn) MEMS，推動(dòng)了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第一次浪潮。
20 世紀(jì) 90 年代末至 21 世紀(jì)初：本階段早期，噴墨打印頭和微光學(xué)器件的巨大需求促進(jìn)了 MEMS 行業(yè)的發(fā)展。而 2007 年后，消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì) MEMS 的強(qiáng)勁需求，手機(jī)、小家電、電子游戲、遠(yuǎn)程控制、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品要求體積更小且功耗更低的 MEMS 相關(guān)器件，對(duì) MEMS 產(chǎn)品需求更大，掀起了 MEMS 行業(yè)發(fā)展的第二次產(chǎn)業(yè)化浪潮，并將持續(xù)推動(dòng) MEMS 行業(yè)向前發(fā)展。
2010 年至今：產(chǎn)品應(yīng)用的擴(kuò)展，使 MEMS 行業(yè)呈現(xiàn)新的趨勢(shì)。MEMS 產(chǎn)品逐步應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等新領(lǐng)域，應(yīng)用場(chǎng)景日益豐富，正漸漸覆蓋人類生活的各個(gè)維度。此外，MEMS 是當(dāng)前移動(dòng)終端創(chuàng)新的方向，新的設(shè)備形態(tài)（如可穿戴設(shè)備）需要更加微型化的器件和更為便捷的交互方式。
然而，物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備應(yīng)用助推 MEMS 第三次產(chǎn)業(yè)化浪潮的同時(shí)，行業(yè)仍然面臨來(lái)自產(chǎn)品規(guī)格、功率消耗、產(chǎn)品整合以及成本等方面的壓力，MEMS 產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)亟待持續(xù)改進(jìn)，以滿足更小、更低能耗、更高性能的需求。
三、MEMS產(chǎn)業(yè)鏈
與芯片產(chǎn)業(yè)一樣，MEMS產(chǎn)業(yè)鏈也分上游設(shè)計(jì)、中游制造、下游封裝測(cè)試三大環(huán)節(jié)。其中，有部分實(shí)力強(qiáng)勁的垂直整合制造廠商會(huì)參與到整條產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)。不過(guò)，我國(guó)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。
1、上游設(shè)計(jì)
MEMS的設(shè)計(jì)綜合了材料、結(jié)構(gòu)、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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，通過(guò)復(fù)雜的試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可行性，方能滿足各項(xiàng)嚴(yán)苛要求。上游設(shè)計(jì)企業(yè)現(xiàn)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(guī)模偏小。該環(huán)節(jié)附加值較高，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品以力學(xué)傳感器為主，因此多數(shù)企業(yè)年?duì)I收在億級(jí)以下。
2、中游制造
MEMS制造需具有獨(dú)特專有的設(shè)備開發(fā)技術(shù)，目前，國(guó)內(nèi)MEMS中游代工廠仍處成長(zhǎng)期，代工產(chǎn)能有限、能力較為薄弱，國(guó)內(nèi)具備規(guī)模的設(shè)計(jì)企業(yè)基本出海代工。在MEMS專業(yè)代工方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)并購(gòu)、新設(shè)生產(chǎn)線等方式逐步進(jìn)軍。
3、下游封測(cè)
下游外購(gòu)MEMS設(shè)計(jì)封測(cè)模式成熟，國(guó)內(nèi)的聲感MEMS具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)MEMS封裝測(cè)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(gòu)買海外設(shè)計(jì)MEMS IP，委托代工并自行封測(cè)銷售，直達(dá)下游，品牌影響力強(qiáng)，具備全球TOP30競(jìng)爭(zhēng)力。
當(dāng)前，MEMS發(fā)展受下游產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)大。隨著物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、AI等智能場(chǎng)景發(fā)展，MEMS還在繼續(xù)呈現(xiàn)小型化、高精度等升級(jí)趨勢(shì)。
四、MEMS器件分類
常見的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、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)品目前以傳感器為主，MEMS執(zhí)行器領(lǐng)域僅射頻MEMS和噴墨打印頭市場(chǎng)規(guī)模相對(duì)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(fèi)電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)、通信、國(guó)防和航空等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
五、MEMS國(guó)內(nèi)外差距原因
1、技術(shù)瓶頸
設(shè)計(jì)MEMS器件的封裝往往比設(shè)計(jì)普通集成電路的封裝更加復(fù)雜，這是因?yàn)楣こ處煶３Ｒ裱恍╊~外的設(shè)計(jì)約束，以及滿足工作在嚴(yán)酷環(huán)境條件下的需求。器件應(yīng)該能夠在這樣的嚴(yán)苛環(huán)境下與被測(cè)量的介質(zhì)非常明顯地區(qū)別開來(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(yán)苛。其他的介質(zhì)還包括進(jìn)行測(cè)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(yàn)和專業(yè)人才的積累是領(lǐng)先國(guó)內(nèi)公司核心競(jìng)爭(zhēng)力。目前國(guó)內(nèi)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(dǎo)體等國(guó)外廠商占據(jù)。
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(dú)特的構(gòu)造和物理特性，MEMS可以通過(guò)微細(xì)加工實(shí)現(xiàn)非常微弱的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械效應(yīng)。在MEMS系統(tǒng)中，所有的幾何變形是如此之小(分子級(jí))，以至于結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的線性關(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)器件需要極其嚴(yán)苛的環(huán)境和相關(guān)技術(shù)的加持。
六、MEMS器件市場(chǎng)現(xiàn)狀
1、全球規(guī)模高速增長(zhǎng)
隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等高新科學(xué)技術(shù)的日益成熟，傳統(tǒng)傳感器由于體積較大、集成度低等劣勢(shì)，已逐漸無(wú)法滿足下游行業(yè)的需求。
根據(jù)Yole的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，全球MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的136億美元增長(zhǎng)到2027年的223億美元，2021-2027年復(fù)合增長(zhǎng)率為9.00%。
2、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)不斷擴(kuò)大
隨著近年來(lái)下游市場(chǎng)的快速發(fā)展及MEMS技術(shù)應(yīng)用比例的不斷提升，近年來(lái)我國(guó)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(qū)。據(jù)資料顯示，2021年中國(guó)MEMS市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)900億元，同比增長(zhǎng)超過(guò)20%，中國(guó)已成為全球MEMS產(chǎn)業(yè)最大單一市場(chǎng)，增速遠(yuǎn)高于全球平均水平，展現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭，2022年我國(guó)MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為1044.3億元，同比增長(zhǎng)17.1%。
3、競(jìng)爭(zhēng)格局明朗
從地域來(lái)看，在MEMS這個(gè)領(lǐng)域，依然是美國(guó)占據(jù)較強(qiáng)的地位，有接近一半的廠商是屬于美國(guó)。歐洲也不遜色，有博世、意法半導(dǎo)體、恩智浦等。日本廠商以特色占有一席之地。
中國(guó)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(jù)一定的地位。目前國(guó)內(nèi)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(dǎo)體等國(guó)外廠商占據(jù)。目前已有少數(shù)企業(yè)已開始嶄露頭角，部分國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)力MEMS，已取得顯著成果。
七、MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域
MEMS傳感器能適應(yīng)性強(qiáng)，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(shì)，因此MEMS的應(yīng)用滲透到各行各業(yè)當(dāng)中。隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、元宇宙、云計(jì)算等產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，將持續(xù)帶動(dòng)MEMS在核心場(chǎng)景的落地。
1、消費(fèi)電子
消費(fèi)電子是指可供消費(fèi)者日常使用的電子設(shè)備，隨著消費(fèi)電子領(lǐng)域發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，消費(fèi)電子已成為MEMS最大的應(yīng)用市場(chǎng)。同時(shí)，與人們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)聯(lián)也最為密切。
在可穿戴設(shè)備層面，小米Mi Band使用了ADI MEMS加速度、心率傳感器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和心率監(jiān)測(cè)；Apple Watch 也運(yùn)用MEMS加速度計(jì)、陀螺儀、麥克風(fēng)及脈搏傳感器。
智能穿戴設(shè)備VR/AR需要高精測(cè)定頭部轉(zhuǎn)動(dòng)速度、角度、距離，MEMS加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)的組合幾乎是行業(yè)標(biāo)配，甚至部分廠商還使用了MEMS眼球追蹤技術(shù)；無(wú)人機(jī)則結(jié)合加速度計(jì)和陀螺儀，計(jì)算角度變化，確定位置、飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)在各種環(huán)境下自如飛行。
2、智能駕駛
在汽車領(lǐng)域，MEMS也有廣泛成熟的應(yīng)用，以提升駕駛體驗(yàn)和車輛安全性。
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(cè)面碰撞的壓力傳感器；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)絕對(duì)壓力傳感器和流量傳感器來(lái)檢測(cè)進(jìn)氣量的進(jìn)氣歧管；部分汽車輪胎制造商還會(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(dǎo)致駕駛事故。
另外一些汽車領(lǐng)域較新的MEMS應(yīng)用，主要集中在車聯(lián)網(wǎng)。在主動(dòng)安全領(lǐng)域中，側(cè)翻與穩(wěn)定性控制可以通過(guò)MEMS加速度、角速度傳感器來(lái)探測(cè)車身姿態(tài)；在人車交互領(lǐng)域中，MEMS麥克風(fēng)可為駕駛員提供更好的交互體驗(yàn)；在精確導(dǎo)航中，微陀螺儀角速率傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)GPS信號(hào)補(bǔ)償和汽車地盤控制系統(tǒng)，借此指示方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)是否到位，是否存在脫軌、錯(cuò)軌風(fēng)險(xiǎn)。
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(dá)、激光雷達(dá)、夜視儀、3D感知等均應(yīng)用到MEMS傳感器。
3、智慧醫(yī)療
在智慧醫(yī)療場(chǎng)景中，遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能醫(yī)療，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云服務(wù)的醫(yī)療進(jìn)階應(yīng)用也大量使用MEMS醫(yī)療感測(cè)元器件。
隨著體外診斷、藥物研究、病患監(jiān)測(cè)、給藥方式以及植入式醫(yī)療器械等領(lǐng)域發(fā)展，醫(yī)療設(shè)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(yī)療設(shè)備做到微型化，醫(yī)療檢測(cè)、診斷、手術(shù)和治療過(guò)程可以更加便捷、精準(zhǔn)、微創(chuàng)甚至無(wú)痛。
MEMS壓力傳感器可以檢測(cè)包括血壓、眼內(nèi)壓、顱內(nèi)壓、子宮內(nèi)壓等在內(nèi)的人體器官壓力水平；MEMS慣性器件主要用于心臟病治療設(shè)備；而MEMS圖像傳感器則普遍應(yīng)用于包括CT掃描、內(nèi)窺鏡在內(nèi)的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備中。
4、航空航天
在航空航天領(lǐng)域，MEMS的應(yīng)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(duì)飛機(jī)姿態(tài)、燃料用量、生命活動(dòng)、各種活動(dòng)機(jī)件的即時(shí)位置等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；環(huán)境傳感器主要針對(duì)溫濕度、氧氣濃度、流量大小等方面進(jìn)行測(cè)量。
通過(guò)提供有關(guān)航天器的工作信息，MEMS傳感器可對(duì)飛機(jī)重要運(yùn)行部件的精準(zhǔn)測(cè)量、監(jiān)控，起到故障診斷、系統(tǒng)自檢、協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)、模擬飛行等功能，在驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案、提供飛行操作決策依據(jù)、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(chǔ)，其技術(shù)也隨著科技發(fā)展在不斷迭代更新。未來(lái)，在AI、VRAR、智能駕駛、智慧醫(yī)療、航空航天等產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)下，MEMS需求還將穩(wěn)步提升，MEMS 傳感器的應(yīng)用也將為我們打開更大的想象空間。
