2019年中國MEMS傳感器潛力市場（上）

近年來，中國MEMS消費電子類產品產量保持穩定增長，帶動MEMS行業需求的增長，中國已經成為全球MEMS市場發展最快的地區。預計2016—2021年中國的MEMS市場年復合增長率將超過15%。相比全球，中國MEMS產業尚處于起步階段，旺盛的市場需求與相對薄弱的產業形成反差，具有一定知名度和出貨量的本土MEMS企業仍然屈指可數，逐鹿中國市場的主要競爭者仍以跨國企業為主。未來隨著物聯網市場在國內的不斷發展，智能化過程的不斷加速，MEMS傳感器逐漸成為智能感知時代下最基礎的硬件。

MEMS產業概念界定及發展演進

物聯網作為當前最具發展潛力的產業之一，將有力帶動傳統產業轉型升級，引領戰略性新興產業的發展，實現經濟結構戰略性調整，從而引起社會生產和經濟發展方式的深度變革。物聯網對促進我國經濟的發展、優化產業結構具有重大的戰略意義。而在整個物聯網生態中，MEMS傳感器正扮演著越來越重要的角色，在即將到來的智能物聯網時代中將起到核心作用，為新科技產品提供更智能、更敏銳的感知能力。中國作為全球最大的電子產品生產基地，消耗了全球二分之一的MEMS器件，吸引了全球的目光。同時中國MEMS傳感器產業的生態環境已經完善，目前MEMS產業的機遇和挑戰并存，如何抓住機遇攻堅克難從而獲得物聯網時代的紅利，是需要大家共同努力的方向，也是需要共同思考的問題。

產業概述

1.MEMS及MEMS傳感器的定義。MEMS即微機電系統，可利用集成電路（IC）制造技術和微加工技術把微結構、微傳感器、微執行器等制造在一塊或者多塊芯片上的微型集成系統。典型的MEMS工作原理由傳感器、信息處理單元、執行器和通信/接口單元等組成。其輸入信號是物理信號，通過傳感器轉換為電信號，經過信號處理（模擬的或數字的）后，由執行器與外界產生作用。每一個微系統可以采用數字或模擬信號（電、光、磁等物理量）與其他的微系統進行通信。

MEMS中的核心元件一般包含兩類：一個傳感器或執行器和一個信號傳輸單元。MEMS傳感器是一種將能量從一種形式轉變成另一種形式，并針對特定可測量的輸入為用戶提供一種可用的能量輸出的微型器件，它是采用微電子和微機械加工技術制造出來的微型傳感器。MEMS傳感器是使用最廣泛的MEMS器件，構造MEMS傳感器是為了感知某些物理、化學或生物量的存在和強度，例如溫度、壓力、力、聲、光、核輻射、磁通量，以及化學成分等。

2.MEMS技術的特點。MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，幾乎涉及自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、物理學、化學、生物醫學、材料科學、能源科學等，與傳統機械系統相比具備許多優勢。

用MEMS工藝制造傳感器、執行器或者微結構，具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、產能高、良品率高、可大批量生產等特點，MEMS技術的出現極大地滿足了市場對傳感器小體積、高性能的要求，正在逐漸取代傳統機械傳感器。

3.MEMS傳感器的分類。MEMS傳感器的門類品種繁多，分類方法也很多。按其工作原理， 可分為物理型、化學型和生物型三類。按照被測的量又可分為加速度、角速度、壓力、位移、流量、電量、磁場、紅外、溫度、氣體成分、濕度、pH值、離子濃度、生物濃度、觸覺等類型的傳感器。

其中每種MEMS傳感器又有多種細分方法。如微加速度計，按檢測質量的運動方式劃分，有角振動式和線振動式加速度計;按檢測質量支承方式劃分，有扭擺式、懸臂梁式和彈簧支承方式;按信號檢測方式劃分，有電容式、電阻式和隧道電流式;按控制方式劃分，有開環和閉環式。

產業演進

1.MEMS技術發展歷程。MEMS技術被譽為21世紀具有革命性的高新技術，它的誕生和發展是“需求牽引”和“技術推動”的綜合結果，是微電子和微機械的巧妙結合。MEMS的發展速度、類型分布均與市場的需求有著緊密的聯系。MEMS技術是隨著集成電路，尤其是超大規模集成電路發展起來的一門新技術，它起源于1947年美國貝爾實驗室晶體管的發明，直到1987年美國伯克利加州大學發明了微馬達，引起國際學術界的轟動，人們看到了電路與執行部件集成制作的可能性，這是MEMS技術的開端。1988年美國的一批著名科學家提出“小機器、大機遇” ，并呼吁美國重視這一重大領域的開發。1993年美國ADI公司采用MEMS技術成功實現微型加速度計的商品化，大批量應用于汽車防撞氣囊，標志著MEMS技術產業化的開端。20世紀90年代，發達國家先后投巨資并設立國家重大項目促進其發展。此后，MEMS技術發展迅速，特別是圍繞深槽刻蝕技術發展出多種新型加工工藝。

2.MEMS產業發展歷程。MEMS傳感器經歷了三次發展浪潮，汽車電子、消費電子和物聯網分別為主要的推動力量。第一次發展浪潮發生在20世紀80年代末至90年代，汽車電子應用如安全氣囊、制動壓力、輪胎壓力監測系統等需求增長，巨大利潤空間驅動歐洲、日本和美國的企業大量研發生產MEMS傳感器產品。第二次發展浪潮發生在2007年以后，消費電子產品如手機、移動互聯網設備等要求體積更小且功耗更低的MEMS傳感器產品。第三次發展浪潮是物聯網的出現，受益于物聯網產業的快速發展，MEMS行業帶來巨大的發展紅利。除了智能手機，MEMS傳感器將會在AR/VR、可穿戴等消費電子產品，智能駕駛、智能工廠、智慧物流、智能家居、環境監測、智慧醫療等物聯網領域廣泛應用。MEMS是當前移動終端創新的方向，通過對MEMS傳感器產品持續改進，最終滿足更小、更低能耗、更高性能的需求，才能更加適用于各種物聯網場合。

MEMS產業鏈分析

產業鏈全景圖

MEMS產業鏈主要涉及設計研發、生產制造、封裝測試、系統應用四大環節。MEMS產業鏈的上游包括MEMS器件設計、材料和生產設備的研發和供應，中游包括MEMS器件的制造加工和封裝測試，下游使用MEMS產品集成終端電子產品。MEMS傳感器生產主要有Fabless和IDM兩種模式。

Fabless模式是主流，是以設計為主的垂直分工（Fabless）模式，企業主要負責MEMS產品的設計與銷售，將生產、測試、封裝等環節外包，典型的企業有樓氏、HP、佳能等;IDM模式是集成器件制造（Integrated Device Manufacture簡稱IDM）模式，也是目前國際大廠主要的商業模式，典型的IDM廠商有 Bosch（博世）、三星、TI（德州儀器）、東芝、ST（意法半導體）等，IDM廠商的經營范圍涵蓋了設計、制造、封裝測試等各環節，甚至延伸至下游電子終端。

國內MEMS產業經過政府和企業的共同努力，已經形成從設計研發（中試）、生產制造、封裝測試到系統集成的完整MEMS產業鏈條，包含如蘇州納米科技發展有限公司、上海微技術工業研究院、中國科學院電子所等科研院所;歌爾股份、瑞聲科技、敏芯微電子、格科微電子、矽睿科技、深迪半導體等設計企業;中芯國際、上海先進、華潤上華、罕王微電子等專業MEMS代工企業;華天科技、長電科技、晶方科技等傳統半導體封裝測試企業;華為、中興、聯想、比亞迪、海康威視等系統集成應用商。

產業鏈各環節分析

1.研發設計。MEMS的研究，不僅涉及基礎理論、制備工藝、應用技術，還涉及MEMS技術與其他如通信技術、計算機技術的結合題目，更涉及一些新興學科和一些前沿技術的綜合分析與應用。MEMS產品設計中有三個主要任務是互相交聯在一起的：工藝流程設計、機電和結構設計、包括封裝和測試在內的設計驗證。

MEMS設計中材料的選擇也比常規產品的材料選擇復雜的多。在產品進入生產階段之前，需要完成多個閉環（紅色）。材料數據庫經常需要根據具體應用的實驗結果進行更新。這個開發流程通常是不可預測的，而且往往需要數年時間才能量產。

2.生產制造。MEMS與IC工藝雖然存在著一定的相似度，但本質上存在明顯差異，MEMS的基礎材料屬性是決定產品性能的根本因素。通常IC制造的目的是在一個硅片上盡可能多集成CMOS，但傳感器芯體中通常只封裝很少的電器元件，如IC一個硅片上動輒以億計CMOS，一個力敏傳感器芯體只有4個電阻元件，故MEMS制造對半導體加工技術的先進與否并不敏感。同時與傳統傳感器相似，MEMS傳感器性能主要取決于材料屬性，如結構機械特性、材質化學特性等方面，同時生產工藝對產品的精度、良率等方面均會產生影響，如刻蝕深度、精度，制造過程中的材料應力控制等方面。

從MEMS制造環節看，主要分為三類：純MEMS代工、IDM企業代工和傳統集成電路MEMS代工。MEMS器件依賴各種工藝和許多變量，所以一種MEMS產品對應一種工藝。只有經過多年的工藝改進及測試，MEMS器件才能真正被商品化。研發團隊一般需要大量時間來搜索有關工藝及材料物理特性方面的資料。利用單獨一種材料（如多晶硅）制得的器件可能需要根據多晶硅的來源及沉積方法來標記工藝中的變化。因此每一種工藝都需要長期、大量的數據來穩定一個工藝。目前全球MEMS加工工藝主要的技術途徑有三種：一是以美國為代表的以集成電路加工技術為基礎的硅基微加工技術;二是以德國為代表發展起來的利用X射線深度光刻、微電鑄、微鑄塑的LIGA技術;三是以日本為代表發展的精密加工技術，如微細電火花EDM、超聲波加工。

3.封裝測試。MEMS封裝則通常分為芯片級封裝、器件級封裝和系統級封裝三個層次。“芯片級”含義更加廣泛，不但涵蓋包括控制器在內的集成電路封裝中的各種芯片，還包括感測的各種力、光、磁、聲、溫度、化學、生物等傳感器元器件和執行運動、能量、信息等控制量的各種部件。目前的MEMS封裝技術大多來自集成電路封裝技術，但MEMS產品應用領域多樣，且應用場景復雜，所以MEMS封裝比集成電路封裝更龐大、更復雜、更困難。在MEMS產品量產化過程中，封裝的成本比重已經越來越大，通常超過四成，再結合測試部分的成本，一般來說，后端的成本往往占據產品成本的大半，有的甚至超過七成，甚至八成。因此，為了盡量適應各個領域的應用，以便盡可能形成大規模的批量生產，降低研發到市場的導入成本，整合MEMS產品的封裝形式已經成為各大OSAT封裝廠商（外包半導體封裝測試廠）思考和探索的課題。

MEMS與IC不同，測試時需要外加不同的激勵來測試不同的MEMS產品，非標準化特性明顯，如在加速度計、陀螺儀等產品時，需要多軸轉臺、振動臺、沖擊臺等設備來外加轉動、震動激勵;在測試硅麥克風時，需要通過消聲腔、標準聲源等外部設備來施加聲源激勵。此外，即使同類型傳感器的測試方法也不一定相同，如普通加速度計內有活動部件，而基于熱對流原理的加速度計內無活動部件，二者的測試流程和設備并非完全相同;電容式MEMS麥克風的腔體是封閉的， 而壓電式MEMS麥克風的腔體是開放的，二者的測試設備、流程也不盡相同。因此，多數MEMS廠商均針對自研產品的相關屬性原理設計個性化測試裝備、搭建個性化測試環境，在一定程度上拉高了產品成本。

4.系統集成。MEMS傳感器產業鏈中的應用集成環節主要存在三大類：一是由MEMS傳感器生產廠商提供，此類MEMS傳感器廠商也可稱為解決方案提供商，其解決方案特點是通用性強，且能夠更有效發揮產品性能，兼具靈活與輕度定制化特點，如應美盛Firefly移動解決方案，終端廠商采用后只需簡單調整內部軟件即可應用在整機產品上，基本做到即插即用;二是由應用廠商進行集成，該類解決方案特點是專注于特定領域、研發成本較高、產品研發周期較長，如康明斯對外采購壓力、流量等傳感器，生產汽車發動機、渦輪增壓器等;三是垂直整合廠商集成，該類應用集成的特點是專用強，高度適配自家應用，且通常屬高精尖領域，如GE為旗下航空、發電、運輸、等業務自行生產專用傳感器。總體來看，由MEMS傳感器廠商提供的高通用性、高效能、靈活的解決方案更符合大眾消費市場發展要求，而后兩類集成方案更加適合專用領域。

產業特征

1.基礎依附、應用依附。基礎依附，是指MEMS技術的發展依附于敏感機理、敏感材料、工藝設備等。MEMS沒有一個固定成型的標準化的生產工藝流程，每一種MEMS產品都有獨特的設計和對應的封裝形式，所采用的材料、工藝技術和設備差異很大。應用依附是指MEMS傳感技術基本上屬于應用技術，每一種MEMS產品都需要針對下游特定的應用場合。

2.技術面廣，需技術工匠。MEMS是多學科、多技術的綜合，除涉及傳感技術外，還涉及IC技術、計算機技術、無線通信技術等，其產品開發過程中對于相互影響的因素的充分理解很重要，成功的MEMS項目依賴于豐富的產品經驗。因此，MEMS項目通常需要受過高等教育的工程師并擁有至少10年工作經驗，因此被稱為MEMS市場成長中的“博士級別問題（PhD Level Problem）”。

3.一種產品，一種工藝。MEMS的發展空間不同于IC，它的平臺開發時間超過5年，但是卻能夠滿足數百種產品的需求。MEMS所面臨的挑戰是有效率地為每一位客戶每一個產品開發對應的MEMS工藝，并能夠實現量產。從表面上看，針對單個產品進行的MEMS工藝開發時間和成本非常巨大，而MEMS晶圓代工產業的重點就是盡可能減輕這種負擔。

4.投資強度高，商業化周期長。MEMS除在產品研發過程中需資金投入外，在工藝裝備、封裝、測試設備等方面的投資也很高，尤其是在工程化研究以及實現規模化生產時，要求的投資強度更高。與其他產業相比，MEMS資金需求強度更大，其研發及商業化應用周期很長。

5.產品繁多，應用分散。MEMS種類繁多，品種多到以萬為單位，且不同MEMS之間參量較多。作為獲取信息的關鍵器件，MEMS傳感器對各種傳感裝備的微型化發展起著巨大的推動作用，已在太空衛星、火箭、航空航天設備、 汽車、生物醫學及消費電子產品等領域中得到了廣泛的應用。

全球和中國MEMS產業現狀和特點

全球MEMS現狀和特點

全球市場規模。近年來，受益于汽車電子、消費電子、醫療電子、光通信、工業控制、儀表儀器等市場的高速成長，MEMS行業發展勢頭迅猛。2018年，全球MEMS市場規模約為152億美元，預計到2021年全球MEMS市場規模將超過220億美元，2016—2021年年復合增長率在9.6%。就MEMS的出貨量而言，預計到2023年全球MEMS的年復合增長率在20%以上，增速超過半導體市場。

未來，助推全球MEMS持續增長的動力主要因素有三點：一是全球主要市場對于汽車安全及智能化的需求逐年增加，推動MEMS市場的持續增長;二是受工業4.0和智慧家庭的影響，工業和家居類的自動化產品對于MEMS的需求巨大;三是可穿戴設備、無人機/機器人的日益普及和在各領域的滲透率進一步提高。

應用結構。從全球應用領域來看， 消費電子仍是MEMS的第一大市場， 占比41.8%，這主要得益于在智能家居、智能手機和可穿戴設備等領域的機會日益增多。醫療電子位居第二，占比28.1%，歸功于MEMS在臨床監測中的廣泛應用，如心電圖患者監測和腦電圖測量;以及成像應用，如CT成像和數字X射線。此外，MEMS還被用于診斷和治療設備的定位應用，包括外科手術臺等設備的高精度定位，以及假肢和患者監測應用，如運動和位置監測;此外，醫療電子上的MEMS器件附加值很高，平均售價遠高于其它MEMS領域。

產品結構。從全球產品結構來看，份額最大的是壓力傳感器，主要得益于在工業和消費品等領域的廣泛應用，市場占比達到21%;其次是射頻傳感器、加速度傳感器、MEMS麥克風，受益于5G手機、智能音箱、可穿戴設備等消費類電子產品的帶動，市場占比均超過10%;然后慣性傳感器（如加速度計、陀螺儀、磁力計和慣性組合傳感器），市場占比9%，其在汽車電子當中的應用（如電子穩定控制（ESC）、牽引控制系統（TCS）和防抱死制動系統（ABS））不斷增加。

產業布局。從全球產業布局來看，美國、日本等少數經濟發達國家占據了主要份額，發展中國家所占份額相對較少。2017年，全球排名前30位的MEMS廠商創造了92.4億美元營收，占全球的70%以上，而這30家公司多半來自日本和美國，分別占據了44%和33%。

未來，隨著全球電子制造產業鏈加速向亞太地區轉移，憑借成本等優勢，MEMS產業重心也將不斷東遷，亞太地區的MEMS產業規模也將持續增長。此外，亞太地區也是消費電子、汽車和工業領域的主要市場，亞太地區已成為大型投資和業務擴張機會的全球焦點。而中國是亞太地區MEMS發展潛力最大、增速最快的市場，特別是移動互聯網和物聯網的快速發展，將對MEMS產業產生深遠的影響，催生出大量新的產品、新的應用，帶動MEMS產品在日常生活及工業生產中的普及化。

中國MEMS產業現狀和特點

中國市場規模。中國作為全球最大的電子產品生產基地，消耗了全球近二分之一的MEMS器件。近年來，中國MEMS消費電子類產品，如智能手機、平板電腦等產量保持穩定增長，帶動加速傳感器、陀螺儀、硅麥克風等MEMS行業需求的增長，中國已經成為全球MEMS市場發展最快的地區。預計2016—2021年中國的MEMS市場年復合增長率將超過15%，遠高于全球9.6%的增速。

相比全球，中國MEMS產業尚處于起步階段，旺盛的市場需求與相對薄弱的產業形成反差，具有一定知名度和出貨量的本土MEMS企業仍然屈指可數，逐鹿中國市場的主要競爭者仍以跨國企業為主。未來隨著物聯網市場在國內的不斷發展，智能化過程的不斷加速，MEMS傳感器逐漸成為智能感知時代下最基礎的硬件。

應用結構。2018年在5G通信和物聯網的帶動下，MEMS陀螺儀、MEMS加速度等產品用量得到快速提高，因此網絡與通信成為中國MEMS市場的最大應用領域，市場份額達到31%。隨著無人駕駛和新能源汽車的發展，汽車電子領域MEMS快速增長，2018年市場份額達到29%，位居第二。因為平板電腦增長乏力，計算機領域市場略有下降。

產品結構。從中國產品結構來看，份額最大的是壓力傳感器，市場占比達到23.3%，汽車工業、生物醫學、工業控制、航空航天等多領域應用廣泛;其次是加速度傳感器占比23.2%，在消費電子和汽車中的廣泛應用也保持著穩步增長;MEMS陀螺儀發展較快，在航空、航天、航海、汽車、生物醫學和環境監控等領域得到了應用，占比達到10%。

產業布局。在政策鼓勵下，中國MEMS產業迅速向全國地區滲透，已在長三角和京津冀地區建立完整的產學研布局。從企業數量和分布來看，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，主要集中在長三角地區，并逐漸形成以北京、上海、深圳和西安等中心城市為主的區域空間布局。

從產品使用領域結構來看，國內MEMS公司在營業規模、技術水平、產品結構、與國外有明顯差距，60%至70%的設計產品集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領域。