微型機械電子系統(MEMS)行業競爭格局與發展趨勢 分析

趙振越　蔡勇　萬成東

MEMS實際上是微型機械電子系統的英文縮寫 （Micro Electromechanical System），通常是一系列尺寸 在毫米級別甚至以下的電子機械裝置，其內部涉及的結構通 常在微米甚至是納米級別，是利用微型電子技術構建盡可 能小的智能系統。其生產加工通常是基于傳統加工半導體 元器件的光蝕刻等工藝，結合超高精密機械加工技術。這 就使得MEMS實質上成為一種橫跨物理、化學、電子信息、 機械等學科的交叉領域產品。

（一）MEMS的分類

從MEMS的分類來看，通常可分為傳感器和執行 器。其中傳感器主要用于實現對物理、化學、生物等的 現象和信號的感知和測量，與傳統的傳感器相比，MEMS傳 感器具備高精度、高敏感度、低功耗、小體積等一系列 的優勢。而執行器則主要用于對外輸出力、扭矩，驅動 外部機械實現運動的機構，適用于很多精密的機械和電子 控制領域。在上述兩種MEMS產品分類中，MEMS傳感器是目 前應用最為廣泛的種類。主要有物理、化學和生物三 類主流的MEMS傳感器，其中物理傳感器能夠對自然界的物 理量進行測量，包括力學范疇的壓力、加速度、角速度 等，以及電學范疇的電流、電場，磁學范疇的磁通量，熱 學范疇的溫度、熱度等，光學的紅外光、激光、可見光， 聲學的噪聲、超聲等;化學傳感器則是針對氣體、濕度、離 子等，根據其化學特性進行探測;生物探測器則主要針對生 理量和生化量來測量，滿足人們對于人體和生物化學的探測要求。

（二）MEMS的基本組成

圖1 MEMS系統基本組成

通常來講，典型的MEMS傳感器和執行器構成的智能系統結構大致如圖1所示。

如上圖所示，一套MEMS系統，通常包含一組可 以用于檢測外部信號或者現象的傳感器，對外部的光、 電、聲音、壓力、溫濕度、化學生物屬性等進行感知，并 將上述感知結果轉化為模擬電信號，傳遞到內部信息處理 單元。信息處理單元是整個MEMS系統的大腦，由于微電子 系統通常是利用數字信號進行運算和處理從而實現一系 列復雜的計算，因此需要將傳感器獲得的模擬信號轉換為 微處理器可識別的數字信號。這就需要內部首先對模擬信 號進行采集，然后進行相應的處理，并轉換為數字信號傳 遞給微處理器進行計算。當完成計算后，整套系統需要針 對采集到的信息，針對性做出動作，這就要求信息處理 單元能夠對執行器下發指令。而執行器通常為模擬信號驅 動，對外輸出信息、輸出能量或者執行某些運動。因此這 就又要將數字指令和信號轉換為模擬信號，從而實現對執 行器的驅動。綜合上述流程，整套信息處理單元中需要提 供一個面向傳感器的模擬信號處理器（通常內置模擬信號 轉換數字信號的模塊），一個專門用于數字信號接收計算 的數字信號處理器，以及一個用于向執行器輸出指令的模 擬信號處理器（通常內置數字信號轉換模擬信號的模塊） 。通過上述單元，整套MEMS已經可以獨立運行。但MEMS系 統通常需要與其他系統進行集成，才能夠發揮更大的作 用，因此整套MEMS的信息處理單元還額外提供了對外的通 信接口，用以實現對內的指令下發和對外的數據指令傳輸。

“十四五”時期，全球產業加速數字化、智能 化變革，智能傳感器作為數字化、智能化時代的重要硬 件基礎，在全球市場中擁有巨大的增長空間，MEMS傳感 器微型化、多樣化、易于集成和批量生產等特點與智能 傳感器創新發展方向高度契合，已成為智能傳感器的重要 載體，在汽車電子、消費電子、工業電子、和醫療電子方 面有著廣泛的應用。這里以幾個典型領域為例，對MEMS的 應用前景進行探視。

（一）汽車領域

隨著上世紀九十年代汽車工業智能化升級的開 始，汽車電子已經逐步上升到和傳統汽車機械同等的重要 程度。作為需要實時關注多種數據的應用領域，汽車電子 首先成為了MEMS傳感器應用的推動者和踐行者。隨著汽車 電子的進一步發展，汽車行業也在不斷變革，從車輛安 全規范到全車信息化、智能化，MEMS始終充當著車輛電子 系統的五官和精細執行者。例如ABS汽車防抱死系統、 AES車身穩定系統、可調節的懸掛、電子駐車、運行胎壓 監測、發動機降噪等，都需要集成MEMS傳感器。隨著汽車 電子消費需求的不斷升級，車輛的智能化程度將越來越高 ，這意味著MEMS傳感器的應用量會更大，應用需求會更具 體。

（二）消費電子領域

隨著人們生活水平的不斷提升，消費電子迎來 了大規模的發展，特別是隨著需求的升級，產品創新成 為了消費電子的主要發展趨勢。為進一步提升用戶體驗， 消費電子也在積極應用MEMS提升其智能化。電子設備的 安全防護，移動設備的定位模組、加速度計、射頻組件 以及MEMS麥克風等，都是MEMS傳感器在消費電子領域的 典型應用。MEMS在消費電子中的應用，顯著提升了消費 電子產品的性能，提升了智能化程度，也進一步提升了 交互性能和娛樂性。未來隨著消費電子創新的不斷推進， MEMS的發展需求也將進一步擴展。

（三）航空航天領域

自人類開啟空天探索以來，航空航天便成為了 人們探索空天的主要工具。在這一領域MEMS傳感器主要 有狀態和環境兩類。狀態傳感器通常是對航空航天設備 的運行狀態進行捕獲，包括運行姿態、燃料狀態、艙內乘 員狀態等。同時通過這些傳感器，中控計算機能夠實時計 算和監控設備以及人員健康度，確保運行安全。而環境傳 感器則主要對運行過程中的內外部環境狀態進行監控，通 過對內外溫濕度、引擎供氧及流量大小等進行實時測量， 確保中控計算機能夠隨時調整狀態，為飛行控制提供決策 。隨著航空航天的探索和應用需求不斷升級，MEMS在航空 航天領域的應用也將更加深入。

（四）生物醫療領域

人類社會在經濟發展的過程中，也在不斷關注 自身健康問題。隨著微電子技術在體外診斷、便攜診療、 植入式器械等生物醫療領域應用的發展，醫療設備逐漸趨 于小型化、智能化。MEMS憑借低功耗等特點使其在醫療設 備微型化方面能夠起到重要的作用。同時，以MEMS傳感器 作為核心的一系列人體傳感器和圖像傳感器，能夠在檢驗 精度和便捷度方面為醫療健康行業做出自身的貢獻。相信 未來人類生物醫療的進步也必將加速MEMS技術的進一步發展。

正是由于MEMS與人類社會發展擁有如此密切的 關系，MEMS目前已經成為電子信息產業不可忽視的一 個熱點領域。據調查，得益于智能汽車、消費電子、醫 療信息服務、工業控制等領域的不斷發展，全球MEMS市場 規模正在以年均10.4%的復合增長率不斷增長。而這一 增速也正在不斷提升，預計到2023年，MEMS的平均復合增 長率將超過20%，完全超越傳統的半導體市場規模。如 此巨大的市場潛力，目前存在怎樣的市場競爭格局，這里 筆者從全球概況、市場變化、商業機會以及面臨挑戰四方 面來探討MEMS的市場競爭格局，并從對我國MEMS行業態勢進行分析。

（一）全球概況

全球MEMS傳感器市場目前仍由歐美日等發達國 家和地區主導，其中美國、德國以及日本三國市場占比 達到50%以上，而在高端MEMS傳感器領域，美國和德國 的優勢則更為明顯。從全球市場應用領域來看，消費電 子、智能汽車（無人駕駛）、虛擬現實與增強現實等領域 存在新機遇。目前，MEMS市場極大程度上依賴汽車電子和 消費電子，隨著疫情等因素的影響，MEMS在汽車電子領 域的發展明顯放緩，然而隨著消費電子領域的創新應用 需求，MEMS迎來了疫情后新的增長。

（二）市場變化

在不同的時代背景下，MEMS呈現出了不同的趨 向性。典型例證是新冠疫情對于部分MEMS企業的影響 。基于新冠疫情的防控需求，生產熱成像和壓力傳感 器等的MEMS供應商獲利受益，例如微測輻射熱計供應 商Melexis、熱輻射測試設備供應商高德紅外、呼吸 機及重要MEMS壓力傳感器供應商Amphenol等。與此同時，近 三年以來，5G建設在全球逐步展開，這就使得供應射頻 濾波器的博通和Qorvo在過去兩年內業務增長迅猛。而 消費電子與人機交互的發展，又促使AAC、歌爾微電子等 企業，通過MEMS麥克風業務獲得了較大的市場機遇。此外 諸如博世、ST、TDK等汽車電子供應商，也在當前智能 汽車、智能電動車的不斷發展中獲得了業務增長。從這里 也能看出，MEMS的發展不僅依賴需求的升級，更和時代背 景息息相關。

（三）商業機會

縱觀MEMS行業和技術的發展可以發現，創新始 終是MEMS商業機會的核心來源。目前可穿戴設備的不斷 普及和升級，使得慣性MEMS、聲音捕捉傳感器等的需求 不斷上升。同時，空氣質量檢測乃至疫情防控設備所需 的氣體傳感器也將成為未來的重要發展方向。盡管目前激 光雷達僅應用于掃地機器人，但隨著高級輔助駕駛和自動 駕駛的商業化，激光雷達必將迎來爆發式增長。傳感器移 位OIS也是MEMS的另一個典型發展機會。隨著蘋果新款手機 中對于柔性光學圖像穩定模塊的應用，未來消費電子中 必然也將逐步把MEMS移位OIS納入產品中。

（四）面臨挑戰

由于當前諸多智能應用領域追求低時延和更高 的安全性，因此傳感器的應用越來越貼近離線場景，需 要傳統MEMS技術進一步趨近本地處理方案，同時進一步提 升整體的集成度，應用復雜的系統級封裝技術提升整體 性能，同時盡可能降低功耗。與此同時，實踐證明，MEMS 本身無法作為價值鏈的關鍵而獨立存在，應用場景和 集成創新變成了包括消費電子、汽車電子等主流MEMS應 用領域的價值核心。這就需要MEMS企業順應市場發展趨 勢，將MEMS硬件及智能化軟件相互融合，提供真正可以 獨立運行的智能化微型系統。典型的一個案例是：目前 包括蘋果、ST在內的智能芯片生產商，已經開始在MCU中 集成人工智能模組，以實現原生的人工智能和深度學習。

（五）我國MEMS的行業發展態勢

根據賽迪顧問發布的《2021中國MEMS產業研究 報告》來看，目前我國MEMS市場處于高速發展階段。 首先，在過去的幾年中，我國MEMS市場增速始終保持 在20%左右，高于全球市場增速，即使是疫情也沒能 減緩這一趨勢。

圖2 我國MEMS市場規模現狀及預測

同時，作為全球MEMS產品消費能力和未來市場 發展潛力最大的國家，目前我國已經在布局高端的MEMS 代工生產線，目前國內主流的產線以6英寸和8英寸芯片 為主，近年來隨著罕王科技、耐威科技等先進產線先后落 地，我國的MEMS產能得到了一定程度的提升，且產能利用 率也從2015年的不足20%提升到現在的80%以上。并且， 約65%集中在我國華東地區，代工和封測大廠也主要 以華東地區為主。

總體而言，我國在MEMS產業方向上具備極強的 發展潛力，但在產品品質、工藝水平、高端設備、企業 規模等方面與國外仍存在明顯差距，從現狀來看，應當首 先加強核心技術攻關，同時加強產業協同能力，進一步提 升我國MEMS產業技術能力和工程能力。同時，政府也應當 進一步加大政策扶持力度，在MEMS基礎理論、重點技術 、工藝研發等領域鼓勵產、學、研和學術交流，為我國MEMS個業創造優良的發展環境。

圖3 中國MEMS產線類型占比

目前，MEMS已成為全球物聯網和電子信息智能 化的關鍵推動力。實質上，與其說是MEMS推動了物聯網 和智能化的發展，不如說是人類社會不斷發展帶來的需 求升級，不斷促使著MEMS向前發展。隨著我國5G、工業 互聯網、智能制造和智慧醫療等領域的不斷發展，MEMS 必然成為我國智慧產業發展的最大推動力。可以預測， 未來十年必然是中國MEMS產業的黃金十年，一方面我國仍 然會是MEMS代工制造的大國，同時先進的封裝也必然是 我國MEMS產業發展的重要環節。要把握這些機遇，就要 求我國不斷推進MEMS方向的研發創新，通過產學研建立 MEMS用人育人平臺，在新材料和傳感創新集成方面突破 MEMS器件國產化設計制造難關。