MEMS传感器国产替代机遇

   

 

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1）什么是MEMS

 

 

✓ 微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统其内部结构一般在微米甚至纳米量级。微机电系统是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。MEMS是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。例如，常见的MEMS产品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。一个MEMS传感器里面最重要的芯片为MEMS芯片和ASIC芯片，其中MEMS芯片负责感知信号，将测量量转化为电阻、电容等信号变化；ASIC芯片负责将电容、电阻等信号转换为电信号，其中涉及到信号的转换和放大等功能。

 

 

 

✓ MEMS侧重于超精密机械加工，涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。

 

 

 

✓ 常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。

 

 

 

MEMS传感器分类

 

 

 

MEMS传感器工作原理

 

 

 

2）MEMS传感器市场规模

 

 

中国MEMS传感器市场的起步和发展与中国3C产品(包括计算机、通信和消费类电子产品)及汽车电子产品保持快速增长、全球电子整机产业向中国转移密切相关。近年来，随着消费电子、汽车电子产品等下游行业的快速发展，我国MEMS传感器市场需求旺盛，历年持续保持快速增长。

 

 

根据Omdia的数据统计，2022年全球MEMS行业市场规模已达到184.77亿美元，2017-2022年复合增长率为5.77%。

 

 

根据赛迪顾问的数据统计与预测，2022年中国MEMS传感器市场规模已达到982.1亿元，同比增长15.1%，预计到2025年市场规模将达到1571.3亿元，2022-2025年复合增长率为17.0%。

 

 

 

3）MEMS传感器应用领域

 

 

MEMS传感器种类极多，可应用于物理、化学、生物等领域信号的探测，较为常见的种类有加速度传感器、惯 性 传 感 器、压 力 传 感 器、MEMS 陀 螺 仪 以 及MEMS 麦克风等。

 

 

 

应用领域	用途
工业检测	在石油、化工、电梯、钢铁、机械等工业中，完成各种信息检测，并将信息通过自动控制和计算机处理进行反馈，实现生产过程、质量、工艺、安全等方面控制。
汽车	对行驶速度、距离、发动机转速、安全气囊、防盗装置、防滑系统、排气循环系统等参数进行测量和控制
医疗	对人体表面和内部温度、血压、血液和呼吸流量、心脑电波、肿瘤等进行高精度诊断。
环境保护	对大气污染、水质污染、噪声等进行实时监控。
航空航天	精确测量飞行器飞行速度、加速度、距离、周围环境、内部状态等。

 

目前MEMS 传感器在消费电子、医疗、汽车电子以及工业等应用领域占比最高，分别占据41.8%、28.1%、16.7%和 9.1%。

 

 

 

MEMS传感器行业应用占比

 

 

 

MEMS传感器应用产品分析

 

 

应用市场	涉及的MEMS传感器产品
消费电子	射频MEMS、微型麦克风、喷墨打印头、光学MEMS、惯性传感器组合、陀螺仪、加速度计、压力传感器、磁传感器等。
汽车电子	加速度计、压力传感器、陀螺仪、惯性传感器组合等。
工业与通信	压力传感器、喷墨打印头、非制冷红外探测仪、微针、陀螺仪、流量计、加速度计等
国防与航空	非制冷红外探测仪、陀螺仪、加速度计、压力传感器等

 

4）MEMS传感器分类

 

 

4.1 MEMS压力传感器

 

 

• MEMS压力传感器是一种薄膜元件，受到压力时变形。可以利用应变仪（压阻型感测）来测量这种形变，也可以通过电容感测两个面之间距离的变化来加以测量。这两种方法都很流行，轮胎压力监测系统使用比较结实的压阻方法。

 

 

• 常见的压力传感器有三种：压阻式、电容式和压电式。

 

 

根据Yole Intelligence的统计数据，2021年压力传感器是MEMS传感器中销售额最高的细分市场，也是销售量第二大的细分市场，仅次于硅麦克风。MEMS压力传感器的市场规模从2018年的14.72亿颗、17.63亿美元增加至2021年的16.05亿颗、20.04亿美元，预计将于2027年增长至25.35亿颗、26.24亿美元。

 

 

 

MEMS压力传感器全球市场规模

 

4.2 MEMS惯性传感器

 

 

• 惯性传感器是一种用于测量物体的加速度、角速度和倾斜角度等参数的电子传感器。

 

 

•MEMS惯性传感器指采用MEMS工艺制备的惯性传感器，与传统工艺制造的惯性传感器相比，MEMS器件具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和智能化等特点，被广泛应用于航空航天、石油化工、汽车、船舶、消费电子、医疗等领域。

 

 

• 高性能MEMS惯性传感器，包括MEMS陀螺仪、MEMS加速度计和MEMS惯性测量单元（IMU），均包含一颗微机械（MEMS）芯片和一颗专用控制电路（ASIC）芯片，并通过惯性技术实现物体运动姿态和运动轨迹的感知。陀螺仪和加速度计是惯性系统的基础核心器件，其性能高低直接决定惯性系统的整体表现。硅基MEMS惯性传感器因小型化、高集成、低成本的优势，成为现代惯性传感器的重要发展方向。

 

 

 

MEMS惯性传感器全球市场规模（亿元）

 

 

 

• 根据 Yole Intelligence 的统计，全球MEMS惯性传感器的市场规模从2018年的28.31亿美元、31.21亿颗增长至2021年的35.09 亿美元、39.39亿颗，预计该市场将于 2027年增长至49.43亿美元、60.60亿颗，2018年至 2027年销售额及销售量的

 

 

复合增长率分别为6.39% 和7.65%。

 

 

• 其中，全球 MEMS加速度计的市场规模从 2018 年的 9.14 亿美元、10.23 亿颗增长至 2021 年的12.19亿美元、15.37亿颗，预计该市场将于2027年增长至16.41亿美元、24.28亿颗，2018年至2027年销售额及销售量的复合增长率分别为6.72%和10.08%。

 

 

 

4.3 MEMS其他传感器

 

 

• 按物理参数分，可分为力（加速度/压力/声）、热（热电偶/热阻）、光（光电类）、电磁（磁强计）、化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）

 

 

 

智能手机中的传感器

 

 

 

5）着眼未来，重视MEMS传感器国产替代机遇

 

 

5.1 不同MEMS传感器的比较

 

 

• 由于MEMS传感器测量的外部信号不同，不同类型的MEMS传感器技术差异较大。

 

 

•MEMS惯性传感器主要检测物体的运动，需要将传感器安装在载体上用于检测载体的运动，因此多为密闭式封装。而压力/光学/声学传感器需要通过直接接触被测量，所以多为开放式封装，同时需要结合使用环境设计有利于检测信号的传感器敏感单元表面结构。

 

 

•MEMS惯性传感器相对于压力传感器、声学传感器等其他类型的传感器应用领域较广，在高可靠领域及其他工业、消费领域均具备丰富的应用场景，不同应用场景对于性能、成本、功耗、体积的要求差异较大。相对于在工业及消费领域应用较广的声学传感器、环境传感器等，高性能MEMS惯性传感器多应用于高可靠领域，复杂环境下对于产品性能要求高，因此对产品可靠性提出了更严格的需求，存在较高的技术门槛。

 

 

•MEMS压力传感器主要是压阻式和电容式，使用广泛，成本低；部分高端压力传感器采用谐振式原理，精度高，售价高，多用于仪表校验等对精度要求高的领域。

 

 

•MEMS声学传感器和光学传感器主要应用于消费类电子，例如智能手机中的MEMS麦克风和接近传感器，产品具有体积小、成本低、功耗低的特点，对产品绝对性能要求相对不高，行业内厂商竞争相对激烈。

 

 

 

5.2 MEMS传感器发展困境

 

 

相较于美国、日本等科技大国，国内对于MEMS技术的研究稍显落后，在20世纪80年代末才开始成为国家重点研究项目之一。经过近三十年的发展，国产MEMS在技术方面有了实质性的进展，在市场应用方面逐步实现了长效积累。例如在MEMS麦克风市场，全球四大公司占据市场话语权，其中两家来自中国，歌尔股份和瑞声科技，他们还正在挑战楼氏电子的领袖地位，势头凶猛。

 

 

 

中国传感器行业发展历程

 

 

 

• 我国作为全球最大的电子产品生产基地，正消耗着全球四分之一的MEMS器件。但目前，我国大部分MEMS传感器仍依赖进口。国内MEMS传感器也仍以中低端为主，技术相对落后。

 

 

• 中国MEMS厂商面临的挑战非常多。首先，MEMS传感器商业化应用周期长，MEMS传感器研发时间更长，这对MEMS企业的耐心、远见是一个很大挑战。

 

 

• 另一方面，中国MEMS产业链在竞争方面，力量还较薄弱，没有产生在国际市场上具有领导地位的企业。MEMS传感器和IC芯片一样，具有很强的规模效应，例如前端流片等环节加工能力薄弱，一致性、生产重复性都不能满足设计加工工艺要求。因此，整个MEMS产业链均处于投入阶段，盈利比较困难，产生了恶性循环。

 

 

• 此外，价格下滑导致MEMS厂商盈利困难。MEMS传感器产品的价格，并非与产品的重要性或开发难度成正比。例如，据统计数据显示，从应用广泛和竞争激烈的陀螺仪和加速度传感器市场来看，系统厂商对于MEMS产品需求量很大，但是它们也已经把价格杀到MEMS厂商难以为继的地步。

 

 

 

✓ 制造MEMS器件不仅需要成熟且丰富的工艺技术，还要有足够多的产线保证产能

 

 

目前，国内提供专业MEMS代工服务的有中芯国际、无锡华润上华、上海先进等。除了以上企业能够满足代工产能和良率要求之外，其他大多数国内MEMS代工企业还未积累起足够的工艺技术储备和大规模市场验证反馈的经验，并且在加工工艺的一致性、可重复性也都不能满足设计需要，产品的良率和可靠性更是无法达到规模生产要求。在这样的情况之下，设计公司也只能选择与国外成熟代工厂合作，才能保证产品的质量。而在后端的封装测试环节，情况则较为乐观，南通富士通、晶方半导体、华天科技、长电科技、通富微电等企业能够满足产品质量和数量的要求。

 

 

 

MEMS工艺流程

 

 

 

5.3 MEMS传感器发展前景

 

 

• 随着国产MEMS传感器产业逐渐完善，MEMS将传感器“芯片化”的能力得到了广泛的认可，因此很多人在谈论国产传感器发展趋势时，除了过往的集成化、小型化和智能化等，有时也会加上“MEMS化”。

 

 

• 设备小型化、低能耗化未来，不断缩小产品尺寸、降低产品成本是MEMS传感器行业的重要发展趋势之一。随着人工智能和物联网技术的发展，MEMS传感器的应用场景将更加多元。MEMS传感器是人工智能重要的底层硬件之一，传感器收集的数据越丰富和精准，人工智能的功能才会越完善。未来，智能家居、工业互联网、车联网、智能城市、机器人等新产业领域都将为MEMS传感器行业带来广阔的市场空间。

 

 

• 展望未来，技术水平的不断提高，使市场对“小而智能”的传感器需求越来越大，特别是在物联网等应用的推动下，MEMS传感器的应用空间也愈发广阔。