中国MEMS传感器行业概况研究行业概述及发展.docx

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中国MEMS传感器行业概况研究行业概述及发展

中国MEMS传感器行业概况研究-行业概述及发展

（一）行业概述

MEMS的全称是微型电子机械系统，是微电路和微机械按功能要求在芯片上的一种集成，基于光刻、腐蚀等传统半导体技术，融入超精密机械加工，并结合力学、化学、光学等学科知识和技术基础，使得一个毫米或微米级的MEMS具备精确而完整的机械、化学、光学等特性结构。

MEMS行业是在集成电路行业不断发展，传统集成电路无法持续地满足终端应用领域日渐变化的需求的背景下成长起来的。

随着微电子学、微机械学以及其他基础自然科学学科的相互融合，诞生了以集成电路工艺为基础，结合微加工等技术打造的新型芯片。

汽车电子、消费电子等终端应用市场的扩张，使得MEMS应用越来越广泛，产业规模日渐扩大，日趋成为集成电路行业的一个新分支。

1、行业产业链

MEMS行业产业链的上游为提供晶圆、金属、化学品及气体等基础原材料的供应商，下游为消费电子、汽车、工业、生物医疗等终端领域的生产厂商。

MEMS行业产业链如下图所示：

（1）晶圆、气体等原材料供应商

晶圆、气体等原材料供应商主要为MEMS制造厂商提供晶圆、气体、化学品等基础原材料，支持MEMS芯片的生产。

（2）MEMS研发设计、制造、封装测试企业

MEMS生产制造分为三个环节：

芯片研发设计、芯片制造，芯片封装测试。

由于MEMS产品在材料、加工、制造工序等单个产品差异较大，器件标准化程度较低，影响了MEMS产业垂直分工的发展，目前行业以垂直整合制造模式的IDM企业为主导。

IDM模式是指企业业务覆盖集成电路的设计、制造、封装和测试的所有环节，这种模式对企业的研发力量、生产管理能力、资金实力和业务规模都有极高的要求。

随着MEMS产业的技术不断发展，制造工艺日趋成熟，为设计、制造、封测分离奠定技术基础。

由终端厂商、无晶圆设计公司首先对产品功用、性能及结构等进行研发设计，然后自行或委托MEMS代工厂进行工艺开发及产品制造，由封装厂进行封装、测试，最后销售给消费电子、汽车等终端厂商。

相应地，无晶圆设计公司模式在MEMS产业里逐渐普及开来。

（3）消费电子、汽车等终端厂商

产业链下游主要为智能手机、可穿戴设备、汽车、无人机、机器人等终端生产厂商。

2、行业特点

（1）MEMS微机械的结构独特性

尽管MEMS和IC在封装和外观上具有相似性，但MEMS在芯片设计结构方面与IC不同。

IC一般是平面器件，通过数百道工艺步骤，在若干个特定平面层上使用图案化模板制造而来，表现出特定的点穴或电磁学功能来实现模拟、数字、计算或储存等特定任务。

理想状态下，IC基本元件（晶体管）是一种纯粹的电学器件，几乎所有的IC应用和功能方面具有共通性。

相对地，MEMS是一种微机械结构。

基于硅工艺技术，MEMS相比于传统的“大型器件”，微米级别的MEMS器件能够更广泛、灵活地应用在汽车电子、消费电子等领域。

（2）MEMS前端研发风险高

MEMS研发、量产需要大量的资金与时间，风险非常高。

MEMS与传统IC的重大差别在于多种类和个性化，MEMS品种多达万个，由于每个系列品种的前期投入、工艺等基本都是一个独立事件，不同的MEMS之间没有完全标准的工艺，参量较多，因而每个系列品种都可能要从前端研发重新投入开始做起，MEMS厂商需要针对每个单独的产品建立不同的生产工艺，导致生产不具有规模经济，对于初创企业和行业新进入者而言具有巨大的风险。

（3）MEMS行业对人才要求高

MEMS的工艺开发过程中各因素间会相互影响，项目的成功开发不仅依赖于丰富的产品经验，还依赖于对这些影响因素的充分理解。

因此，MEMS开发项目通常要求工程师受过高等教育，并同时拥有至少10年工作经验。

要实现更加灵活的MEMS开发，以及整个行业中更加积极地开展MEMS开发业务，都依赖于MEMS行业人才的高要求。

（二）行业发展

与传统的机械传感器相比，MEMS传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点。

在微米量级的特征尺寸MEMS传感器可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

因此，MEMS传感器正逐步取代传统机械传感器的主导地位，在消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等领域得到广泛的应用。

与传统机械传感器相比，MEMS具有以下优点：

微型化：

MEMS器件尺寸在毫米到微米范围内，体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

性能好：

基于硅微加工技术制造，机械电器性能优良（硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨）。

可批量生产：

采用类似集成电路IC的生产方法，在无尘室大批量、低成本生产，因此性价比较传统“机械”制造技术大幅提高。

集成度高：

可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。

1、行业发展现状

由于游戏机、笔记本电脑和数码相机等消费电子的快速增长，以及汽车领域、工业生产过程与控制的拉动，市场对传感器设备的微型化、低功耗等性能提出了新的要求，MEMS传感器正好适应这一潮流，迎来了黄金发展期。

其中，消费电子、汽车电子和医疗电子是MEMS传感器的三大主要应用领域。

随着智能化时代来临，这些领域的快速发展有望带动MEMS进入新一轮快速成长期。

（1）消费电子

随着电子技术的发展，MEMS的应用领域越来越广泛，由最早的工业、军用航空应用走向普通的消费市场。

随着消费电子领域大发展及产品创新不断涌现，特别是受益于智能手机和平板电板的快速发展，消费电子已经成为MEMS最大的应用市场。

移动消费类市场包含智能手机、平板电脑及可穿戴设备，MEMS传感器已经成为高端移动电子设备的准标准配置产品。

在智能手机上，MEMS传感器提供在声音性能、场景切换、手势识别、方向定位、以及温度/压力/湿度传感等方面广泛的应用，如加速度计可以让用户通过倾斜、晃动等动作来实现界面控制、游戏控制以及菜单浏览等操控功能；在可穿戴应用中，MEMS传感器可实现运动追踪、心跳速率测量等功能。

智能手机是MEMS最大的应用领域。

智能手机上应用最多的传感器是加速度计、磁传感器、陀螺仪与硅麦克风，其中加速度计是该市场中第一大应用产品。

1）智能手机、平板电脑

根据YoleDéveloppement数据，2015~2021年全球MEMS市场的复合年增长率（CAGR）为8.9%，将从119亿美元增长到200亿美元。

全球MEMS出货量的复合年增长率为13%。

单位：

十亿美元

应用于手机和平板电脑的传感器种类丰富多样，包括加速度计、磁传感器、陀螺仪、惯性测量单元、MEMS麦克风、压力传感器、温湿度传感器、气体传感器、环境光传感器、接近传感器、RGB颜色传感器、心率传感器、激光测距传感器、3D摄像头、CMOS图像传感器、红外探测器、指纹识别传感器、虹膜识别传感器等。

目前中高端智能手机中已经采用加速度计、磁传感器、陀螺仪、压力传感器、硅麦克风等多达12颗MEMS芯片，未来随着传感器技术的不断演进以及用户需求多元化，其它如压力传感器、温湿度传感器、射频传感器也在向智能终端渗透，预计在不久的将来，每部智能手机采用MEMS将达到20颗。

应用于手机和平板电脑的传感器主要分为三大类：

运动感测组合传感器、环境感测组合传感器、光学感测组合传感器。

运动感测组合传感器，包括加速度计、磁传感器、陀螺仪及惯性动力单元。

运动感测组合传感器平均销售价格很低，集成化趋势愈发明显。

惯性传感器已进入商品化阶段，异常激烈的市场竞争导致厂商利润下滑。

运动感测组合传感器的主要厂商，如博世、意法半导体以及InvenSense，现在都推出了智能传感器，通过在微控制器中集成传感器融合算法来提供更多的价值。

然而，智能传感器需要大规模的投资以及前瞻性的战略规划，包括与手机、平板电脑OEM厂商进行紧密的合作。

环境感测组合传感器，包括MEMS麦克风、压力传感器和气体传感器等。

根据YoleDéveloppement数据，2015年至2020年环境感测组合传感器的复合年增长率为7.6%。

由于压电式MEMS麦克风技术等新技术和新兴气体传感器等新产品的诞生，环境感测组合传感器将保持稳定增长。

光学感测组合传感器，包括环境光传感器、接近传感器、RGB颜色传感器、光学生物传感器、激光测距传感器、CMOS图像传感器和3D摄像头等。

根据YoleDéveloppement数据，2015年至2020年光学感测组合传感器的复合年增长率高达10.9%。

过去几年，MEMS市场发展进入高速发展期，以智能手机为代表的消费电子产品大幅拉升MEMS器件的出货量。

虽然随着智能手机、便携式应用市场已经接近饱和，MEMS市场增速有所减缓，但智能手机市场正在经历一个换机潮，消费者从追求价格开始更加关注手机的品质、品牌和功能，MEMS传感器的复合式应用在增多。

2）可穿戴设备

在智能手机、平板电脑、笔记本电脑渗透率达到较高水平的背景下，国际电子巨头将目标瞄准了可穿戴设备市场，可穿戴设备市场快速启动。

2014年以前，可穿戴设备市场处于探索时期，产品种类和规模比较有限，消费者需求还没有被完全挖掘。

随着苹果手表及各种运动手环的推出，可穿戴设备行业迎来快速发展。

可穿戴设备使用的MEMS传感器主要分为惯性传感器、生物传感器、环境传感器。

其中惯性传感器主要包括加速度计、磁传感器、陀螺仪、压力传感器，主要用于运动监测、导航、娱乐、人机交互；生物传感器主要包括血糖传感器、血压传感器、心电传感器、肌电传感器、体温传感器、脑电波传感器等，主要用于健康和医疗监控、娱乐；环境传感器主要包括温湿度传感器、气体传感器、pH传感器、紫外线传感器、环境光传感器、颗粒物传感器等，主要用于环境监测、天气预报、健康提醒。

根据YoleDéveloppement数据，2020年可穿戴设备的出货量将达到2.95亿台，市场营收将达到900亿美元。

可穿戴技术是物联网浪潮的一部分，相比传统电子设备，其具有更加自然、友好的人机交互方式，并将有用的信息直接传递给用户。

消费类市场中，智能手环和智能手表占据主要地位，并且增长速度明显快于医疗等其他市场。

医疗类市场中，主要可穿戴设备有助听器、血压计、心率监测设备等。

未来智能可穿戴设备市场将会迎来持续快速增长，市场规模会进一步扩大。

（2）汽车电子及工业控制

MEMS加速度传感器在进入消费电子市场之前，实际上已被广泛应用于汽车电子领域，主要集中在车身操控、安全系统和导航。

MEMS可以使汽车更安全，使驾驶更舒适，并可提高燃烧效率和降低排放。

由于汽车安全日益受到关注，汽车MEMS的市场需求将稳步增加。

汽车电子产业被认为是MEMS传感器的第一波应用高潮的推动者。

1980年代，进气管压力传感器开启了MEMS传感器在汽车中的应用。

1990年代，美国ADI公司采用MEMS技术成功将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端。

MEMS传感器在汽车上应用的快速发展主要是受益于各国政府全面推出汽车安全规定和汽车智慧化的发展趋势。

现阶段，MEMS在汽车电子的应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统（ABS）、电子车身稳定程序（ESP）、电控悬挂（ECS）、电动手刹（EPB）、斜坡起动辅助（HAS）、胎压监控（EPMS）、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等。

其中电子车身稳定程序ESP得到众MEMS厂商的高度关注。

由于其主动防滑功能要求更多的传感器和先进的处理系统，因此将带动汽车电子MEMS传统应用市场的需求。

目前，每台汽车采用50到100个MEMS传感器，主要为压力传感器、加速度传感器、陀螺仪和流量传感器，合计占汽车MEMS系统的99%。

MEMS压力传感器是汽车中应用最多的传感器。

未来随着汽车进一步智能化，对MEMS传感器的需求将进一步提升。