MEMS陀螺仪技术专利态势分析

于金平 廉莉莉 / 工业和信息化部电子知识产权中心

MEMS陀螺仪技术专利态势分析

于金平 廉莉莉 / 工业和信息化部电子知识产权中心

MEMS陀螺仪具有体积小、功耗低等多种优势，在消费电子、生物医疗和工业领域具有广泛应用。随着我国在MEMS传感器领域技术水平以及市场份额的提高，专利布局从应用向核心技术领域转移，以歌尔声学、瑞声科技为代表的中国MEMS传感器厂商崛起，知识产权风险日益突显。本文对MEMS陀螺仪全球以及中国专利数据进行全面分析，深入研究该项技术的发展现状和趋势，技术研发和应用热点，以及行业内主要竞争者的研发动态和专利策略，为我国MEMS产业政策的制定提供参考，为行业内的企业和科研机构利用专利信息进行技术研发、制定知识产权竞争策略、规划专利布局提供支撑。

引言

MEMS陀螺仪是利用振动质量块被基座(壳体)带动旋转时的哥氏效应来传感角速度的原理制成，具有体积小、功耗低等多种优势。MEMS陀螺仪的研究始于20世纪80年代，经过几十年的研究国外相关技术已经比较成熟，众多科研单位及企业如美国Draper实验室、ADI公司、德国Bosch公司、日本Toyota公司已有商业化产品。我国MEMS技术研究正在积极开展，在基础理论、加工技术和工程应用等方面已经取得了明显的进步。随着MEMS传感器在消费电子、生物医疗和工业领域的广泛应用，知识产权诉讼频发。在近三年总共58起针对我国的337调查中已有2起与传感器有关，随着我国在MEMS传感器领域技术水平以及市场份额的提高，专利布局从应用向核心技术领域转移，以歌尔声学、瑞声科技为代表的中国MEMS传感器厂商崛起，知识产权风险日益突显。

图1 1. 数据说明：全球申请指全球范围内的专利申请；在华申请指全球申请人在中国的专利申请。数据拐点分析：1、技术因素：MEMS技术最早始于1959年，MEMS陀螺仪技术的发展与MEMS技术发展密切相关，真正的MEMS陀螺仪技术在20世纪80年代才出现；2、经济因素：经济危机不仅会导致股市缩水，同样也会逼迫各个企业压缩各项开支（包括研发投入），最近的四大危机：1990～1992年海湾战争导致的经济衰退；1997～1998年亚洲金融风暴；2000～2002年美国新经济危机；2007年～2008年美国次贷危机。经济危机带给专利申请量的影响会有一定时间延迟；3、世界贸易因素，2001年年底，中国正式加入WTO，从此全面实施了保护知识产权的TRIPS协议；4、中国的政治因素：中国在“十一五“规划、“十二五”规划、中长期科技规划、振兴装备制造业规划、国家知识产权战略纲要中制定了一系列的激励政策。全球MEMS陀螺仪专利申请趋势

一、全球MEMS陀螺仪专利态势

截止到2012年12月31日，全球MEMS陀螺仪领域的专利申请总量为7,329件2.由于专利申请公开存在滞后性，2013年及2014年提交的发明专利申请大部分尚未公开，本文重点研究2012年及之前公开的专利，下同。。MEMS陀螺仪领域专利申请整体呈增长态势（图1），最早的MEMS陀螺仪专利为HUGHES AIRCRAFT 公司申请的有关MEMS工艺的专利，此后的近20年，MEMS陀螺仪专利申请的数量缓慢增长，1995年申请量开始大幅攀升，2004—2007年出现了短期的回落，2008年以后又进入快速增长期。MEMS陀螺仪的结构设计、检测原理、封装技术以及工艺技术趋于成熟，器件的应用范围不断扩大。

图 2 全球MEMS陀螺总体申请人排名分析（按项）

从申请量上来看（图2），前15名申请人中美国占据了6位，且该6位申请人均为企业，其中霍尼韦尔和ADI公司的申请量遥遥领先。中国在前15名申请人中占据了4位，其中3位为大学，1位为研究机构，虽然中国地区的申请人在全球TOP15中的比例较高，但是产业化程度远远低于美国，研究机构在理论和实验方面取得了显著进步，但在商业化方面，还有很大差距。

欧洲地区在MEMS陀螺仪领域比较卓越的专利权人为法国原子能委员会，在MEMS陀螺仪领域有83件相关专利申请，突显出法国对于MEMS陀螺仪研发的重视。在日韩地区，以三星、索尼和松下为主要专利权人，出于对电子领域全产业链的打造和对于消费电子的重视，三星等企业在近几年加大了对MEMS陀螺仪的专利申请布局。

MEMS陀螺仪技术可分为原理结构、加工工艺、封装、测试、材料及电路等六个方面（图3）。其中以原理结构、封装和工艺为最主要部分，所占比例达到MEMS陀螺仪技术总体的85%，材料和电路所占比例最低3.对于MEMS陀螺器件相关的材料专利本课题只限定在与MEMS陀螺结构相关的专利，有关MEMS技术相关的普通单晶硅、多晶硅等材料专利未包括在本研究范围内。。考虑到专利申请保护范围的因素，很多MEMS陀螺仪相关专利申请涉及原理及封装、工艺及封装等多种交叉技术。通过分析可知，MEMS陀螺仪交叉技术相关的专利为157件，其中以原理和工艺的交叉专利为最多，所占比例为58%，其次是原理和封装的交叉技术专利，随着MEMS陀螺仪技术与集成电路技术的融合发展，以后交叉技术相关专利的比例会越来越高。

图3 全球MEMS 陀螺专利技术领域分布

二、中国MEMS陀螺仪专利态势

截止到2012年12月31日，中国地区受理的MEMS陀螺仪领域的专利申请总量为2,456件。MEMS陀螺仪领域专利申请量整体呈增长态势（图4），中国最早的MEMS陀螺仪专利出现于1985年，但直到1999年，专利申请量一直很低，且实用新型专利占主要部分，目前大部分已经失效。从2000年开始，中国MEMS陀螺仪的专利申请量进入快速增长期，与全球MEMS陀螺仪专利申请平稳发展的态势形成对比。

图4 中国MEMS陀螺仪申请趋势

在MEMS陀螺仪领域，中国的本土申请人申请的专利为1,786件，达到总量的72%（图5）。国外申请人中主要以美国为主，比例达到了42%，突显出美国企业对于中国市场的重视。其次是日本和德国，所占比例分别是16%和14%。美国的主要申请人包括高通、飞思卡尔、IBM等，德国的主要申请人是博世。

图5 中国MEMS陀螺仪专利技术来源分析

我国在近十年非常重视MEMS陀螺仪技术的研发和应用，通过一系列政策引导产业发展，并通过建立无锡物联网基地，为MEMS产业的发展搭建良好的基地环境。我国中电十三所、航天科技704所等军工单位，在近几年加大了对MEMS陀螺仪的研发、有关国防、航空航天的MEMS陀螺仪专利申请量持续上升，为我国的军事电子、航空航天技术的发展奠定了良好的技术基础。

同时，MEMS陀螺仪作为军民两用技术，在中国地区的技术分布更侧重于在车辆船舶领域，相比全球MEMS陀螺仪技术广度分布，中国地区的MEMS陀螺仪专利在消费电子和生物医疗领域还有很大的发展空间（图6）。整体来讲，中国地区MEMS陀螺仪专利分布的广度较高，在各个产业发展中扮演着越来越重要的角色。

图6 中国地区MEMS陀螺仪应用相关专利领域分布

MEMS陀螺仪领域中国地区前20名申请人中有14家本土申请人（图7），主要以大学和研究机构为主，以上海交通大学、东南大学和北京大学最为突出；而企业仅有申迪半导体一家，申迪半导体成立于2008年8月，是由美国留学归国人员创立的中国首家设计、生产商用MEMS陀螺仪系列惯性传感器的MEMS芯片公司。在前20名申请人中，有6家为外资企业，其中以博世在中国布局的专利最多，达到了55件，其次是高通、财团法人工业技术研究院、台积电、IBM和飞思卡尔。

图7 中国MEMS陀螺仪主要申请人分析

三、MEMS陀螺仪可靠性专利分析

本文通过MEMS陀螺仪的可靠性参数和专利强度筛选了MEMS陀螺仪领域的重点专利。其中可靠性参数主要包括MEMS陀螺仪在恶劣环境、极端条件下工作的性能要求，包括：零温漂、抗振动、抗粘连、寿命、耐高温低温、电磁屏蔽、MEMS与CMOS的集成、高性能等。专利强度的评估依据包括：专利的引用次数及被引用次数、专利同族、专利维持时间、专利权利要求的数量等。

经过筛选，获得可靠性相关专利329项。这些重点专利主要集中在MEMS陀螺仪的原理及结构设计方面，专利数量为203件，所占比例高达62%。其次是有关MEMS封装和工艺的相关专利，所占比例分别为11%和15%（图8）。

图8 MEMS陀螺仪可靠性专利技术分布

在主要竞争者方面，霍尼韦尔不论在专利数量还是专利质量上都是领先者（图9），紧随其后的是美国查尔斯实验室有限公司，其是服务于美国的非营利机构，在航天系统所需的制导、导航与控制技术设备的设计、研制和技术支持方面有突出实力，并开发容错航空电子设备、实时嵌入式软件、电源与控制装置和精确指向与跟踪技术，供各类航天系统使用。BAE系统公司在MEMS陀螺仪领域专利也有着较强的影响力。在中国申请人中，西安中星测控和北京航空航天大学有一定的专利申请。

图9 MEMS陀螺仪可靠性专利主要竞争者

从重点专利来源来看，MEMS陀螺仪领域的重点专利主要来源于美国、中国、日本、欧洲和韩国，其中以美国专利比例最高。MEMS陀螺仪重点专利技术来源国更进一步显示出核心技术的分布情况（图10）。从专利流向来看，美国申请人和欧洲申请人除了在本国大量申请专利外，还在日本申请了较多的MEMS陀螺仪相关专利，在韩国和中国专利布局较少，体现出高可靠MEMS陀螺仪专利权人对美国、欧洲和日本市场的重视；韩国在MEMS陀螺仪领域的专利布局特点是以本土为主，同时在美国、欧洲、日本和中国有少量专利申请；中国与其他国家和地区的专利申请特点有较大的差异，专利申请绝大部分都在本国，在美国和欧洲有极少专利申请，在日本和韩国目前还没有相关专利申请。

图10 MEMS陀螺仪可靠性专利技术流向

中国MEMS陀螺仪的专利申请应当支撑其市场战略。中国MEMS产业正在快速发展，同时中国也是MEMS传感器的重要需求市场，需求从中低端市场向高端市场转移，对MEMS陀螺仪可靠性需求将明显提速。中国MEMS陀螺仪的市场战略应当是主打国内中高端市场，积极开拓国际市场，积极借鉴欧美企业的专利布局策略，对MEMS陀螺仪的消费市场及时、全面地申请专利，以保证自身的市场地位。

四、小结

从全球MEMS陀螺仪专利态势来看，全球MEMS陀螺仪专利申请进入平稳发展期，全球MEMS陀螺仪专利技术集中在工艺、原理及封装技术，全球主要申请人以欧美企业为主，专利集中度较低。全球MEMS陀螺仪应用专利主要分布在工业、消费电子和车辆，国防及航空航天领域的应用呈上升趋势。国外MEMS陀螺仪封装和结构设计有很大的借鉴空间。

从中国MEMS陀螺仪专利态势来看，中国MEMS陀螺仪专利技术处于快速发展期，有效专利比例较高，国外申请人注重在华专利布局，专利风险应引起关注。中国MEMS陀螺仪专利主要集中在北京、上海及江苏，主要申请人以大专院校和科研单位为主。

从MEMS陀螺仪主要竞争者来看，欧美MEMS陀螺仪竞争者重视专利的技术和地域的全面布局，构建专利质量与数量的双重保护网，以意法半导体、应美盛和霍尼韦尔为代表。中国MEMS陀螺仪近年来发展迅速，具有一定技术储备，国内申请人多为科研院所，以上海交通大学和北京大学为代表。

从MEMS陀螺仪可靠性专利技术来看，MEMS陀螺仪可靠性相关专利申请集中在近10年，专利来源国以美国为主，专利目标国以美国、欧洲和日本为主，流向中国和韩国的专利较少，中韩存在较大的专利布局空间，重点专利权人以军工科研单位和企业为主。

MEMS陀螺仪市场竞争环境由“群雄逐鹿”转变为“细分市场”的格局，欧美和日本占有技术优势，跨国公司已在中国进行全面专利布局。中国企业近年来发展迅速，具有一定的技术储备；中国传感器厂商需要突破核心技术，加强国内外专利布局，提升专利质量，逐步完善专利防御网。

在消费电子、物联网和智能电网的带动下，MEMS传感器的发展面临巨大的机遇。同时，产业巨头知识产权体系完整，知识产权布局策略成熟，对我国传感器发展造成一定的威胁。随着国内企业在MEMS领域技术水平和市场份额的提升，国内企业需警惕知识产权风险，做到未雨绸缪。