2019年中国MEMS传感器潜力市场（上）

近年来，中国MEMS消费电子类产品产量保持稳定增长，带动MEMS行业需求的增长，中国已经成为全球MEMS市场发展最快的地区。预计2016—2021年中国的MEMS市场年复合增长率将超过15%。相比全球，中国MEMS产业尚处于起步阶段，旺盛的市场需求与相对薄弱的产业形成反差，具有一定知名度和出货量的本土MEMS企业仍然屈指可数，逐鹿中国市场的主要竞争者仍以跨国企业为主。未来随着物联网市场在国内的不断发展，智能化过程的不断加速，MEMS传感器逐渐成为智能感知时代下最基础的硬件。

MEMS产业概念界定及发展演进

物联网作为当前最具发展潜力的产业之一，将有力带动传统产业转型升级，引领战略性新兴产业的发展，实现经济结构战略性调整，从而引起社会生产和经济发展方式的深度变革。物联网对促进我国经济的发展、优化产业结构具有重大的战略意义。而在整个物联网生态中，MEMS传感器正扮演着越来越重要的角色，在即将到来的智能物联网时代中将起到核心作用，为新科技产品提供更智能、更敏锐的感知能力。中国作为全球最大的电子产品生产基地，消耗了全球二分之一的MEMS器件，吸引了全球的目光。同时中国MEMS传感器产业的生态环境已经完善，目前MEMS产业的机遇和挑战并存，如何抓住机遇攻坚克难从而获得物联网时代的红利，是需要大家共同努力的方向，也是需要共同思考的问题。

产業概述

1.MEMS及MEMS传感器的定义。MEMS即微机电系统，可利用集成电路（IC）制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、微执行器等制造在一块或者多块芯片上的微型集成系统。典型的MEMS工作原理由传感器、信息处理单元、执行器和通信/接口单元等组成。其输入信号是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的或数字的）后，由执行器与外界产生作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其他的微系统进行通信。

MEMS中的核心元件一般包含两类：一个传感器或执行器和一个信号传输单元。MEMS传感器是一种将能量从一种形式转变成另一种形式，并针对特定可测量的输入为用户提供一种可用的能量输出的微型器件，它是采用微电子和微机械加工技术制造出来的微型传感器。MEMS传感器是使用最广泛的MEMS器件，构造MEMS传感器是为了感知某些物理、化学或生物量的存在和强度，例如温度、压力、力、声、光、核辐射、磁通量，以及化学成分等。

2.MEMS技术的特点。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等，与传统机械系统相比具备许多优势。

用MEMS工艺制造传感器、执行器或者微结构，具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、产能高、良品率高、可大批量生产等特点，MEMS技术的出现极大地满足了市场对传感器小体积、高性能的要求，正在逐渐取代传统机械传感器。

3.MEMS传感器的分类。MEMS传感器的门类品种繁多，分类方法也很多。按其工作原理， 可分为物理型、化学型和生物型三类。按照被测的量又可分为加速度、角速度、压力、位移、流量、电量、磁场、红外、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度、生物浓度、触觉等类型的传感器。

其中每种MEMS传感器又有多种细分方法。如微加速度计，按检测质量的运动方式划分，有角振动式和线振动式加速度计;按检测质量支承方式划分，有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式;按信号检测方式划分，有电容式、电阻式和隧道电流式;按控制方式划分，有开环和闭环式。

产业演进

1.MEMS技术发展历程。MEMS技术被誉为21世纪具有革命性的高新技术，它的诞生和发展是“需求牵引”和“技术推动”的综合结果，是微电子和微机械的巧妙结合。MEMS的发展速度、类型分布均与市场的需求有着紧密的联系。MEMS技术是随着集成电路，尤其是超大规模集成电路发展起来的一门新技术，它起源于1947年美国贝尔实验室晶体管的发明，直到1987年美国伯克利加州大学发明了微马达，引起国际学术界的轰动，人们看到了电路与执行部件集成制作的可能性，这是MEMS技术的开端。1988年美国的一批著名科学家提出“小机器、大机遇” ，并呼吁美国重视这一重大领域的开发。1993年美国ADI公司采用MEMS技术成功实现微型加速度计的商品化，大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术产业化的开端。20世纪90年代，发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展。此后，MEMS技术发展迅速，特别是围绕深槽刻蚀技术发展出多种新型加工工艺。

2.MEMS产业发展历程。MEMS传感器经历了三次发展浪潮，汽车电子、消费电子和物联网分别为主要的推动力量。第一次发展浪潮发生在20世纪80年代末至90年代，汽车电子应用如安全气囊、制动压力、轮胎压力监测系统等需求增长，巨大利润空间驱动欧洲、日本和美国的企业大量研发生产MEMS传感器产品。第二次发展浪潮发生在2007年以后，消费电子产品如手机、移动互联网设备等要求体积更小且功耗更低的MEMS传感器产品。第三次发展浪潮是物联网的出现，受益于物联网产业的快速发展，MEMS行业带来巨大的发展红利。除了智能手机，MEMS传感器将会在AR/VR、可穿戴等消费电子产品，智能驾驶、智能工厂、智慧物流、智能家居、环境监测、智慧医疗等物联网领域广泛应用。MEMS是当前移动终端创新的方向，通过对MEMS传感器产品持续改进，最终满足更小、更低能耗、更高性能的需求，才能更加适用于各种物联网场合。

MEMS产业链分析

产业链全景图

MEMS产业链主要涉及设计研发、生产制造、封装测试、系统应用四大环节。MEMS产业链的上游包括MEMS器件设计、材料和生产设备的研发和供应，中游包括MEMS器件的制造加工和封装测试，下游使用MEMS产品集成终端电子产品。MEMS传感器生产主要有Fabless和IDM两种模式。

Fabless模式是主流，是以设计为主的垂直分工（Fabless）模式，企业主要负责MEMS产品的设计与销售，将生产、测试、封装等环节外包，典型的企业有楼氏、HP、佳能等;IDM模式是集成器件制造（Integrated Device Manufacture简称IDM）模式，也是目前国际大厂主要的商业模式，典型的IDM厂商有 Bosch（博世）、三星、TI（德州仪器）、东芝、ST（意法半导体）等，IDM厂商的经营范围涵盖了设计、制造、封装测试等各环节，甚至延伸至下游电子终端。

国内MEMS产业经过政府和企业的共同努力，已经形成从设计研发（中试）、生产制造、封装测试到系统集成的完整MEMS产业链条，包含如苏州纳米科技发展有限公司、上海微技术工业研究院、中国科学院电子所等科研院所;歌尔股份、瑞声科技、敏芯微电子、格科微电子、矽睿科技、深迪半导体等设计企业;中芯国际、上海先进、华润上华、罕王微电子等专业MEMS代工企业;华天科技、长电科技、晶方科技等传统半导体封装测试企业;华为、中兴、联想、比亚迪、海康威视等系统集成应用商。

产业链各环节分析

1.研发设计。MEMS的研究，不仅涉及基础理论、制备工艺、应用技术，还涉及MEMS技术与其他如通信技术、计算机技术的结合题目，更涉及一些新兴学科和一些前沿技术的综合分析与应用。MEMS产品设计中有三个主要任务是互相交联在一起的：工艺流程设计、机电和结构设计、包括封装和测试在内的设计验证。

MEMS设计中材料的选择也比常规产品的材料选择复杂的多。在产品进入生产阶段之前，需要完成多个闭环（红色）。材料数据库经常需要根据具体应用的实验结果进行更新。这个开发流程通常是不可预测的，而且往往需要数年时间才能量产。

2.生产制造。MEMS与IC工艺虽然存在着一定的相似度，但本质上存在明显差异，MEMS的基础材料属性是决定产品性能的根本因素。通常IC制造的目的是在一个硅片上尽可能多集成CMOS，但传感器芯体中通常只封装很少的电器元件，如IC一个硅片上动辄以亿计CMOS，一个力敏传感器芯体只有4个电阻元件，故MEMS制造对半导体加工技术的先进与否并不敏感。同时与传统传感器相似，MEMS传感器性能主要取决于材料属性，如结构机械特性、材质化学特性等方面，同时生产工艺对产品的精度、良率等方面均会产生影响，如刻蚀深度、精度，制造过程中的材料应力控制等方面。

从MEMS制造环节看，主要分为三类：纯MEMS代工、IDM企业代工和传统集成电路MEMS代工。MEMS器件依赖各种工艺和许多变量，所以一种MEMS产品对应一种工艺。只有经过多年的工艺改进及测试，MEMS器件才能真正被商品化。研发团队一般需要大量时间来搜索有关工艺及材料物理特性方面的资料。利用单独一种材料（如多晶硅）制得的器件可能需要根据多晶硅的来源及沉积方法来标记工艺中的变化。因此每一种工艺都需要长期、大量的数据来稳定一个工艺。目前全球MEMS加工工艺主要的技术途径有三种：一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术;二是以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA技术;三是以日本为代表发展的精密加工技术，如微细电火花EDM、超声波加工。

3.封装测试。MEMS封装则通常分为芯片级封装、器件级封装和系统级封装三个层次。“芯片级”含义更加广泛，不但涵盖包括控制器在内的集成电路封装中的各种芯片，还包括感测的各種力、光、磁、声、温度、化学、生物等传感器元器件和执行运动、能量、信息等控制量的各种部件。目前的MEMS封装技术大多来自集成电路封装技术，但MEMS产品应用领域多样，且应用场景复杂，所以MEMS封装比集成电路封装更庞大、更复杂、更困难。在MEMS产品量产化过程中，封装的成本比重已经越来越大，通常超过四成，再结合测试部分的成本，一般来说，后端的成本往往占据产品成本的大半，有的甚至超过七成，甚至八成。因此，为了尽量适应各个领域的应用，以便尽可能形成大规模的批量生产，降低研发到市场的导入成本，整合MEMS产品的封装形式已经成为各大OSAT封装厂商（外包半导体封装测试厂）思考和探索的课题。

MEMS与IC不同，测试时需要外加不同的激励来测试不同的MEMS产品，非标准化特性明显，如在加速度计、陀螺仪等产品时，需要多轴转台、振动台、冲击台等设备来外加转动、震动激励;在测试硅麦克风时，需要通过消声腔、标准声源等外部设备来施加声源激励。此外，即使同类型传感器的测试方法也不一定相同，如普通加速度计内有活动部件，而基于热对流原理的加速度计内无活动部件，二者的测试流程和设备并非完全相同;电容式MEMS麦克风的腔体是封闭的， 而压电式MEMS麦克风的腔体是开放的，二者的测试设备、流程也不尽相同。因此，多数MEMS厂商均针对自研产品的相关属性原理设计个性化测试装备、搭建个性化测试环境，在一定程度上拉高了产品成本。

4.系统集成。MEMS传感器产业链中的应用集成环节主要存在三大类：一是由MEMS传感器生产厂商提供，此类MEMS传感器厂商也可称为解决方案提供商，其解决方案特点是通用性强，且能够更有效发挥产品性能，兼具灵活与轻度定制化特点，如应美盛Firefly移动解决方案，终端厂商采用后只需简单调整内部软件即可应用在整机产品上，基本做到即插即用;二是由应用厂商进行集成，该类解决方案特点是专注于特定领域、研发成本较高、产品研发周期较长，如康明斯对外采购压力、流量等传感器，生产汽车发动机、涡轮增压器等;三是垂直整合厂商集成，该类应用集成的特点是专用强，高度适配自家应用，且通常属高精尖领域，如GE为旗下航空、发电、运输、等业务自行生产专用传感器。总体来看，由MEMS传感器厂商提供的高通用性、高效能、灵活的解决方案更符合大众消费市场发展要求，而后两类集成方案更加适合专用领域。

产业特征

1.基础依附、应用依附。基础依附，是指MEMS技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备等。MEMS没有一个固定成型的标准化的生产工艺流程，每一种MEMS产品都有独特的设计和对应的封装形式，所采用的材料、工艺技术和设备差异很大。应用依附是指MEMS传感技术基本上属于应用技术，每一种MEMS产品都需要针对下游特定的应用场合。

2.技术面广，需技术工匠。MEMS是多学科、多技术的综合，除涉及传感技术外，还涉及IC技术、计算机技术、无线通信技术等，其产品开发过程中对于相互影响的因素的充分理解很重要，成功的MEMS项目依赖于丰富的产品经验。因此，MEMS项目通常需要受过高等教育的工程师并拥有至少10年工作经验，因此被称为MEMS市场成长中的“博士级别问题（PhD Level Problem）”。

3.一种产品，一种工艺。MEMS的发展空间不同于IC，它的平台开发时间超过5年，但是却能够满足数百种产品的需求。MEMS所面临的挑战是有效率地为每一位客户每一个产品开发对应的MEMS工艺，并能够实现量产。从表面上看，针对单个产品进行的MEMS工艺开发时间和成本非常巨大，而MEMS晶圆代工产业的重点就是尽可能减轻这种负担。

4.投资强度高，商业化周期长。MEMS除在产品研发过程中需资金投入外，在工艺装备、封装、测试设备等方面的投资也很高，尤其是在工程化研究以及实现规模化生产时，要求的投资强度更高。与其他产业相比，MEMS资金需求强度更大，其研发及商业化应用周期很长。

5.产品繁多，应用分散。MEMS种类繁多，品种多到以万为单位，且不同MEMS之间参量较多。作为获取信息的关键器件，MEMS传感器对各种传感装备的微型化发展起着巨大的推动作用，已在太空卫星、火箭、航空航天设备、 汽车、生物医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。

全球和中国MEMS产业现状和特点

全球MEMS现状和特点

全球市场规模。近年来，受益于汽车电子、消费电子、医疗电子、光通信、工业控制、仪表仪器等市场的高速成长，MEMS行业发展势头迅猛。2018年，全球MEMS市场规模约为152亿美元，预计到2021年全球MEMS市场规模将超过220亿美元，2016—2021年年复合增长率在9.6%。就MEMS的出货量而言，预计到2023年全球MEMS的年复合增长率在20%以上，增速超过半导体市场。

未来，助推全球MEMS持续增长的动力主要因素有三点：一是全球主要市场对于汽车安全及智能化的需求逐年增加，推动MEMS市场的持续增长;二是受工业4.0和智慧家庭的影响，工业和家居类的自动化产品对于MEMS的需求巨大;三是可穿戴设备、无人机/机器人的日益普及和在各领域的渗透率进一步提高。

应用结构。从全球应用领域来看， 消费电子仍是MEMS的第一大市场， 占比41.8%，这主要得益于在智能家居、智能手机和可穿戴设备等领域的机会日益增多。医疗电子位居第二，占比28.1%，归功于MEMS在临床监测中的广泛应用，如心电图患者监测和脑电图测量;以及成像应用，如CT成像和数字X射线。此外，MEMS还被用于诊断和治疗设备的定位应用，包括外科手术台等设备的高精度定位，以及假肢和患者监测应用，如运动和位置监测;此外，医疗电子上的MEMS器件附加值很高，平均售价远高于其它MEMS领域。

产品结构。从全球产品结构来看，份额最大的是压力传感器，主要得益于在工业和消费品等领域的广泛应用，市场占比达到21%;其次是射频传感器、加速度传感器、MEMS麦克风，受益于5G手机、智能音箱、可穿戴设备等消费类电子产品的带动，市场占比均超过10%;然后惯性传感器（如加速度计、陀螺仪、磁力计和惯性组合传感器），市场占比9%，其在汽车电子当中的应用（如电子稳定控制（ESC）、牵引控制系统（TCS）和防抱死制动系统（ABS））不断增加。

产业布局。从全球产业布局来看，美国、日本等少数经济发达国家占据了主要份额，发展中国家所占份额相对较少。2017年，全球排名前30位的MEMS厂商创造了92.4亿美元營收，占全球的70%以上，而这30家公司多半来自日本和美国，分别占据了44%和33%。

未来，随着全球电子制造产业链加速向亚太地区转移，凭借成本等优势，MEMS产业重心也将不断东迁，亚太地区的MEMS产业规模也将持续增长。此外，亚太地区也是消费电子、汽车和工业领域的主要市场，亚太地区已成为大型投资和业务扩张机会的全球焦点。而中国是亚太地区MEMS发展潜力最大、增速最快的市场，特别是移动互联网和物联网的快速发展，将对MEMS产业产生深远的影响，催生出大量新的产品、新的应用，带动MEMS产品在日常生活及工业生产中的普及化。

中国MEMS产业现状和特点

中国市场规模。中国作为全球最大的电子产品生产基地，消耗了全球近二分之一的MEMS器件。近年来，中国MEMS消费电子类产品，如智能手机、平板电脑等产量保持稳定增长，带动加速传感器、陀螺仪、硅麦克风等MEMS行业需求的增长，中国已经成为全球MEMS市场发展最快的地区。预计2016—2021年中国的MEMS市场年复合增长率将超过15%，远高于全球9.6%的增速。

相比全球，中国MEMS产业尚处于起步阶段，旺盛的市场需求与相对薄弱的产业形成反差，具有一定知名度和出货量的本土MEMS企业仍然屈指可数，逐鹿中国市场的主要竞争者仍以跨国企业为主。未来随着物联网市场在国内的不断发展，智能化过程的不断加速，MEMS传感器逐渐成为智能感知时代下最基础的硬件。

应用结构。2018年在5G通信和物联网的带动下，MEMS陀螺仪、MEMS加速度等产品用量得到快速提高，因此网络与通信成为中国MEMS市场的最大应用领域，市场份额达到31%。随着无人驾驶和新能源汽车的发展，汽车电子领域MEMS快速增长，2018年市场份额达到29%，位居第二。因为平板电脑增长乏力，计算机领域市场略有下降。

产品结构。从中国产品结构来看，份额最大的是压力传感器，市场占比达到23.3%，汽车工业、生物医学、工业控制、航空航天等多领域应用广泛;其次是加速度传感器占比23.2%，在消费电子和汽车中的广泛应用也保持着稳步增长;MEMS陀螺仪发展较快，在航空、航天、航海、汽车、生物医学和环境监控等领域得到了应用，占比达到10%。

产业布局。在政策鼓励下，中国MEMS产业迅速向全国地区渗透，已在长三角和京津冀地区建立完整的产学研布局。从企业数量和分布来看，2018年我国MEMS传感器制造企业大约有200家，大多属于初创类中小型企业，主要集中在长三角地区，并逐渐形成以北京、上海、深圳和西安等中心城市为主的区域空间布局。

从产品使用领域结构来看，国内MEMS公司在营业规模、技术水平、产品结构、与国外有明显差距，60%至70%的设计产品集中在加速度计、压力传感器等传统领域。