微型机械电子系统(MEMS)行业竞争格局与发展趋势 分析

赵振越　蔡勇　万成东

MEMS实际上是微型机械电子系统的英文缩写 （Micro Electromechanical System），通常是一系列尺寸 在毫米级别甚至以下的电子机械装置，其内部涉及的结构通 常在微米甚至是纳米级别，是利用微型电子技术构建尽可 能小的智能系统。其生产加工通常是基于传统加工半导体 元器件的光蚀刻等工艺，结合超高精密机械加工技术。这 就使得MEMS实质上成为一种横跨物理、化学、电子信息、 机械等学科的交叉领域产品。

（一）MEMS的分类

从MEMS的分类来看，通常可分为传感器和执行 器。其中传感器主要用于实现对物理、化学、生物等的 现象和信号的感知和测量，与传统的传感器相比，MEMS传 感器具备高精度、高敏感度、低功耗、小体积等一系列 的优势。而执行器则主要用于对外输出力、扭矩，驱动 外部机械实现运动的机构，适用于很多精密的机械和电子 控制领域。在上述两种MEMS产品分类中，MEMS传感器是目 前应用最为广泛的种类。主要有物理、化学和生物三 类主流的MEMS传感器，其中物理传感器能够对自然界的物 理量进行测量，包括力学范畴的压力、加速度、角速度 等，以及电学范畴的电流、电场，磁学范畴的磁通量，热 学范畴的温度、热度等，光学的红外光、激光、可见光， 声学的噪声、超声等;化学传感器则是针对气体、湿度、离 子等，根据其化学特性进行探测;生物探测器则主要针对生 理量和生化量来测量，满足人们对于人体和生物化学的探测要求。

（二）MEMS的基本组成

图1 MEMS系统基本组成

通常來讲，典型的MEMS传感器和执行器构成的智能系统结构大致如图1所示。

如上图所示，一套MEMS系统，通常包含一组可 以用于检测外部信号或者现象的传感器，对外部的光、 电、声音、压力、温湿度、化学生物属性等进行感知，并 将上述感知结果转化为模拟电信号，传递到内部信息处理 单元。信息处理单元是整个MEMS系统的大脑，由于微电子 系统通常是利用数字信号进行运算和处理从而实现一系 列复杂的计算，因此需要将传感器获得的模拟信号转换为 微处理器可识别的数字信号。这就需要内部首先对模拟信 号进行采集，然后进行相应的处理，并转换为数字信号传 递给微处理器进行计算。当完成计算后，整套系统需要针 对采集到的信息，针对性做出动作，这就要求信息处理 单元能够对执行器下发指令。而执行器通常为模拟信号驱 动，对外输出信息、输出能量或者执行某些运动。因此这 就又要将数字指令和信号转换为模拟信号，从而实现对执 行器的驱动。综合上述流程，整套信息处理单元中需要提 供一个面向传感器的模拟信号处理器（通常内置模拟信号 转换数字信号的模块），一个专门用于数字信号接收计算 的数字信号处理器，以及一个用于向执行器输出指令的模 拟信号处理器（通常内置数字信号转换模拟信号的模块） 。通过上述单元，整套MEMS已经可以独立运行。但MEMS系 统通常需要与其他系统进行集成，才能够发挥更大的作 用，因此整套MEMS的信息处理单元还额外提供了对外的通 信接口，用以实现对内的指令下发和对外的数据指令传输。

“十四五”时期，全球产业加速数字化、智能 化变革，智能传感器作为数字化、智能化时代的重要硬 件基础，在全球市场中拥有巨大的增长空间，MEMS传感 器微型化、多样化、易于集成和批量生产等特点与智能 传感器创新发展方向高度契合，已成为智能传感器的重要 载体，在汽车电子、消费电子、工业电子、和医疗电子方 面有着广泛的应用。这里以几个典型领域为例，对MEMS的 应用前景进行探视。

（一）汽车领域

随着上世纪九十年代汽车工业智能化升级的开 始，汽车电子已经逐步上升到和传统汽车机械同等的重要 程度。作为需要实时关注多种数据的应用领域，汽车电子 首先成为了MEMS传感器应用的推动者和践行者。随着汽车 电子的进一步发展，汽车行业也在不断变革，从车辆安 全规范到全车信息化、智能化，MEMS始终充当着车辆电子 系统的五官和精细执行者。例如ABS汽车防抱死系统、 AES车身稳定系统、可调节的悬挂、电子驻车、运行胎压 监测、发动机降噪等，都需要集成MEMS传感器。随着汽车 电子消费需求的不断升级，车辆的智能化程度将越来越高 ，这意味着MEMS传感器的应用量会更大，应用需求会更具 体。

（二）消费电子领域

随着人们生活水平的不断提升，消费电子迎来 了大规模的发展，特别是随着需求的升级，产品创新成 为了消费电子的主要发展趋势。为进一步提升用户体验， 消费电子也在积极应用MEMS提升其智能化。电子设备的 安全防护，移动设备的定位模组、加速度计、射频组件 以及MEMS麦克风等，都是MEMS传感器在消费电子领域的 典型应用。MEMS在消费电子中的应用，显著提升了消费 电子产品的性能，提升了智能化程度，也进一步提升了 交互性能和娱乐性。未来随着消费电子创新的不断推进， MEMS的发展需求也将进一步扩展。

（三）航空航天领域

自人类开启空天探索以来，航空航天便成为了 人们探索空天的主要工具。在这一领域MEMS传感器主要 有状态和环境两类。状态传感器通常是对航空航天设备 的运行状态进行捕获，包括运行姿态、燃料状态、舱内乘 员状态等。同时通过这些传感器，中控计算机能够实时计 算和监控设备以及人员健康度，确保运行安全。而环境传 感器则主要对运行过程中的内外部环境状态进行监控，通 过对内外温湿度、引擎供氧及流量大小等进行实时测量， 确保中控计算机能够随时调整状态，为飞行控制提供决策 。随着航空航天的探索和应用需求不断升级，MEMS在航空 航天领域的应用也将更加深入。

（四）生物医疗领域

人类社会在经济发展的过程中，也在不断关注 自身健康问题。随着微电子技术在体外诊断、便携诊疗、 植入式器械等生物医疗领域应用的发展，医疗设备逐渐趋 于小型化、智能化。MEMS憑借低功耗等特点使其在医疗设 备微型化方面能够起到重要的作用。同时，以MEMS传感器 作为核心的一系列人体传感器和图像传感器，能够在检验 精度和便捷度方面为医疗健康行业做出自身的贡献。相信 未来人类生物医疗的进步也必将加速MEMS技术的进一步发展。

正是由于MEMS与人类社会发展拥有如此密切的 关系，MEMS目前已经成为电子信息产业不可忽视的一 个热点领域。据调查，得益于智能汽车、消费电子、医 疗信息服务、工业控制等领域的不断发展，全球MEMS市场 规模正在以年均10.4%的复合增长率不断增长。而这一 增速也正在不断提升，预计到2023年，MEMS的平均复合增 长率将超过20%，完全超越传统的半导体市场规模。如 此巨大的市场潜力，目前存在怎样的市场竞争格局，这里 笔者从全球概况、市场变化、商业机会以及面临挑战四方 面来探讨MEMS的市场竞争格局，并从对我国MEMS行业态势进行分析。

（一）全球概况

全球MEMS传感器市场目前仍由欧美日等发达国 家和地区主导，其中美国、德国以及日本三国市场占比 达到50%以上，而在高端MEMS传感器领域，美国和德国 的优势则更为明显。从全球市场应用领域来看，消费电 子、智能汽车（无人驾驶）、虚拟现实与增强现实等领域 存在新机遇。目前，MEMS市场极大程度上依赖汽车电子和 消费电子，随着疫情等因素的影响，MEMS在汽车电子领 域的发展明显放缓，然而随着消费电子领域的创新应用 需求，MEMS迎来了疫情后新的增长。

（二）市场变化

在不同的时代背景下，MEMS呈现出了不同的趋 向性。典型例证是新冠疫情对于部分MEMS企业的影响 。基于新冠疫情的防控需求，生产热成像和压力传感 器等的MEMS供应商获利受益，例如微测辐射热计供应 商Melexis、热辐射测试设备供应商高德红外、呼吸 机及重要MEMS压力传感器供应商Amphenol等。与此同时，近 三年以来，5G建设在全球逐步展开，这就使得供应射频 滤波器的博通和Qorvo在过去两年内业务增长迅猛。而 消费电子与人机交互的发展，又促使AAC、歌尔微电子等 企业，通过MEMS麦克风业务获得了较大的市场机遇。此外 诸如博世、ST、TDK等汽车电子供应商，也在当前智能 汽车、智能电动车的不断发展中获得了业务增长。从这里 也能看出，MEMS的发展不仅依赖需求的升级，更和时代背 景息息相关。

（三）商业机会

纵观MEMS行业和技术的发展可以发现，创新始 终是MEMS商业机会的核心来源。目前可穿戴设备的不断 普及和升级，使得惯性MEMS、声音捕捉传感器等的需求 不断上升。同时，空气质量检测乃至疫情防控设备所需 的气体传感器也将成为未来的重要发展方向。尽管目前激 光雷达仅应用于扫地机器人，但随着高级辅助驾驶和自动 驾驶的商业化，激光雷达必将迎来爆发式增长。传感器移 位OIS也是MEMS的另一个典型发展机会。随着苹果新款手机 中对于柔性光学图像稳定模块的应用，未来消费电子中 必然也将逐步把MEMS移位OIS纳入产品中。

（四）面临挑战

由于当前诸多智能应用领域追求低时延和更高 的安全性，因此传感器的应用越来越贴近离线场景，需 要传统MEMS技术进一步趋近本地处理方案，同时进一步提 升整体的集成度，应用复杂的系统级封装技术提升整体 性能，同时尽可能降低功耗。与此同时，实践证明，MEMS 本身无法作为价值链的关键而独立存在，应用场景和 集成创新变成了包括消费电子、汽车电子等主流MEMS应 用领域的价值核心。这就需要MEMS企业顺应市场发展趋 势，将MEMS硬件及智能化软件相互融合，提供真正可以 独立运行的智能化微型系统。典型的一个案例是：目前 包括苹果、ST在内的智能芯片生产商，已经开始在MCU中 集成人工智能模组，以实现原生的人工智能和深度学习。

（五）我国MEMS的行业发展态势

根据赛迪顾问发布的《2021中国MEMS产业研究 报告》来看，目前我国MEMS市场处于高速发展阶段。 首先，在过去的几年中，我国MEMS市场增速始终保持 在20%左右，高于全球市场增速，即使是疫情也没能 减缓这一趋势。

图2 我国MEMS市场规模现状及预测

同时，作为全球MEMS产品消费能力和未来市场 发展潜力最大的国家，目前我国已经在布局高端的MEMS 代工生产线，目前国内主流的产线以6英寸和8英寸芯片 为主，近年来随着罕王科技、耐威科技等先进产线先后落 地，我国的MEMS产能得到了一定程度的提升，且产能利用 率也从2015年的不足20%提升到现在的80%以上。并且， 约65%集中在我国华东地区，代工和封测大厂也主要 以华东地区为主。

总体而言，我国在MEMS产业方向上具备极强的 发展潜力，但在产品品质、工艺水平、高端设备、企业 规模等方面与国外仍存在明显差距，从现状来看，应当首 先加强核心技术攻关，同时加强产业协同能力，进一步提 升我国MEMS产业技术能力和工程能力。同时，政府也应当 进一步加大政策扶持力度，在MEMS基础理论、重点技术 、工艺研发等领域鼓励产、学、研和学术交流，为我国MEMS个业创造优良的发展环境。

图3 中国MEMS产线类型占比

目前，MEMS已成为全球物联网和电子信息智能 化的关键推动力。实质上，与其说是MEMS推动了物联网 和智能化的发展，不如说是人类社会不断发展带来的需 求升级，不断促使着MEMS向前发展。随着我国5G、工业 互联网、智能制造和智慧医疗等领域的不断发展，MEMS 必然成为我国智慧产业发展的最大推动力。可以预测， 未来十年必然是中国MEMS产业的黄金十年，一方面我国仍 然会是MEMS代工制造的大国，同时先进的封装也必然是 我国MEMS产业发展的重要环节。要把握这些机遇，就要 求我国不断推进MEMS方向的研发创新，通过产学研建立 MEMS用人育人平台，在新材料和传感创新集成方面突破 MEMS器件国产化设计制造难关。