近年來，國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)賽道的投融資熱潮越來越盛，多家傳感器企業(yè)獲得資本青睞，或有巨額融資或已成功登陸中國股市。
然而，傳感器細分領(lǐng)域眾多，并非所有領(lǐng)域都獲得資本青睞，總體來說，以MEMS技術(shù)為主的智能傳感器、激光雷達以及圖像傳感器等賽道獲得機會較多，其中MEMS更是備受關(guān)注。
那么，這些金融機構(gòu)為什么看好中國的MEMS智能傳感器產(chǎn)業(yè)呢？
本文來自平安銀行創(chuàng)新委員會等多家金融機構(gòu)，認為MEMS是半導體產(chǎn)業(yè)的后起之秀，文中簡明扼要地闡述了國產(chǎn)MEMS廠商與國外巨頭的差距，MEMS市場情況和競爭格局、MEMS器件的未來應(yīng)用等，認為我國MEMS行業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)體系不斷完善，為國內(nèi)MEMS行業(yè)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展環(huán)境。行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>
眾多金融機構(gòu)看好中國半導體的MEMS賽道。
一、半導體后起之秀——MEMS
與傳統(tǒng)的機械工藝相比，MEMS具有微型化、集成化、多樣化等特點，生產(chǎn)出的產(chǎn)品功能多樣，集成度高。
MEMS產(chǎn)品主要分為MEMS傳感器與MEMS執(zhí)行器，其類別繁多，按測量數(shù)量類別可劃分為物理、化學、生物型三類，各類別傳感器結(jié)構(gòu)雖有不同，但運作邏輯類似，即與外界環(huán)境進行接觸，感知外部信號的變化，將物理、化學信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。
在去年的FIFA世界杯賽上，除了球員們在場上的精彩表現(xiàn)之外，最搶眼的莫過于引入的半自動越位識別系統(tǒng)。這一系統(tǒng)之所以能夠精準判罰，關(guān)鍵就在于足球內(nèi)部的芯片內(nèi)置了一個500Hz的運動傳感器，傳感器將感知的足球運動數(shù)據(jù)信號輸出給裁判系統(tǒng)，實現(xiàn)快速的判決，這個傳感器所采用的技術(shù)是MEMS。
除了體育賽事，MEMS的應(yīng)用其實已經(jīng)滲透到了日常生活的方方面面，被廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療、人工智能等各個領(lǐng)域，從手機、相機、GPS導航等電子產(chǎn)品，再到智慧醫(yī)療、智能駕駛等場景，都能見到MEMS傳感器的身影。隨著全球電子制造產(chǎn)業(yè)鏈加速向亞太地區(qū)轉(zhuǎn)移，MEMS的產(chǎn)業(yè)重心也在不斷遷移，我國成為MEMS發(fā)展?jié)摿ψ畲?，增速最快的市?/span>。截至2022年末，我國MEMS傳感器市場規(guī)模達1008億，預(yù)計2023年將達到1200億。
與芯片產(chǎn)業(yè)一樣，MEMS產(chǎn)業(yè)鏈也分上游設(shè)計、中游制造、下游封裝測試三大環(huán)節(jié)。其中，有部分實力強勁的垂直整合制造廠商會參與到整條產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)。不過，我國MEMS產(chǎn)業(yè)鏈雖然完備，但技術(shù)起步較晚，產(chǎn)品精度、敏感度等性能還處在快速追趕階段。
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上游設(shè)計
MEMS的設(shè)計綜合了材料、結(jié)構(gòu)、光學等學科，且需要考慮其制造、封裝工藝、低成本、智能化等實際需求，要借助計算機輔助設(shè)計，通過復雜的試驗驗證設(shè)計方案可行性，方能滿足各項嚴苛要求。上游設(shè)計企業(yè)現(xiàn)具備一定創(chuàng)新能力，但業(yè)務(wù)同質(zhì)化，產(chǎn)品定位中低端，規(guī)模偏小。該環(huán)節(jié)附加值較高，國內(nèi)產(chǎn)品以力學傳感器為主，因此多數(shù)企業(yè)年營收在億級以下。
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中游制造
MEMS制造需具有獨特專有的設(shè)備開發(fā)技術(shù)，目前，國內(nèi)MEMS中游代工廠仍處成長期，代工產(chǎn)能有限、能力較為薄弱，國內(nèi)具備規(guī)模的設(shè)計企業(yè)基本出海代工。在MEMS專業(yè)代工方面，國內(nèi)企業(yè)通過并購、新設(shè)生產(chǎn)線等方式逐步進軍。
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下游封測
下游外購MEMS設(shè)計封測模式成熟，國內(nèi)的聲感MEMS具備國際競爭力。中國MEMS封裝測試起步早，已誕生一批優(yōu)秀MEMS麥克風企業(yè)，他們通過購買海外設(shè)計MEMS IP，委托代工并自行封測銷售，直達下游，品牌影響力強，具備全球TOP30競爭力。
當前，MEMS發(fā)展受下游產(chǎn)業(yè)拉動大。隨著物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、AI等智能場景發(fā)展，MEMS還在繼續(xù)呈現(xiàn)小型化、高精度等升級趨勢。
二、MEMS器件一覽
1、工作原理
集成電路的設(shè)計是為了利用硅的電學特性，而MEMS則利用硅的機械特性，或者說利用硅的電學和機械特性。MEMS傳感器就是把一顆MEMS芯片和一顆專用集成電路芯片（ASIC芯片）封裝在一塊后形成的器件。
一顆MEMS麥克風的主要器件是一顆MEMS芯片和一顆ASIC芯片，與基板、外殼等封裝一起，就做成了一顆MEMS傳感器。這也是大部分MEMS傳感器的基礎(chǔ)構(gòu)造。MEMS芯片來將聲音轉(zhuǎn)化為電容、電阻等信號變化，ASIC芯片將電容、電阻等信號變化轉(zhuǎn)化為電信號，由此實現(xiàn)MEMS傳感器的功能——外界信號轉(zhuǎn)化為電信號。
2、MEMS器件類型
常見的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。
MEMS產(chǎn)品主要可以分為MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器。其中傳感器是用于探測和檢測物理、化學、生物等現(xiàn)象和信號的器件，而執(zhí)行器是用于實現(xiàn)機械運動、力和扭矩等行為的器件。MEMS產(chǎn)品目前以傳感器為主，MEMS執(zhí)行器領(lǐng)域僅射頻MEMS和噴墨打印頭市場規(guī)模相對較大。MEMS傳感器作為信息獲取和交互的關(guān)鍵器件，目前已在消費電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)、通信、國防和航空等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
3、應(yīng)用領(lǐng)域
MEMS器件的發(fā)展開辟了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
MEMS是隨著半導體集成電路微細加工技術(shù)和超精密機械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，目前MEMS加工技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學等領(lǐng)域，從而進行生物化學等實驗室技術(shù)流程的芯片集成化。
三、差距原因
1、技術(shù)瓶頸
設(shè)計MEMS器件的封裝往往比設(shè)計普通集成電路的封裝更加復雜，這是因為工程師常常要遵循一些額外的設(shè)計約束，以及滿足工作在嚴酷環(huán)境條件下的需求。器件應(yīng)該能夠在這樣的嚴苛環(huán)境下與被測量的介質(zhì)非常明顯地區(qū)別開來。這些介質(zhì)可能是像干燥空氣一樣溫和，或者像血液、散熱器輻射等一樣嚴苛。其他的介質(zhì)還包括進行測量時的環(huán)境，例如，沖擊、震動、溫度變化、潮濕和EMI/RFI等。
2、人才積累
MEMS壓力和慣性傳感器都具有多品種、小批量的特點，技術(shù)經(jīng)驗和專業(yè)人才的積累是領(lǐng)先國內(nèi)公司核心競爭力。目前國內(nèi)缺乏從事MEMS壓力傳感器研發(fā)與量產(chǎn)的大型企業(yè)，全球MEMS壓力傳感器市場的市場份額仍然主要被博世、英飛凌、意法半導體等國外廠商占據(jù)。
3、本身特質(zhì)
MEMS的最大特點就是微型化，其體積和重量普遍較小，由于其獨特的構(gòu)造和物理特性，MEMS可以通過微細加工實現(xiàn)非常微弱的電學、光學、熱學和機械效應(yīng)。在MEMS系統(tǒng)中，所有的幾何變形是如此之小(分子級)，以至于結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的線性關(guān)系(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之間的分子相互作用力引起的，而不是由于載荷壓力引起，因此生產(chǎn)器件需要及其嚴苛的環(huán)境和相關(guān)技術(shù)的加持。
四、MEMS器件市場現(xiàn)狀
1、全球規(guī)模高速增長
整來看，全球MEMS市場規(guī)模的收入從2020年的115億美元增加到2021年的約136億美元，同比增長17%。2021 年的收入是由消費和汽車應(yīng)用的持續(xù)傳感化以及醫(yī)療和工業(yè)終端市場及相關(guān)應(yīng)用的進步推動的。由于芯片短缺和全球分配問題，慣性和壓力MEMS等一些MEMS器件的ASP在2021年略有增長，為市場創(chuàng)造了額外的收入增長。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等高新科學技術(shù)的日益成熟，傳統(tǒng)傳感器由于體積較大、集成度低等劣勢，已逐漸無法滿足下游行業(yè)的需求。
在此背景下，MEMS技術(shù)在傳感器行業(yè)的運用日益提升，行業(yè)規(guī)模也得以迅速擴張。據(jù)資料顯示，2021年全球MEMS行業(yè)市場規(guī)模約為136億美元，同比增長12.9%。預(yù)計到2027年行業(yè)規(guī)模將增長至223億美元。
2、國內(nèi)市場不斷擴大
隨著近年來下游市場的快速發(fā)展及MEMS技術(shù)應(yīng)用比例的不斷提升，近年來我國MEMS行業(yè)發(fā)展迅速，已然成為全球MEMS市場發(fā)展最快的地區(qū)。據(jù)資料顯示，2021年中國MEMS市場規(guī)模超過900億元，同比增長超過20%，中國已成為全球MEMS產(chǎn)業(yè)最大單一市場，增速遠高于全球平均水平，展現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的勢頭，2022年我國MEMS行業(yè)市場規(guī)模約為1044.3億元，同比增長17.1%。
3、競爭格局明朗
從地域來看，在MEMS這個領(lǐng)域，依然是美國占據(jù)較強的地位，有接近一半的廠商是屬于美國。歐洲也不遜色，有博世、意法半導體、恩智浦等。日本廠商以特色占有一席之地。
中國靠麥克風市場（樓氏、歌爾微、瑞聲科技）和代工市場（賽微電子）占據(jù)一定的地位。目前國內(nèi)缺乏從事MEMS傳感器研發(fā)與量產(chǎn)的大型企業(yè)，全球MEMS傳感器市場的市場份額仍然主要被博世、英飛凌、意法半導體等國外廠商占據(jù)。目前已有少數(shù)企業(yè)已開始嶄露頭角，部分國內(nèi)企業(yè)發(fā)力MEMS，已取得顯著成果。
敏芯作為中國最早成立的MEMS研發(fā)公司之一，現(xiàn)已擁有完整的芯片設(shè)計、晶圓制造、封裝與測試等全產(chǎn)業(yè)鏈的自主研發(fā)設(shè)計能力，憑借完全自主設(shè)計的MEMS芯片與ASIC芯片成功打破了國外廠商長期壟斷的格局。
五、MEMS持續(xù)火熱，加快推進應(yīng)用領(lǐng)域
MEMS傳感器能適應(yīng)性強，能在各種惡劣條件下工作，并且其具備成本低、精度高、多元化的優(yōu)勢，因此MEMS的應(yīng)用滲透到各行各業(yè)當中。隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、元宇宙、云計算等產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展，將持續(xù)帶動MEMS在核心場景的落地。
消費電子
消費電子是指可供消費者日常使用的電子設(shè)備，隨著消費電子領(lǐng)域發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，消費電子已成為MEMS最大的應(yīng)用市場。同時，與人們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)聯(lián)也最為密切。
在可穿戴設(shè)備層面，小米Mi Band使用了ADI MEMS加速度、心率傳感器，實現(xiàn)運動和心率監(jiān)測；Apple Watch 也運用MEMS加速度計、陀螺儀、麥克風及脈搏傳感器。
智能穿戴設(shè)備VR/AR需要高精測定頭部轉(zhuǎn)動速度、角度、距離，MEMS加速度計、陀螺儀、磁力計的組合幾乎是行業(yè)標配，甚至部分廠商還使用了MEMS眼球追蹤技術(shù)；無人機則結(jié)合加速度計和陀螺儀，計算角度變化，確定位置、飛行姿態(tài)，實現(xiàn)在各種環(huán)境下自如飛行。
智能駕駛
在汽車領(lǐng)域，MEMS也有廣泛成熟的應(yīng)用，以提升駕駛體驗和車輛安全性。
例如，安全氣囊就同時采用了正面碰撞的高G加速度傳感器和側(cè)面碰撞的壓力傳感器；汽車發(fā)動機通過絕對壓力傳感器和流量傳感器來檢測進氣量的進氣歧管；部分汽車輪胎制造商還會在輪胎中埋置MEMS微型壓力傳感器，以免輪胎充氣不足或過量導致駕駛事故。
另外一些汽車領(lǐng)域較新的MEMS應(yīng)用，主要集中在車聯(lián)網(wǎng)。在主動安全領(lǐng)域中，側(cè)翻與穩(wěn)定性控制可以通過MEMS加速度、角速度傳感器來探測車身姿態(tài)；在人車交互領(lǐng)域中，MEMS麥克風可為駕駛員提供更好的交互體驗；在精確導航中，微陀螺儀角速率傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)GPS信號補償和汽車地盤控制系統(tǒng)，借此指示方向盤轉(zhuǎn)動是否到位，是否存在脫軌、錯軌風險。
除此之外，在越來越自動化的駕駛中，超聲波、圖像、毫米波雷達、激光雷達、夜視儀、3D感知等均應(yīng)用到MEMS傳感器。
智慧醫(yī)療
在智慧醫(yī)療場景中，遠程醫(yī)療、智能醫(yī)療，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云服務(wù)的醫(yī)療進階應(yīng)用也大量使用MEMS醫(yī)療感測元器件。
隨著體外診斷、藥物研究、病患監(jiān)測、給藥方式以及植入式醫(yī)療器械等領(lǐng)域發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備需要迅速提高性能、降低成本、縮小尺寸。而MEMS技術(shù)可使醫(yī)療設(shè)備做到微型化，醫(yī)療檢測、診斷、手術(shù)和治療過程可以更加便捷、精準、微創(chuàng)甚至無痛。
MEMS壓力傳感器可以檢測包括血壓、眼內(nèi)壓、顱內(nèi)壓、子宮內(nèi)壓等在內(nèi)的人體器官壓力水平；MEMS慣性器件主要用于心臟病治療設(shè)備；而MEMS圖像傳感器則普遍應(yīng)用于包括CT掃描、內(nèi)窺鏡在內(nèi)的醫(yī)學成像設(shè)備中。
航空航天
在航空航天領(lǐng)域，MEMS的應(yīng)用主要有狀態(tài)傳感器和環(huán)境傳感器。狀態(tài)傳感器主要針對飛機姿態(tài)、燃料用量、生命活動、各種活動機件的即時位置等進行監(jiān)測；環(huán)境傳感器主要針對溫濕度、氧氣濃度、流量大小等方面進行測量。
通過提供有關(guān)航天器的工作信息，MEMS傳感器可對飛機重要運行部件的精準測量、監(jiān)控，起到故障診斷、系統(tǒng)自檢、協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)、模擬飛行等功能，在驗證設(shè)計方案、提供飛行操作決策依據(jù)、保障正常飛行等場景發(fā)揮重要作用。
總體來看，MEMS的發(fā)展有扎實下游需求基礎(chǔ)，其技術(shù)也隨著科技發(fā)展在不斷迭代更新。未來，在AI、VRAR、智能駕駛、智慧醫(yī)療、航空航天等產(chǎn)業(yè)拉動下，MEMS需求還將穩(wěn)步提升，MEMS 傳感器的應(yīng)用也將為我們打開更大的想象空間。
結(jié)語
隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等高新科學技術(shù)的日益成熟，傳統(tǒng)傳感器由于體積較大、集成度低等劣勢，已逐漸無法滿足下游行業(yè)的需求。與傳統(tǒng)傳感器相比，MEMS傳感器具有微型化、重量輕、集成度高、智能化、低成本、功耗低、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。在此背景下，MEMS技術(shù)在傳感器行業(yè)的運用日益提升。
目前，MEMS傳感器已經(jīng)廣泛運用于消費電子、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、通信等各個領(lǐng)域，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，MEMS傳感器的應(yīng)用場景將更加多元。在國家政策的大力支持下，國內(nèi)MEMS行業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)體系不斷完善，各研發(fā)與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實力整體提升。
各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)和研究平臺為完善國內(nèi)MEMS行業(yè)的研發(fā)體系提供了基礎(chǔ)。專業(yè)的晶圓制造和封裝領(lǐng)域的企業(yè)逐漸加大對MEMS業(yè)務(wù)的投入，并與公司一起開發(fā)了MEMS產(chǎn)品相應(yīng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制造加工工藝。我國MEMS行業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)體系不斷完善，為國內(nèi)MEMS行業(yè)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展環(huán)境。
未來，MEMS器件需求將不斷擴大，且國家大力支持半導體市場國產(chǎn)替代，在政策支持以及市場驅(qū)動下，半導體企業(yè)將不斷加大技術(shù)、產(chǎn)品研發(fā)能力，逐漸縮小與國際領(lǐng)先企業(yè)之間差距，行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>
