中國半導(dǎo)體彎道超車的最后機(jī)會(huì)？MEMS，千億市場(chǎng)背后的國產(chǎn)突圍

眾多金融機(jī)構(gòu)看好中國半導(dǎo)體的MEMS賽道。

一、半導(dǎo)體后起之秀——MEMS

與傳統(tǒng)的機(jī)械工藝相比，MEMS具有微型化、集成化、多樣化等特點(diǎn)，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(cè)量數(shù)量類別可劃分為物理、化學(xué)、生物型三類，各類別傳感器結(jié)構(gòu)雖有不同，但運(yùn)作邏輯類似，即與外界環(huán)境進(jìn)行接觸，感知外部信號(hào)的變化，將物理、化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

在去年的FIFA世界杯賽上，除了球員們?cè)趫?chǎng)上的精彩表現(xiàn)之外，最搶眼的莫過于引入的“半自動(dòng)越位識(shí)別系統(tǒng)”。這一系統(tǒng)之所以能夠精準(zhǔn)判罰
，關(guān)鍵就在于足球內(nèi)部的芯片內(nèi)置了一個(gè)500Hz的運(yùn)動(dòng)傳感器，傳感器將感知的足球運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)輸出給裁判系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速的判決，這個(gè)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(shí)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(gè)領(lǐng)域，從手機(jī)、相機(jī)、GPS導(dǎo)航等電子產(chǎn)品，再到智慧醫(yī)療、智能駕駛等場(chǎng)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?chǎng)。截至2022年末，我國MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1008億，預(yù)計(jì)2023年將達(dá)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(jì)、中游制造、下游封裝測(cè)試三大環(huán)節(jié)。其中，有部分實(shí)力強(qiáng)勁的垂直整合制造廠商會(huì)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。

1、上游設(shè)計(jì)

MEMS的設(shè)計(jì)綜合了材料、結(jié)構(gòu)、光學(xué)等學(xué)科，且需要考慮其制造、封裝工藝、低成本、智能化等實(shí)際需求，要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，通過復(fù)雜的試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可行性，方能滿足各項(xiàng)嚴(yán)苛要求。上游設(shè)計(jì)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(xué)傳感器為主，因此多數(shù)企業(yè)年?duì)I收在億級(jí)以下。

2、中游制造

MEMS制造需具有獨(dú)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(jì)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(jìn)軍。

3、下游封測(cè)

下游外購MEMS設(shè)計(jì)封測(cè)模式成熟，國內(nèi)的聲感MEMS具備國際競(jìng)爭(zhēng)力。中國MEMS封裝測(cè)試起步早，已誕生一批優(yōu)秀MEMS麥克風(fēng)企業(yè)，他們通過購買海外設(shè)計(jì)MEMS IP，委托代工并自行封測(cè)銷售，直達(dá)下游，品牌影響力強(qiáng)，具備全球TOP30競(jìng)爭(zhēng)力。

當(dāng)前，MEMS發(fā)展受下游產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)大。隨著物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、AI等智能場(chǎng)景發(fā)展，MEMS還在繼續(xù)呈現(xiàn)小型化、高精度等升級(jí)趨勢(shì)。

二、MEMS器件一覽

1、工作原理

集成電路的設(shè)計(jì)是為了利用硅的電學(xué)特性，而MEMS則利用硅的機(jī)械特性，或者說利用硅的電學(xué)和機(jī)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(fēng)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(hào)變化，ASIC芯片將電容、電阻等信號(hào)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由此實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器的功能——外界信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

2、MEMS器件類型

常見的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)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(cè)和檢測(cè)物理、化學(xué)、生物等現(xiàn)象和信號(hào)的器件，而執(zhí)行器是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、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(chǎng)規(guī)模相對(duì)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(fèi)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(gè)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(jī)械光學(xué)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(xué)、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(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)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(xué)等領(lǐng)域，從而進(jìn)行生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)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(jì)MEMS器件的封裝往往比設(shè)計(jì)普通集成電路的封裝更加復(fù)雜，這是因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E5%B8%88/">工程師常常要遵循一些額外的設(shè)計(jì)約束，以及滿足工作在嚴(yán)酷環(huán)境條件下的需求。器件應(yīng)該能夠在這樣的嚴(yán)苛環(huán)境下與被測(cè)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(yán)苛。其他的介質(zhì)還包括進(jìn)行測(cè)量時(shí)的環(huán)境，例如，沖擊、震動(dòng)、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(diǎn)，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)人才的積累是領(lǐng)先國內(nèi)公司核心競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)的市場(chǎng)份額仍然主要被博世、英飛凌、意法半導(dǎo)體等國外廠商占據(jù)。

3、本身特質(zhì)

MEMS的最大特點(diǎn)就是微型化，其體積和重量普遍較小，由于其獨(dú)特的構(gòu)造和物理特性，MEMS可以通過微細(xì)加工實(shí)現(xiàn)非常微弱的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和機(jī)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(jí))，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(yán)苛的環(huán)境和相關(guān)技術(shù)的加持。

四、MEMS器件市場(chǎng)現(xiàn)狀

1、全球規(guī)模高速增長

整來看，全球MEMS市場(chǎng)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(fèi)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(chǎng)及相關(guān)應(yīng)用的進(jìn)步推動(dòng)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(chǎng)創(chuàng)造了額外的收入增長。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等高新科學(xué)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(shì)，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(yùn)用日益提升，行業(yè)規(guī)模也得以迅速擴(kuò)張。據(jù)資料顯示，2021年全球MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為136億美元，同比增長12.9%。預(yù)計(jì)到2027年行業(yè)規(guī)模將增長至223億美元。

2、國內(nèi)市場(chǎng)不斷擴(kuò)大

隨著近年來下游市場(chǎng)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(chǎng)發(fā)展最快的地區(qū)。據(jù)資料顯示，2021年中國MEMS市場(chǎng)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(chǎng)，增速遠(yuǎn)高于全球平均水平，展現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭，2022年我國MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為1044.3億元，同比增長17.1%。

3、競(jìng)爭(zhēng)格局明朗

從地域來看，在MEMS這個(gè)領(lǐng)域，依然是美國占據(jù)較強(qiáng)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(dǎo)體、恩智浦等。日本廠商以特色占有一席之地。

中國靠麥克風(fēng)市場(chǎng)（樓氏、歌爾微、瑞聲科技）和代工市場(chǎng)（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(chǎng)的市場(chǎng)份額仍然主要被博世、英飛凌、意法半導(dǎo)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(jì)、晶圓制造、封裝與測(cè)試等全產(chǎn)業(yè)鏈的自主研發(fā)設(shè)計(jì)能力，憑借完全自主設(shè)計(jì)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(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域

MEMS傳感器能適應(yīng)性強(qiáng)，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(shì)，因此MEMS的應(yīng)用滲透到各行各業(yè)當(dāng)中。隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、元宇宙、云計(jì)算等產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，將持續(xù)帶動(dòng)MEMS在核心場(chǎng)景的落地。

消費(fèi)電子

消費(fèi)電子是指可供消費(fèi)者日常使用的電子設(shè)備，隨著消費(fèi)電子領(lǐng)域發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，消費(fèi)電子已成為MEMS最大的應(yīng)用市場(chǎng)。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和心率監(jiān)測(cè)；Apple Watch 也運(yùn)用MEMS加速度計(jì)、陀螺儀、麥克風(fēng)及脈搏傳感器。

智能穿戴設(shè)備VR/AR需要高精測(cè)定頭部轉(zhuǎn)動(dòng)速度、角度、距離，MEMS加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)的組合幾乎是行業(yè)標(biāo)配，甚至部分廠商還使用了MEMS眼球追蹤技術(shù)；無人機(jī)則結(jié)合加速度計(jì)和陀螺儀，計(jì)算角度變化，確定位置、飛行姿態(tài)，實(shí)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(yàn)和車輛安全性。

例如，安全氣囊就同時(shí)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(dòng)機(jī)通過絕對(duì)壓力傳感器和流量傳感器來檢測(cè)進(jìn)氣量的進(jìn)氣歧管；部分汽車輪胎制造商還會(huì)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(dǎo)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(dòng)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(cè)車身姿態(tài)；在人車交互領(lǐng)域中，MEMS麥克風(fēng)可為駕駛員提供更好的交互體驗(yàn)；在精確導(dǎo)航中，微陀螺儀角速率傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)GPS信號(hào)補(bǔ)償和汽車地盤控制系統(tǒng)，借此指示方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)是否到位，是否存在脫軌、錯(cuò)軌風(fēng)險(xiǎn)。

除此之外，在越來越自動(dòng)化的駕駛中，超聲波、圖像、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、夜視儀、3D感知等均應(yīng)用到MEMS傳感器。

在智慧醫(yī)療場(chǎng)景中，遠(yuǎn)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(jìn)階應(yīng)用也大量使用MEMS醫(yī)療感測(cè)元器件。

隨著體外診斷、藥物研究、病患監(jiān)測(cè)、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(cè)、診斷、手術(shù)和治療過程可以更加便捷、精準(zhǔn)、微創(chuàng)甚至無痛。

MEMS壓力傳感器可以檢測(cè)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(xué)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(duì)飛機(jī)姿態(tài)、燃料用量、生命活動(dòng)、各種活動(dòng)機(jī)件的即時(shí)位置等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；環(huán)境傳感器主要針對(duì)溫濕度、氧氣濃度、流量大小等方面進(jìn)行測(cè)量。

通過提供有關(guān)航天器的工作信息，MEMS傳感器可對(duì)飛機(jī)重要運(yùn)行部件的精準(zhǔn)測(cè)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(yàn)證設(shè)計(jì)方案、提供飛行操作決策依據(jù)、保障正常飛行等場(chǎng)景發(fā)揮重要作用。

總體來看，MEMS的發(fā)展有扎實(shí)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(dòng)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(jì)算、大數(shù)據(jù)等高新科學(xué)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(shì)，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(diǎn)，使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。在此背景下，MEMS技術(shù)在傳感器行業(yè)的運(yùn)用日益提升。

目前，MEMS傳感器已經(jīng)廣泛運(yùn)用于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、通信等各個(gè)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(chǎng)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(shí)力整體提升。

各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)和研究平臺(tái)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(duì)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(kuò)大，且國家大力支持半導(dǎo)體市場(chǎng)國產(chǎn)替代，在政策支持以及市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，半導(dǎo)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?/strong>