國產(chǎn)化率不足5%的核心器件：MEMS壓力傳感器

什么是MEMS壓力傳感器

壓力傳感器(Pressure Transducer)是工業(yè)實(shí)踐中常用的一種器件設(shè)備，通常由壓力敏感元件（彈性敏感元件、位移敏感元件）和信號處理單元組成，工作原理通?；趬好舨牧系淖兓驂毫σ鸬男巫儯芨惺軌毫π盘?，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號，以便實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量、控制和監(jiān)測，具有高精度、耐腐蝕和緊湊結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，適用于多種惡劣環(huán)境。其廣泛應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域及各種工業(yè)自控產(chǎn)品中，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，其中，汽車電子領(lǐng)域是壓力傳感器應(yīng)用規(guī)模最大的單一賽道，占比超過35%。

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二、?MEMS壓力傳感器的分類

MEMS壓力傳感器根據(jù)不同的應(yīng)用需求、不同的品類設(shè)計(jì)，有多種分類方式。行業(yè)內(nèi)主流的分類方式有按照工作原理劃分、按器件結(jié)構(gòu)劃分、按封裝方式劃分等。

三、?上下游產(chǎn)業(yè)鏈

MEMS壓力傳感器上游主要包括原材料供應(yīng)和芯片設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。MEMS壓力傳感器所需的材料可以分為四大類：半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機(jī)材料。

半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料是MEMS壓力傳感器最主要的原材料之一。隨著半導(dǎo)體國產(chǎn)化政策支持、資本支持力度不斷加大及晶圓產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)張等因素帶動下，我國半導(dǎo)體材料市場規(guī)模加速擴(kuò)張。

陶瓷材料

目前，我國電子陶瓷已進(jìn)入到優(yōu)化升級的發(fā)展階段，得益于下游電子工業(yè)、光纖通訊、國防軍工等眾多行業(yè)的巨大市場需求，電子陶瓷行業(yè)市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。未來隨著5G通信技術(shù)革新、電子元器件、新能源、智能裝備、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的需求增加，國產(chǎn)替代進(jìn)口速度加快，中國電子陶瓷行業(yè)市場規(guī)模將會繼續(xù)保持高速增長態(tài)勢。

金屬材料

銅材為MEMS上游主要原材料。其中銅材是指以純銅或銅合金制成各種形狀包括棒、線等。

芯片設(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。

02?中游生產(chǎn)企業(yè)

目前，汽車、消費(fèi)電子、醫(yī)療是MEMS壓力傳感器較大的應(yīng)用領(lǐng)域。汽車產(chǎn)業(yè)占MEMS壓力傳感器市場銷售額超40%，其次是消費(fèi)電子，銷售額占比約23%，醫(yī)療領(lǐng)域占17%，工業(yè)領(lǐng)域占約15%，其余市場如軍用、航空航天等領(lǐng)域。

汽車行業(yè)

汽車領(lǐng)域是MEMS傳感器重要下游應(yīng)用領(lǐng)域之一。在汽車領(lǐng)域，MEMS壓力傳感器以小型化、高精度和可靠性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于安全系統(tǒng)（如制動系統(tǒng)的壓力監(jiān)測、安全氣囊的壓力控制及碰撞保護(hù)）、排放控制（發(fā)動機(jī)排放氣體壓力控制與監(jiān)測）、輪胎監(jiān)測、發(fā)動機(jī)管理和懸掛系統(tǒng)等領(lǐng)域。高端的汽車一般都會有上百個傳感器，包括30-50個MEMS傳感器，其中就有10個左右的MEMS壓力傳感器。這些傳感器可提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，幫助汽車制造商優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能、提高燃油效率并增加駕駛安全性。

消費(fèi)電子

隨著3D導(dǎo)航、運(yùn)動監(jiān)測和健康監(jiān)測等應(yīng)用的發(fā)展，MEMS壓力傳感器在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的應(yīng)用也越來越普遍。智能手機(jī)、平板電腦和智能手表等設(shè)備中的壓力傳感器可用于氣壓計(jì)、高度計(jì)和室內(nèi)導(dǎo)航等功能。智能可穿戴設(shè)備中的壓力傳感器還可以監(jiān)測心率和體力活動等運(yùn)動和健康指標(biāo)，提供更精確的數(shù)據(jù)。此外，MEMS壓力傳感器在無人機(jī)、航模等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可提供海拔信息，與導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)飛行控制。

醫(yī)療行業(yè)

在醫(yī)療行業(yè)，MEMS壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)療設(shè)備和檢測系統(tǒng)中。它們可以用于血壓檢測、呼吸機(jī)和人工呼吸器的控制、體內(nèi)壓力監(jiān)測以及藥物輸送系統(tǒng)等。這些傳感器提供了準(zhǔn)確的壓力測量，幫助醫(yī)療工作人員進(jìn)行診斷和治療。

工業(yè)自動化

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，MEMS壓力傳感器用于監(jiān)測和控制各種工業(yè)過程，它們被廣泛應(yīng)用于液體和氣體管道系統(tǒng)、液位監(jiān)測、壓力控制和流量測量等領(lǐng)域。這些傳感器的高精度和可靠性對于確保工業(yè)過程的穩(wěn)定和安全至關(guān)重要。

航空航天

MEMS壓力傳感器可用于飛機(jī)和火箭的空氣動力學(xué)性能測試、高空氣壓監(jiān)測、氣象數(shù)據(jù)收集以及航空器和天基設(shè)備的氣壓控制。其小型化和輕量化特性使其成為航空航天領(lǐng)域中理想的選擇，能夠滿足嚴(yán)苛的環(huán)境要求。

四、?MEMS壓力傳感器行業(yè)情況

01?市場規(guī)模

Yole預(yù)測，2019-2026年全球MEMS壓力傳感器市場規(guī)模從16.84億美元增長至22.15億美元，年均復(fù)合增長率約為5%；出貨量從14.85億顆增長至21.83億顆，年均復(fù)合增長率為4.9%。

目前，MEMS 壓力傳感器已成為MEMS 傳感器市場規(guī)模最大的細(xì)分市場之一，在汽車、工業(yè)、醫(yī)療和和航天航空領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2020年我國MEMS壓力傳感器市場規(guī)模約為135億元。在消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備、無人機(jī)、醫(yī)療等行業(yè)高需求的推動下，結(jié)合國內(nèi)MEMS壓力傳感器國產(chǎn)化進(jìn)程加快，以及市場歷年增長趨勢，預(yù)測到2025年約接近300億元。

02?行業(yè)競爭格局

MEMS壓力傳感器因其高技術(shù)壁壘和工藝要求，長期以來國內(nèi)市場主要由海外企業(yè)主導(dǎo)。外資企業(yè)幾乎壟斷了全球MEMS壓力傳感器市場，高筑的技術(shù)壁壘下本土玩家屈指可數(shù)，國產(chǎn)化率不足5%，且國內(nèi)企業(yè)主要以組裝為主，核心芯片依賴進(jìn)口。這種局面形成了MEMS行業(yè)的寡頭競爭格局，市場集中度相當(dāng)高。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，市場前三名的集中度（CR3）達(dá)到了77%左右，全球頭部廠商包括博世、泰科電子、英飛凌、森薩塔和恩智浦、安費(fèi)諾、霍尼韋爾、意法半導(dǎo)體、邁來芯等。

在壓力傳感器領(lǐng)域，中高壓壓力傳感器的總成及核心芯片、器件的市場份額幾乎全部被森薩塔占據(jù)；差壓壓力傳感器總成的市場份額主要被BOSCH（博世）、DENSO（電裝）、Delphi（德爾福）、Sensata（森薩塔）等公司占據(jù)，核心芯片、器件的市場份額主要被NXP、Infineon、Melexis等公司占據(jù)，國內(nèi)企業(yè)的市場占有率極低。

國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)在積極布局高精度等高端MEMS壓力傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)。率先布局的廠商主要包括具備核心研發(fā)能力和標(biāo)定檢測能力的廠商，如康斯特、敏芯股份、華培動力和安培龍等。

從主要上市企業(yè)有關(guān)MEMS 壓力傳感器的研發(fā)項(xiàng)目來看，各企業(yè)積極布局高精度等高端MEMS 壓力傳感器，我國MEMS 壓力傳感器芯片設(shè)計(jì)國產(chǎn)化以及行業(yè)產(chǎn)業(yè)化可期。

03?行業(yè)特點(diǎn)

（1）行業(yè)整體情況

技術(shù)人才匱乏，傳感器進(jìn)口依賴度高。相比同為技術(shù)密集型行業(yè)的傳統(tǒng)半導(dǎo)體集成電路行業(yè)，MEMS 壓力傳感器行業(yè)屬于多學(xué)科交叉行業(yè)，MEMS 傳感器設(shè)計(jì)、制造和封裝測試涉及電子、機(jī)械、材料、工藝制造、物理、化學(xué)、生物等眾多學(xué)科，對不同專業(yè)背景復(fù)合型人才需求量大，而中國 MEMS 傳感器行業(yè)起步較晚，傳感器技術(shù)研發(fā)落后德國、美國等國家近十年，技術(shù)和人才儲備匱乏，基礎(chǔ)研究不充分，嚴(yán)重制約行業(yè)的發(fā)展。

當(dāng)前，中國芯片行業(yè)從業(yè)者不到 30 萬人，其中高端人才供給不足。作為與芯片行業(yè)高度重合且多學(xué)科交叉特性更強(qiáng)的特殊行業(yè)，MEMS 壓力傳感器行業(yè)在人才資源積累上更加缺乏。受此影響，中國 MEMS 壓力傳感器企業(yè)規(guī)模小、產(chǎn)品研發(fā)周期長、盈利能力低，多采用外購芯片封裝測試的商業(yè)模式，導(dǎo)致本土企業(yè)及其下游客戶對海外領(lǐng)先企業(yè)產(chǎn)品的進(jìn)口依賴度高，中高端產(chǎn)品進(jìn)口比例超過 80%，傳感器芯片進(jìn)口比例約 90%。中國對海外 MEMS壓力傳感器的高度依存度將影響本土企業(yè)吸引人才、提高盈利和擴(kuò)大產(chǎn)能，對 MEMS壓力傳感器行業(yè)國產(chǎn)化進(jìn)程造成負(fù)面影響。

國內(nèi)目前產(chǎn)、學(xué)、研資源比較分散，同時產(chǎn)學(xué)研脫節(jié)，做材料的不會做芯片，做芯片的不懂傳感器具體芯體和傳感器具體研發(fā)設(shè)計(jì)及實(shí)際現(xiàn)場需求，目前國內(nèi)壓力領(lǐng)域沒有一家銷售額超過10億元的傳感器公司，大多以購買國外芯片和芯體進(jìn)行組裝的小實(shí)體，并且沒有力量投入持續(xù)研發(fā)和工藝改進(jìn)。而國外的私營企業(yè)發(fā)展模式，國際企業(yè)先因需要解決采集壓力信號的需求，轉(zhuǎn)化為需要做傳感器來采集信號，在此過程中企業(yè)自己研發(fā)芯片和集成電路及各種材料相關(guān)的部件集成為傳感器，國外企業(yè)都是經(jīng)過上百年或者幾十年的積累、并購、整合發(fā)展出的行業(yè)巨無霸。

（2）行業(yè)特點(diǎn)

產(chǎn)品高度定制化

MEMS壓力傳感器產(chǎn)品為非標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。由于MEMS壓力傳感器中復(fù)雜的極微小型機(jī)械系統(tǒng)的存在，MEMS壓力傳感器的芯片設(shè)計(jì)和工藝研發(fā)必須緊密配合，而且MEMS傳感器的應(yīng)用場景多樣，所處環(huán)境對于其中的極微小型機(jī)械系統(tǒng)而言較為惡劣，因此需要定制化開發(fā)晶圓和傳感器模組的專業(yè)封測設(shè)備系統(tǒng)和測試流程。MEMS壓力傳感器公司則在芯片的研發(fā)和傳感器銷售的同時，需要深度參與晶圓代工和封測環(huán)節(jié)的工藝開發(fā)和持續(xù)優(yōu)化調(diào)整的過程。

產(chǎn)品種類多、細(xì)分領(lǐng)域市場規(guī)模小、企業(yè)體量較小

從MEMS壓力傳感器應(yīng)用場景來看，分為汽車、消費(fèi)電子（可穿戴設(shè)備、家電、無人機(jī)等）、醫(yī)療、工業(yè)等，不同應(yīng)用場景的需求和傳感器所處的環(huán)境不同，需要進(jìn)行不同品類的設(shè)計(jì)，各應(yīng)用領(lǐng)域的細(xì)分市場規(guī)模亦不大。

公開數(shù)據(jù)顯示，我國現(xiàn)有約100家MEMS壓力傳感器企業(yè)，一線梯隊(duì)企業(yè)產(chǎn)值過億元的不多，多數(shù)在5000萬元-1億元的區(qū)間，且均未突破核心技術(shù)壁壘。由于MEMS壓力傳感器單顆價(jià)值量較小，客制化程度較高，多數(shù)企業(yè)會專注在細(xì)分市場領(lǐng)域，單個企業(yè)的營收規(guī)模亦偏小。

下游產(chǎn)品驗(yàn)證要求高，準(zhǔn)入門檻較高

在車規(guī)級芯片產(chǎn)品需要滿足更嚴(yán)苛的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和門檻，需要通過更為嚴(yán)苛的測試，以滿足汽車行業(yè)對于產(chǎn)品安全性、穩(wěn)定性和使用壽命的苛刻要求。供應(yīng)商如果想要進(jìn)入汽車供應(yīng)鏈，必須要經(jīng)過一系列的驗(yàn)證測試，一般認(rèn)證周期一般需要1-2年。

醫(yī)用MEMS傳感器作為醫(yī)療行業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，其核心價(jià)值在于數(shù)據(jù)采集。具體的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)如ISO 13485，側(cè)重要求醫(yī)療器械領(lǐng)域的芯片生產(chǎn)企業(yè)建立和維護(hù)相應(yīng)的質(zhì)量管理體系。IEC 60601醫(yī)療電氣設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)，要求芯片在設(shè)計(jì)、制造和使用上符合相關(guān)的電氣安全性能要求，并能在一定的電氣環(huán)境下運(yùn)作穩(wěn)定可靠。FDA 510(k)針對醫(yī)療器械的市場準(zhǔn)入認(rèn)證，要求芯片生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全性數(shù)據(jù)和證明文件提交到FDA進(jìn)行評估和審批。

五、?行業(yè)關(guān)注點(diǎn)及投資邏輯

產(chǎn)品競爭力：量程、溫域、精度、穩(wěn)定性等方面

鋰離子電池未來的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在：①小型化、薄型化，從而滿足消費(fèi)類電子產(chǎn)品的需求；②大容量、大功率充放電，從而滿足應(yīng)用于動力、儲能領(lǐng)域。前者要求鋁塑膜在保證水、氧等阻隔性的同時向輕薄、 柔韌性方向發(fā)展，后者要求鋁塑膜具有更高機(jī)械強(qiáng)度、更高阻隔性及更長使用壽命。技術(shù)要求的不斷提高使得行業(yè)壁壘仍在持續(xù)提升。

材料和封裝工藝創(chuàng)新是發(fā)展的重要方向

材料方面，國內(nèi)科研所已經(jīng)在探索SiC高溫壓力傳感器，采用碳化硅單晶材料的全MEMS工藝加工技術(shù)來制備敏感元件，具有體積小、耐高溫、可滿足微壓力測量需求的特點(diǎn)。又如高精度石英諧振式壓力傳感器，采用全石英諧振式敏感芯片結(jié)構(gòu)，利用石英MEMS工藝技術(shù)加工而成，具備精度高穩(wěn)定性好、抗輻照、功耗低數(shù)字輸出等優(yōu)點(diǎn)，便于系統(tǒng)集成和應(yīng)用開發(fā)。

封測方面，由于MEMS壓力傳感器需要與外界復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行接觸，感知外部信號的變化，所以需要對成品的封裝結(jié)構(gòu)和封裝工藝進(jìn)行研發(fā)與設(shè)計(jì)，以降低產(chǎn)品失效的可能性。如低壓MEMS芯片的高可靠性方案，需在芯片封測層面上進(jìn)行了耐強(qiáng)酸，耐水汽，耐化學(xué)腐蝕的設(shè)計(jì)和流片保護(hù)工藝。中壓類領(lǐng)域，可利用基于MEMS的硅-玻璃-陶瓷燒結(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)替代傳統(tǒng)陶瓷電容中壓傳感器的方案。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)需具備較強(qiáng)的科研背景和熟練的工程技術(shù)

高端壓力傳感器制造設(shè)計(jì)到材料、微納工藝制造、技術(shù)壁壘高，傳感器行業(yè)是材料、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動化多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，對實(shí)踐要求很高，從掌握理論到能批量生產(chǎn)以及保證良率生產(chǎn)需要全面復(fù)合型經(jīng)驗(yàn)豐富的團(tuán)隊(duì)。壓力MEMS傳感器行業(yè)具有較高的技術(shù)門檻，國內(nèi)科研院所在完善國內(nèi)MEMS行業(yè)的研發(fā)體系方面提供了技術(shù)基礎(chǔ)和人才基礎(chǔ)。在分析企業(yè)的核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)時，可重點(diǎn)關(guān)注核心技術(shù)人員是否來自國內(nèi)MEMS領(lǐng)域相關(guān)的重點(diǎn)科研院所或?qū)嶒?yàn)室。同時，頭部廠商研發(fā)技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，亦可關(guān)注核心技術(shù)人員是否出自如博世、英飛凌、森薩塔、泰科電子等頭部廠商特別是其在國內(nèi)設(shè)立的研發(fā)中心。

結(jié)語

MEMS壓力傳感器作為工業(yè)實(shí)踐中常用的核心零部件，行業(yè)規(guī)模大，長坡厚雪，技術(shù)壁壘較高，我們期待國內(nèi)企業(yè)能夠早日打破國外壟斷，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，提高產(chǎn)品良率、質(zhì)量和性能，完成材料配方、芯片設(shè)計(jì)、工藝定型各個節(jié)點(diǎn)的突破，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品量產(chǎn)，積極開拓和增加下游應(yīng)用領(lǐng)域的國際市場份額。