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亚博官网|产业观察|高科技的幕后英雄——盘点MEMS产业前行之路

发布者: 亚博官网发布时间:2020-08-11

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【亚博】MEMS传感器是物联网、人工智能、5G等新一代信息技术的感官基础和数据来源,已沦为推展经济社会发展的关键基础与最重要引擎。本文辨别了MEMS概念与分类、技术优势、应用领域及市场格局,探究了MEMS产业链现状和特点,分析了产业发展机遇与趋势,并对我国如何构建产业升级明确提出了建议。MEMS简要:原理与分类MEMS全称MicroElectromechanicalSystem,即微机电系统,是将微电子与精密机械融合发展的工程技术,尺寸在1微米到100微米量级,核心功能是将物理信号切换为电子设备需要辨识的电信号,主要用作传感器。

这必须MEMS器件具备地下通道、孔、悬臂、膜、腔等一系列结构以测量环境变量,涵括机械(移动和转动)、光学、电子(电源和计算出来)、热学、生物等功能结构,牵涉到众多交叉学科。图1MEMS传感器结构示意图(图片来源:Sandia)MEMS传感器发展经历了三个阶段:1990~2000年的汽车电子化浪潮,熄灭了MEMS传感器的市场需求;2000~2010年的消费电子浪潮,推展MEMS传感器呈现出多品类、多功能一体化的发展态势;2010年至今的物联网及人工智能浪潮,造就了MEMS传感器单品放量、韧协同化发展。

MEMS传感器的种类多样,根据测量量有所不同可分成:MEMS物理传感器、MEMS化学传感器、MEMS生物传感器三大类,每一种MEMS传感器又有很多细分类别,如图2右图。少见的MEMS传感器有压力传感器、加速度传感器、微机械陀螺仪、惯性传感器、MEMS硅麦克风等等。

MEMS传感器的品种多到以万为单位,且有所不同MEMS之间参量较多,没几乎标准的工艺。图2MEMS传感器分类(图片来源:华夏幸福产业研究院整理)MEMS承继了集成电路的先进设备生产工艺,比起传统产品,具备微型化、成本低、效能低、可大批量生产等优势,生产能力低,良品率低。

微米量级的特征尺寸使MEMS传感器可以精彩胜任某些传统机械传感器所无法构建的功能,是微型传感器的主力军,于是以加快应用于大众生活及工业生产的各个方面。应用领域:百花齐放,精彩纷呈作为获取信息的关键入口,MEMS传感器已在汽车、消费电子、航空航天、生物医学等领域中获得了普遍的应用于。汽车:在20世纪90年代,MEMS首先在汽车工业开始应用于,汽车电子被指出是MEMS传感器第一波应用于高潮的推动者。获益于汽车行业安全性规定及信息化、智能化浪潮,MEMS传感器在汽车领域获得飞速发展,其应用于方向和市场需求还包括车辆的防抱死系统、电子车身平稳程序、电控挂、电动手刹、斜坡低速辅助、胎压监控、引擎防抖、车辆倾角计量和车内跳动检测等。

根据涉及调研数据,目前平均值每辆汽车包括10-30个MEMS传感器,而在高档汽车中约不会使用30甚至上百个MEMS传感器。消费电子:随着消费电子的大发展及产品创意不断涌现,该领域早已代替汽车沦为MEMS仅次于的应用于市场。

MEMS传感器在消费电子产品中可用作运动/坠落在检测、导航系统数据补偿、游戏/人机界面交互、电源管理、GPS强化/盲区避免、速度/距离计数等,应用于较多的品类为MEMS麦克风、3D加速器、MEMS射频组件、GPS陀螺仪、小型燃料电池与生化芯片等。多种MEMS传感器的综合应用于可减少电子设备的娱乐性及智能性,提高交互性能,大大提高了用户体验。

图3MEMS传感器在智能手机领域的应用于(图片来源:YoleDevelopment,民生证券)航空航天:MEMS在航空航天领域主要有状态传感器和环境传感器之分。状态传感器主要针对飞机姿态、燃料用量、生命活动、各种活动机件的即时方位等展开监测。环境传感器主要针对温湿度、氧气浓度、流量大小等方面展开测量。

通过获取有关航天器的工作信息,MEMS传感器起着故障诊断、获取决策依据、确保长时间飞行中的起到。近期事故频出已全球停航的波音737MAX飞机,故障主要原因之一是迎角传感器产生读数输入错误,造成了系统无法起着严苛的维护起到。小小传感器对航空航天安全性的重要性可见一斑。

生物医疗:随着体外临床、药物研究、病患监测、给药方式以及植入式医疗器械等领域发展,医疗设备必须很快提升性能、降低成本、增大尺寸。MEMS技术使医疗设备可以做微型化,医疗检测、临床、手术和化疗过程可以更为便利、精准,甚至溃疡。MEMS压力传感器可以检测还包括血压、眼内压、颅内压、子宫内压等在内的人体器官压力水平。

MEMS惯性器件最主要用作心脏病化疗设备。MEMS图像传感器广泛应用于还包括CT扫瞄、内窥镜在内的医学光学设备中。MEMS技术在传感和继续执行功能上的优势,使其在医疗身体健康行业的应用于普遍快速增长。

此外,MEMS技术在国防、工业、能源及环保等领域也有广泛应用,为各行各业获取自动化、智能化的数据模块,赋能智能社会。根据涉及市场调研数据,全球MEMS市场结构中消费电子领域占到比最低,快速增长空间仅次于的是生物医疗领域。市场格局:竞争白热化,美德日企业主导市场市场调查公司YoleDevelopment发布了2018年全球MEMS产品销售额TOP30的企业排行榜,如图4右图。数据表明,2018年总销售额比2017年减少了5%,至103亿美元(大约人民币700.4亿元)。

TOP30企业的销售额占有了全球MEMS市场规模大约90%的份额。图42018年MEMS厂家销售额名列TOP30,单位:百万美元(数据来源:YoleDevelopment,华夏幸福产业研究院整理)从头部企业看,“双博(博通+博世)缠斗”效应显出。

两家的营收皆多达10亿美元,大幅度领先先前厂商,构成寡头现象。TOP1博通从2013年开始飞速快速增长,并曾多次因企图并购高通公司而名噪一时。博通主打射频类MEMS产品,智能手机较慢普及造成射频MEMS产品量价齐升,这对博通维持首位起着了决定性起到。

名列第二的博世主打运动类MEMS产品,双重布局于汽车和消费电子领域。据调研,完全所有的新车都要配备博世的5个MEMS,全球大约50%的智能手机都要最少配备博世的1个MEMS。同时博世享有自己的MEMS生产基地,可以优化生产成本。

可以预计,今后博通与博世的“斗争”将不会愈演愈烈。从颈部企业看,产品多元,竞争白热化。

TOP3的意法半导体不仅获取车载、工业、民用等方面的MEMS产品,也为其他公司代工生产MEMS。作为老牌厂商的TOP4德州仪器市场份额大幅上升,正在大力拓展车载等新的市场。TOP5的QROVO也定位在射频MEMS赛道,目前正在大力填补交付给延后问题。

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作为某种程度营收超强5亿美元的TOP6惠普公司,于是以凭借MEMS喷墨头构建快速增长。此外,TOP30其他企业的产品还覆盖面积了声学MEMS(楼氏、歌尔股份、瑞声科技),电磁辐射类MEMS(FLIR、ULIS),生物类MEMS(欧姆龙)、图像类MEMS(佳能、索尼),并争相在自己的赛道构建横跨和领先于。

中国企业两家前十名,分别是TOP11的歌尔股份(GCERTEK)和TOP23的瑞声科技(AAC)。两家企业主攻声学MEMS产品及系统集成,名列相比2017年没变化。但不受2018年下游市场智能手机销售低迷影响,两家企业2018年业绩不欠佳。预计未来两年在智能音箱、AR/VR等产品市场需求的造就下,可以期望两家企业亮眼的展现出。

由于MEMS传感器产品种类多,应用领域拒绝差异大,因此各企业都有自己所主攻的市场领域和一定的生存空间。整体来看,MEMS传感器市场被国外企业主导。产业链:中国设计、代工尚待强化,封测环节不具备竞争力类似于集成电路行业,MEMS产业链也分成上游设计-中游生产-下游PCB测试三大环节,如图5右图,各环节产业分工具体。大部分MEMS行业的主要厂商是以Fabless居多,例如博通、楼氏等。

同时,也有IDM厂商横向参予到整条产业链的各个环节,可提升品牌一整竞争力。图5MEMS产业链及代表企业(图片来源:华夏幸福产业研究院整理)国内MEMS产业链布局原始,但总体而言产业还正处于发展的跟上阶段,产品在精度和敏感度等性能指标上与国外不存在极大差距,应用于范围也多局限于传统领域。

设计环节:企业不具备一定创新能力,但业务重合度低,产品定位中低端,行业整体营收规模稍小。MEMS设计归属于产业链高附加值环节,国内企业产品以力学传感器居多,在市场中正处于中低端水平。企业销售额广泛稍小,除美新的半导体每年有2-3亿元的营收外,苏州敏芯、无锡芯奥微、南京高华等少数企业收益为千万级,其余绝大多数企业是百万级或仍未开始产品销售。

代工环节:技术许可建设产线的生产能力仍未班车,显MEMS代工厂仍正处于产业导入期。MEMS代工可分成中试线、IC代工和MEMS专业代工三种。中试线多以高校及科研亚博官网院所为主体,作为产业共性技术研发平台,不以盈利为目的,生产能力受限。

IC代工厂MEMS业务正处于跟上阶段,能力更为脆弱,国内不具备一定规模的设计企业基本自由选择国外代工厂。MEMS专业代工方面,2015年底国内厂商耐威科技并购瑞典MEMS代工厂SilexMicrosystems,从而乘势掌控全球领先的MEMS代工技术。此外,忽王微电子、西安励德微系统等一批企业也陆续转入专业MEMS代工领域。

封测环节:电视剧集MEMS芯片封测模式更为成熟期,以声学MEMS产品居多的企业不具备一定国际竞争力。虽然国内MEMS代工领先于国际大厂,但PCB测试技术跟上较早于,已获得不俗的成绩,并不具备国际竞争力。其中,以MEMS麦克风为主要产品的歌尔股份和瑞声科技,由于商业模式为出售国外设计厂商的MEMS产品IP,委托代工生产后自己已完成产品的PCB测试及销售,因而不存在一定的溢价空间,现挤身全球MEMSTOP30的阵营。发展趋势:市场景气度低,产品向“四化”演变▲从市场规模看,获益于人工智能、5G、物联网等新的产业高速发展造就,预计未来MEMS产业将有较慢快速增长。

各大MEMS企业在2018年快速增长略低于预期,体现出有半导体行业正在展开保守的调整。但随着人工智能、5G、物联网等新兴产业火热发展,消费电子、智能汽车等市场需求逐步衰退,新产品、新功能、新领域大大扩展,据Yole预测,MEMS市场将在2018年至2024年期间构建明显快速增长:整体市场营收的填充年增长率大约为8.3%,出货量的填充年增长率大约为11.9%。

各细分产品预计快速增长情况如图6右图。整体来看,传统产品如惯性MEMS、压力MEMS及喷墨头MEMS快速增长空间受限;振荡器、指纹、热电MEMS等渗透率仍有较小提高空间,未来前景寄予厚望。图62018-2024MEMS细分产品市场快速增长预测(数据来源:YoleDevelopment,华夏幸福产业研究院整理)▲从技术和产品趋势看,MEMS传感器正在向四化——智能化、集成化、低功耗化、微型化演变。

重新加入信号处理功能,构建智能化。现代传感器作为电子产品的“感官中枢”,通过重新加入微掌控单元和适当信号处理算法,还可以分担自动调零、校准和标定等功能,构建终端设备的智能化。传感器呈现出多项功能高度集成化和人组化。由于设计空间、成本和功耗支出日益削减,在同一衬底上构建多种脆弱元器件、做成需要检测多个参量的多功能人组MEMS传感器沦为最重要解决方案。

传感器低功耗化市场需求日益减少。随着物联网等应用于对传感市场需求的快速增长,传感器用于数量急遽减少,能耗也将随之缩减到。

减少MEMS功耗,强化续航能力的市场需求将不会预示传感器发展的一直,且日益反感。微型化不可逆,MEMS向NEMS演变。

与MEMS类似于,NEMS(纳机电系统)是专心纳米尺度领域的微纳系统技术,只不过尺寸更加小。而随着终端设备小型化、种类多样化,MEMS向更加小尺寸演变是大势所趋。总结作为“MorethanMoore”的最重要方向和突破口,并在人工智能、物联网等热点应用于风口催化剂下,MEMS产业目前正处于极大的战略机遇期。

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从产业链环节看,国内缺少对MEMS涉及关键技术的自律研发和产业化能力。从企业规模看,2018年我国MEMS传感器生产企业约有200家,大多归属于初创类中小型企业。从产品结构看,国内MEMS公司在营业规模、技术水平、产品结构等与国外有显著差距,主要产品集中于在中低端的传统领域。

尽管我国MEMS传感器厂商面对挑战诸多,但从上游设计、中游生产、下游封测等领域国产替代的空间极大。中国MEMS发展任重道远,中国不应以极大的市场应用于为机车,大大调和人才缺口,研判和做到未来趋势,锚定自主创新之路,构建规模化兴起和领先于。。

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