要聞 高科技的幕後英雄：MEMS產業前行之路在何方？ 2019年8月4日 11:50:04 智通財經網
本文來自 微信公眾號「華夏幸福產業研究院」。
MEMS傳感器是物聯網、人工智慧、5G等新一代信息技術的感知基礎和數據來源，已成為推動經濟社會發展的關鍵基礎與重要引擎。本文梳理了MEMS概念與分類、技術優勢、應用領域及市場格局，探討了MEMS產業鏈現狀和特點，分析了產業發展機遇與趨勢，並對我國如何實現產業升級提出了建議。
MEMS概要：原理與分類
MEMS全稱Micro Electromechanical System，即微機電系統，是將微電子與精密機械結合發展的工程技術，尺寸在1微米到100微米量級，核心功能是將物理信號轉換為電子設備能夠識別的電信號，主要用於傳感器。這需要MEMS器件具有通道、孔、懸臂、膜、腔等一系列結構以測量環境變量，涵蓋機械(移動和旋轉)、光學、電子(開關和計算)、熱學、生物等功能結構，涉及眾多交叉學科。
圖1 MEMS傳感器結構示意圖
(圖片來源：Sandia)
MEMS傳感器發展經歷了三個階段：1990~2000年的汽車電子化浪潮，點燃了MEMS傳感器的需求;2000~2010年的消費電子浪潮，推動MEMS傳感器呈現多品類、多功能一體化的發展態勢;2010年至今的物聯網及人工智慧浪潮，帶動了MEMS傳感器單品放量、軟硬協同化發展。
MEMS傳感器的種類繁多，根據測量量不同可分為：MEMS物理傳感器、MEMS化學傳感器、MEMS生物傳感器三大類，每一種MEMS傳感器又有很多細分類別，如圖2所示。常見的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機械陀螺儀、慣性傳感器、MEMS矽麥克風等等。MEMS傳感器的品種多到以萬為單位，且不同MEMS之間參量較多，沒有完全標準的工藝。
圖2 MEMS傳感器分類
(圖片來源：華夏幸福產業研究院整理)
MEMS繼承了集成電路的先進位造工藝，相比傳統產品，具有微型化、成本低、效能高、可大批量生產等優勢，產能高，良品率高。微米量級的特徵尺寸使MEMS傳感器可以輕鬆勝任某些傳統機械傳感器所不能實現的功能，是微型傳感器的主力軍，正加速應用於大眾生活及工業生產的各個方面。
應用領域：百花齊放，精彩紛呈
作為獲取信息的關鍵入口，MEMS傳感器已在汽車、消費電子、航空航天、生物醫學等領域中得到了廣泛的應用。
汽車：在20世紀90年代，MEMS首先在汽車工業開始應用，汽車電子被認為是MEMS傳感器第一波應用高潮的推動者。受益於汽車行業安全規定及信息化、智能化浪潮，MEMS傳感器在汽車領域得到飛速發展，其應用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統、電子車身穩定程序、電控懸掛、電動手剎、斜坡起動輔助、胎壓監控、引擎防抖、車輛傾角計量和車內心跳檢測等。根據相關調研數據，目前平均每輛汽車包含10-30個MEMS傳感器，而在高檔汽車中大約會採用30甚至上百個MEMS傳感器。
消費電子：隨著消費電子的大發展及產品創新不斷湧現，該領域已經取代汽車成為MEMS最大的應用市場。MEMS傳感器在消費電子產品中可用於運動/墜落檢測、導航數據補償、遊戲/人機界面交互、電源管理、GPS增強/盲區消除、速度/距離計數等，應用較多的品類為MEMS麥克風、3D加速器、MEMS 射頻組件、GPS陀螺儀、小型燃料電池與生化晶片等。多種MEMS傳感器的綜合應用可增加電子設備的娛樂性及智能性，改善交互性能，大大提升了用戶體驗。
圖3 MEMS傳感器在智慧型手機領域的應用
(圖片來源：Yole Development，民生證券)
航空航天：MEMS在航空航天領域主要有狀態傳感器和環境傳感器之分。狀態傳感器主要針對飛機姿態、燃料用量、生命活動、各種活動機件的即時位置等進行監測。環境傳感器主要針對溫溼度、氧氣濃度、流量大小等方面進行測量。通過提供有關太空飛行器的工作信息，MEMS傳感器起到故障診斷、提供決策依據、保障正常飛行的作用。近期事故頻出已全球停飛的波音737MAX飛機，故障主要原因之一是迎角傳感器產生讀數輸出錯誤，導致了系統不能起到嚴格的保護作用。小小傳感器對航空航天安全的重要性可見一斑。
生物醫療：隨著體外診斷、藥物研究、病患監測、給藥方式以及植入式醫療器械等領域發展，醫療設備需要迅速提高性能、降低成本、縮小尺寸。MEMS技術使醫療設備可以做到微型化，醫療檢測、診斷、手術和治療過程可以更加便捷、精準，甚至無痛。MEMS壓力傳感器可以檢測包括血壓、眼內壓、顱內壓、子宮內壓等在內的人體器官壓力水平。MEMS慣性器件最主要用於心臟病治療設備。MEMS圖像傳感器普遍應用於包括CT掃描、內窺鏡在內的醫學成像設備中。MEMS技術在傳感和執行功能上的優勢，使其在醫療健康行業的應用廣泛增長。
此外，MEMS技術在國防、工業、能源及環保等領域也有廣泛應用，為各行各業提供自動化、智能化的數據接口，賦能智能社會。根據相關市場調研數據，全球MEMS市場結構中消費電子領域佔比最高，增長空間最大的是生物醫療領域。
市場格局：競爭激烈，美德日企業主導市場
市場調查公司Yole Development公布了2018年全球MEMS 產品銷售額TOP30的企業排行榜，如圖4所示。數據顯示，2018年總銷售額比2017年增加了5%，至103億美元(約人民幣700.4億元)。TOP30企業的銷售額佔據了全球MEMS市場規模約90%的份額。
圖4 2018年MEMS廠家銷售額排名TOP30，單位：百萬美元
(數據來源：Yole Development，華夏幸福產業研究院整理)
從頭部企業看，「雙博(博通+博世)廝殺」效應顯現。兩家的營收均超過10億美元，大幅領先後續廠商，形成寡頭現象。TOP1博通從2013年開始飛速增長，並曾經因試圖收購高通公司而名噪一時。博通主打射頻類MEMS產品，智慧型手機快速普及導致射頻MEMS產品量價齊升，這對博通保持首位起到了決定性作用。排名第二的博世主打運動類MEMS產品，雙重布局於汽車和消費電子領域。據調研，幾乎所有的新車都要搭載博世的5個MEMS，全球約50%的智慧型手機都要至少搭載博世的1個MEMS。同時博世擁有自己的MEMS製造基地，可以優化製造成本。可以預計，今後博通與博世的「鬥爭」將會愈演愈烈。
從頸部企業看，產品多元，競爭激烈。TOP3的意法半導體不僅提供車載、工業、民用等方面的MEMS產品，也為其他公司代工生產MEMS。作為老牌廠商的TOP4德州儀器市場份額逐年下降，正在積極開拓車載等新市場。TOP5的QROVO也定位在射頻MEMS賽道，目前正在積極彌補交付延遲問題。作為同樣營收超5億美元的TOP6惠普公司，正憑藉MEMS噴墨頭實現增長。此外，TOP30其他企業的產品還覆蓋了聲學MEMS(樓氏、歌爾股份、瑞聲科技)，輻射類MEMS(FLIR、ULIS)，生物類MEMS(歐姆龍)、圖像類MEMS(佳能、索尼)，並紛紛在自己的賽道實現跨越和趕超。
中國企業兩家上榜，分別是TOP11的歌爾股份(GCERTEK)和TOP23的瑞聲科技(AAC)。兩家企業主攻聲學MEMS產品及系統集成，排名相較2017年沒有變化。但受2018年下遊市場智慧型手機銷售疲軟影響，兩家企業2018年業績不佳。預計未來兩年在智能音箱、AR/VR等產品需求的帶動下，可以期待兩家企業亮眼的表現。
由於MEMS傳感器產品種類多，應用領域要求差異大，因此各企業都有自已主攻的市場領域和一定的生存空間。整體來看，MEMS傳感器市場被國外企業主導。
產業鏈：中國設計、代工有待加強，封測環節具備競爭力
類似於集成電路行業，MEMS產業鏈也分為上遊設計-中遊製造-下遊封裝測試三大環節，如圖5所示，各環節產業分工明確。大部分MEMS行業的主要廠商是以Fabless為主，例如博通、樓氏等。同時，也有IDM廠商垂直參與到整條產業鏈的各個環節，可提高品牌整競爭力。
圖5 MEMS產業鏈及代表企業
(圖片來源：華夏幸福產業研究院整理)
國內MEMS產業鏈布局完整，但總體而言產業還處於發展的起步階段，產品在精度和敏感度等性能指標上與國外存在巨大差距，應用範圍也多局限於傳統領域。
設計環節：企業具備一定創新能力，但業務重合度高，產品定位中低端，行業整體營收規模偏小。MEMS設計屬於產業鏈高附加值環節，國內企業產品以力學傳感器為主，在市場中處於中低端水平。企業銷售額普遍偏小，除美新半導體每年有2-3億元的營收外，蘇州敏芯、無錫芯奧微、南京高華等少數企業收入為千萬級，其餘絕大多數企業是百萬級或尚未開始產品銷售。
代工環節：技術授權建設產線的產能尚未開出，純MEMS代工廠仍處於產業導入期。MEMS代工可分為中試線、IC代工和MEMS專業代工三種。中試線多以高校及科研院所為主體，作為產業共性技術研發平臺，不以盈利為目的，產能有限。IC代工廠MEMS業務處於起步階段，能力較為薄弱，國內具備一定規模的設計企業基本選擇國外代工廠。MEMS專業代工方面，2015年底國內廠商耐威科技收購瑞典MEMS代工廠Silex Microsystems，從而一舉掌握全球領先的MEMS代工技術。此外，罕王微電子、西安勵德微系統等一批企業也相繼進入專業MEMS代工領域。
封測環節：外購MEMS晶片封測模式較為成熟，以聲學MEMS產品為主的企業具備一定國際競爭力。雖然國內MEMS代工落後於國際大廠，但封裝測試技術起步較早，已取得不錯的成績，並具備國際競爭力。其中，以MEMS麥克風為主要產品的歌爾股份和瑞聲科技，由於商業模式為購買國外設計廠商的MEMS產品IP，委託代工製造後自己完成產品的封裝測試及銷售，因而存在一定的溢價空間，現已躋身全球MEMS TOP30的陣營。
發展趨勢：市場景氣度高，產品向「四化」演進
從市場規模看，受益於人工智慧、5G、物聯網等新產業高速發展帶動，預計未來MEMS產業將有較快增長。
各大MEMS企業在2018年增長略低於預期，反映出半導體行業正在進行溫和的調整。但隨著人工智慧、5G、物聯網等新興產業火熱發展，消費電子、智能汽車等市場需求逐步復甦，新產品、新功能、新領域不斷拓展，據Yole預測，MEMS市場將在2018年至2024年期間實現顯著增長：整體市場營收的複合年增長率約為8.3%，出貨量的複合年增長率約為11.9%。
各細分產品預計增長情況如圖6所示。整體來看，傳統產品如慣性MEMS、壓力MEMS及噴墨頭MEMS增長空間有限;振蕩器、指紋、熱電MEMS等滲透率仍有較大提升空間，未來前景看好。
圖6 2018-2024 MEMS細分產品市場增長預測
(數據來源：Yole Development，華夏幸福產業研究院整理)
從技術和產品趨勢看，MEMS傳感器正在向四化——智能化、集成化、低功耗化、微型化演進。
加入信號處理功能，實現智能化。現代傳感器作為電子產品的「感知中樞」，通過加入微控制單元和相應信號處理算法，還可以承擔自動調零、校準和標定等功能，實現終端設備的智能化。
傳感器呈現多項功能高度集成化和組合化。由於設計空間、成本和功耗預算日益緊縮，在同一襯底上集成多種敏感元器件、製成能夠檢測多個參量的多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。
傳感器低功耗化需求日趨增加。隨著物聯網等應用對傳感需求的快速增長，傳感器使用數量急劇增加，能耗也將隨之翻倍。降低MEMS功耗，增強續航能力的需求將會伴隨傳感器發展的始終，且日趨強烈。
微型化不可逆，MEMS向NEMS演進。與MEMS類似，NEMS(納機電系統)是專注納米尺度領域的微納系統技術，只不過尺寸更小。而隨著終端設備小型化、種類多樣化，MEMS向更小尺寸演進是大勢所趨。
總結
作為「More than Moore」的重要方向和突破口，並在人工智慧、物聯網等熱點應用風口催化下，MEMS產業目前正處於巨大的戰略機遇期。
從產業鏈環節看，國內缺乏對MEMS相關關鍵技術的自主研發和產業化能力。從企業規模看，2018年我國MEMS傳感器製造企業大約有200家，大多屬於初創類中小型企業。從產品結構看，國內MEMS公司在營業規模、技術水平、產品結構等與國外有明顯差距，主要產品集中在中低端的傳統領域。
儘管我國MEMS傳感器廠商面臨挑戰諸多，但從上遊設計、中遊製造、下遊封測等領域國產替代的空間巨大。中國MEMS發展任重道遠，中國應以巨大的市場應用為牽引，不斷彌合人才缺口，研判和把握未來趨勢，錨定自主創新之路，實現規模化崛起和趕超。