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MEMS将走向何方?

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发表于 2019-10-17 09:17:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
MEMS传感器是物联网、野生智能、5G等新一代信息技术的感知根柢和数据根源,已成为鞭策经济社会成长的关键根柢与垂危引擎。本文梳理了MEMS概念与分类、技术上风、利用范围及市场格式,探讨了MEMS产业链现状和特点,分析了产业成长机遇与趋向,并对我国怎样实现产业升级提出了倡议
图片根源:Photo by Joshua Sortino on Unsplash
MEMS提要:道理与分类
MEMS全称Micro Electromechanical System,即微机电系统,是将微电子与精密机械团结成长的工程技术,尺寸在1微米到100微米量级,焦点功用是将物理信号转换为电子装备可以也许识此外电信号,垂危用于传感器。这必要MEMS器件具有通道、孔、悬臂、膜、腔等一系列结构以丈量情况变量,涵盖机械(移动和扭转)、光学、电子(开关和盘算)、热学、生物等功用结构,触及众多交织学科。
图1 MEMS传感器结构表示图(图片根源:Sandia)
MEMS传感器成长履历了三个阶段:1990~2000年的汽车电子化浪潮,扑灭了MEMS传感器的需求;2000~2010年的消耗电子浪潮,鞭策MEMS传感器出现多品类、多功用一体化的成长态势;2010年至今的物联网及野生智能浪潮,带动了MEMS传感器单品放量、软硬协异化成长。
MEMS传感器的品种繁多,按照丈量量不同可分为: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种别,如图2所示。常见的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元,且不同MEMS之间参量较多,没有完全标准的工艺。
图2 MEMS传感器分类(图片根源:华夏幸运产业研讨院整理)
MEMS继续了集成电路的先辈制造工艺,相比传统产物,具有微型化、本钱低、效能高、可多量量生产等上风,产能高,良品率高。微米量级的特征尺寸使MEMS传感器可以轻松胜任某些传统机械传感器所不能实现的功用,是微型传感器的主力军,正加速利用于公共保存及产业生产的各个方面。
利用范围:百花齐放,出色纷呈
作为获得信息的关键进口,MEMS传感器已在汽车、消耗电子、航空航天、生物医学等范围中获得了普遍的利用。
汽车:在20世纪90年月,MEMS首先在汽车产业起头利用,汽车电子被以为是MEMS传感器第一波利用飞腾的鞭策者。受益于汽车行业平安规定及信息化、智能化浪潮,MEMS传感器在汽车范围获得飞速成长,其利用偏向和市场需求包含车辆的防抱死系统、电子车身安定步伐、电控悬挂、电脱手刹、斜坡起动帮助、胎压监控、引擎防抖、车辆倾角计量和车心田跳检测等。按照关连调研数据,现在均匀每辆汽车包含10-30个MEMS传感器,而在高级汽车中大约会采纳30以致上百个MEMS传感器。
消耗电子:随着消耗电子的大成长及产物创新不停出现,该范围已经取代汽车成为MEMS最大的利用市场。MEMS传感器在消耗电子产物中可用于活动/坠落检测、导航数据抵偿、游戏/人机界面交互、电源治理、GPS增强/盲区消除、速度/间隔计数等,利用较多的品类为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传感器的综合利用可增加电子装备的文娱性及智能性,改良交互性能,大大提升了用户体验。
图3 MEMS传感器在智妙手机范围的利用(图片根源:Yole Development,民生证券)
航空航天:MEMS在航空航天范围垂危有状态传感器和情况传感器之分。状态传感器垂危针对飞机姿势、燃料用量、生命活动、各类活动机件的立即位置等举行监测。情况传感器垂危针对温湿度、氧气浓度、流量巨细等方面举行丈量。经过供给有关航天器的工作信息,MEMS传感器起到故障诊断、供给决议根据、保障一般飞翔的感化。近期变乱频出已举世停飞的波音737MAX飞机,故障垂危原因原由之一是迎角传感器发生读数输出错误,致使了系统不能起到严酷的保护感化。小小传感器对航空航天平安的垂危性可见一斑。
生物医疗:随着体外诊断、药物研讨、病患监测、给药方式以及植入式医疗工具等范围成长,医疗装备必要灵敏进步性能、低落本钱、缩小尺寸。MEMS技术使医疗装备可以做到微型化,医疗检测、诊断、手术和治疗进程可以加倍便利、精准,以致无痛。MEMS压力传感器可以检测包含血压、眼内压、颅内压、子宫内压等在内的人体器官压力水平。MEMS惯性器件最垂危用于心脏病治疗装备。MEMS图像传感器普遍利用于包含CT扫描、内窥镜在内的医学成像装备中。MEMS技术在传感和实行功用上的上风,使其在医疗健康行业的利用普遍增加。
此外,MEMS技术在国防、产业、能源及环保等范围也有普遍利用,为各行各业供给自动化、智能化的数据接口,赋能智能社会。按照关连市场调研数据,举世MEMS市场结构中消耗电子范围占比最高,增漫空间最大的是生物医疗范围。
市场格式:合作剧烈,美德日企业主导市场
市场观察公司Yole Development公布了2018年举世MEMS 产物销售额TOP30的企业排行榜,如图4所示。数据表示,2018年总销售额比2017年增加了5%,至103亿美圆(约群众币700.4亿元)。TOP30企业的销售额占据了举世MEMS市场范围约90%的份额。
图4 2018年MEMS厂家销售额排名TOP30,单元:百万美圆(数据根源:Yole Development,华夏幸运产业研讨院整理)
重新部企业看,“双博(博通+博世)厮杀”效应显现。两家的营收均横跨10亿美圆,大幅领前后续厂商,构成寡头现象。TOP1博通从2013年起头飞速增加,并已经因试图收买高通公司而名噪一时。博通主打射频类MEMS产物,智妙手机快速遍及致使射频MEMS产物量价齐升,这对博通连结首位起到了决议性感化。排名第二的博世主打活动类MEMS产物,两重结构于汽车和消耗电子范围。据调研,几乎全数的新车都要搭载博世的5个MEMS,举世约50%的智妙手机都要最少搭载博世的1个MEMS。同时博世具有自己的MEMS制造基地,可以优化制造本钱。可以估计,今后博通与博世的“斗争”将会愈演愈烈。
从颈部企业看,产物多元,合作剧烈。TOP3的意法半导体不单供给车载、产业、民用等方面的MEMS产物,也为其他公司代工生产MEMS。作为老牌厂商的TOP4德州仪器市场份额逐年下降,正在积极开辟车载等新市场。TOP5的QROVO也定位在射频MEMS赛道,现在正在积极补充托付迟误题目。作为一样营收超5亿美圆的TOP6惠普公司,正凭借MEMS喷墨头实现增加。此外,TOP30其他企业的产物还覆盖了声学MEMS(楼氏、歌尔股份、瑞声科技),辐射类MEMS(FLIR、ULIS),生物类MEMS(欧姆龙)、图像类MEMS(佳能、索尼),并纷纷在自己的赛道实现跨越和赶超。
中国企业两家上榜,别离是TOP11的歌尔股份(GCERTEK)和TOP23的瑞声科技(AAC)。两家企业主攻声学MEMS产物及系统集成,排名相较2017年没有变化。但受2018年卑鄙市场智妙手机销售疲软影响,两家企业2018年业绩欠安。估计未来两年在智能音箱、AR/VR等产物需求的带动下,可以期待两家企业亮眼的表示。
由于MEMS传感器产物品种多,利用范围要求差别大,是以各企业都有自已主攻的市场范围和必定的保存空间。团体来看,MEMS传感器市场被国外企业主导。
产业链:中国筹划、代工有待增强,封测环节具有合作力
类似于集成电路行业,MEMS产业链也分为上游筹划-中游制造-卑鄙封装测试三大环节,如图5所示,各环节产业合作大白。大部分MEMS行业的垂危厂商是以Fabless为主,例如博通、楼氏等。同时,也有IDM厂商垂直加入到整条产业链的各个环节,可进步品牌整合作力。
图5 MEMS产业链及代表企业(图片根源:华夏幸运产业研讨院整理)
国内MEMS产业链结构完整,但整体而言产业还处于成长的起步阶段,产物在精度和敏感度等性能目标上与国外存在庞大差异,利用范围也多范围于传统范围。
筹划环节:企业具有必定创新本事,但营业重合度高,产物定位中低端,行业团体营收范围偏小。MEMS筹划属于产业链高附加值环节,国内企业产物以力学传感器为主,在市场中处于中低端水平。企业销售额普遍偏小,除美新半导体每年有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支出为万万级,此外绝大大都企业是百万级或尚未起头产物销售。
代工环节:技术授权建立产线的产能尚未开出,纯MEMS代工场仍处于产业导入期。MEMS代工可分为中试线、IC代工和MEMS专业代工三种。中试线多以高校及科研院所为主体,作为产业共性技术研发平台,不以盈利为目标,产能有限。IC代工场MEMS营业处于起步阶段,本事较为薄弱,国内具有必定例模的筹划企业底子挑选国外代工场。MEMS专业代工方面,2015年末国内厂商耐威科技收买瑞典MEMS代工场Silex Microsystems,从而一举把握举世领先的MEMS代工技术。此外,罕王微电子、西安励德微系统等一批企业也相继进入专业MEMS代工范围。
封测环节:外购MEMS芯片封测形式较为成熟,以声学MEMS产物为主的企业具有必定国际合作力。固然国内MEMS代工落伍于国际大厂,但封装测试技术起步较早,已获得不错的结果,并具有国际合作力。其中,以MEMS麦克风为垂危产物的歌尔股份和瑞声科技,由于贸易形式为采办国外筹划厂商的MEMS产物IP,拜托代工制造后自己完成产物的封装测试及销售,因此存在必定的溢价空间,现已跻身举世MEMS TOP30的阵营。
成长趋向:市场景心胸高,产物向“四化”演进
从市场范围看,受益于野生智能、5G、物联网等新产业高速成长带动,估计未来MEMS产业将有较快增加。
各大MEMS企业在2018年增加略低于预期,反应出半导体行业正在举行暖和的调解。但随着野生智能、5G、物联网等新兴产业炽热成长,消耗电子、智能汽车等市场需求渐渐苏醒,新产物、新功用、新范围不停拓展,据Yole猜测,MEMS市场将在2018年至2024年时代实现明显增加:团体市场营收的复合年增加率约为8.3%,出货量的复合年增加率约为11.9%。
各细分产物估计增加情况如图6所示。团体来看,传统产物如惯性MEMS、压力MEMS及喷墨头MEMS增漫空间有限;振荡器、指纹、热电MEMS等排泄率仍有较大提升空间,未来远景看好。
图6 2018-2024 MEMS细分产物市场增加猜测(数据根源:Yole Development,华夏幸运产业研讨院整理)
从技术和产物趋向看,MEMS传感器正在向四化——智能化、集成化、低功耗化、微型化演进。
加入信号处置赏罚功用,实现智能化。今世传感器作为电子产物的“感知中枢”,经过加入微控制单元和响应信号处置赏罚算法,还可以负担自动调零、校准和标定等功用,实现终端装备的智能化。
传感器出现多项功用高度集成化和组合化。由于筹划空间、本钱和功耗预算日益收缩,在同一衬底上集成多种敏感元器件、制成可以也许检测多个参量的多功用组合MEMS传感器成为垂危打点计划。
传感器低功耗化需求日益增加。随着物联网等利用对传感需求的快速增加,传感器利用数目急剧增加,能耗也将随之翻倍。低落MEMS功耗,增强续航本事的需求将会伴随传感器成长的始终,且日益剧烈。
微型化不成逆,MEMS向NEMS演进。与MEMS类似,NEMS(纳机电系统)是专注纳米标准范围的微纳系统技术,只不外尺寸更小。而随着终端装备小型化、品种多样化,MEMS向更小尺寸演进是大势所趋。
总结
作为“More than Moore”的垂危偏向和冲破口,并在野生智能、物联网等热门利用风口催化下,MEMS产业现在正处于庞大的计谋机遇期。
从产业链环节看,国内缺少对MEMS关连关键技术的自立研发和产业化本事。从企业范围看,2018年我国MEMS传感器制造企业大约有200家,大多属于草创类中小型企业。从产物结构看,国内MEMS公司在营业范围、技术水平、产物结构等与国外有明显差异,垂危产物会合在中低真个传统范围。
尽管我国MEMS传感器厂商面临搬弄诸多,但从上游筹划、中游制造、卑鄙封测等范围国产更换的空间庞大。中国MEMS成长任重道远,中国应以庞大的市场利用为牵引,不停弥合人材缺口,研判和把握未来趋向,锚定自立创新之路,实现范围化突起和赶超。
*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者小我概念,半导体行业观察转载仅为了转达一种差此外概念,不代表半导体行业观察对该概念拥护或支持,倘使有任何异议,接待联系半导体行业观察。
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