产业观察 | MEMS传感器产业分析及典型企业研究

文章来源:中科智汇工场  |  发布时间:2024-06-25  



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      MEMS传感器是指Micro-Electro-Mechanical Systems(微机电系统)传感器的缩写,是利用微纳技术制造的一种集成式传感器。这种传感器将微机电系统技术与传感器技术结合在一起,使传感器在微尺度上具有微型化、集成化和多功能化的特点。MEMS传感器可以用来感测和测量一系列物理量,包括压力、加速度、角速度、温度、湿度等。其主要工作原理是通过微小结构感应所受到的外部力或物理量变化,然后将这些变化转化为电信号输出,从而实现对物理量信息的检测和传输。
      由于其微型化和集成化的特点,MEMS传感器具有体积小、功耗低、响应速度快和成本低等优点,广泛应用于消费电子产品、智能手机、汽车电子、医疗设备、工业自动化等领域。其高度集成的结构设计使得MEMS传感器可以实现多功能化,例如在智能手机中同时实现加速度计、陀螺仪和磁力计等功能。从应用场景来看,MEMS传感器种类极多,可应用于物理、化学、生物等领域信号的探测,较为常见的种类有加速度传感器、惯性传感器、压力传感器、MEMS陀螺仪以及MEMS麦克风等。目前MEMS传感器在消费电子、医疗、汽车电子以及工业等应用领域占比最高,分别占据41.8%、28.1%、16.7%和9.1%。

      MEMS是多学科交叉的复杂系统,其产业链类似于传统半导体产业,整个产业链涉及设计、制造、封装测试、软件及应用方案环节。MEMS产业链的上游负责MEMS器件设计、材料和生产设备供应,中游生产制造出MEMS器件、下游使用MEMS器件制造终端电子产品。
      大部分MEMS行业的主要厂商是以Fabless为主,例如楼氏、HP、佳能等。同时,平行的也有IDM厂商垂直参与到整条产业链的各个环节,比如Bosch、ST等都建有自己的晶元代工生产线。
      MEMS设计,作为MEMS的核心门槛之一,因为其fabless的轻资产特性,及其核心门槛,国内公司投资较为积极。国内有众多比较知名的Fabless,例如海思半导体、展讯、RDA、全志科技、国民技术、澜起科技等等。
      MEMS制造目前主要分为三类,纯MEMS代工、IDM企业代工和传统集成电路MEMS代工。MEMS器件依赖各种工艺和许多变量,只有经过多年的工艺改进及测试,MEMS器件才能真正被商品化。研发团队一般需要大量时间来搜索有关工艺及材料物理特性方面的资料。利用单一材料(如多晶硅)制得的器件可能需要根据多晶硅的来源及沉积方法来标记工艺中的变化。因此每一种工艺都需要长期、大量的数据来稳定一个工艺。

图   MEMS产业链企业分布图


      MEMS传感器是整个MEMS市场的主力军,占比约为74%。据数据显示,近几年我国MEMS传感器市场规模增速均保持在20%左右,并且到目前已经成为全球MEMS市场发展最快的地区。2021年我国MEMS传感器市场规模达838亿元,同比增长18.9%。

图 MEMS传感器市场情况

      国内MEMS公司在营业规模、技术水平、产品结构、与国外有明显差距,60%-70%的设计产品集中在加速度计、压力传感器等传统领域。国内MEMS企业规模还相对较小,单个企业较少有年销售额超过1亿美金。中高端传感器的进口比例达80%,传感器芯片的进口比例更高达90%,凸显了本土中高端传感器技术和产业化的落后。
      随着5G网络及之后通信网络数据传输速度和承载能力的进一步提高,边缘端设备感知能力的市场需求才能进一步有效产生,而MEMS器件的低功耗、一致性高以及微小型化极大地契合了这一需求,更多新兴的MEMS器件需求以及现有MEMS器件的全新应用场景将在未来10年内持续产生。
      传感器是物联网的核心数据入口,物联网的发展带动智能终端设备普及,推动MEMS需求量增长。据全球移动通信系统协会GSMA统计和预测,2019年全球物联网设备数量为120亿台,预计到2025年将增长至246亿台,2019年到2026年将保持12.7%的复合增长率。

     (一)产品自供能化与集成化
      传感器低功耗及自供能需求日趋增加。随着物联网等应用对传感需求的快速增长,传感器使用数量急剧增加,能耗也将随之翻倍。降低传感器功耗,采用环境能量收集实现自供能,增强续航能力的需求将会伴随传感器发展的始终,且日趋强烈。另外,MEMS传感器呈现多项功能高度集成化和组合化的趋势。由于设计空间、成本和功耗预算日益紧缩,在同一衬底上集成多种敏感元器件、制成能够检测多个参量的多功能组合MEMS传感器成为重要解决方案。
     (二)智能化及边缘计算持续提升
      软件正成为MEMS传感器的重要组成部分,随着多种传感器进一步集成,越来越多的数据需要处理,软件使得多种数据融合成为可能。MEMS产品发展必将从系统应用的定义开始,开发具有软件融合功能的智能传感器,促进人工智能在传感器领域更广阔的应用。
     (三)应用场景不断拓展
      在生物医药领域的应用:我国的生物医药领域使用MEMS传感器的频率较高,主要可用于临床化验、健康指数的检测等多项内容。使用的MEMS传感器主要为压力传感器、微型流体传感器等多种系统。在生物医疗应用方面,MEMS传感器还可介入到手术之前来发挥功能,从而降低术中所形成风险,为提高手术的成功率提供重要的保障。
      在航空航天领域中的应用:MEMS传感器能够在航空航天领域具有更为理想的应用前景,不但可将其安装在飞机的核心部分,同时还可依据安装位置来实施更为精准的操作,提高控制的精准性。此外,MEMS传感器还可用于对宇宙的探索,将其植入到探测设备中,可实现数据的传输,辅助完成拍摄的工作内容。

表:全球MEMS厂商销量排行2019-2021年

排名

2021年

2020年

2019年

1

ROBERT BOSCH(博世)

ROBERT BOSCH(博世)

BROADCOM(博通)

2

BROADCOM(博通)

BROADCOM(博通)

ROBERT BOSCH(博世)

3

QORVO(威讯联合)

QORVO(威讯联合)

STIMICROELECTRONICS(意法半导体)

4

STIMICROELECTRONICS(意法半导体)

STIMICROELECTRONICS(意法半导体)

TEXAS INSTRUMENTS(德州仪器)

5

QUALCOMM(高通)

TEXAS INSTRUMENTS(德州仪器)

QORVO(威讯联合)

6

TDK(东电化)

歌尔微

HEWLATT PACKARD(惠普)

7

TEXAS INSTRUMENTS(德州仪器)

HEWLATT PACKARD(惠普)

KNOWLES(楼氏)

8

歌尔微

KNOWLES(楼氏)

NXP恩智浦

9

HEWLATT PACKARD(惠普)

TDK(东电化)

歌尔股份

10

INFINEON TECHNOLOGIES(英飞凌)

INFINEON TECHNOLOGIES(英飞凌)

TDK(东电化)

表:国内典型企业介绍

公司简称

公司简介

歌尔微

2004年,公司业务重组前身歌尔股份建立了MEMS研发团队,2009年,歌尔股份开始与英飞凌合作掌握24项核心技术,取得了授权专利1,562项,其中发明专利367项(含境外发明专利107项)。2011年首次进入苹果供应链并量产出货。首款搭载自研芯片MEMS声学传感器实现量产,声学传感器市场份额达32%,最新募投项目可实现3.33亿只微系统模组、年产MEMS传感器11.5亿颗、年产MEMS声学传感器12亿颗、产品的生产能力。

瑞声科技

公司在消费电子行业提供微型声学器件(包括多种微型扬声器模组、扬声器、受话器及微机电系统麦克风)供应商地位的同时,公司亦提供涉及多个分部的综合解决方案,包括触控马达、无线射频结构件及光学器件,最新信息显示公司将进军智能座舱和智能驾驶领域布局车规级传感器。

敏芯股份

“中国MEMS芯片第一股”。掌握多品类MEMS芯片设计和制造,产品线包括MEMS麦克风、MEMS压力传感器和MEMS惯性传感器(自研基于PMUT的超声波ToF惯导,子公司中宏微宇陀螺仪和惯导)。MEMS传感器芯片设计、晶圆制造、封装和测试等各环节都拥有自主研发能力和核心技术,同时能够自主设计为MEMS传感器芯片提供信号转化、处理或驱动功能的ASIC芯片,并实现了MEMS传感器全生产环节的国产化。

芯动联科

高性能MEMS惯性传感器核心性能指标达到国际先进水平,复杂环境下适应性强。高性能MEMS陀螺仪具有小型化、高集成、低成本的优势,有力推动了MEMS陀螺仪在高性能惯性领域应用于工业生产、工业设备监测与维护、无人系统导航与控制、海洋监测、气象预报、水上水下无人设备导航与控制、石油勘探、测量与测绘、桥梁监测、地质勘探、灾情预警,为用户实现导航定位、姿态感知、状态监测、平台稳定等多项应用功能。产品主要为电容式MEMS加速度计,ASIC芯片可以实现微小电容检测,使陀螺仪具有较高的灵敏度,具有优良的正交误差抑制能力、抗振动特性以及温度特性。

赛微电子

公司起源于军用导航业务和航空电子导航业务,2016年公司取得瑞典MEMS代工领域龙头瑞士Silex控股权,在北京建设8寸Fab3量产工厂,代工产品覆盖硅基麦克风、惯性传感器、微透镜、微流控、射频滤波器、硅光代工等,布局GaN材料与器件业务,服务客户包括全球DNA/RNA测序仪巨头、光刻机巨头、网络通信和应用巨头以及工业和消费细分行业的领先企业等,在全球纯MEMS代工厂商排名中稳居前五,前期量产工艺主要为硅麦、电子烟开关、FBAR/BAW滤波器,目前已公告的战略合作客户包括硅麦的通用微、滤波器的武汉敏声以及国际头部Lidar客户等。青岛8英寸GaN外延晶圆产线,一期产能(5000片/月)


    (文字:中科智汇工场 产业促进中心    编辑:卢晔    审核:娄雪松

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