MEMS产业发展指南

MEMS产业发展指南

引导企业搭建数字化设计平台、全环境仿真平台和材料、工艺、失效分析数据库，基于机器学习与人工智能技术，推进关键工序数字化、网络化改造，优化生产工艺及质量管控系统，开展智能工厂建设，提升智能制造水平。MEMS惯性传感器市场根据Yole发布的StatusofMEMSIndustry2022，2021年世界MEMS惯性传感器市场规模约35．09亿美元，其中，2021年MEMS陀螺仪和MEMS加速度计市场规模达到15．93亿美元，占全球MEMS行业总市场规模的45．40%。MEMS行业概述（一）MEMS技术概述MEMS即微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem），是利用大规模集成电路制造技术和微加工技术，把微传感器、微执行器、微结构、信号处理与控制电路、电源以及通信接口等集成在一片或者多片芯片上的微型器件或系统。MEMS器件种类众多，主要分为MEMS传感器和MEMS执行器。MEMS传感器可以感知和测量物体的特定状态和变化，并按一定规律将被测量的状态和变化转变为电信号或者其它可用信号，MEMS执行器则将控制信号转变为微小机械运动或机械操作。经过40多年的发展，MEMS从实验室走向实用化，已广泛应用于消费电子、汽车、工业与通信、医疗健康、高可靠等各个领域。基于MEMS技术的系统设备大大增强了人们与物理世界交互的能力，极大地改变了人们的生活方式。（二）MEMS行业发展历程MEMS技术被誉为21世纪具有革命性的高新技术之一，其诞生和发展是需求牵引和技术推动的综合结果，亦是微电子技术和微机械技术的巧妙结合。MEMS起源可追溯至20世纪50年代。硅的压阻效应被发现后，学者们开始了对硅传感器的研究。20世纪70年代末至90年代，安全气囊、制动压力、轮胎压力检测系统等汽车行业应用需求增长推动了MEMS行业发展的第一次浪潮，压力传感器和加速度计取得快速发展。1979年Roylance和Angell研制出压阻式微加速度计，1983年Honeywell用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片研制出压力传感器。20世纪90年代末至21世纪初，信息技术的兴起和微光学器件的需求推动了MEMS行业发展的第二次浪潮，MEMS惯性传感器与MEMS执行器取得共同发展。MEMS惯性传感器方面，1991年，电容式微加速度计开始被研制，1998年美国Draper实验室研制出了较早的MEMS陀螺仪。MEMS执行器方面，1994年德州仪器以光学MEMS微镜为基础推岀投影仪，21世纪初MEMS喷墨打印头出现。2010年至今，产品应用场景的日益丰富推动了MEMS行业发展的第三次浪潮，如高性能的MEMS陀螺仪在工业仪器、航空、机器人等多方面得到应用。MEMS商业化将MEMS技术从最早的汽车应用领域向航空、工业和消费电子等领域不断扩展。（三）MEMS行业的产业链MEMS产业链一般可分为四个环节：芯片设计、晶圆制造、封装测试以及系统应用。MEMS行业主要有Fabless和IDM两种经营模式。采用Fabless模式的MEMS企业主要负责MEMS产品的设计与销售，将生产、封装、测试等环节外包。采用IDM模式的国际企业，如博世、意法半导体、亚德诺半导体、霍尼韦尔等，经营范围覆盖了芯片设计、晶圆制造和封装测试等各环节。MEMS惯性传感器应用领域目前MEMS惯性传感器已被广泛应用于工业与通信、高可靠、汽车电子、医疗健康、消费电子等多个领域。随着MEMS惯性技术的持续进步，高性能MEMS惯性传感器应用逐渐拓展到无人系统、自动驾驶、高端工业、高可靠等领域，而中低性能MEMS惯性传感器主要应用于消费电子和汽车等领域。（一）MEMS惯性传感器无人系统领域应用无人系统是指具有一定自治能力和自主性的无人控制系统，它是人工智能、机器人技术以及实时控制决策系统的结合产物。通过利用惯性器件及捷联惯性导航技术，可以为无人系统提供精确的速度、位置和姿态等信息，从而实现其精确的导航定位和姿态控制。无人系统能广泛替代人类于各种环境下独立完成布置的任务，而不需要或者只需要极少操控人员的控制，大大扩充了人类的行为能力。无人系统包含无人机、无人车、无人船、无人潜航器以及机器人等多种无人平台，其中尤以无人机的应用最为广泛。根据DroneIndustryInsight数据，2020年全球无人机市场规模为209亿美元，预计到2026年全球无人机市场规模将达413亿美元，2020-2026年复合增长率为12．02%。2020年新冠疫情爆发，无人机作为智能无人化工作的代表，具有高效无休、零接触的工作特点，成为阻断疫情传播的防控利器，在安防巡检、消杀作业、物流配送、宣传喊话、照明测温、农业植保等方面发挥了重要的作用。Frost&Sullivan估计，2020年中国民用无人机行业整体市场规模达599亿元，发展潜力巨大。（二）MEMS惯性传感器自动驾驶领域应用现代汽车系统已经搭载了多种MEMS惯性传感器，如陀螺仪、加速度计、磁力计和惯性测量单元，以增强汽车的可靠性，提高驾驶的安全性。最早应用于汽车的是MEMS加速度计，用于监测汽车运行状态，判断突然减速过程中是否启用安全气囊，MEMS加速度计还被用于胎压监测（TPMS）中监测车辆运动状态以优化TPMS传感器的电池寿命，MEMS陀螺仪也被大量用于车身稳定系统以增强行车安全性。如今，MEMS惯性测量单元正逐步被用于自动驾驶并辅助GPS导航，在卫星信号较弱甚至丢失的情况下，根据惯性测量单元实时测量的加速度和角速率信息，继续利用惯性导航以推算出最新的位置，在短时间内仍可得到较高精度的位置信息，利用航迹推算实现短时导航，大大提高了用户体验。根据iimedia估计，2025年全球无人驾驶汽车市场规模将突破1，200亿美元，2021-2025年复合增长率为46．78%，增长潜力巨大。根据相关研究机构数据，2017-2021年我国无人驾驶市场规模由681亿元增至2，358亿元，年均复合增长率为36．4%。相关研究机构预测，2022年我国无人驾驶市场规模可达2，894亿元。（三）MEMS惯性传感器测量测绘领域应用随着卫星导航定位系统平台、现代测绘基准体系基础设施、航空航天遥感影像快速获取平台、先进野外测绘技术装备、地理信息数据处理技术装备以及地理信息数据交换传输服务网络等测绘装备体系完成构建，测绘行业进入信息化测绘阶段。高精度MEMS惯性测量单元是信息化测绘体系的重要支撑。信息化测绘的数据采集方式包括传统测量、航空摄影测量、卫星遥感以及激光雷达测量等。除传统方式外，其他现代化测绘方式需要基于高精度惯性测量单元的飞行控制系统或光学稳定系统支撑，以便于载具在动态过程中采集到清晰的图像。根据中国地理信息产业协会数据，2021年我国地理信息产业总产值达到7，524亿元，总产值较上年增长9．20%。预计未来高精度MEMS惯性测量单元将在信息化测绘体系中占据重要地位。（四）MEMS惯性传感器通信–动中通领域应用动中通是指通过天线基座对天线进行动态调整，使平台保持和通讯卫星相对稳定的状态，从而保证通讯质量。动中通共分四类：车载、船载、机载和全自动便携站等产品，主要应用于应急通信、移动办公、电视台现场直播、航空宽带、商船通信、游艇、渔船等领域。惯性传感器是动中通的核心部件，在运动过程中根据惯性测量信息自动控制天线的方位、仰角和极化角，确保天线的波束中心始终精确指向卫星，使系统在静态、高速、高动态下均可稳定运行，具有高机动性和高灵活性，具有一定的市场规模。（五）MEMS惯性传感器工业物联网领域应用各类传感器是工业物联网的感知器官，高精度的传感器才能保证系统长期稳定工作并提供高质量的数据。MEMS惯性传感器已在工业物联网中被广泛应用，例如风力发电塔姿态监测、光伏发电太阳跟踪系统、电网塔架安全监测、水电大坝监测、机器振动监测、矿井矿山监测、工程机械监测等。随着工业领域对数字化需求的增长，物联网一方面设备数量增速较快，另一方面物联网设备对可靠性的要求也进一步提升。根据statista的数据，在2021年，全球工业物联网（IIoT）市场规模超过了2，630亿美元。预计未来几年市场规模将大幅增长，到2028年将达到约1．11万亿美元，2021-2028年复合增长率将达到22．83%，市场前景广阔。（六）MEMS惯性传感器资源勘探领域应用惯性技术在资源勘探中，主要用于测量井身轨迹和钻头的实际位置，从而保证井深达到预定位置。随着石油资源日益枯竭，勘探和开发情况愈加复杂，因此就需要精度更高、性能更加可靠的石油测斜仪器。而惯性技术的应用，使得这种需求得以满足，通过采用高精度、高分辨率的惯性及磁传感器来精确测量钻井过程中井斜角、方位角及工具面角等工程参数，从而实现井身轨迹与钻头位置的实时监测。根据中华人民共和国自然资源部发布的《全国石油天然气资源勘查开采情况通报（2020年度）》，2020年油气勘查投资达到710．24亿元，开采投资为2，249．48亿元。国家统计局数据显示，2021年原油产量同比增长约2．11%；天然气产量同比增幅约7．84%。因此，在国内油气消费持续稳定增长以及油气勘查开采投资持续增加的背景下，石油钻采专用设备作为石油勘探开发的重要设备，其市场需求将有望保持稳定增长。（七）MEMS惯性传感器高速铁路领域应用MEMS惯性传感器可以检测和测量各种形式的机械运动，包括加速、倾斜、振动、冲击和旋转等，其在高速铁路中的典型应用实例包括：转向架安全性和舒适度的监测和诊断系统、改善乘客舒适性的高速列车倾斜控制系统、列车的位置监控、运输过程中的振动监测、铁路轨道安全和维护的监测系统、列车定位导航等。国家铁路局发布的《2021年铁道统计公报》显示，2021年全国铁路营业里程达到15万公里，其中高速铁路达到4万公里，增长5．26%。全国铁路客车拥有量为7．8万辆，其中，动车组3．32万辆，增长6．00%。随着中国新基建的持续实施以及中国高铁走向世界，高速铁路还会保持快速发展态势。MEMS惯导系统以其小型化、高集成、低成本的优势，逐步适用于体积和重量受限的微小卫星等系统。微小卫星具有成本较低、发射灵活、适宜冗余组网等优点，卫星互联网的兴起大大促进了微小卫星的快速发展。目前，低轨道卫星空间轨位和频谱资源日益紧张，各国纷纷部署星座计划。在国家政策支持下，我国近年来多个近地轨道卫星星座计划相继启动，各星座计划部署情况合计超过1，200颗。根据赛迪顾问的统计，2019年全球卫星产业规模为2，860亿美元，我国卫星互联网市场规模约700亿元，中国在轨卫星的数量位于世界前列。我国商业航天市场的逐步开放，将带动通信小卫星研制、卫星通信系统终端设备与软件应用市场发展，在全球高度关注卫星互联网布局的背景下我国卫星互联网市场规模预计将保持较高速度的增长。MEMS惯性传感器具有小型化、高集成、低成本的优势，随着其精度的提升，MEMS惯性传感器逐步适用于对精度要求较高的高可靠领域。我国高可靠领域市场应用场景广泛，市场需求蓬勃增长，具备广阔的市场空间。加强公共平台建设（一）建设分析评价公共平台支持有能力、有资质的企事业单位建设国家级电子元器件分析评价公共服务平台，加强质量品质和技术等级分类标准建设，围绕电子元器件各领域开展产品检测分析、评级、可靠性、应用验证等服务，为电子系统整机设计、物料选型提供依据。（二）建设科技服务平台支持地方、园区、企事业单位建设一批公共服务平台，开展知识产权培训与交易、科技成果评价、市场战略研究等服务。鼓励建设专用电子元器件生产线，为MEMS传感器、滤波器、光通信模块驱动芯片等提供流片服务。建设创新创业孵化平台。支持电子元器件领域众创、众包、众扶、众筹等创业支撑平台建设，推动建立一批基础电子元器件产业生态孵化器、加速器，鼓励为初创企业提供资金、技术、市场应用及推广等扶持。优化产业发展环境加强对电子元器件行业垄断、倾销、价格保护、侵犯知识产权等不正当竞争行为的预警和防范，维护公平竞争、健康有序的市场发展环境。促进行业诚信经营、依法纳税、节能环保、和谐用工。引导电子元器件行业信用体系建设，推行企业产品标准、质量、安全自我声明和监督制度。MEMS产品类型与市场结构（一）MEMS传感器和MEMS执行器的比较MEMS传感器是用来检测物理、化学或生物现象的器件；而MEMS执行器是用来产生机械运动、力和转矩的器件，两者用途存在较大差异，因而技术路线和难点不同。由于客户应用MEMS产品的环境具有多样性，需要检测的外界信号种类较多，从而导致MEMS传感器种类众多，需求差异大，不同类型的MEMS传感器的工艺差异大，需开发合适的工艺方案；另外MEMS传感器往往需要匹配复杂的ASIC芯片，所以MEMS传感器的开发往往需要从系统的角度考虑。而MEMS执行器通常只是完成单一的动作，结构较为简单，但对于材料制备，以及加工工艺的一致性要求较高，如MEMS射频滤波器等；另外，MEMS执行器无需或只需要简单的驱动电路即可，系统相对简单。（二）不同类型MEMS传感器的比较由于MEMS传感器测量的外部信号不同，不同类型的MEMS传感器技术差异较大。MEMS惯性传感器主要检测物体的运动，需要将传感器安装在载体上用于检测载体的运动，因此MEMS多为密闭式封装。而压力/光学/声学传感器需要通过直接接触被测量，所以多为开放式封装，同时需要结合使用环境设计有利于检测信号的传感器敏感单元表面结构。MEMS惯性传感器相对于压力传感器、声学传感器等其他类型的传感器应用领域较广，在高可靠领域及其他工业、消费领域均具备丰富的应用场景，不同应用场景对于性能、成本、功耗、体积的要求差异较大。相对于在工业及消费领域应用较广的声学传感器、环境传感器等，高性能MEMS惯性传感器多应用于高可靠领域，复杂环境下对于产品性能要求高，因此对产品可靠性提出了更严格的需求，存在较高的技术门槛。MEMS压力传感器主要是压阻式和电容式，使用广泛，成本低；部分高端压力传感器采用谐振式原理，精度高，售价高，多用于仪表校验等对精度要求高的领域。MEMS声学传感器和光学传感器主要应用于消费类电子，例如智能手机中的MEMS麦克风和接近传感器，产品具有体积小、成本低、功耗低的特点，对产品绝对性能要求相对不高，行业内厂商竞争相对激烈。（三）MEMS传感器的工作原理MEMS传感器是采用微电子和微机械技术工艺制造出来的微型传感器，种类繁多，是使用最广泛的MEMS产品。MEMS传感器通过微传感元件和传输单元，可将输入的信号转换，并导出另一种可监测信号。与传统工艺制造的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点。MEMS惯性传感器属于MEMS传感器的重要分支，主要包括陀螺仪、加速度计等，并可通过组合形成惯性组合传感器IMU。MEMS产品在不同下游应用领域的市场空间国外市场方面，根据Yole报告的统计，预计未来全球高可靠领域MEMS产品的市场空间较大。国内市场方面，基于MEMS的惯性测量单元可大幅降低设备成本，并能在各种恶劣环境中稳定工作满足可靠性要求，取代原本成本高昂、体积较大的其他惯性器件。MEMS产品用于高可靠领域的核心壁垒为需要根据产品最终应用领域设计、生产出对应性能的产品；例如平台稳定需要超低噪声和高带宽处理技术做支撑；复杂环境导航需要抗高过载和温度补偿技术做支撑等。因此，行业内企业能否全面掌握以上技术以满足客户不同的要求成为其MEMS产品进入此领域的核心壁垒；此外，MEMS产品用于此领域的另一个核心壁垒主要为是否可在保证MEMS惯性传感器高性能的同时，从系统级角度保证产品工程化、可测性及环境适应性。此外，MEMS产品在高端工业领域应用较广，市场较大。根据Yole发布的StatusofMEMSIndustry2022，2021年全球高端工业领域中MEMS产品的市场规模为22．34亿美元，预计到2027年全球高端工业领域中MEMS产品的市场规模将达33．40亿美元，2021-2027年复合增长率为7．00%。国际竞争格局方面，MEMS产品主要用于高端工业领域的资源勘探、压力传感等多个领域，应用场景相对分散，世界知名机构的产品在高端工业领域具有相对优势。MEMS产品用于高端工业领域的核心壁