MEMS传感器,国产替代的春天?

现如今,人们已经逐渐离不开各种智能设备。一天醒来,先用指纹识别解锁手机,查看新到的邮件;中午,设定好的扫地机器人避开了孩子散落一地的玩具后开始清扫房间;夜晚,跟着手机导航一路来到了网红机器人餐厅,餐厅机器人在你拿走碟子后对你说了声“谢谢”……


为了实现这一切,背后其实都离不开我们今天的主角——MEMS传感器。


01 什么是MEMS传感器?


MEMS传感器是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的传感器,是传感器小型化、智能化、集成化的代表之作,其系统尺寸在几毫米乃至更小,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。


MEMS传感器的门类品种繁多,不同类别的MEMS传感器在不同领域可实现的功能不一,如加速度传感器既可帮助智能手机计算位移、触发指令,也可帮助汽车监测安全气囊系统、防滑系统、防盗系统等。我们将MEMS传感器细分种类总结成以下图片:


图片

MEMS传感器分类图示


02 MEMS 传感器 VS. 传统传感器


一是微型化,一般单个MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位,重量轻、能耗低。

二是可批量生产MEMS传感器主要采用硅基半导体加工制作,可兼容传统IC生产工艺。

三是集成化,在同一封装体内,可以集成多种机械结构芯片与ASIC芯片于一体,形成复杂的微系统。

四是多学科交叉,MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学等多种学科。


MEMS传感器同时兼备集成与智能化的优势,不仅可以将多个传感器组合到同一个芯片封装内,还能将多个传感器的数据进行组合运算,以提高信息的准确性。


03 MEMS传感器产业链


MEMS传感器的产业链主要分为研发设计、生产制造(中试、量产和封装测试)、系统集成应用三个层面。


图片

MEMS传感器产业链


在设计层面,主要有IDMFabless两种模式。IDM模式为垂直整合元件制造模式,企业能够独立完成芯片设计、晶圆制造、封装和测试等各生产环节。Fabless模式则指的是无晶圆厂模式,该模式下芯片设计企业主要从事芯片的设计与销售,将晶圆制造、封装、测试等生产环节交由第三方晶圆制造和封装测试企业完成。目前,Fabless模式已逐渐成为半导体行业的主流商业模式。


图片

MEMS传感器IDM和Fabless模式对比


在生产制造环节,MEMS传感器的外包商业模式已非常成熟。根据不同的代工模式,又可进一步细分为纯 MEMS 代工、IDM 企业代工和传统集成电路 MEMS 代工。其中,纯 MEMS 代工业务将迎来快速扩张,其在MEMS 代工业务中所占比重也将继续提高。

图片

MEMS晶圆制造基本工艺步骤、相关设备企业代表


封装测试环节对MEMS的产品成本有着重要影响。在 MEMS 产品量产化过程中,封装的成本比重已经越来越大,通常超过四成,再结合测试部分的成本,一般来说,后端的成本往往占据产品成本的大半,有的甚至超过七至八成。为了降低研发到市场的导入成本,整合封装已成为各大OSAT (外包半导体产品封装和测试) 封装厂商热衷于思考和探索的课题。


04 MEMS传感器应用领域


MEMS传感器的应用范围非常广阔,从高大上的航空航天领域到触手可及的消费电子领域,许多设备内部都有着MEMS传感器的身影。根据Yole Development发布的统计数据,2019年全球MEMS的三大终端应用市场分别为消费电子、汽车和工业,整体市场规模突破115亿美元,增长率为7.4%。


图片

MEMS传感器部分应用领域与产品


// 消费电子


图片

2026年全球MEMS各领域市场占比预测


消费电子是全球MEMS行业最大的应用市场(超过60%),且在整个MEMS行业的市场规模的占比越来越高;以手机为例,单部智能手机上安装的MEMS传感器数量将会从2014年的12颗上升到2021年的20颗。


图片


// 汽车电子


汽车电子是MEMS产品第二大应用市场。随着汽车智能化的发展趋势和汽车安全要求标准的提高,MEMS传感器在汽车上的应用也越来越广泛;据Yole Development预测,到2025年,汽车电子领域MEMS市场规模将达28.6亿美元


汽车安全规定完善及汽车智慧化趋势助推MEMS应用发展:据统计,全球平均每辆汽车包含10个传感器,在高档汽车中,大约采用25至40只MEMS传感器,车越好,所用的MEMS就越多,BMW740i汽车上有70多只MEMS。


图片


// 工业与通信


MEMS 产品市场需求随着工业互联网应用的不断成熟、工业转型升级的趋势而不断提升;根据 Yole 的数据,2018-2026年全球工业领域 MEMS 产品市场规模从 12.43 亿美元增长至 20.91 亿美元,年均复合增长率为 6.72%。


图片


// 医疗


医疗保健是MEMS产品第四大应用市场。MEMS传感器被广泛应用于生物和医疗电子产品中,如心脏起搏器、精密手术仪器、心率监视器、数字温度计、怀孕测试仪等;根据Yole的数据,2018-2026年全球医疗领域 MEMS 产品市场规模从 6.71 亿美元增长至 11.80 亿美元,年均复合增长率为 7.32%,呈现稳步上升的态势。


图片

压力传感器在医疗领域应用场景


05 我国MEMS传感器市场发展现状


尽管目前我国对MEMS传感器的市场投入呈现增长态势,但仍存在市场起步晚,高端产品进口依赖,研发力量不足等问题,整体产业链发展尚处于初级阶段。


// 国产化率低,严重依赖进口


到2020年全球传感器市场已接近600亿美元规模,而目前我国传感器芯片市场的国产化率不到10%,相对集成电路的进口依赖性更为严重。国外企业起步早,例如ADI从1987年开始MEMS的研发,1991年开始MEMS传感器的量产,BOSCH也从1995年开始MEMS传感器的量产;我国上世纪90年代才刚开始集成电路的产业化, 2010年前后MEMS行产业才有了雏形。以苏州敏芯、深迪半导体、苏州明皜、天津诺思为代表的MEMS芯片设计企业先后在国内成立。与此同时,一批具有产品封装和测试能力的国内企业开始走出来,这其中的佼佼者就是瑞声科技歌尔声学。他们凭借自身强大的模组封装制造能力和客户渠道,成功打入包括Apple在内的一系列国内外顶尖客户。要彻底实现我国MEMS产业的飞速发展和自主可控,最关键的还是要突破MEMS芯片的设计和生产制造环节,这方面仍需要国内的MEMS芯片创业公司共同努力。


// 缺少复合型人才


在研究主体方面,国内主要集中在高等院校与研究所,而国外还包括众多有实力的公司和企业。目前国内企业具备一定创新能力,但业务重合度高,产品定位中低端,行业整体营收规模偏小。MEMS涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。简而言之,MEMS产品团队需要跨学科的复合型人才,但我国目前的分学科培养体制很难培养出大量优秀的复合型人才。


// 制造端缺乏系统、完整的MEMS生产体系,需要本地化、国产化供应链整合


集成电路产业需要靠整个供应链的发展才能起飞,我国近20年来芯片设计行业的飞速发展也正是因为中芯国际、华宏宏力、长电科技、通富微电、华天等供应链公司的成长和壮大。同理,MEMS产业要想得到长足的发展,在我国必须有强大和成熟的本土供应链做支撑,因中国MEMS产业起步较晚,国内缺乏系统、完整的MEMS生产体系,无法为本土MEMS设计公司提供供应链支持,成为制约中国MEMS产业发展的最大障碍。


MEMS产业链涉及到设计研发、生产制造、封装测试、系统应用多个环节,目前国内传感器行业也已具有一定规模的产业布局,已形成涵盖敏感单元设计、制造、封装测试、软件与数据处理算法、应用等环节的传感器产业链;但与此同时,还存在产业档次偏低、企业规模较小、技术创新基础较弱、同质化较为严重等问题。在生产制造环节,最重要的是建立起国产先进的MEMS平台。比如发展多尺寸兼容的先进MEMS研发平台、发展8英寸MEMS传感器加工中试平台、发展MEMS传感器批量制造平台等多个平台。


06 MEMS传感器创新趋势


MEMS传感器的创新推动着各领域的发展,各领域产品对功能革新的需求也为MEMS传感器指引着未来发展的方向。我们认为,MEMS传感器目前已呈现出小型化、融合协同、柔性化、无源化、封装技术创新、算法智能化等发展趋势。


图片

MEMS传感器创新趋势


07 MEMS传感器投资机会


我们认为,未来应重点关注拥有中高端产品线核心技术积累的公司,以及产业链升级改造的机会。针对早期投资阶段,重点院校、实验室、科研院所的专家型人才团队也是关注重点之一。


// 关注高端产品线有核心技术积累的公司


目前我国MEMS行业整体呈现中低端产品竞争激烈、高端产品竞争中没有竞争力的局面,高端产品线80%进口依赖,产业档次偏低、企业规模较小、技术创新基础较弱、同质化较为严重。随着未来国产替代趋势的进一步加强,我国势必需要发展中高端MEMS产品线,解决技术层面卡脖子的问题,因此需要重点关注在MEMS各细分领域有核心技术和专利积累的初创公司。


// 关注产业链升级改造机会


经过十余年发展,我国在MEMS产业链本地化方面有了长足的进步和积累,但仍然面临自主设计能力欠缺、高端产品线生产设备和能力不足、测试封装阶段不够先进等痛点。建议可以重点关注产业链向中高端升级改造的机会,例如新的生产设备、新的封装测试方法、从源头进行自主产品设计等。


// 关注高校和科研院所的科研成果转化


国内诸多高效和科研院所在MEMS传感器前沿领域有深厚积累,例如清华大学微电子学研究所、北京大学微电子学研究院、上海交通大学微电子学系、东南大学、西安交通大学、重庆大学、西北工业大学、中科院上海微系统所、北京电子所、苏州纳米所、中电集团13所、55所等。


08 国内外MEMS新创企业一览


发达国家在MEMS技术中主要在芯片和微机电制造领域较成熟,特别是在使用寿命和精度上优势明显。目前中国MEMS市场仍以国外厂商为主导,其中前十名分别是博通、博世、意法半导体、德州仪器、QORVO、惠普、楼氏、恩智浦、歌尔和TDK,美国厂商占比超过50%。与此同时,许多新创企业也在MEMS领域逐渐崭露头角,使MEMS传感器领域得到了创新及发展。


图片

想要了解更多专业信息,请扫码加入IOT社群

开启在线联络

图片

图片



添加微信小助手 pnp_china

加入创新者社群

及时掌握最新资讯



关于 Plug and Play China 璞跃中国


2006年成立于硅谷的璞跃(Plug and Play)是全球科技创新平台引领者,曾先后成功早期投资孵化了Google、PayPal、Dropbox 等多家互联网行业科技巨头公司,业务涵盖:早期投资、企业创新服务、创新生态空间运营等。经过10余年的发展和超过20年的长期积累,目前在全球设立40多个创新生态空间和区域办公室;累计投资超过1600家初创企业,为超过17000家初创企业进行孵化加速,为超过500家全球领先大企业提供联合创新服务,年平均举行初创企业和大企业间的对接交流活动1000余场。

2015年,在中国双创浪潮下,璞跃入华,2016年“璞跃中国(Plug and Play China)”成立。

璞跃中国立足北京——中国总部,布局上海、深圳两大区域创新中心,联动南京、武汉、无锡等城市创新合作伙伴开展中国创新业务。

璞跃中国现开设有企业创新服务、城市创新服务、科技投资、创新空间四大业务板块,构建了中国领军的线上线下创新平台,并为之配套构建了包括大企业、初创公司、城市伙伴、风险投资机构、高校科研院所、行业导师等多维度的创新生态伙伴体系。

迄今璞跃中国已服务100余家行业领军企业,累计孵化加速1700余家创业公司,并投资了包括ApplyBoard、AutoX、非夕科技、纵行科技、银基安全、大界机器人、海飞科、Authing、优时科技等超过150家科技创新企业。


了解更多信息请访问 www.pnpchina.com

Plug and Play中国 是一家科技创新加速器与投资机构,专注创新生态服务和开放式创新业务。 致力于在投资、创业加速、 企业创新服务、 创新生态、 开放创新、 开放创新、 创新咨询、 创新服务、 等层面立体化帮助创业企业成长,专注 开放式创新 ,并与大企业、城市、大学等展开深度创新生态合作。

X

扫码关注 Plug and Play China

plug and play 中国,创新咨询,开放创新,创新生态
X