MEMS陀螺儀技術(shù)專利態(tài)勢(shì)分析

于金平 廉莉莉 / 工業(yè)和信息化部電子知識(shí)產(chǎn)權(quán)中心

MEMS陀螺儀技術(shù)專利態(tài)勢(shì)分析

于金平 廉莉莉 / 工業(yè)和信息化部電子知識(shí)產(chǎn)權(quán)中心

MEMS陀螺儀具有體積小、功耗低等多種優(yōu)勢(shì)，在消費(fèi)電子、生物醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)在MEMS傳感器領(lǐng)域技術(shù)水平以及市場(chǎng)份額的提高，專利布局從應(yīng)用向核心技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，以歌爾聲學(xué)、瑞聲科技為代表的中國(guó)MEMS傳感器廠商崛起，知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)日益突顯。本文對(duì)MEMS陀螺儀全球以及中國(guó)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，深入研究該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用熱點(diǎn)，以及行業(yè)內(nèi)主要競(jìng)爭(zhēng)者的研發(fā)動(dòng)態(tài)和專利策略，為我國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)政策的制定提供參考，為行業(yè)內(nèi)的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)利用專利信息進(jìn)行技術(shù)研發(fā)、制定知識(shí)產(chǎn)權(quán)競(jìng)爭(zhēng)策略、規(guī)劃專利布局提供支撐。

引言

MEMS陀螺儀是利用振動(dòng)質(zhì)量塊被基座(殼體)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的哥氏效應(yīng)來(lái)傳感角速度的原理制成，具有體積小、功耗低等多種優(yōu)勢(shì)。MEMS陀螺儀的研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)幾十年的研究國(guó)外相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，眾多科研單位及企業(yè)如美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室、ADI公司、德國(guó)Bosch公司、日本Toyota公司已有商業(yè)化產(chǎn)品。我國(guó)MEMS技術(shù)研究正在積極開(kāi)展，在基礎(chǔ)理論、加工技術(shù)和工程應(yīng)用等方面已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)步。隨著MEMS傳感器在消費(fèi)電子、生物醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，知識(shí)產(chǎn)權(quán)訴訟頻發(fā)。在近三年總共58起針對(duì)我國(guó)的337調(diào)查中已有2起與傳感器有關(guān)，隨著我國(guó)在MEMS傳感器領(lǐng)域技術(shù)水平以及市場(chǎng)份額的提高，專利布局從應(yīng)用向核心技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，以歌爾聲學(xué)、瑞聲科技為代表的中國(guó)MEMS傳感器廠商崛起，知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)日益突顯。

圖1 1. 數(shù)據(jù)說(shuō)明：全球申請(qǐng)指全球范圍內(nèi)的專利申請(qǐng)；在華申請(qǐng)指全球申請(qǐng)人在中國(guó)的專利申請(qǐng)。數(shù)據(jù)拐點(diǎn)分析：1、技術(shù)因素：MEMS技術(shù)最早始于1959年，MEMS陀螺儀技術(shù)的發(fā)展與MEMS技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)，真正的MEMS陀螺儀技術(shù)在20世紀(jì)80年代才出現(xiàn)；2、經(jīng)濟(jì)因素：經(jīng)濟(jì)危機(jī)不僅會(huì)導(dǎo)致股市縮水，同樣也會(huì)逼迫各個(gè)企業(yè)壓縮各項(xiàng)開(kāi)支（包括研發(fā)投入），最近的四大危機(jī)：1990～1992年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)衰退；1997～1998年亞洲金融風(fēng)暴；2000～2002年美國(guó)新經(jīng)濟(jì)危機(jī)；2007年～2008年美國(guó)次貸危機(jī)。經(jīng)濟(jì)危機(jī)帶給專利申請(qǐng)量的影響會(huì)有一定時(shí)間延遲；3、世界貿(mào)易因素，2001年年底，中國(guó)正式加入WTO，從此全面實(shí)施了保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TRIPS協(xié)議；4、中國(guó)的政治因素：中國(guó)在“十一五“規(guī)劃、“十二五”規(guī)劃、中長(zhǎng)期科技規(guī)劃、振興裝備制造業(yè)規(guī)劃、國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略綱要中制定了一系列的激勵(lì)政策。全球MEMS陀螺儀專利申請(qǐng)趨勢(shì)

一、全球MEMS陀螺儀專利態(tài)勢(shì)

截止到2012年12月31日，全球MEMS陀螺儀領(lǐng)域的專利申請(qǐng)總量為7,329件2.由于專利申請(qǐng)公開(kāi)存在滯后性，2013年及2014年提交的發(fā)明專利申請(qǐng)大部分尚未公開(kāi)，本文重點(diǎn)研究2012年及之前公開(kāi)的專利，下同。。MEMS陀螺儀領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)整體呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)（圖1），最早的MEMS陀螺儀專利為HUGHES AIRCRAFT 公司申請(qǐng)的有關(guān)MEMS工藝的專利，此后的近20年，MEMS陀螺儀專利申請(qǐng)的數(shù)量緩慢增長(zhǎng)，1995年申請(qǐng)量開(kāi)始大幅攀升，2004—2007年出現(xiàn)了短期的回落，2008年以后又進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢測(cè)原理、封裝技術(shù)以及工藝技術(shù)趨于成熟，器件的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

圖 2 全球MEMS陀螺總體申請(qǐng)人排名分析（按項(xiàng)）

從申請(qǐng)量上來(lái)看（圖2），前15名申請(qǐng)人中美國(guó)占據(jù)了6位，且該6位申請(qǐng)人均為企業(yè)，其中霍尼韋爾和ADI公司的申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先。中國(guó)在前15名申請(qǐng)人中占據(jù)了4位，其中3位為大學(xué)，1位為研究機(jī)構(gòu)，雖然中國(guó)地區(qū)的申請(qǐng)人在全球TOP15中的比例較高，但是產(chǎn)業(yè)化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國(guó)，研究機(jī)構(gòu)在理論和實(shí)驗(yàn)方面取得了顯著進(jìn)步，但在商業(yè)化方面，還有很大差距。

歐洲地區(qū)在MEMS陀螺儀領(lǐng)域比較卓越的專利權(quán)人為法國(guó)原子能委員會(huì)，在MEMS陀螺儀領(lǐng)域有83件相關(guān)專利申請(qǐng)，突顯出法國(guó)對(duì)于MEMS陀螺儀研發(fā)的重視。在日韓地區(qū)，以三星、索尼和松下為主要專利權(quán)人，出于對(duì)電子領(lǐng)域全產(chǎn)業(yè)鏈的打造和對(duì)于消費(fèi)電子的重視，三星等企業(yè)在近幾年加大了對(duì)MEMS陀螺儀的專利申請(qǐng)布局。

MEMS陀螺儀技術(shù)可分為原理結(jié)構(gòu)、加工工藝、封裝、測(cè)試、材料及電路等六個(gè)方面（圖3）。其中以原理結(jié)構(gòu)、封裝和工藝為最主要部分，所占比例達(dá)到MEMS陀螺儀技術(shù)總體的85%，材料和電路所占比例最低3.對(duì)于MEMS陀螺器件相關(guān)的材料專利本課題只限定在與MEMS陀螺結(jié)構(gòu)相關(guān)的專利，有關(guān)MEMS技術(shù)相關(guān)的普通單晶硅、多晶硅等材料專利未包括在本研究范圍內(nèi)。。考慮到專利申請(qǐng)保護(hù)范圍的因素，很多MEMS陀螺儀相關(guān)專利申請(qǐng)涉及原理及封裝、工藝及封裝等多種交叉技術(shù)。通過(guò)分析可知，MEMS陀螺儀交叉技術(shù)相關(guān)的專利為157件，其中以原理和工藝的交叉專利為最多，所占比例為58%，其次是原理和封裝的交叉技術(shù)專利，隨著MEMS陀螺儀技術(shù)與集成電路技術(shù)的融合發(fā)展，以后交叉技術(shù)相關(guān)專利的比例會(huì)越來(lái)越高。

圖3 全球MEMS 陀螺專利技術(shù)領(lǐng)域分布

二、中國(guó)MEMS陀螺儀專利態(tài)勢(shì)

截止到2012年12月31日，中國(guó)地區(qū)受理的MEMS陀螺儀領(lǐng)域的專利申請(qǐng)總量為2,456件。MEMS陀螺儀領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量整體呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)（圖4），中國(guó)最早的MEMS陀螺儀專利出現(xiàn)于1985年，但直到1999年，專利申請(qǐng)量一直很低，且實(shí)用新型專利占主要部分，目前大部分已經(jīng)失效。從2000年開(kāi)始，中國(guó)MEMS陀螺儀的專利申請(qǐng)量進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，與全球MEMS陀螺儀專利申請(qǐng)平穩(wěn)發(fā)展的態(tài)勢(shì)形成對(duì)比。

圖4 中國(guó)MEMS陀螺儀申請(qǐng)趨勢(shì)

在MEMS陀螺儀領(lǐng)域，中國(guó)的本土申請(qǐng)人申請(qǐng)的專利為1,786件，達(dá)到總量的72%（圖5）。國(guó)外申請(qǐng)人中主要以美國(guó)為主，比例達(dá)到了42%，突顯出美國(guó)企業(yè)對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)的重視。其次是日本和德國(guó)，所占比例分別是16%和14%。美國(guó)的主要申請(qǐng)人包括高通、飛思卡爾、IBM等，德國(guó)的主要申請(qǐng)人是博世。

圖5 中國(guó)MEMS陀螺儀專利技術(shù)來(lái)源分析

我國(guó)在近十年非常重視MEMS陀螺儀技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，通過(guò)一系列政策引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并通過(guò)建立無(wú)錫物聯(lián)網(wǎng)基地，為MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展搭建良好的基地環(huán)境。我國(guó)中電十三所、航天科技704所等軍工單位，在近幾年加大了對(duì)MEMS陀螺儀的研發(fā)、有關(guān)國(guó)防、航空航天的MEMS陀螺儀專利申請(qǐng)量持續(xù)上升，為我國(guó)的軍事電子、航空航天技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

同時(shí)，MEMS陀螺儀作為軍民兩用技術(shù)，在中國(guó)地區(qū)的技術(shù)分布更側(cè)重于在車(chē)輛船舶領(lǐng)域，相比全球MEMS陀螺儀技術(shù)廣度分布，中國(guó)地區(qū)的MEMS陀螺儀專利在消費(fèi)電子和生物醫(yī)療領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間（圖6）。整體來(lái)講，中國(guó)地區(qū)MEMS陀螺儀專利分布的廣度較高，在各個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的角色。

圖6 中國(guó)地區(qū)MEMS陀螺儀應(yīng)用相關(guān)專利領(lǐng)域分布

MEMS陀螺儀領(lǐng)域中國(guó)地區(qū)前20名申請(qǐng)人中有14家本土申請(qǐng)人（圖7），主要以大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)為主，以上海交通大學(xué)、東南大學(xué)和北京大學(xué)最為突出；而企業(yè)僅有申迪半導(dǎo)體一家，申迪半導(dǎo)體成立于2008年8月，是由美國(guó)留學(xué)歸國(guó)人員創(chuàng)立的中國(guó)首家設(shè)計(jì)、生產(chǎn)商用MEMS陀螺儀系列慣性傳感器的MEMS芯片公司。在前20名申請(qǐng)人中，有6家為外資企業(yè)，其中以博世在中國(guó)布局的專利最多，達(dá)到了55件，其次是高通、財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院、臺(tái)積電、IBM和飛思卡爾。

圖7 中國(guó)MEMS陀螺儀主要申請(qǐng)人分析

三、MEMS陀螺儀可靠性專利分析

本文通過(guò)MEMS陀螺儀的可靠性參數(shù)和專利強(qiáng)度篩選了MEMS陀螺儀領(lǐng)域的重點(diǎn)專利。其中可靠性參數(shù)主要包括MEMS陀螺儀在惡劣環(huán)境、極端條件下工作的性能要求，包括：零溫漂、抗振動(dòng)、抗粘連、壽命、耐高溫低溫、電磁屏蔽、MEMS與CMOS的集成、高性能等。專利強(qiáng)度的評(píng)估依據(jù)包括：專利的引用次數(shù)及被引用次數(shù)、專利同族、專利維持時(shí)間、專利權(quán)利要求的數(shù)量等。

經(jīng)過(guò)篩選，獲得可靠性相關(guān)專利329項(xiàng)。這些重點(diǎn)專利主要集中在MEMS陀螺儀的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，專利數(shù)量為203件，所占比例高達(dá)62%。其次是有關(guān)MEMS封裝和工藝的相關(guān)專利，所占比例分別為11%和15%（圖8）。

圖8 MEMS陀螺儀可靠性專利技術(shù)分布

在主要競(jìng)爭(zhēng)者方面，霍尼韋爾不論在專利數(shù)量還是專利質(zhì)量上都是領(lǐng)先者（圖9），緊隨其后的是美國(guó)查爾斯實(shí)驗(yàn)室有限公司，其是服務(wù)于美國(guó)的非營(yíng)利機(jī)構(gòu)，在航天系統(tǒng)所需的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)、研制和技術(shù)支持方面有突出實(shí)力，并開(kāi)發(fā)容錯(cuò)航空電子設(shè)備、實(shí)時(shí)嵌入式軟件、電源與控制裝置和精確指向與跟蹤技術(shù)，供各類航天系統(tǒng)使用。BAE系統(tǒng)公司在MEMS陀螺儀領(lǐng)域?qū)＠灿兄^強(qiáng)的影響力。在中國(guó)申請(qǐng)人中，西安中星測(cè)控和北京航空航天大學(xué)有一定的專利申請(qǐng)。

圖9 MEMS陀螺儀可靠性專利主要競(jìng)爭(zhēng)者

從重點(diǎn)專利來(lái)源來(lái)看，MEMS陀螺儀領(lǐng)域的重點(diǎn)專利主要來(lái)源于美國(guó)、中國(guó)、日本、歐洲和韓國(guó)，其中以美國(guó)專利比例最高。MEMS陀螺儀重點(diǎn)專利技術(shù)來(lái)源國(guó)更進(jìn)一步顯示出核心技術(shù)的分布情況（圖10）。從專利流向來(lái)看，美國(guó)申請(qǐng)人和歐洲申請(qǐng)人除了在本國(guó)大量申請(qǐng)專利外，還在日本申請(qǐng)了較多的MEMS陀螺儀相關(guān)專利，在韓國(guó)和中國(guó)專利布局較少，體現(xiàn)出高可靠MEMS陀螺儀專利權(quán)人對(duì)美國(guó)、歐洲和日本市場(chǎng)的重視；韓國(guó)在MEMS陀螺儀領(lǐng)域的專利布局特點(diǎn)是以本土為主，同時(shí)在美國(guó)、歐洲、日本和中國(guó)有少量專利申請(qǐng)；中國(guó)與其他國(guó)家和地區(qū)的專利申請(qǐng)?zhí)攸c(diǎn)有較大的差異，專利申請(qǐng)絕大部分都在本國(guó)，在美國(guó)和歐洲有極少專利申請(qǐng)，在日本和韓國(guó)目前還沒(méi)有相關(guān)專利申請(qǐng)。

圖10 MEMS陀螺儀可靠性專利技術(shù)流向

中國(guó)MEMS陀螺儀的專利申請(qǐng)應(yīng)當(dāng)支撐其市場(chǎng)戰(zhàn)略。中國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，同時(shí)中國(guó)也是MEMS傳感器的重要需求市場(chǎng)，需求從中低端市場(chǎng)向高端市場(chǎng)轉(zhuǎn)移，對(duì)MEMS陀螺儀可靠性需求將明顯提速。中國(guó)MEMS陀螺儀的市場(chǎng)戰(zhàn)略應(yīng)當(dāng)是主打國(guó)內(nèi)中高端市場(chǎng)，積極開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng)，積極借鑒歐美企業(yè)的專利布局策略，對(duì)MEMS陀螺儀的消費(fèi)市場(chǎng)及時(shí)、全面地申請(qǐng)專利，以保證自身的市場(chǎng)地位。

四、小結(jié)

從全球MEMS陀螺儀專利態(tài)勢(shì)來(lái)看，全球MEMS陀螺儀專利申請(qǐng)進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展期，全球MEMS陀螺儀專利技術(shù)集中在工藝、原理及封裝技術(shù)，全球主要申請(qǐng)人以歐美企業(yè)為主，專利集中度較低。全球MEMS陀螺儀應(yīng)用專利主要分布在工業(yè)、消費(fèi)電子和車(chē)輛，國(guó)防及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用呈上升趨勢(shì)。國(guó)外MEMS陀螺儀封裝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的借鑒空間。

從中國(guó)MEMS陀螺儀專利態(tài)勢(shì)來(lái)看，中國(guó)MEMS陀螺儀專利技術(shù)處于快速發(fā)展期，有效專利比例較高，國(guó)外申請(qǐng)人注重在華專利布局，專利風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)引起關(guān)注。中國(guó)MEMS陀螺儀專利主要集中在北京、上海及江蘇，主要申請(qǐng)人以大專院校和科研單位為主。

從MEMS陀螺儀主要競(jìng)爭(zhēng)者來(lái)看，歐美MEMS陀螺儀競(jìng)爭(zhēng)者重視專利的技術(shù)和地域的全面布局，構(gòu)建專利質(zhì)量與數(shù)量的雙重保護(hù)網(wǎng)，以意法半導(dǎo)體、應(yīng)美盛和霍尼韋爾為代表。中國(guó)MEMS陀螺儀近年來(lái)發(fā)展迅速，具有一定技術(shù)儲(chǔ)備，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人多為科研院所，以上海交通大學(xué)和北京大學(xué)為代表。

從MEMS陀螺儀可靠性專利技術(shù)來(lái)看，MEMS陀螺儀可靠性相關(guān)專利申請(qǐng)集中在近10年，專利來(lái)源國(guó)以美國(guó)為主，專利目標(biāo)國(guó)以美國(guó)、歐洲和日本為主，流向中國(guó)和韓國(guó)的專利較少，中韓存在較大的專利布局空間，重點(diǎn)專利權(quán)人以軍工科研單位和企業(yè)為主。

MEMS陀螺儀市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境由“群雄逐鹿”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹?xì)分市場(chǎng)”的格局，歐美和日本占有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，跨國(guó)公司已在中國(guó)進(jìn)行全面專利布局。中國(guó)企業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速，具有一定的技術(shù)儲(chǔ)備；中國(guó)傳感器廠商需要突破核心技術(shù)，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外專利布局，提升專利質(zhì)量，逐步完善專利防御網(wǎng)。

在消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的帶動(dòng)下，MEMS傳感器的發(fā)展面臨巨大的機(jī)遇。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)巨頭知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系完整，知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局策略成熟，對(duì)我國(guó)傳感器發(fā)展造成一定的威脅。隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)在MEMS領(lǐng)域技術(shù)水平和市場(chǎng)份額的提升，國(guó)內(nèi)企業(yè)需警惕知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)，做到未雨綢繆。