微型機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局與發(fā)展趨勢(shì) 分析

趙振越　蔡勇　萬(wàn)成東

MEMS實(shí)際上是微型機(jī)械電子系統(tǒng)的英文縮寫(xiě) （Micro Electromechanical System），通常是一系列尺寸 在毫米級(jí)別甚至以下的電子機(jī)械裝置，其內(nèi)部涉及的結(jié)構(gòu)通 常在微米甚至是納米級(jí)別，是利用微型電子技術(shù)構(gòu)建盡可 能小的智能系統(tǒng)。其生產(chǎn)加工通常是基于傳統(tǒng)加工半導(dǎo)體 元器件的光蝕刻等工藝，結(jié)合超高精密機(jī)械加工技術(shù)。這 就使得MEMS實(shí)質(zhì)上成為一種橫跨物理、化學(xué)、電子信息、 機(jī)械等學(xué)科的交叉領(lǐng)域產(chǎn)品。

（一）MEMS的分類

從MEMS的分類來(lái)看，通?？煞譃閭鞲衅骱蛨?zhí)行 器。其中傳感器主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)物理、化學(xué)、生物等的 現(xiàn)象和信號(hào)的感知和測(cè)量，與傳統(tǒng)的傳感器相比，MEMS傳 感器具備高精度、高敏感度、低功耗、小體積等一系列 的優(yōu)勢(shì)。而執(zhí)行器則主要用于對(duì)外輸出力、扭矩，驅(qū)動(dòng) 外部機(jī)械實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，適用于很多精密的機(jī)械和電子 控制領(lǐng)域。在上述兩種MEMS產(chǎn)品分類中，MEMS傳感器是目 前應(yīng)用最為廣泛的種類。主要有物理、化學(xué)和生物三 類主流的MEMS傳感器，其中物理傳感器能夠?qū)ψ匀唤绲奈?理量進(jìn)行測(cè)量，包括力學(xué)范疇的壓力、加速度、角速度 等，以及電學(xué)范疇的電流、電場(chǎng)，磁學(xué)范疇的磁通量，熱 學(xué)范疇的溫度、熱度等，光學(xué)的紅外光、激光、可見(jiàn)光， 聲學(xué)的噪聲、超聲等;化學(xué)傳感器則是針對(duì)氣體、濕度、離 子等，根據(jù)其化學(xué)特性進(jìn)行探測(cè);生物探測(cè)器則主要針對(duì)生 理量和生化量來(lái)測(cè)量，滿足人們對(duì)于人體和生物化學(xué)的探測(cè)要求。

（二）MEMS的基本組成

圖1 MEMS系統(tǒng)基本組成

通常來(lái)講，典型的MEMS傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成的智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致如圖1所示。

如上圖所示，一套MEMS系統(tǒng)，通常包含一組可 以用于檢測(cè)外部信號(hào)或者現(xiàn)象的傳感器，對(duì)外部的光、 電、聲音、壓力、溫濕度、化學(xué)生物屬性等進(jìn)行感知，并 將上述感知結(jié)果轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，傳遞到內(nèi)部信息處理 單元。信息處理單元是整個(gè)MEMS系統(tǒng)的大腦，由于微電子 系統(tǒng)通常是利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理從而實(shí)現(xiàn)一系 列復(fù)雜的計(jì)算，因此需要將傳感器獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 微處理器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。這就需要內(nèi)部首先對(duì)模擬信 號(hào)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳 遞給微處理器進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)完成計(jì)算后，整套系統(tǒng)需要針 對(duì)采集到的信息，針對(duì)性做出動(dòng)作，這就要求信息處理 單元能夠?qū)?zhí)行器下發(fā)指令。而執(zhí)行器通常為模擬信號(hào)驅(qū) 動(dòng)，對(duì)外輸出信息、輸出能量或者執(zhí)行某些運(yùn)動(dòng)。因此這 就又要將數(shù)字指令和信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí) 行器的驅(qū)動(dòng)。綜合上述流程，整套信息處理單元中需要提 供一個(gè)面向傳感器的模擬信號(hào)處理器（通常內(nèi)置模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)的模塊），一個(gè)專門用于數(shù)字信號(hào)接收計(jì)算 的數(shù)字信號(hào)處理器，以及一個(gè)用于向執(zhí)行器輸出指令的模 擬信號(hào)處理器（通常內(nèi)置數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的模塊） 。通過(guò)上述單元，整套MEMS已經(jīng)可以獨(dú)立運(yùn)行。但MEMS系 統(tǒng)通常需要與其他系統(tǒng)進(jìn)行集成，才能夠發(fā)揮更大的作 用，因此整套MEMS的信息處理單元還額外提供了對(duì)外的通 信接口，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)的指令下發(fā)和對(duì)外的數(shù)據(jù)指令傳輸。

“十四五”時(shí)期，全球產(chǎn)業(yè)加速數(shù)字化、智能 化變革，智能傳感器作為數(shù)字化、智能化時(shí)代的重要硬 件基礎(chǔ)，在全球市場(chǎng)中擁有巨大的增長(zhǎng)空間，MEMS傳感 器微型化、多樣化、易于集成和批量生產(chǎn)等特點(diǎn)與智能 傳感器創(chuàng)新發(fā)展方向高度契合，已成為智能傳感器的重要 載體，在汽車電子、消費(fèi)電子、工業(yè)電子、和醫(yī)療電子方 面有著廣泛的應(yīng)用。這里以幾個(gè)典型領(lǐng)域?yàn)槔?，?duì)MEMS的 應(yīng)用前景進(jìn)行探視。

（一）汽車領(lǐng)域

隨著上世紀(jì)九十年代汽車工業(yè)智能化升級(jí)的開(kāi) 始，汽車電子已經(jīng)逐步上升到和傳統(tǒng)汽車機(jī)械同等的重要 程度。作為需要實(shí)時(shí)關(guān)注多種數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，汽車電子 首先成為了MEMS傳感器應(yīng)用的推動(dòng)者和踐行者。隨著汽車 電子的進(jìn)一步發(fā)展，汽車行業(yè)也在不斷變革，從車輛安 全規(guī)范到全車信息化、智能化，MEMS始終充當(dāng)著車輛電子 系統(tǒng)的五官和精細(xì)執(zhí)行者。例如ABS汽車防抱死系統(tǒng)、 AES車身穩(wěn)定系統(tǒng)、可調(diào)節(jié)的懸掛、電子駐車、運(yùn)行胎壓 監(jiān)測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)降噪等，都需要集成MEMS傳感器。隨著汽車 電子消費(fèi)需求的不斷升級(jí)，車輛的智能化程度將越來(lái)越高 ，這意味著MEMS傳感器的應(yīng)用量會(huì)更大，應(yīng)用需求會(huì)更具 體。

（二）消費(fèi)電子領(lǐng)域

隨著人們生活水平的不斷提升，消費(fèi)電子迎來(lái) 了大規(guī)模的發(fā)展，特別是隨著需求的升級(jí)，產(chǎn)品創(chuàng)新成 為了消費(fèi)電子的主要發(fā)展趨勢(shì)。為進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)， 消費(fèi)電子也在積極應(yīng)用MEMS提升其智能化。電子設(shè)備的 安全防護(hù)，移動(dòng)設(shè)備的定位模組、加速度計(jì)、射頻組件 以及MEMS麥克風(fēng)等，都是MEMS傳感器在消費(fèi)電子領(lǐng)域的 典型應(yīng)用。MEMS在消費(fèi)電子中的應(yīng)用，顯著提升了消費(fèi) 電子產(chǎn)品的性能，提升了智能化程度，也進(jìn)一步提升了 交互性能和娛樂(lè)性。未來(lái)隨著消費(fèi)電子創(chuàng)新的不斷推進(jìn)， MEMS的發(fā)展需求也將進(jìn)一步擴(kuò)展。

（三）航空航天領(lǐng)域

自人類開(kāi)啟空天探索以來(lái)，航空航天便成為了 人們探索空天的主要工具。在這一領(lǐng)域MEMS傳感器主要 有狀態(tài)和環(huán)境兩類。狀態(tài)傳感器通常是對(duì)航空航天設(shè)備 的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行捕獲，包括運(yùn)行姿態(tài)、燃料狀態(tài)、艙內(nèi)乘 員狀態(tài)等。同時(shí)通過(guò)這些傳感器，中控計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)計(jì) 算和監(jiān)控設(shè)備以及人員健康度，確保運(yùn)行安全。而環(huán)境傳 感器則主要對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的內(nèi)外部環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通 過(guò)對(duì)內(nèi)外溫濕度、引擎供氧及流量大小等進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量， 確保中控計(jì)算機(jī)能夠隨時(shí)調(diào)整狀態(tài)，為飛行控制提供決策 。隨著航空航天的探索和應(yīng)用需求不斷升級(jí)，MEMS在航空 航天領(lǐng)域的應(yīng)用也將更加深入。

（四）生物醫(yī)療領(lǐng)域

人類社會(huì)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程中，也在不斷關(guān)注 自身健康問(wèn)題。隨著微電子技術(shù)在體外診斷、便攜診療、 植入式器械等生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備逐漸趨 于小型化、智能化。MEMS憑借低功耗等特點(diǎn)使其在醫(yī)療設(shè) 備微型化方面能夠起到重要的作用。同時(shí)，以MEMS傳感器 作為核心的一系列人體傳感器和圖像傳感器，能夠在檢驗(yàn) 精度和便捷度方面為醫(yī)療健康行業(yè)做出自身的貢獻(xiàn)。相信 未來(lái)人類生物醫(yī)療的進(jìn)步也必將加速M(fèi)EMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

正是由于MEMS與人類社會(huì)發(fā)展擁有如此密切的 關(guān)系，MEMS目前已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)業(yè)不可忽視的一 個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。據(jù)調(diào)查，得益于智能汽車、消費(fèi)電子、醫(yī) 療信息服務(wù)、工業(yè)控制等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，全球MEMS市場(chǎng) 規(guī)模正在以年均10.4%的復(fù)合增長(zhǎng)率不斷增長(zhǎng)。而這一 增速也正在不斷提升，預(yù)計(jì)到2023年，MEMS的平均復(fù)合增 長(zhǎng)率將超過(guò)20%，完全超越傳統(tǒng)的半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模。如 此巨大的市場(chǎng)潛力，目前存在怎樣的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局，這里 筆者從全球概況、市場(chǎng)變化、商業(yè)機(jī)會(huì)以及面臨挑戰(zhàn)四方 面來(lái)探討MEMS的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局，并從對(duì)我國(guó)MEMS行業(yè)態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析。

（一）全球概況

全球MEMS傳感器市場(chǎng)目前仍由歐美日等發(fā)達(dá)國(guó) 家和地區(qū)主導(dǎo)，其中美國(guó)、德國(guó)以及日本三國(guó)市場(chǎng)占比 達(dá)到50%以上，而在高端MEMS傳感器領(lǐng)域，美國(guó)和德國(guó) 的優(yōu)勢(shì)則更為明顯。從全球市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，消費(fèi)電 子、智能汽車（無(wú)人駕駛）、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域 存在新機(jī)遇。目前，MEMS市場(chǎng)極大程度上依賴汽車電子和 消費(fèi)電子，隨著疫情等因素的影響，MEMS在汽車電子領(lǐng) 域的發(fā)展明顯放緩，然而隨著消費(fèi)電子領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用 需求，MEMS迎來(lái)了疫情后新的增長(zhǎng)。

（二）市場(chǎng)變化

在不同的時(shí)代背景下，MEMS呈現(xiàn)出了不同的趨 向性。典型例證是新冠疫情對(duì)于部分MEMS企業(yè)的影響 ?；谛鹿谝咔榈姆揽匦枨?，生產(chǎn)熱成像和壓力傳感 器等的MEMS供應(yīng)商獲利受益，例如微測(cè)輻射熱計(jì)供應(yīng) 商Melexis、熱輻射測(cè)試設(shè)備供應(yīng)商高德紅外、呼吸 機(jī)及重要MEMS壓力傳感器供應(yīng)商Amphenol等。與此同時(shí)，近 三年以來(lái)，5G建設(shè)在全球逐步展開(kāi)，這就使得供應(yīng)射頻 濾波器的博通和Qorvo在過(guò)去兩年內(nèi)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)迅猛。而 消費(fèi)電子與人機(jī)交互的發(fā)展，又促使AAC、歌爾微電子等 企業(yè)，通過(guò)MEMS麥克風(fēng)業(yè)務(wù)獲得了較大的市場(chǎng)機(jī)遇。此外 諸如博世、ST、TDK等汽車電子供應(yīng)商，也在當(dāng)前智能 汽車、智能電動(dòng)車的不斷發(fā)展中獲得了業(yè)務(wù)增長(zhǎng)。從這里 也能看出，MEMS的發(fā)展不僅依賴需求的升級(jí)，更和時(shí)代背 景息息相關(guān)。

（三）商業(yè)機(jī)會(huì)

縱觀MEMS行業(yè)和技術(shù)的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)新始 終是MEMS商業(yè)機(jī)會(huì)的核心來(lái)源。目前可穿戴設(shè)備的不斷 普及和升級(jí)，使得慣性MEMS、聲音捕捉傳感器等的需求 不斷上升。同時(shí)，空氣質(zhì)量檢測(cè)乃至疫情防控設(shè)備所需 的氣體傳感器也將成為未來(lái)的重要發(fā)展方向。盡管目前激 光雷達(dá)僅應(yīng)用于掃地機(jī)器人，但隨著高級(jí)輔助駕駛和自動(dòng) 駕駛的商業(yè)化，激光雷達(dá)必將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。傳感器移 位OIS也是MEMS的另一個(gè)典型發(fā)展機(jī)會(huì)。隨著蘋(píng)果新款手機(jī) 中對(duì)于柔性光學(xué)圖像穩(wěn)定模塊的應(yīng)用，未來(lái)消費(fèi)電子中 必然也將逐步把MEMS移位OIS納入產(chǎn)品中。

（四）面臨挑戰(zhàn)

由于當(dāng)前諸多智能應(yīng)用領(lǐng)域追求低時(shí)延和更高 的安全性，因此傳感器的應(yīng)用越來(lái)越貼近離線場(chǎng)景，需 要傳統(tǒng)MEMS技術(shù)進(jìn)一步趨近本地處理方案，同時(shí)進(jìn)一步提 升整體的集成度，應(yīng)用復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)提升整體 性能，同時(shí)盡可能降低功耗。與此同時(shí)，實(shí)踐證明，MEMS 本身無(wú)法作為價(jià)值鏈的關(guān)鍵而獨(dú)立存在，應(yīng)用場(chǎng)景和 集成創(chuàng)新變成了包括消費(fèi)電子、汽車電子等主流MEMS應(yīng) 用領(lǐng)域的價(jià)值核心。這就需要MEMS企業(yè)順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展趨 勢(shì)，將MEMS硬件及智能化軟件相互融合，提供真正可以 獨(dú)立運(yùn)行的智能化微型系統(tǒng)。典型的一個(gè)案例是：目前 包括蘋(píng)果、ST在內(nèi)的智能芯片生產(chǎn)商，已經(jīng)開(kāi)始在MCU中 集成人工智能模組，以實(shí)現(xiàn)原生的人工智能和深度學(xué)習(xí)。

（五）我國(guó)MEMS的行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)

根據(jù)賽迪顧問(wèn)發(fā)布的《2021中國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)研究 報(bào)告》來(lái)看，目前我國(guó)MEMS市場(chǎng)處于高速發(fā)展階段。 首先，在過(guò)去的幾年中，我國(guó)MEMS市場(chǎng)增速始終保持 在20%左右，高于全球市場(chǎng)增速，即使是疫情也沒(méi)能 減緩這一趨勢(shì)。

圖2 我國(guó)MEMS市場(chǎng)規(guī)?，F(xiàn)狀及預(yù)測(cè)

同時(shí)，作為全球MEMS產(chǎn)品消費(fèi)能力和未來(lái)市場(chǎng) 發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膰?guó)家，目前我國(guó)已經(jīng)在布局高端的MEMS 代工生產(chǎn)線，目前國(guó)內(nèi)主流的產(chǎn)線以6英寸和8英寸芯片 為主，近年來(lái)隨著罕王科技、耐威科技等先進(jìn)產(chǎn)線先后落 地，我國(guó)的MEMS產(chǎn)能得到了一定程度的提升，且產(chǎn)能利用 率也從2015年的不足20%提升到現(xiàn)在的80%以上。并且， 約65%集中在我國(guó)華東地區(qū)，代工和封測(cè)大廠也主要 以華東地區(qū)為主。

總體而言，我國(guó)在MEMS產(chǎn)業(yè)方向上具備極強(qiáng)的 發(fā)展?jié)摿Γ诋a(chǎn)品品質(zhì)、工藝水平、高端設(shè)備、企業(yè) 規(guī)模等方面與國(guó)外仍存在明顯差距，從現(xiàn)狀來(lái)看，應(yīng)當(dāng)首 先加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)，同時(shí)加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同能力，進(jìn)一步提 升我國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力和工程能力。同時(shí)，政府也應(yīng)當(dāng) 進(jìn)一步加大政策扶持力度，在MEMS基礎(chǔ)理論、重點(diǎn)技術(shù) 、工藝研發(fā)等領(lǐng)域鼓勵(lì)產(chǎn)、學(xué)、研和學(xué)術(shù)交流，為我國(guó)MEMS個(gè)業(yè)創(chuàng)造優(yōu)良的發(fā)展環(huán)境。

圖3 中國(guó)MEMS產(chǎn)線類型占比

目前，MEMS已成為全球物聯(lián)網(wǎng)和電子信息智能 化的關(guān)鍵推動(dòng)力。實(shí)質(zhì)上，與其說(shuō)是MEMS推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng) 和智能化的發(fā)展，不如說(shuō)是人類社會(huì)不斷發(fā)展帶來(lái)的需 求升級(jí)，不斷促使著MEMS向前發(fā)展。隨著我國(guó)5G、工業(yè) 互聯(lián)網(wǎng)、智能制造和智慧醫(yī)療等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，MEMS 必然成為我國(guó)智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大推動(dòng)力。可以預(yù)測(cè)， 未來(lái)十年必然是中國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)的黃金十年，一方面我國(guó)仍 然會(huì)是MEMS代工制造的大國(guó)，同時(shí)先進(jìn)的封裝也必然是 我國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。要把握這些機(jī)遇，就要 求我國(guó)不斷推進(jìn)MEMS方向的研發(fā)創(chuàng)新，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研建立 MEMS用人育人平臺(tái)，在新材料和傳感創(chuàng)新集成方面突破 MEMS器件國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造難關(guān)。