MEMS傳感器國產替代機遇

1）什么是MEMS

?微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機電系統其內部結構一般在微米甚至納米量級。微機電系統是在微電子技術（半導體制造技術）基礎上發展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術制作的高科技電子機械器件。MEMS是一個獨立的智能系統，可大批量生產，其系統尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級。例如，常見的MEMS產品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。一個MEMS傳感器里面最重要的芯片為MEMS芯片和ASIC芯片，其中MEMS芯片負責感知信號，將測量量轉化為電阻、電容等信號變化；ASIC芯片負責將電容、電阻等信號轉換為電信號，其中涉及到信號的轉換和放大等功能。

?MEMS側重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。

?常見的產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產品。

MEMS傳感器分類

MEMS傳感器工作原理

2）MEMS傳感器市場規模

中國MEMS傳感器市場的起步和發展與中國3C產品(包括計算機、通信和消費類電子產品)及汽車電子產品保持快速增長、全球電子整機產業向中國轉移密切相關。近年來，隨著消費電子、汽車電子產品等下游行業的快速發展，我國MEMS傳感器市場需求旺盛，歷年持續保持快速增長。

根據Omdia的數據統計，2022年全球MEMS行業市場規模已達到184.77億美元，2017-2022年復合增長率為5.77%。

根據賽迪顧問的數據統計與預測，2022年中國MEMS傳感器市場規模已達到982.1億元，同比增長15.1%，預計到2025年市場規模將達到1571.3億元，2022-2025年復合增長率為17.0%。

3）MEMS傳感器應用領域

MEMS傳感器種類極多，可應用于物理、化學、生物等領域信號的探測，較為常見的種類有加速度傳感器、慣性傳感器、壓力傳感器、MEMS陀螺儀以及MEMS麥克風等。

目前MEMS傳感器在消費電子、醫療、汽車電子以及工業等應用領域占比最高，分別占據41.8%、28.1%、16.7%和9.1%。

MEMS傳感器行業應用占比

MEMS傳感器應用產品分析

4）MEMS傳感器分類

4.1 MEMS壓力傳感器

?MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到壓力時變形。可以利用應變儀（壓阻型感測）來測量這種形變，也可以通過電容感測兩個面之間距離的變化來加以測量。這兩種方法都很流行，輪胎壓力監測系統使用比較結實的壓阻方法。

?常見的壓力傳感器有三種：壓阻式、電容式和壓電式。

根據Yole Intelligence的統計數據，2021年壓力傳感器是MEMS傳感器中銷售額最高的細分市場，也是銷售量第二大的細分市場，僅次于硅麥克風。MEMS壓力傳感器的市場規模從2018年的14.72億顆、17.63億美元增加至2021年的16.05億顆、20.04億美元，預計將于2027年增長至25.35億顆、26.24億美元。

MEMS壓力傳感器全球市場規模

4.2 MEMS慣性傳感器

?慣性傳感器是一種用于測量物體的加速度、角速度和傾斜角度等參數的電子傳感器。

?MEMS慣性傳感器指采用MEMS工藝制備的慣性傳感器，與傳統工藝制造的慣性傳感器相比，MEMS器件具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和智能化等特點，被廣泛應用于航空航天、石油化工、汽車、船舶、消費電子、醫療等領域。

?高性能MEMS慣性傳感器，包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計和MEMS慣性測量單元（IMU），均包含一顆微機械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過慣性技術實現物體運動姿態和運動軌跡的感知。陀螺儀和加速度計是慣性系統的基礎核心器件，其性能高低直接決定慣性系統的整體表現。硅基MEMS慣性傳感器因小型化、高集成、低成本的優勢，成為現代慣性傳感器的重要發展方向。

MEMS慣性傳感器全球市場規模（億元）

?根據Yole Intelligence的統計，全球MEMS慣性傳感器的市場規模從2018年的28.31億美元、31.21億顆增長至2021年的35.09億美元、39.39億顆，預計該市場將于2027年增長至49.43億美元、60.60億顆，2018年至2027年銷售額及銷售量的

復合增長率分別為6.39%和7.65%。

?其中，全球MEMS加速度計的市場規模從2018年的9.14億美元、10.23億顆增長至2021年的12.19億美元、15.37億顆，預計該市場將于2027年增長至16.41億美元、24.28億顆，2018年至2027年銷售額及銷售量的復合增長率分別為6.72%和10.08%。

4.3 MEMS其他傳感器

?按物理參數分，可分為力（加速度/壓力/聲）、熱（熱電偶/熱阻）、光（光電類）、電磁（磁強計）、化學和生物醫學（血糖/電容化學/化學機械）

智能手機中的傳感器

5）著眼未來，重視MEMS傳感器國產替代機遇

5.1不同MEMS傳感器的比較

?由于MEMS傳感器測量的外部信號不同，不同類型的MEMS傳感器技術差異較大。

?MEMS慣性傳感器主要檢測物體的運動，需要將傳感器安裝在載體上用于檢測載體的運動，因此多為密閉式封裝。而壓力/光學/聲學傳感器需要通過直接接觸被測量，所以多為開放式封裝，同時需要結合使用環境設計有利于檢測信號的傳感器敏感單元表面結構。

?MEMS慣性傳感器相對于壓力傳感器、聲學傳感器等其他類型的傳感器應用領域較廣，在高可靠領域及其他工業、消費領域均具備豐富的應用場景，不同應用場景對于性能、成本、功耗、體積的要求差異較大。相對于在工業及消費領域應用較廣的聲學傳感器、環境傳感器等，高性能MEMS慣性傳感器多應用于高可靠領域，復雜環境下對于產品性能要求高，因此對產品可靠性提出了更嚴格的需求，存在較高的技術門檻。

?MEMS壓力傳感器主要是壓阻式和電容式，使用廣泛，成本低；部分高端壓力傳感器采用諧振式原理，精度高，售價高，多用于儀表校驗等對精度要求高的領域。

?MEMS聲學傳感器和光學傳感器主要應用于消費類電子，例如智能手機中的MEMS麥克風和接近傳感器，產品具有體積小、成本低、功耗低的特點，對產品絕對性能要求相對不高，行業內廠商競爭相對激烈。

5.2 MEMS傳感器發展困境

相較于美國、日本等科技大國，國內對于MEMS技術的研究稍顯落后，在20世紀80年代末才開始成為國家重點研究項目之一。經過近三十年的發展，國產MEMS在技術方面有了實質性的進展，在市場應用方面逐步實現了長效積累。例如在MEMS麥克風市場，全球四大公司占據市場話語權，其中兩家來自中國，歌爾股份和瑞聲科技，他們還正在挑戰樓氏電子的領袖地位，勢頭兇猛。

中國傳感器行業發展歷程

?我國作為全球最大的電子產品生產基地，正消耗著全球四分之一的MEMS器件。但目前，我國大部分MEMS傳感器仍依賴進口。國內MEMS傳感器也仍以中低端為主，技術相對落后。

?中國MEMS廠商面臨的挑戰非常多。首先，MEMS傳感器商業化應用周期長，MEMS傳感器研發時間更長，這對MEMS企業的耐心、遠見是一個很大挑戰。

?另一方面，中國MEMS產業鏈在競爭方面，力量還較薄弱，沒有產生在國際市場上具有領導地位的企業。MEMS傳感器和IC芯片一樣，具有很強的規模效應，例如前端流片等環節加工能力薄弱，一致性、生產重復性都不能滿足設計加工工藝要求。因此，整個MEMS產業鏈均處于投入階段，盈利比較困難，產生了惡性循環。

?此外，價格下滑導致MEMS廠商盈利困難。MEMS傳感器產品的價格，并非與產品的重要性或開發難度成正比。例如，據統計數據顯示，從應用廣泛和競爭激烈的陀螺儀和加速度傳感器市場來看，系統廠商對于MEMS產品需求量很大，但是它們也已經把價格殺到MEMS廠商難以為繼的地步。

?制造MEMS器件不僅需要成熟且豐富的工藝技術，還要有足夠多的產線保證產能

目前，國內提供專業MEMS代工服務的有中芯國際、無錫華潤上華、上海先進等。除了以上企業能夠滿足代工產能和良率要求之外，其他大多數國內MEMS代工企業還未積累起足夠的工藝技術儲備和大規模市場驗證反饋的經驗，并且在加工工藝的一致性、可重復性也都不能滿足設計需要，產品的良率和可靠性更是無法達到規模生產要求。在這樣的情況之下，設計公司也只能選擇與國外成熟代工廠合作，才能保證產品的質量。而在后端的封裝測試環節，情況則較為樂觀，南通富士通、晶方半導體、華天科技、長電科技、通富微電等企業能夠滿足產品質量和數量的要求。

MEMS工藝流程

5.3 MEMS傳感器發展前景

?隨著國產MEMS傳感器產業逐漸完善，MEMS將傳感器“芯片化”的能力得到了廣泛的認可，因此很多人在談論國產傳感器發展趨勢時，除了過往的集成化、小型化和智能化等，有時也會加上“MEMS化”。

?設備小型化、低能耗化未來，不斷縮小產品尺寸、降低產品成本是MEMS傳感器行業的重要發展趨勢之一。隨著人工智能和物聯網技術的發展，MEMS傳感器的應用場景將更加多元。MEMS傳感器是人工智能重要的底層硬件之一，傳感器收集的數據越豐富和精準，人工智能的功能才會越完善。未來，智能家居、工業互聯網、車聯網、智能城市、機器人等新產業領域都將為MEMS傳感器行業帶來廣闊的市場空間。

?展望未來，技術水平的不斷提高，使市場對“小而智能”的傳感器需求越來越大，特別是在物聯網等應用的推動下，MEMS傳感器的應用空間也愈發廣闊。