MEMS慣性傳感器投資策略解析

中國半導體產業中存在著巨大發展空間的領域除了CPU、GPU、FLASH、DSP和FPGA之外，MEMS慣性傳感器也是一個關鍵的領域，在半導體器件國產化日益高漲的今天，呼喚MEMS慣性傳感器領域的“王者”。

第一節

MEMS傳感器介紹

一、MEMS傳感器技術介紹

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）即微機電系統，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，可批量制作，將微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、甚至接口、通信和電源等集為一體的微型器件或系統。MEMS是利用傳統的半導體工藝和材料，通過微米技術在芯片上制造微型機械，并將其與對應電路集成為一個整體。受益于普通傳感器無法企及的IC硅片加工批量化生產帶來的成本優勢，MEMS同時又具備普通傳感器無法具備的微型化和高集成度。

MEMS其工作原理是外部環境物理、化學和生物等信號輸入，通過微傳感器轉換成電信號，經過信號處理（模擬信號或數字信號）后，由微執行器執行動作，達到與外部環境“互動”的功能。如圖1-1-1所示。

傳統麥克風傳感器與MEMS麥克風傳感器對比如圖1-1-2所示。

MEMS傳感器品種繁多，分類方法也很多。按其工作原理，可分為物理型、化學型和生物型三類。每種MEMS傳感器又有多種細分方法，按檢測質量的運動方式劃分，有角振動式和線振動式加速度計。按檢測質量支承方式劃分，有扭擺式、懸臂梁式和彈簧支承方式。按信號檢測方式劃分，有電容式、電阻式和隧道電流式。按控制方式劃分有開環和閉環式。常見的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機械陀螺儀、慣性傳感器、MEMS硅麥克風等。

二、MEMS慣性傳感器介紹

MEMS慣性傳感器主要是指MEMS加速度計和MEMS陀螺儀。MEMS慣性傳感器在1990年代開始規模應用在汽車工業和國防工業，20世紀初開始應用于手機等消費電子領域，物聯網有望引領下一波增長浪潮（如圖2-1-1所示）。

MEMS陀螺儀和MEMS加速度計，均由一顆MEMS芯片和一顆ASIC芯片組成，二顆芯片封裝一起構成了陀螺儀或加速度計，如圖2-2-2所示。

集成若干軸加速度計和陀螺儀為一體，可構成IMU（Inertial Measurement Unit慣性測量單元），IMU可用于測量物體三軸姿態角(或角速率)以及加速度。ST的九軸MEMS IMU傳感器（三軸陀螺儀+三軸加速度計）、InvenSense的九軸IMU傳感器（三軸陀螺儀+三軸加速度計），如圖2-2-3所示。

低精度的MEMS慣性傳感器的應用領域以消費電子為代表，如手機、游戲機、無線鼠標、數碼相機、硬盤保護、計步器、防盜系統、GSP導航、老人健康檢測、玩具、玩具級無人機、智能運動器械等產品中，基本功能是測量物體的直線加速度、傾斜角度、轉動速度、振動頻率和力度等，這些基本的物理信號通過應用程序的開發，可以衍生出各種各樣的功能。主要供應商為ST、Bosch、Invensense（TDK）、Mcube、蘇州明皓、Kionix（Rohm）等。

中精度的MEMS慣性傳感器的應用領域以汽車為代表，主要功能為：安全氣囊觸發、電子穩定系統、防側翻、輪胎防盜、TPMS（胎壓監控）、GPS輔助導航、自動駕駛等。根據功能不同規格不同，如安全氣囊觸發的加速度計量程在±70g～±100g，電子穩定系統、防側翻等的加速度計量程～±2g，零偏溫漂在±0.1～±1mg/℃，電子穩定系統的陀螺儀的量程在±200°/s～±500°/s，零偏穩定性（常溫Allen）在2～15°/h，另外還有精密農業、工業自動化、大型醫療設備、機器人、工廠機械、工業級無人機、儀器儀表、軌道交通等應用領域。主要供應商為ADI、Bosch、松下、精工、Murata、Silicon sensing、Infineon、MEMSIC等。

高精度的MEMS慣性傳感器的應用以航天和國防領域為代表，包括導彈導引頭、通信天線指向控制、智能炮彈、光學瞄準穩定系統、水下物體導航、飛機姿態監控、戰場機器人等，其性能指標要求全工作溫度區域得到保證，其中小量程加速度計的量程在10～100g，零偏穩定性<10mg；大部分陀螺儀的量程在100°/s～500°/s，零偏穩定性（常溫Allen）在0.2°/h～1°/h。主要供應商為Honeywell、BEI、Sensonor、Colibrys、Endevco、Systron Donner、Sagem等。

第二節

MEMS慣性傳感器行業分析

一、MEMS傳感器所屬行業和法規

（一）所屬行業

根據中國證監會發布的《上市公司行業分類指引》（2012 年修訂）規定，MEMS傳感器所屬行業為“計算機、通信和其他電子設備制造業”（C39）；根據國家統計局2017年6月頒布實施的《國民經濟行業分類》國家標準（GB/T4754-2017），MEMS傳感器所處行業為“計算機、通信和其他電子設備制造業”行業下的“電子元件及電子專用材料制造”（C3983）子行業，細分行業為敏感元件及傳感器制造。

（二）行業監管體制、主要法律法規及政策

1、行業監管體制

1) 行業監管體制及主管部門

MEMS傳感器所屬行業的主管部門主要為工信部。工信部主要負責研究擬定信息化發展戰略、方針政策和總體規劃；擬定本行業的法律、法規，發布行政規章；組織制訂行業的產業政策、產業規劃，組織制訂行業的技術政策、體制和標準等，并對行業的發展方向進行宏觀調控。

2）行業協會及其他組織

中國半導體行業協會是MEMS傳感器所屬行業的行業自律組織，主要負責產業及市場研究，對會員企業提供行業引導、咨詢服務、行業自律管理以及代表會員企業向政府部門提出產業發展建議和意見等。

工信部和半導體協會構成了慣性傳感器行業的管理體系，各慣性傳感器企業在主管部門的產業宏觀調控和行業協會自律規范的約束下，面向市場自主經營，自主承擔市場風險。

2、行業主要法規及政策

近年來，國家層面大力推進MEMS傳感器行業發展，包括如下。

2017年12月，工信部發布智能傳感器產業三年行動指南（2017-2019年）。到2019年，建成智能傳感器創新中心；模擬仿真、設計、MEMS工藝、晶圓級封裝和個性化測試技術達到國際水平；涵蓋智能傳感器模擬與數字/數字與模擬轉換(AD/DA)、專用集成電路（ASIC）、軟件算法等的軟硬件集成能力大幅攀升。支持企業探索研發新型MEMS傳感器設計技術、制造工藝技術、集成創新與智能化技術等，持續提升原創性研發能力，逐步構建高水準技術創新體系。核心技術攻關工程包括：提升MEMS傳感器集成化水平，推動集成距離、環境光、三維景深等光學組合智能傳惑器產品實現商用。

2015年5月，國務院公布《中國制造2025》，在十大重點領域中明確提出要突破機器人本體、減速器、伺服電機、控制器、傳感器與驅動器等關鍵零部件及系統集成設計制造等技術瓶頸。

2013年2月，工業和信息化部、科技部、財政部、國家標準化管理委員會組織制定了《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產業發展行動計劃》，制定了具體的產業發展目標，并給出了 2013-2025 年的發展路線圖。

2013年2月，國務院發布《國務院關于推進物聯網有序健康發展的指導意見》，其中著重提出“加強低成本、低功耗、高精度、高可靠、智能化傳感器的研發與產業化，著力突破物聯網核心芯片、軟件、儀器儀表等基礎共性技術，加快傳感器網絡、智能終端、大數據處理、智能分析、服務集成等關鍵技術研發創新”。

2011年2月，工業和信息化部印發《物聯網“十二五”發展規劃》，提出“提升感知技術水平。重點支持超高頻和微波射頻身份標簽、智能傳感器、嵌入式軟件的研發，支持位置感知技術、基于MEMS的傳感器等關鍵設備的研制，推動二維碼解碼芯片研究”。

二、MEMS傳感器產業鏈

MEMS是多學科交叉的復雜系統，其產業鏈類似于傳統半導體產業，整個產業鏈涉及設計、制造、封裝測試、軟件及應用方案環節。MEMS產業鏈的上游負責MEMS器件設計、材料和生產設備供應，中游生產制造出MEMS器件、下游使用MEMS器件制造終端電子產品，MEMS產業鏈如圖2-2-1所示。

大部分MEMS行業的主要廠商是以Fabless為主，例如樓氏、HP、佳能等。同時，平行的也有IDM廠商垂直參與到整條產業鏈的各個環節，比如Bosch、ST等都建有自己的晶元代工生產線。

MEMS設計，作為MEMS的核心門檻之一，因為其fabless的輕資產特性，及其核心門檻，國內公司投資較為積極。國內有眾多比較知名的Fabless，例如海思半導體、展訊、RDA、全志科技、國民技術、瀾起科技等等。

MEMS制造目前主要分為三類，純MEMS代工、IDM企業代工和傳統集成電路MEMS代工。與其將MEMS看做一種產品倒不如把它看成一種工藝，MEMS器件依賴各種工藝和許多變量。只有經過多年的工藝改進及測試，MEMS器件才能真正被商品化。研發團隊一般需要大量時間來搜索有關工藝及材料物理特性方面的資料。利用單一一種材料（如多晶硅）制得的器件可能需要根據多晶硅的來源及沉積方法來標記工藝中的變化。因此每一種工藝都需要長期、大量的數據來穩定一個工藝。

國內MEMS代工廠華潤上華、中芯國際、上海先進等，硬件條件雖與國際水平相近，但開發能力遠不及海外代工廠；中國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，加工工藝的一致性、可重復性都不能滿足設計需要，產品的良率和可靠性也無法達到規模生產要求。因此商業化階段的本土設計公司更愿意同TSMC、X-Fab、Silex等海外成熟代工廠合作。

三、MEMS傳感器市場容量

按Yole預測，2017年MEMS傳感器銷售額占全部傳感器市場的30%，約120億美元。2015-2021年MEMS傳感器年均增長率約為14%，高于全部傳感器市場12%的增長率。如圖2-3-1所示。

MEMS傳感器在無人機和機器人應用領域產品劃分如圖2-3-2所示。

四、慣性傳感器陀螺儀和加速度計發展趨勢

（一）陀螺和加速度計介紹

1、陀螺

陀螺儀是慣性導航中一種重要傳感器，能檢測載體相對慣性空間轉動角速度或絕對角度，是慣性導航與制導、運動系統的姿態監測與穩定控制的核心部件。陀螺儀的核心技術指標是零偏穩定性，按照零偏穩定性的大小，陀螺儀可以分為慣性級（小于0.01°/h）、戰術級（0.1~10°/h）和速率級（大于10°/h）。

根據陀螺的工作原理，可將陀螺分基于經典力學原理的陀螺和基于近代物理學原理的陀螺。在工程實踐中，根據敏感載體相對慣性空間的角速度的介質的不同，將陀螺分為轉子陀螺、光學陀螺、磁流體陀螺、原子陀螺等。最為常見的轉子陀螺包括液浮陀螺、動力調諧陀螺、靜電陀螺、振動陀螺，光學陀螺包括激光陀螺、光纖陀螺，微機械陀螺包括已經應用于工程實際中的MEMS（Micro-Electron-Mechanical-System，簡稱MEMS）陀螺和正處于研發階段的NEMS （Nano-Electro-Mechnical-System，NEMS）陀螺。

與傳統機械轉子陀螺、靜電陀螺、激光陀螺和光纖陀螺相比，基于MEMS技術的陀螺，具有體積小、成本低、功耗小、可靠性高、可批量生產的特點。

2、加速度計

加速度計是一種慣性傳感器，能夠測量物體的加速度，通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。

利用MEMS技術設計的加速度計由于采用了微機電系統技術，使得尺寸大大縮小，具有體積小、重量輕、能耗低等優點。

（二）國內外陀螺發展趨勢

美國Draper 實驗室對2001年、2005年和2020年陀螺儀的發展和應用進行了分析和預測（如2-4-1、2-4-2、2-4-3所示），可以看出各種陀螺儀的發展趨勢。

光纖陀螺（FOG）和石英/硅微機電MEMS陀螺發展迅速。

2020年石英/硅微機電MEMS陀螺將占領中低精度應用領域。

（三）國內外加速度計發展趨勢

美國Draper實驗室對2001年、2005年和2020年加速度計的發展和應用進行了分析和預測（如圖2-4-4、2-4-5、2-4-6所示），從中可以看出各種陀螺儀的發展趨勢。

微機電MEMS加速度計發展迅速,，將取代石英撓性和液浮加速度計。

高精度機電加速度計仍保持原有應用領域，部分領域被微機電MEMS加速度計取代。

五、行業競爭現狀

MEMS技術發展于20世紀90年代，是在微電子制造技術發展的基礎上隨著精密微型機械制造技術的發展而成長起來的，經二十多年的研究國外已經比較成熟，眾多科研單位及公司如美國Draper實驗室、霍尼韋爾Honeywell、ADI公司、Berkeley大學，德國Bosch公司，挪威的Sensonor，日本Toyata公司等已經有商業化產品。

我國在微陀螺領域的研究起步較晚，經過近些年的努力，關鍵技術研究有長足的進步，性能有大幅提高。上世紀90年代，最早的研究單位是上海微系統所、清華大學、北京大學、上海交大等，在國家“八五”、“九五”計劃期間，國家自然科學基金委員會、科技部、教育部、中科院、總裝備部的經費總投入約1.5億元?！笆濉逼陂gMEMS正式列為863計劃中的重大專項，加上教育部的教育振興計劃、中科院的知識創新體系、自然科學基金會和科技部的立項以及地方政府和企業的投入，預計總經費達3億以上?！笆晃濉焙汀笆濉逼陂g總投資在20億以上。

國內各高校、研究所雖然做了大量的研究工作，但中高性能微機械陀螺很少有商業化產品。中高端傳感器技術和產業化相比國外還有明顯差距。國內MEMS傳感器公司有美新半導體、明皜傳感、矽?？萍?、深迪半導體、敏芯微電子等。但是國內MEMS公司在營業規模、技術水平、產品結構、與國外有明顯差距，60%-70%的設計產品集中在加速度計、壓力傳感器等傳統領域。國內MEMS企業規模還相對較小，單個企業較少有年銷售額超過1億美金?！吨袊鴤鞲衅鳟a業發展白皮書（2014）》顯示中國中高端傳感器的進口比例達80%，傳感器芯片的進口比例更高達90%，凸顯了本土中高端傳感器技術和產業化的落后。

（一）國際主要公司

（a）美國Honeywell

霍尼韋爾是一家國際性從事自控產品開發及生產的公司，公司成立于1885年。是一家銷售額為333.7億美元(2011年度)，500強排名280位。1954年，該公司收購doelcam公司，一個陀螺儀的制造商。公司不斷改善陀螺儀，使之更敏感和準確，同時降低它們的大小和重量。

Honeywell高性能慣性測量單元（IMU）HG1900、HG1930等組件中均使用了MEMS陀螺，已被美國國防部和國際軍隊成功部署在各種武器，無人機，平臺穩定應用以及商業應用中。

目前Honeywell在MEMS陀螺研制開發領域是世界上最高水平之一。

（b）挪威Sensonor公司

Sensonor公司1985年成立于挪威霍爾滕，是世界領先的小型化、高性能MEMS陀螺儀和IMU的生產商，其產品作為導航、制導和穩定平臺的核心部件，廣泛應用于工業自動化和航空航天等領域。

2003年被英飛凌科技收購。2009年，英飛凌MBO分拆Sensonor公司，繼續專注于基于MEMS的傳感器，主要關注高精度傳感器的應用和市場，特別是慣性（陀螺儀和IMU）。從2012年起，Sensonor一直由瑞士投資集團所有。

公司目前主要產品是陀螺模塊STIM202和STIM210，以及慣性測量單元STIM300。

（c）美國ADI公司

ADI公司1965年成立于美國馬薩諸塞州諾伍德市，是高性能模擬、混合信號和數字信號處理集成電路設計、制造和營銷方面世界領先的企業，產品涉及幾乎所有類型的電子電器設備。

ADI公司陀螺產品主要有：商業級的加速度計ADXL3XX（普通飛行器）；工業級陀螺儀ADXRS6XX系列、工業級加速度計ADXL2XX系列（應用于專業級的空拍）；戰術級ADIS1613X系列產品，主要有戰術級ADIS16135、ADIS16137。

（d）瑞士Colibrys公司

Colibrys是世界領先的加速度傳感器制造商, 具有完備的MEMS產品設計、研究開發、芯片生產、封裝和混合機電元件測試技術。其自行研發并在瑞士生產的高精度MEMS電容式加速度傳感器 主要針對惡劣環境中的應用，特別廣泛地用于三個方面：軍事和航天航空，能源，工業市場。

（二）國有科研機構公司

（a）中電科十三所美泰公司

美泰電子科技有限公司是中國電子科技集團公司（CETC）第十三研究所控股的有限責任公司，位于石家莊，前身是13所第十八專業部。致力于MEMS器件與系統的研發、生產和銷售。國家投資近5億元建設MEMS生產線。主要產品有MEMS慣性器件與系統、MEMS測試測量傳感器、MEMS遙測傳感器、射頻（RF）MEMS器件、MEMS汽車傳感器等。

（b）北京大學

北京大學微電子研究院微機電系統研究所成立于1995年，在王陽元院士和武國英教授領導下，從硅基加工技術的角度來開展微機電系統的研究。從1996年開始承擔了"微米/納米加工技術國家重點實驗室"建設項目，以硅基MEMS加工和設計技術為主，同時承擔多項ME MS研究課題。于1998年4月完成實驗室建設項目驗收，有工藝實驗室900平米和具有國際先進水平的完善的 MEMS 加工設備，是國家微機電系統研究的重要加工基地和研究基地。

（c）清華大學

清華大學精密儀器與機械學系微電子技術研究所，主要研究各種新型微納器件以及由它們構成的系統，研究范圍是： 新器件與系統、新技術與工藝、新電路與模型、新材料與結構、新概念與原理。目前有兩個主要研究方向：新型微電子器件與系統，納電子學。儀器科學與技術研究所圍繞現代科學儀器的研究領域， 主要研究方向包括微米納米技術、光存儲技術、精密儀器和測試技術、導航與控制技術、傳感技術與智能儀器、智能微系統及控 制技術和生命科學儀器等，是一個多學科交叉的與校外企業和研究單位有廣泛聯系的以一級學科建立起來的教學研究單位。

（三）民營公司

（a）深迪半導體

深迪半導體（上海）有限公司是由美國海外留學人員創立的中國設計、生產商用MEMS陀螺儀系列慣性傳感器的MEMS芯片公司，成立于2008年8月，總部位于上海張江高科技園區。公司研發了擁有完全自主知識產權的先進的MEMS工藝和集成技術，專注于為消費電子及汽車電子市場設計和生產低成本、高性價比、低功耗、小尺寸的商用MEMS陀螺儀芯片，并為客戶提供各種全面的應用解決方案和極其優質的服務。

（b）蘇州明皜

蘇州明皜傳感主要從事MEMS傳感器的研發、設計和生產，并提供相關技術服務。主要產品有：加速度傳感器、陀螺儀、壓力傳感器和磁傳感器，旨在為消費電子、汽車電子、工業自動化以及航空等領域提供所需的產品和集成方案。

明皜傳感由海內外知名管理和技術團隊與蘇州固锝電子股份有限公司共同投資創建。團隊分布在蘇州、美國硅谷及***新竹；團隊成員執業于半導體、MEMS業界數十年，在產品設計與研發、系統集成與應用、封裝測試及生產營運及市場推廣等方面具有豐富的經驗。

（c）蘇州圣賽諾爾

蘇州圣賽諾爾傳感器技術有限公司是昆山圣賽諾爾傳感技術有限公司與挪威Sensonor公司在國內設立的唯一合資企業，研發、制造及銷售與挪威Sensonor公司同品質的高精度微機電陀螺儀產品。

第三節

MEMS慣性傳感器投資策略與風險分析

一、MEMS慣性傳感器投資策略

（一）中高端MEMS慣性傳感器市場需求迫切，低端市場競爭激烈

在中高端MEMS慣性傳感器市場，由于國內技術發展較晚，國內很多用戶使用的是西方國家不限制進口的高性能MEMS慣性傳感器中相對低端的產品，如Colibrys的加速度計、Sensonor的陀螺儀等，甚至使用中檔性能的工業級產品，如ADI的陀螺儀等。中高端市場用戶需求迫切。

而中低端市場，由于競爭者眾多，產品的售價不斷下降，毛利潤不斷下降。

（二）掌握全部核心設計技術的企業是投資的關鍵

MEMS慣性傳感器不同于傳統集成電路設計型企業，不僅要求具備ASIC設計能力，同樣要求具備MEMS設計能力，ASIC和MEMS相互緊密結合，共同決定MEMS慣性傳感器的最終性能。因此，掌握全部核心設計技術的企業尤為重要。

（三）掌握生產線工藝是企業的法寶

MEMS慣性傳感器不同于傳統集成電路設計型企業，一種產品往往是一種工藝，新工藝在 MEMS fab廠調試的周期3-6個月，穩定、易生產的工藝是保證高良品率的關鍵。因此，具有MEMS fab工廠，或者具有熟悉MEMS工藝的企業競爭優勢明顯。

（四）具備大批量供貨能力是企業是投資的關鍵

fab廠生產的MEMS和ASIC封裝后的產品，需要歷經篩選試驗交付最終客戶，若最終合格產品低，勢必影響大批量供貨能力，大批量供貨能力是一個企業在設計、工藝、試驗等方面能力的集中體現，也是投資的最重要判斷指標。

（五）屬于技術和資金密集型行業，呼吁國家大基金投入

MEMS慣性傳感器是屬于典型的技術和資金密集型行業，國內建設了一些MEMS fab廠，但是水平距離國外大廠仍有較大差距，fab廠人員水平和生產熟悉程度需要大幅度提高。呼吁國家大基金加大在MEMS設計、工藝方面的投入。

二、MEMS慣性傳感器投資風險分析

（一）國內MEMS傳感器行業處于起步階段，產業鏈仍不完善

中國的MEMS傳感器行業，真正產業化的發展歷史還不到10年，在整體技術水平上仍落后于Honeywell、博世、英飛凌等代表國際先進水平的大公司，目前國內MEMS傳感器行業處于起步階段，產業鏈仍不完善。

與集成電路行業高度標準化的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）制造工藝不同，MEMS傳感器具有一條黃金定律，就是“一類產品線，一種制造工藝”，做眼睛的工藝很難用來做鼻子，做鼻子的工藝很難來做耳朵，隨著國內高端MEMS傳感器產品的進一步發展，國內MEMS專業代工廠的制造、封裝和測試工藝趕上國際主流水平仍需要時日。

（二）市場競爭，利潤下降風險

過去五年中，MEMS產業主要由消費類電子驅動發展，MEMS器件出貨量不斷攀升。但同時MEMS器件尺寸也不斷減小，價格不停在下跌，利潤逐漸萎縮，使得MEMS企業的日子越來越艱難。

開拓藍海市場、產品差異化（比如豐富產品功能）可降低利潤下降風險。無人機和虛擬現實設備有望成為MEMS傳感器應用新藍海，眾多廠商推出六軸/九軸/十軸的MEMS器件，多集成度的MEMS器件逐漸受到青睞。

（三）高端專業人才不足

MEMS傳感器設計行業是典型的技術密集型行業，MEMS傳感器設計（包括MEMS設計、ASIC設計、MEMS工藝設計）對于人才的依賴遠高于其他行業。經過多年的發展，國內MEMS傳感器設計行業已積累一批人才，但與國際領先的企業相比，國內MEMS傳感器設計行業高端、專業人才仍相對稀缺。隨著市場需求的不斷增長，人才匱乏的情況依然普遍存在。