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MEMS前途无量,中国MEMS产业来日方长

不论市场面临饱和停滞,抑或高昂增长,MEMS一直以来都是半导体业的一颗璀璨明星。在即将到来的智能物联网时代,MEMS 传感器正扮演着越来越重要的角色。

何为MEMS?

MEMS 即微机电系统 (Microelectro Mechanical Systems),可利用集成电路 (IC) 制造技术和微加工技术把微传感器、微执行器等制造在一块或者多块芯片上的微型集成系统。典型的 MEMS 由传感器、信息处理单元、执行器和通讯/接口单元等组成。输入信号是物理信号,通过传感器转换为电信号,经过信号处理(模拟的或/和数字的)后,由执行器与外界产生作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号(电、光、磁等物理量) 与其他的微系统进行通信。

▲MEMS原理图

MEMS起源于1947年美国贝尔实验室晶体管的发明,直到1987年美国伯克利加州大学发明了微马达,引起国际学术界的轰动,人们看到了电路与执行部件集成制作的可能性,这是 MEMS技术的开端。1988年,美国的一批科学家提出“小机器、大机遇”,并呼吁美国重视这一重大领域的开发。1993年,美国ADI公司采用MEMS技术成功实现微型加速度计的商品化,大批量应用于汽车防撞气囊,标志着 MEMS 技术产业化的开端。20世纪90 年代,发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展。此后,MEMS 技术发展迅速。

MEMS 技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域,几乎涉及到自然及工程科学的所有领域,如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等,与传统机械系统相比具备许多优势。

▲MEMS发展的三次浪潮

MEMS被认为是21世纪最有前途的技术之一,如果半导体微制造被视为第一次微制造革命,MEMS则是第二次革命。用 MEMS工艺制造传感器、执行器或者微结构,具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量生产,产能高,良品率高等特点,极大地满足了市场对传感器小体积、高性能的要求,正在逐渐取代传统机械传感器。

MEMS 传感器品种繁多,按其工作原理,可分为物理型、化学型和生物型三类。按照被测的量又可分为加速度、角速度、压力、位移、流量、电量、磁场、红外、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度、生物浓度、触觉等类型的传感器。

MEMS发展势头迅猛

近年来,受益于汽车电子、消费电子、医疗电子、光通信、工业控制、仪表仪器等市场的高速成长,MEMS 行业发展势头迅猛。

2018年,全球MEMS市场规模约为152亿美元,预计到2021年全球MEMS市场规模将超过220亿美元,2016-2021年年均复合增长率在9.6%。就MEMS的出货量而言,预计到2023年全球MEMS的年均复合增长率在20%以上,增速超过半导体市场。

▲2016-2021年全球 MEMS 市场规模

未来,助推全球 MEMS 持续增长的动力主要因素有三点:

  • 汽车安全及智能化的需求逐年增加,推动 MEMS市场持续增长;
  • 工业4.0和智慧家庭推动工业和家居类自动化产品发展,对于MEMS需求巨大;
  • 可穿戴设备、无人机/机器人的日益普及和在各领域渗透率进一步提高。

从全球应用领域来看,消费电子仍是 MEMS 的第一大市场,占比 41.8%, 这主要得益于在智能家居、智能手机和可穿戴设备等领域的机会日益增多。医疗电子位居第二,占比 28.1%,归功MEMS在临床监测中的广泛应用,如心电图患者监测和脑电图测量;成像应用,如CT成像和数字 X 射线。此外,MEMS还被用于诊断和治疗设备的定位应用,包括外科手术台等设备的高精度定位,以及假肢和患者监测应用,如运动和位置监测;此外,医疗电子上的MEMS器件附加值很高,平均售价远高于其它MEMS领域。

▲2018年全球各应用领域市场占比

从全球产品结构来看,份额最大的是压力传感器,主要得益于在工业和消费品等领域的广泛应用,市场占比达到 21%;其次是射频传感器、加速度传感器、MEMS麦克风,受益于 5G 手机、智能音箱、可穿戴设备等消费类电子产品的带动,市场占比均超过10%;然后惯性传感器(如加速度计、陀螺仪、磁力计和 惯性组合传感器),市场占比9%,其在汽车电子当中的应用(如电子稳定控制 (ESC)、牵引控制系统(TCS)和防抱死制动系统(ABS)不断增加。

从全球产业布局来看,美国、日本等少数国家占据了主要份额。2017 年,全球排名前30位的MEMS厂商创造了92.4亿美元营收,占全球70%以上,而这30家公司多来自日本和美国,分别占据了44%和33%。

随着全球电子制造产业链加速向亚太地区转移,凭借成本等优势,MEMS产业重心也将不断东迁,亚太地区的 MEMS 产业规模将持续增长。此外,亚太地区也是消费电子、汽车和工业领域的主要市场,亚太地区已成为大型投资和业务扩张机会的全球焦点。

中国 MEMS 产业规模

中国是全球MEMS发展潜力最大、增速最快的市场。近年来,中国MEMS消费电子类产品,如智能手机、平板电脑等产量保持稳定增长,带动加速传感器、陀螺仪、硅麦克风等MEMS行业需求的增长。预计2016-2021年中国MEMS市场年均复合增长率将超过15%,远高于全球9.6%的增速。

▲2016-2021年中国 MEMS 市场规模(单位:亿元)

在 5G通信和物联网的带动下,MEMS陀螺仪、MEMS加速度等产品用量得到快速提高,因此网络与通信成为中国MEMS市场的最大应用领域,市场份额达到31%。随着无人驾驶和新能源汽车的发展,汽车电子领域 MEMS快速增长,2018年市场份额达到 29%,位居第二。

▲2018年中国 MEMS 各应用领域市场占比

从产品结构来看,份额最大的是压力传感器,市场占比达到23.3%,汽车工业、生物医学、工业控制、航空航天等多领域应用广泛;其次是加速度传感器占比23.2%,在消费电子和汽车中的广泛应用也保持着稳步增长;MEMS陀螺仪发展较快,在航空、航天、航海、汽车、生物医学和环境监控等领域得到应用,占比达10%。

随着MEMS传感器在自动驾驶、无人机/机器人、AR/VR、工业4.0、可穿戴设备、人工智能、5G等领域的不断发展,智慧城市、工业互联网、智慧家庭、车联网、智慧农业、智慧医疗将是中国未来六大潜力市场。而压力、惯性(组合)、射频、MEMS麦克风、非制冷红外成像和探测器、气体传感器则是中国未来六大潜力产品。

✦智慧城市:建设体量巨大,市场空间广阔 智慧城市将成为传感器行业的又一个千亿级市场,在智能电网、 智能交通、智能安防等城市生活各个领域,相关智慧城市的实质性建设与试点规划工作已经在逐步展开。预计 2021 年中国智慧市场规模将达到18.7万亿元。

▲2016-2021年中国智慧城市市场规模(单位:万亿元)

✦工业互联网:助力智能制造,赋能转型升级 工业物联网结合传感器、通信网络、大数据、云计算等技术手段,在各层次之间交互传递信息,优化生产管理,提高生产效率,实现智能化生产。预计 2021 年中国该市场将达到近8000亿元规模。

✦智慧家庭:助力智慧生活,市场增速最快 越来越多的智能家居在设计中开始采用传感器,以实现先进的传感和控制,提供更具有便捷性、舒适性、安全性、节能性的家庭生活环境。预计2020年中国该市场规模将突破万亿。

✦车联网:赋能智慧出行,智能网联空间广阔 车用传感器技术是车联网集成的关键技术。传感器已经涉及汽车的方方面面,如车速的监控、温湿度、刹车、燃料监控等等。预计2020年中国车联网市场规模将接近1000亿元。

2016-2021年中国车联网市场规模

✦智慧农业:智能化管控,焕发产业活力 通过传感器传输的数据,可以随时随地掌握作物的信息,对农作物进行远程管理,进行科学诊断与决策。预计2021年中国该市场规模将接近2000亿元。

✦智慧医疗:化解产业痛点,市场需求强劲 远程医疗、智能医疗,结合大数据、云服务的医疗进阶应用,使用到大量的医疗感测元器件,以智能终端测量测者的生理健康状态,建构更智慧的医疗服务。预计 2021 年中国智慧医疗市场规模将突破1100亿元。

▲2016-2021年中国智慧医疗市场规模

中国MEMS产业机遇与挑战

在当今的智能化时代,中国MEMS产业正在面临巨大的发展机遇。

物联网市场对 MEMS 产品需求巨大。中国是全球最活跃的物联网应用市场,MEMS 产品在智慧城市、智慧家庭、车联网、工业互联网、智慧医疗等领域的应用日渐普及,未来各种新兴应用领域如 AR/VR、无人机/机器人、机器视觉、自动驾驶等将为 MEMS 提供更广阔的发展空间。

消费电子更新加快推动 MEMS 行业发展。4G 和 5G 网络及相应产品的普及不断拓展智能手机、可穿戴设备及相关消费电子产品的应用深度和广度。同时,智能音箱、智能电视、智能可穿戴设备等智能硬件新的应用市场也不断被创造出来,将引领MEMS产业进入下一轮高速增长期。

政策环境持续优化,推动传感器市场加速发展。为促进我国传感器产业发展,迈向中高端水平,2016年9月,国家发展改革委员会和工信部发布了《智能硬件产业创新发展专项行动(2016-2018 年)》;2017年11月,工信部发布《智能传感器产业三年行动指南(2017-2019年)》。随着“制造强国战略”、“互联网+”行动计划的大力推进,传感器技术将成为我国科技发展的重中之重。

计算机视觉、传感器融合等新技术,为 MEMS 市场注入新活力。目前人工智能领域的边缘计算、计算机视觉和传感器融合技术正在各个行业落地应用,支撑创新服务发展;企业对于应用边缘计算、计算机视觉和传感器融合技术在无人驾驶、智能安防、车联网等领域的应用需求正日益高涨。

而另一方面,中国MEMS产业也面临着内外部的双重挑战。

目前,国内MEMS产业在营收规模、产品结构、制造工艺、新品研制和解决方案供应能力等方面与国外差距明显,产品在本身技术实力和生产工艺还有很大的提升空间。

此外,中国MEMS产业内部也存在种种短板:

  • 产业弱小,骨干企业缺失问题突出;
  • 技术水平较低,代工环节工艺严重制约产业发展;
  • 产业对外依存度极高,高端产品和部件几乎全部依赖进口;
  • 人才严重短缺,高端人才与领军人才缺失问题尤为突出。

机遇与挑战同在。对于中国MEMS企业来说,应内修于心,外练于行。

于内,应加强技术合作,攻克关键核心技术,提升应用规模与水平,推进产业合作,提升定制化水平,注重人才引进,营造良好的人才环境。

对外,通过并购和合作开发增强产业竞争力,借鉴集成电路产业投资基金的相关经验,强化政府引导,积极联合各界社会资本,打造产学研用服务平台,完善优化产业生态,积极推动产业链协同升级。

在中美的时代竞争条件下,乘着物联网的东风,随着政府的扶持和资本的注入,中国MEMS产业来日方长!

本文分享自微信公众号 - AI电堂(aidiantang),作者:海伦

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原始发表时间:2020-11-24

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