mems传感器应用:MEMS传感器

2021/11/05 21:05 · 传感器知识资讯 ·  · mems传感器应用:MEMS传感器已关闭评论
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MEMS传感器即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems),是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展,已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术,具有广阔的应用前景。截止到2010年,全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作,已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品,其中MEMS传感器占相当大的比例。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时,在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
中文名
MEMS传感器
外文名
MEMS SENSOR
含 义
微机电系统
涉 及
电子、机械、材料、物理学
目录
1
应用
2
研究现状
3
分类
4
总结
MEMS传感器应用
编辑
语音
1.应用于医疗
MEMS传感器应用于无创胎心检测,检测胎儿心率是一项技术性很强的工作,由于胎儿心率很快,在每分钟l20~160次之间,用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪,用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪,价格昂贵,仅为少数大医院使用,在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外,超声振动波作用于胎儿,会对胎儿产生很大的不利作用。尽管检测剂量很低,也属于有损探测范畴,不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。
基于VTI公司的MEMS加速度传感器,提出一种无创胎心检测方法,研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。
通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号,经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理,用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理,最后输出处理结果。
基于MEMS加速度传感器设计的胎儿心率检测仪在适当改进后能够以此为终端,做一个远程胎心监护系统。医院端的中央信号采集分析监护主机给出自动分析结果,医生对该结果进行诊断,如果有问题及时通知孕妇到医院来。该技术有利于孕妇随时检查胎儿的状况,有利于胎儿和孕妇的健康。
2.应用在汽车电子
MEMS压力传感器主要应用在测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料,以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片,然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻,再以惠斯顿电桥
应用在汽车中的MEMS传感器
方式将应变电阻连接成电路,来获得高灵敏度。车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律,通常由悬挂系统和检测质量组成,通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测,主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等,除了有电容式、压阻式以外,MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中,电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点,是MEMS微加速度计中的主流产品。微陀螺仪是一种角速率传感器,主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统,主要有振动式、转子式等几种。应用最多的属于振动陀螺仪,它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。例如汽车在转弯时,系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位,主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道,通常,它与低加速度计一起构成主动控制系统。
3.应用于运动追踪系统
在运动员的日常训练中,MEMS传感器可以用来进行3D人体运动测量,对每一个动作进行记录,教练们对结果分析,反复比较,以便提高运动员的成绩。随着MEMS技术的进一步发展,MEMS传感器的价格也会随着降低,这在大众健身房中也可以广泛应用。
  在滑雪方面,3D运动追踪中的压力传感器、加速度传感器、陀螺仪以及GPS可以让使用者获得极精确的观察能力,除了可提供滑雪板的移动数据外,还可以记录使用者的位置和距离。在冲浪方面也是如此,安装在冲浪板上的3D运动追踪,可以记录海浪高度、速度、冲浪时间、浆板距离、水温以及消耗的热量等信息。
4.应用在手机拍照领域
在MEMS Drive出现之前,手机摄像头主要由音圈马达移动镜头组的方式实现防抖(简称镜头防抖技术),受到很大的局限。而另一个在市场上较高端的防抖技术:多轴防抖,则是利用移动图像传感器(Image Sensor)补偿抖动,但由于这个技术体积庞大、耗电量超出手机载荷,一直无法在手机上应用。
凭着微机电在体积和功耗上的突破,最新技术MEMS Drive类似一张贴在图像传感器背面的平面马达,带动图像传感器在三个旋转轴移动。MEMS Drive 的防抖技术是透过陀螺仪感知拍照过程中的瞬间抖动,依靠精密算法,计算出马达应做的移动幅度并做出快速补偿。这一系列动作都要在百分之一秒内做完,你得到的图像才不会因为抖动模糊掉。
手机拍照带给我们随时随地的便捷,但是面对复杂的环境、多样的拍照场景,人手拍照有无法避免的抖动,像是走着跑着躺着拍照,或者把手伸长、手握自拍杆自拍,无论哪种抖动,凭借MEMS DRIVE马达独有的五轴防抖,和快速、精准控制的技术优势,都能呈现出更清晰更锐丽的图片
[1]

MEMS传感器研究现状
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语音
1、微机械压力传感器
微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品,也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看,微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类,分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看,有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。压阻式压力传感器的精度可达0.05%~0.01%,年稳定性达0.1%/F.S,温度误差为0.0002%,耐压可达几百兆帕,过压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围下的全温补偿。现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以下几个方面。
(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成,研制智能化的压力传感器。
  (2)进一步提高压力传感器的灵敏度,实现低量程的微压传感器。
  (3)提高工作温度,研制高低温压力传感器。
  (4)开发谐振式压力传感器。
2、微加速度传感器
硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度计,其典型产品是Kuehnel等人在1994年报道的AGXL50型。
  国内在微加速度传感器的研制方面也作了大量的工作,如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器和清华大学微电子所开发的谐振式微加速度传感器。后者采用电阻热激励、压阻电桥检测的方式,其敏感结构为高度对称的4角支撑质量块形式,在质量块4边与支撑框架之间制作了4个谐振梁用于信号检测。
3、微机械陀螺
角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。这种陀螺仪的精度很高,但它的结构复杂,使用寿命短,成本高,一般仅用于导航方面,而难以在一般的运动控制系统中应用。实际上,如果不是受成本限制,角速度传感器可在诸如汽车牵引控制系统、摄象机的稳定系统、医用仪器、军事仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域有广泛的应用前景。常见的微机械角速度传感器有双平衡环结构,悬臂梁结构、音叉结构、振动环结构等。但是,实现的微机械陀螺的精度还不到10°/h,离惯性导航系统所需的0.1°/h相差尚远。
4、微流量传感器
  微流量传感器不仅外形尺寸小,能达到很低的测量量级,而且死区容量小,响应时间短,适合于微流体的精密测量和控制。国内外研究的微流量传感器依据工作原理可分为热式(包括热传导式和热飞行时间式)、机械式和谐振式3种。清华大学精密仪器系设计的阀片式微流量传感器通过阀片将流量转换为梁表面弯曲应力,再由集成在阀片上的压敏电桥检测出流量信号。该传感器的芯片尺寸为3.5mm×3.5mm,在10ml~200ml/min的气体流量下,线性度优于5%。
5、微气体传感器
根据制作材料的不同,微气敏传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。其中前者以硅为衬底,敏感层为非硅材料,是当前微气敏传感器的主流。微气体传感器可满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如许多气敏传感器的敏感性能和工作温度密切相关,因而要同时制作加热元件和温度探测元件,以监测和控制温度。MEMS技术很容易将气敏元件和温度探测元件制作在一起,保证气体传感器优良性能的发挥。
谐振式气敏传感器不需要对器件进行加热,且输出信号为频率量,是硅微气敏传感器发展的重要方向之一。北京大学微电子所提出的1种微结构气体传感器,由硅梁、激振元件、测振元件和气体敏感膜组成。硅梁被置于被测气体中后,表面的敏感膜吸附气体分子而使梁的质量增加,使梁的谐振频率减小。这样通过测量硅梁的谐振频率可得到气体的浓度值。对NO2气体浓度的检测实验表明,在0×10~1×10的范围内有较好的线性,浓度检测极限达到1×10,当工作频率是19kHz时,灵敏度是1.3Hz/10。德国的M.Maute等人在SiNx悬臂梁表面涂敷聚合物PDMS来检测己烷气体,得到-0.099Hz/10的灵敏度。
6、微机械温度传感器
微机械传感器与传统的传感器相比,具有体积小、重量轻的特点,其固有热容量仅为10J/K~10J/K,使其在温度测量方面具有传统温度传感器不可比拟的优势。开发了1种硅/二氧化硅双层微悬臂梁温度传感器。基于硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数的差异,不同温度下梁的挠度不同,其形变可通过位于梁根部的压敏电桥来检测。其非线性误差为0.9%,迟滞误差为0.45%,重复性误差为1.63%,精度为1.9%。
7、其他微机械传感器
利用微机械加工技术还可以实现其他多种传感器,例如瑞士Chalmers大学的PeterE等人设计的谐振式流体密度传感器,浙江大学研制的力平衡微机械真空传感器,中科院合肥智能所研制的振梁式微机械力敏传感器等
[2]

MEMS传感器分类
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语音
1、MEMS气体流量传感器:高精度,检测流量范围广,适用于各种需求的流量计测。
2、MEMS压力传感器:性能偏差小的MEMS压力传感器。
3、MEMS非接触温度传感器:对静止人体也能检测,高灵敏度的人体感应传感器。
4、MEMS开关:高频,小型,长寿命的MEMS开关。
MEMS传感器总结
编辑
语音
中国在?MEMS?传感器领域的研究较晚,但已经成为不可或缺的力量,中国的部分专利权的创新主体协同格局前提下,加大政府科技资金投入不但可以消解技术创新发展中的资金阻滞,又有助于引导企业或单位技术创新意识,从而提高我国创新驱动效率,促进经济快速而稳健的发展
[3]


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参考资料
1.

王淑华. MEMS传感器现状及应用[J]. 微纳电子技术, 2011, 48(8):516-522.
2.

刘凯, 陈志东, 邹德福,等. MEMS传感器和智能传感器的发展[J]. 仪表技术与传感器, 2007(9):9-10.
3.

宋海宾, 杨平, 徐立波. MEMS传感器随机误差分析及处理[J]. 传感技术学报, 2013(12):1719-1723.

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  MEMS传感器行业是一个新兴的行业,在中国商业化的时间不到10年,而在全球也只有20余年的产业化历程。
  MEMS传感器代表了未来传感器的发展方向,具有体积微小、低功耗、一致性高等特点,可大批量、低成本制造,大大拓宽了传感器的应用领域,为智能设备的发展奠定了重要的技术基础,亦是物联网的重要组成部分。
  目前,全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作,已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品,其中MEMS传感器占相当大的比例。
  作为获取信息的关键入口,MEMS传感器已在汽车、消费电子、航空航天、生物医学等领域中得到了广泛的应用。而随着时间的推移和技术的逐步发展,MEMS所包含的内容正在不断增加,并变得更加丰富。
  汽车领域
  在20世纪90年代,MEMS首先在汽车工业开始应用,汽车电子被认为是MEMS传感器第一波应用高潮的推动者。
  受益于汽车行业安全规定及信息化、智能化浪潮,MEMS传感器在汽车领域得到飞速发展,其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统、电子车身稳定程序、电控悬挂、电动手刹、斜坡起动辅助、胎压监控、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等。
  根据相关调研数据,目前平均每辆汽车包含10-30个MEMS传感器,而在高档汽车中大约会采用30甚至上百个MEMS传感器。
  MEMS压力传感器主要应用在测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料,以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片,然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻,再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路,来获得高灵敏度。车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。
  而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律,通常由悬挂系统和检测质量组成,通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测,主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等,除了有电容式、压阻式以外,MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中,电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点,是MEMS微加速度计中的主流产品。
  微陀螺仪是一种角速率传感器,主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统,主要有振动式、转子式等几种。应用最多的属于振动陀螺仪,它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。例如汽车在转弯时,系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位,主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道,通常,它与低加速度计一起构成主动控制系统。
  消费电子
  随着消费电子的大发展及产品创新不断涌现,该领域已经取代汽车成为MEMS最大的应用市场。
  MEMS传感器在消费电子产品中可用于运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面交互、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数等,应用较多的品类为MEMS麦克风、3D加速器、MEMS 射频组件、GPS陀螺仪、小型燃料电池与生化芯片等。多种MEMS传感器的综合应用可增加电子设备的娱乐性及智能性,改善交互性能,大大提升了用户体验。
  在手机拍照功能上,MEMS更是发挥着重要的作用。在MEMS Drive出现之前,手机摄像头主要由音圈马达移动镜头组的方式实现防抖(简称镜头防抖技术),受到很大的局限。而另一个在市场上较高端的防抖技术:多轴防抖,则是利用移动图像传感器(Image Sensor)补偿抖动,但由于这个技术体积庞大、耗电量超出手机载荷,一直无法在手机上应用。
  凭着微机电在体积和功耗上的突破,最新技术MEMS Drive类似一张贴在图像传感器背面的平面马达,带动图像传感器在三个旋转轴移动。MEMS?Drive 的防抖技术是透过陀螺仪感知拍照过程中的瞬间抖动,依靠精密算法,计算出马达应做的移动幅度并做出快速补偿。这一系列动作都要在百分之一秒内做完,你得到的图像才不会因为抖动模糊掉。
  MEMS传感器在智能手机领域的应用
  (图片来源:Yole Development,民生证券)
  航空航天
  MEMS在航空航天领域主要有状态传感器和环境传感器之分。状态传感器主要针对飞机姿态、燃料用量、生命活动、各种活动机件的即时位置等进行监测。环境传感器主要针对温湿度、氧气浓度、流量大小等方面进行测量。通过提供有关航天器的工作信息,MEMS传感器起到故障诊断、提供决策依据、保障正常飞行的作用。近期事故频出已全球停飞的波音737MAX飞机,故障主要原因之一是迎角传感器产生读数输出错误,导致了系统不能起到严格的保护作用。小小传感器对航空航天安全的重要性可见一斑。
  生物医疗
  随着体外诊断、药物研究、病患监测、给药方式以及植入式医疗器械等领域发展,医疗设备需要迅速提高性能、降低成本、缩小尺寸。MEMS技术使医疗设备可以做到微型化,医疗检测、诊断、手术和治疗过程可以更加便捷、精准,甚至无痛。
  MEMS压力传感器可以检测包括血压、眼内压、颅内压、子宫内压等在内的人体器官压力水平。MEMS惯性器件最主要用于心脏病治疗设备。MEMS图像传感器普遍应用于包括CT扫描、内窥镜在内的医学成像设备中。MEMS技术在传感和执行功能上的优势,使其在医疗健康行业的应用广泛增长。
  此外,MEMS技术在国防、工业、能源及环保等领域也有广泛应用,为各行各业提供自动化、智能化的数据接口,赋能智能社会。根据相关市场调研数据,全球MEMS市场结构中消费电子领域占比最高,增长空间最大的是生物医疗领域。
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mems传感器应用:半导体硅片产业研究报告(下)

文章大纲
MEMS器件应用广泛,市场空间大
·MEMS产品日益丰富,中国为主要市场
·工艺偏定制化,后端制造成本占比高
MEMS需求放量,融合化、智能化升级提高附加值
·物联网、5G、智能驾驶推动MEMS用量提升
·MEMS器件利润空间有望逐步增厚
MEMS黄金时代到来,国内厂商加速成长
·MEMS器件国产化空间广阔,产业链逐步走向成熟
·国内厂商市占率快速提升,国产化进程有望进一步加速
MEMS声学器件率先实现赶超
MEMS
MEMS器件应用广泛,市场空间大
MEMS产品日益丰富,中国为主要市场
MEMS即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems),利用集成电路制造技术和微机械加工技术,把微传感器、微执行器制造在一块芯片上的微型集成系统。MEMS中的核心元件一般包含两类:一个传感器或执行器,以及一个信号传输单元。传感器将外界信号转换为电信号,执行器与外界产生作用,信号传输单元能够对信号进行处理以及与其他微系统连接。MEMS传感器具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等优点,正在逐渐取代传统机械传感器;以RF MEMS为代表的MEMS执行器也随着新一代通信技术的到来迎来重大发展机遇。
MEMS产品日益丰富,智能化、集成化程度逐步提高。1987年美国伯克利加州大学发明了微马达,被认为是MEMS技术的开端;1993年ADI公司的微加速度计产品大批量应用于汽车防撞气囊,MEMS正式走入产业化阶段。20世纪90年代MEMS技术快速发展,围绕深槽蚀刻技术发展出多种加工工艺,微镜、喷墨打印头等MEMS产品不断涌现。2007年以后,以智能手机为代表的消费电子产品大量应用MEMS传感器,惯性传感器、磁力计、光学MEMS、射频MEMS等应运而生。近年来,物联网的发展不断推动MEMS技术进步,9轴IMU、集成环境MEMS等被大量应用,MEMS集成化、智能化是未来发展趋势。
射频MEMS、压力传感器、麦克风、加速度计、陀螺仪和惯性组合是目前应用最为广泛的器件。根据Yole的统计数据,全球MEMS产品结构中,射频MEMS份额19.2%居首,其他产品中压力传感器、麦克风、加速度计份额超过10%。中国市场结构与全球类似,根据赛迪顾问发布的数据,2019年国内射频MEMS产品收入占比为25.9%;压力传感器占19.2%排第二位,麦克风、惯性组合、加速度计分别占比7.1%、8.9%、6.5%。
全球千亿市场规模,中国占比5成以上。从市场规模上来看,根据IHS的数据,2019年全球MEMS市场规模为165亿美元(折合人民币千亿以上)。国内市场方面,根据赛迪智库的统计,2019年市场规模约600亿元,占全球市场比例约54%,且国内市场增速持续高于全球。
工艺偏定制化,后端制造成本占比高
MEMS产业链主要涉及设计研发、生产制造、封装测试、系统应用四大环节。MEMS产业链的上游包括MEMS器件设计、材料和生产设备的研发和供应,中游包括MEMS器件的制造加工和封装测试、下游使用MEMS产品集成终端电子产品。
不同于IC的平面结构,MEMS器件是三维机械结构,工艺偏定制化。虽然MEMS制造工艺采用了IC技术来实现,但是其本质上是与IC结构有着截然区别的:IC的基本结构晶体管是一种纯粹的电学器件,在所有产品中通用;而MEMS是一种微机械结构,包含了微米级别的齿轮、仪表、引擎和泵,除了与IC采用同样的硅材料外,基本结构并不能完全做到统一和通用。因此MEMS器件的制造工艺更为定制化,有“一种产品,一种工艺”的说法。
基本材料属性是决定产品性能的根本因素。IC制造的目的是在一个硅片上集成尽可能多的CMOS,但传感器芯体重通常只封装很少的电器元件,如一个IC上需要集成数以亿计的CMOS,但一个力敏传感器芯只有4个电阻元件。材料属性(如结构机械特特性、材质化学特性)和生产工艺(如刻蚀深度、精度、材料应力控制)决定了MEMS传感器的性能。
封测环节价值占比高,为制造成本的主要部分。由于MEMS结构相比IC更为复杂,不但需要封装各种芯片,还包括各类感测用的力、光、磁、声、温度、化学、生物等传感器元器件和执行运动、能量、信息等控制量的各种部件,封装的成本通常超过四成。此外,在测试环节,需要外加不同的激励来测试不同的MEMS产品,如陀螺仪的测试需要多轴转台、振动台、冲击台等设备,而硅麦克风则需要消声腔、标准声源等外部设备。结合测试的成本,根据器件不同后端成本可占到四成到八成。
另外,MEMS产品设计开发依赖研发人员经验。一方面,MEMS是多学科、技术的综合,涉及IC技术、传感技术、计算机技术、无线通信等技术,对于多学科、多因素的相互理解十分重要。另一方面,MEMS产品开发过程中工具、设计、工艺的相互依赖性需要很高的教育背景和多年研发经验。一般一个MEMS项目通常需要受过高等教育的工程师并至少拥有10年的工作经验,因此也被称为市场成长中的“博士级别问题(PhD Level Problem)”。
由于上述特征的存在,导致MEMS行业研发和商业化周期长。由于MEMS产品设计到量产需要设计、工艺、工具的相互匹配,以及对应工艺装备、封装、测试设备的投资,所以研发和商业化的周期较长。根据相关数据,MEMS压力传感器、加速度计、气体传感器产品从研发设计到全面商业化均历时二三十年的时间,2012年之前所有MEMS器件平均下来商业化周期在28年时间。
MEMS
MEMS需求放量,融合化、智能化升级提高附加值
消费电子和汽车为目前MEMS最主要应用领域。从2019年全球MEMS市场结构来看,消费电子为主要应用领域,占比接近60%,汽车为第二大应用领域,占比约19%。从2019年中国MEMS市场结构来看,网络与通信、计算机、消费电子合计占比50%,汽车领域占比29%。
我们认为,随着物联网、消费电子、汽车MEMS需求的放量,传感器厂商收入水平有望快速提升,盈利能力也有望持续增强,主要基于:1)物联网、5G、智能驾驶带动需求放量,同时MEMS器件尺寸进一步微型化,单位成本有望快速下降;2)技术升级带动附加值提升。
物联网、5G、智能驾驶推动MEMS用量提升
技术浪潮是MEMS需求的最大推动力。过去主要经历了两拨大的技术浪潮,分别是汽车和以智能手机为首的消费电子浪潮,根据IHS早期的数据我们可以看到,在消费电子浪潮来临之前,整个MEMS市场规模增长趋于停滞,但消费电子浪潮的出现为整体市场带来了巨大的成长动能,消费电子MEMS市场规模2010-2019年CAGR达到了16%。
物联网普及极大拓展MEMS应用场景。物联网的产业架构可以分为四层:感知层、传输层、平台层和应用层,MEMS器件是物联网感知层重要组成部分。物联网的发展带动智能终端设备普及,推动MEMS需求放量,据全球移动通信系统协会GSMA统计,全球物联网设备数量已从2010年的20亿台,增长到2019年的120亿台,未来受益于5G商用化和WiFi 6的发展,物联网市场潜力巨大,GSMA预测,到2025年全球物联网设备将达到246亿台,2019到2025年将保持12.7%的复合增长率。
智能化趋势推动物联网设备单机MEMS用量大幅提升。如上所述,物联网带来了很多增量市场,比如智能音箱、智能电视、可穿戴设备等,同时智能化程度也在不断提升,推动单机MEMS用量提升,以智能穿戴为例,第一代的可穿戴设备计步器仅搭载了加速度计实现计步功能,随着产品的更新迭代,功能日益丰富,后续第二代、第三代可穿戴产品逐渐加入了压力计和陀螺仪,至今第四代可穿戴代表产品智能手表除传统的活动识别和计数功能外,还能实现精准定位、智能交互,还加入了诸多健康监测功能,MEMS麦克风、磁传感器、光学心率传感器等产品得到了广泛应用,总体MEMS用量大幅提升。
传统的手机和汽车市场方面,短期内依然是MEMS器件主要的应用领域,5G和汽车电动化推动出货量稳步提升,同时单机/车传感器用量有明显增加趋势。
智能手机迎5G换机潮,传感器及RF MEMS用量逐年提升。一方面,5G加速渗透,拉动智能手机市场恢复增长:今年10月份国内5G手机出货量占比已达64%;智能手机整体出货量方面,在5G的带动下,根据IDC今年的预测,2021年智能手机出货量相比2020年将增长11.6%,2020-2024年CAGR达5.2%。另一方面,单机传感器和RF MEMS用量不断提升,以iPhone为例,2007年的iPhone 2G到2020年的iPhone 12,手机智能化程度不断升,功能不断丰富,指纹识别、3D touch、ToF、麦克风组合、深度感知(LiDAR)等功能的加入,使得传感器数量(包含非MEMS传感器)由最初的5个增加为原来的4倍至20个以上;5G升级带来的频段增加也有望显著提升单机RF MEMS价值量。
驾驶辅助系统升级带动MEMS&传感器单车价值提升。自动驾驶已成大趋势,环境信息的感知是实现自动驾驶的基础,越高级别的自动驾驶对信息感知能力的需求越高,对应的MEMS&传感器用量和价值量也会相应提升。根据NXP和Strategy analysis的数据,L1/2级别的自动驾驶仅需要1个摄像头模组、1-3个超声波雷达和激光雷达,以及0-1个融合传感器,新增半导体价值在100-350美元,而至L4/5级别自动驾驶车辆将会引入7-13个超声波雷达和激光雷达、6-8个摄像头模组并会引入V2X模块以及多传感器融合方案,新增半导体价值在1000美元以上。另外,短期来看,现实条件暴露了ADAS的缺陷,导致了一些安全事故的发生,由此对ADAS系统的安全性需求猛增,这些缺点重新致力于改进LIDAR、RADAR和其他成像设备,将多面传感器系统集成到自动驾驶汽车中。
根据Strategy analysis的预测,至2025年,汽车产量中将有73%配备不同程度的自动驾驶功能,其中Level 1占46%,Level 2占27%,至2035年,95%的车有不同级别的自动驾驶功能,其中Level 3及以上将占比20%以上,带动MEMS器件需求快速提升。
COVID-19疫情期间,热成像、微流控MEMS迎来增长。受COVID-19疫情影响,医疗设备需求增长,尤其是无接触测温刺激了热电堆和微热辐射测定仪需求,核酸诊断拉动了微流控产品的需求,呼吸机带动了压力传感器和流量计的需求。疫情期间热成像类MEMS(热电堆和微热辐射测定仪)和微流控成为短期最大增长点。
根据Yole的预测,在物联网和手机5G换机的驱动下,全球消费级MEMS市场规模有望从2019年的68.7亿美元增长至2025年的111.4亿美元,6年CAGR达8.4%;在电动汽车和自动驾驶趋势的带动下,汽车MEMS市场规模有望从21.8亿美元增长至2025年的26亿美元,6年CAGR 3%,除此之外,工业市场也将在工业物联网等趋势的带动下保持9.2%的复合增速,医疗、通信、国防/航空市场也将有显著增量,整体MEMS市场规模将从2019年的115亿美元增长至2025年的177亿美元,6年综合CAGR为7.4%。
MEMS器件利润空间有望逐步增厚
从MEMS价格走势来看,2000年以来,MEMS价格持续下降,2000-2006年CAGR为-3%,智能手机浪潮到来后,传感器需求放量,成本不断摊低,2006-2012年价格CAGR为-13%;2012-2018年在RF MEMS放量的推动下,2012-2018年价格CAGR为-15%;2019年ASP在0.43美元左右。
受益于成本下降和新产品推出,业内厂商毛利率基本维持稳定。虽然价格在下行,但是从楼氏和歌尔等主要厂商毛利率水平走势可以看到,业内企业MEMS业务盈利能力基本维持稳定:一方面是芯片及封装尺寸缩小推动成本端下降,另一方面是技术升级的需求导致不断有新产品推出,新产品的毛利率显著高于老产品(如美新半导体,2016 年磁传感器新品35%毛利率显著高于老产品11%的毛利率),推动整体毛利率维持稳定。
未来MEMS毛利率有望稳中有升,我们认为主要有如下几点依据:
微型化趋势推动MEMS器件平均成本继续下降。消费电子领域轻薄化需求推动MEMS器件尺寸缩小,MEMS生产厂商一方面改进封装结构计,在保证产品性能的基础上缩小器件尺寸,另一方面也同步缩小芯片的尺寸,在单片晶圆尺寸固定的情况下,芯片尺寸的减小增加了芯片的产量,也有效降低了平均成本。未来,随着MEMS尺寸的缩小,MEMS(微机电系统)将逐步向NEMS(纳机电系统)转变,并获得尺寸和成本的持续降低。
封装标准化程度提升,外包降低成本。封装方面,由于MEMS偏定制化,出于保护自己公司IP的需要,多数公司选择自己进行组装和测试,但随着MEMS封装标准化程度的不断提升,OSAT提供的封装服务带来的规模经济效应超过了潜在的技术泄漏风险,越来越多的客户将选择外包封装的方式,有助于成本的降低。
多传感器融合与协同、智能化趋势带来价值提升。智能化趋势客观上需要更多的数据源,单个设备中搭载的传感器数量逐渐增加,同时为了提升了信号识别与收集的效果和器件的集成化程度,传感器之间开始实现融合与协同(比如加速度计、陀螺仪、磁力计、IMU组合形成惯性传感器组)。目前单个传感器的平均价格不足1美元,相比单个传感器,多个传感器融合的产品具有更高的价值量,能够达到1-2美元。通过进一步将传感器与MCU或者APU集成,形成智能化传感系统,产品价格将大幅提升至20-40美元。
材料技术融合创新,柔性压感MEMS产品亦有望带来价值提升。相比传统电容式方案,柔性MEMS对终端产品的结构和内部空间要求较低,能够有效降低组装成本,在智能手机压感触控、可穿戴产品和工业/医疗测量等领域具有很大的应用潜力。目前,国内NDT(纽迪瑞科技)已将柔性MEMS概念成功商业化落地,其柔性MEMS是基于压阻材料的微压力应变器技术,可同时检测拉伸和压缩应变,在较大应变范围内线性输出。随着技术的进一步成熟,国内更多厂商有望采用创新产品。
MEMS
MEMS黄金时代到来,国内厂商加速成长
MEMS器件国产化空间广阔,产业链逐步走向成熟
国内市场广阔,国产化率低。中国是最大的电子产品生产基地也是最大的电子产品消费国,2019年全球MEMS器件市场规模为165亿美元,中国占据了半数以上。但在国内市场依然为国外厂商主导,国内市场前10厂商占据的份额中仅6%属于国内厂商。
国内厂商已具备主流MEMS器件生产能力。从国内MEMS产品晶圆需求结构来看,麦克风、压力、打印头、加速度、射频器件已经有了相当的占比,6寸片和8寸片需求合计分别占比31%、19%、11%、6%、7%。从头部厂商产品类别来看,歌尔股份已覆盖了MEMS麦克风、MEMS压力传感器(气压/防水/血压/差压等)、MEMS气流传感器,组合传感器产品也逐步丰富,瑞声科技、睿创微纳等公司也具备部分主流器件生产能力。
产业链逐步走向成熟。从国内产业的发展历程来看,1986年国家将传感器技术列入国家重点攻关项目,到2000年传感器技术体系和产业初步建立。2001年国家将新型传感器列入重点研究开发项目,国产传感器技术水平不断进步,逐步缩短与发达国家的差距,截止到2015年已经形成完备的产业链,自主产品达到6000种。2016年以来,国内传感器技术及产业快速发展,同时受国内物联网、5G、人工智能等技术的推动,传感器向着MEMS化、智能化、网络化、系统化的方向持续发展。
具体来看,产业链各环节能力均有显著提升:
代工制造:工艺水平升级,产能持续扩充国内具备MEMS制造能力的主要有三类厂商:专业的MEMS代工厂、传统晶圆代工厂、IDM厂商。过去国内缺乏专业MEMS代工厂,传统晶圆代工厂工艺积累不足,制造响应周期长,同时缺乏领军的MEMS器件IDM厂商。但目前,上述情况有明显的改善。
MEMS制造环节产能不断提升。由于半导体下游部分市场高景气,晶圆代工产能供不应求,未来随着新产能的投产这一现象将得到缓解,根据SEMI的统计,MEMS&传感器代工产能将从2019年的390万片/月增加至2023年的470万片/月。国内专业MEMS代工方面,赛微电子2015年收购了MEMS专业代工领先厂商Silex(2019年专业MEMS代工收入排名第一),目前产能不断扩张,北京厂规划产能3万片/月。传统晶圆代工厂方面,中芯国际和华虹半导体的MEMS代工也有了一定的工艺积累。
工艺水平、标准化程度不断提升。赛维电子收购Silex极大提升了国内MEMS代工水平。一方面突破技术壁垒(即所掌握的工艺IP),获得瑞典Silex自主开发的、可验证的、得到客户认可的IP;另一方面凭借Silex的品牌和成熟的工艺流程极大地缩短产品的验证周期,开发周期。标准化程度方面,如前文所提到,行业的特点包括“一种产品、一种工艺”,暗示每种产品都要从头开始设计工艺,导致产品商业化周期较长。但目前80%以上的工艺流程已可实现标准化(比如氧化、旋转涂布、清洗、零掩膜对准等),定制化的部分大概只占到15%-20%(DRIE、键合、薄膜沉积、晶圆封盖、光刻等),目前Silex已开发了名为SmartBlock的模块化标准化方法,可在不牺牲工艺一致性的情况下实现快速原型制作、定制和快速量产。
封测:国内整体实力较强,部分MEMS器件厂商具备自主封测能力
MEMS封测平台随着现有平台复杂性的变化而稳步发展,以满足传感器融合的日益增长的需求。封装方面,传感器融合的趋势推动封装技术从单芯片封装到多芯片封装的转变,同时芯片嵌入技术及晶圆级封装成为发展方向。测试方面,测试设备供应商正在改进测试工具、加入新功能以降低成本。
国内封测实力较强,具备先进封装技术交付能力。在OSAT市场,国内厂商在头部占据一席之地,2017年MEMS封装市场份额前三位分别为ASE、Amkor和长电科技,市场份额分别为27%、23%和10%,目前长电科技已可提供嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)、晶圆级芯片级封装(WLCSP)、倒装芯片级芯片封装(fcCSP)、精细间距球栅阵列(FBGA)等一系列封装工艺。另一方面,国内头部MEMS器件厂商亦具备自主封测的能力,如歌尔股份和瑞声科技。
设计:国内头部厂商向设计环节延伸提升盈利能力
国内MEMS传感器领军企业歌尔和瑞声科技过去主要在产业链中从事系统整合和封测的环节,目前,纷纷向MEMS芯片设计领域延伸。
歌尔股份设立子公司歌尔微电子专注MEMS产业,产业链不断整合,同时拟分拆上市加快业务发展。歌尔股份2017年设立子公司歌尔微电子,意在通过丰富产品线种类,整合产业链上下游优质资源,进一步巩固公司在MEMS传感器领域的领先地位,为客户提供整体解决方案。一方面对产业链下游进行整合,从单纯的MEMS传感器领域,通过系统整合把产品线延伸到消费类电子产品领域,从提供封装测试延伸至产品终端应用。另一方面对产业链上游进行整合,电声元器件的部分原材料自制,例如振膜自制,降低产品成本并增强公司盈利能力。同时公司布局建设MEMS芯片、智能传感器研发平台,产业链向上游延伸至芯片设计研发领域。此外,公司拟分拆歌尔微电子上市,获得更好融资途径,进一步加速微电子类高技术附加值产品的发展,同时通过对子公司高管及核心骨干股权期权激励,未来管理效率及发展前景有望持续提升。
瑞声科技MEMS产业链向上游芯片设计研发延伸。瑞声科技主要为MEMS麦克风产品提供封装测试到系统整合,2018年以来逐步开始实现MEMS芯片自主研发。瑞声科技今年在英国设立MEMS麦克风全球研发中心,完善了公司的全球研发布局,主要侧重于设计研发MEMS麦克风芯片,也开始自行开发ASIC芯片。
国内厂商市占率快速提升,国产化进程有望进一步加速
国内厂商市占率快速提升,势头依然强劲。近年来,国内以歌尔股份为首的MEMS厂商全球市占率快速提升。根据Yole Development公布的2019年全球MEMS生产商前30名排名中,歌尔股份和瑞声科技成功入围,其中歌尔股份排名第九,是中国首个进入全球前十的公司,并且其2019年MEMS收入同比增长达36%,远超同行业其他头部公司;瑞声科技排名第22位,收入同比增长11%同样高于行业整体水平。
目前存在诸多有利条件,促进未来国产化有望持续加速:
国内政策大力推动MEMS产业发展:国家政策大力支持传感器发展,国内MEMS企业拥有优质发展环境。我国政府高度重视MEMS和传感器技术发展,在2017年工信部出台的《智能传感器产业三年行动指南(2017-2019)》中,明确指出要着力突破硅基MEMS加工技术、MEMS与互补金属氧化物半导体(CMOS)集成、非硅模块化集成等工艺技术,推动发展器件级、晶圆级MEMS封装和系统级测试技术。国家政策高度支持MEMS制造企业研发创新,政策驱动下,国内MEMS制造企业获得发展良机。
贸易摩擦和疫情的客观加速国产化进程:贸易摩擦和疫情让众多国内厂商意识到了产业链国产化的重要性,采购国产MEMS器件的诉求提升。
国内产业起步10余年,具备基本的人才积累:如前文所述,MEMS的研发需要解决多学科的交叉问题,对人才要求较高,MEMS项目通常需要受过高等教育的工程师并至少拥有10年的工作经验。目前国内产业从起步到现在已经经历了10余年的时间,有了一批具备产业经验人才的积累。同时,国内经济的快速发展和海外环境的不确定性有望驱使更多MEMS行业有积累的专业人才归国,为国内产业发展带来新动能。
科创板成立,资本助力产业发展:科创板的成立为成长中MEMS企业提供了有效的融资渠道,助力产业发展。
MEMS
MEMS声学器件率先实现赶超
MEMS麦克风应用广泛。不仅智能手机、电脑需要用到MEMS麦克风,智能电视、智能穿戴、智能家居、智能建筑领域也需要大量用到MEMS麦克风,此外,工业、医疗、军事、智慧城市对MEMS麦克风也有一定需求。从量上来看,智能手机、电脑、平板依然是目前MEMS麦克风主要应用领域,出货量每年在10亿量级,智能穿戴、智能家居、汽车领域目前每年出货量在千万到亿的量级,但成长迅速。
语音交互兴起带动MEMS麦克风需求迅速增长。近年来,人工智能(AI)技术迅速发展,语音成为重要人机交互接口,Google、Apple、Microsoft、Amazon等领先科技企业近年纷纷推出语音交互技术助推生态形成,2019年这四家厂商的语音交互设备数量已达到19亿台,以手机和电脑为主。传统电子设备上语音助手的搭载有效培养了用户习惯的养成,新兴的物联网设备语音交互需求有望迎来快速增长,以智能音箱、显示器为例,根据Yole的数据,其中语音个人助手的需求将从2019年的1.1亿个左右快速增长至2024年的2.8亿个左右。
TWS耳机的发展、降噪功能的加入带动耳机单机MEMS麦克风用量提升。以耳机为例,传统的耳机双耳仅需1颗麦克风(即平均单耳0.5颗),而TWS耳机一般单耳用到至少1颗麦克风,而Airpods单耳需要用到2颗,Airpods Pro单耳则用到了3颗麦克风。用量的快速提升背后逻辑一方面是TWS耳机对传统耳机的替代,另一方面是降噪功能的加入,从Airpods Pro中3颗麦克风的作用上我们可以窥见端倪:Airpods Pro中的1号麦克风用于接收语音;2号麦克风用于接收外部噪音信号,并发出一个噪声幅度相同、相位相反的声波信号抵消噪声实现主动降噪;3号麦克风用于侦测耳机内部的噪声,并实现主动降噪。科技风向标苹果的采用有望带动TWS耳机中降噪技术快速普及,大幅提高市场上耳机平均MEMS麦克风用量。
语音交互、降噪不是终点,MEMS麦克风潜在空间广阔。目前麦克风阵列技术、噪声消除技术、语音交互技术已经逐渐走我们的生活,推动MEMS市场不断快速发展。未来,光学麦克风(通过激光与麦克风的配合实现5Hz到MHz范围频率响应范围的记录,可应用于无损检测、超声计量、声学流程监测以及医疗影像)、声学相机(通过麦克风阵列技术绘制声像图,实现噪声控制与定位、产品质量控制)的发展有望逐步打开MEMS麦克风工业级市场。3D声音感知、人工智能技术的发展亦有望进一步拓展消费级市场。
根据我们的拆分,2019年,智能手机、智能音箱、智能电视、TWS耳机、笔记本电脑为MEMS麦克风主要应用领域,对应市场规模分别为11、1.8、1.7、1.4、1亿美元,其中智能音箱和TWS耳机对应MEMS麦克风市场增长最为迅速,2019-2023年CAGR将分别达到14%和19%,2023年对应市场规模分别为2.9、2.7亿美元。消费级MEMS麦克风整体市场规模有望从2019年的17亿美元增长至2023年的接近21亿美元,CAGR超过5%。
国内头部厂商MEMS麦克风主要技术指标达到国际领先水平,市场份额有望持续提升。国外的楼氏、英飞凌、TDK等国外MEMS麦克风企业的研发和生产起步较早,早期占据了全球主要的市场份额。但目前,国内MEMS麦克风的设计制造工艺已趋成熟,相应技术指标已达国际领先水平,代表厂商歌尔股份MEMS麦克风产品在尺寸、灵敏度、灵敏度公差、信噪比、声学过载点等主要指标上均已跻身全球领先。在技术超越的同时,国内头部企业依托中国作为全球最大的电子产品生产国和消费国的市场地位,以及低成本的优势,市场份额不断提升,以歌尔股份为代表,根据IHS和麦姆斯咨询的数据,其MEMS麦克风市场份额从2013年的不足10%一路上升至2019年的30%以上。2019年歌尔股份微型麦克风(ECM+MEMS)市场份额全球第一,未来有望继续巩固微型麦克风领域龙头地位。
参考资料来自:东方证券、驭势资本研究所

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