传感器领域的璀璨明星——MEMS芯片行业概况

（1）MEMS行业概述

①MEMS技术概述

MEMS即微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem），是利用大规模集成电路制造技术和微加工技术，把微传感器、微执行器、微结构、信号处理与控制电路、电源以及通信接口等集成在一片或者多片芯片上的微型器件或系统。

MEMS器件种类众多，主要分为MEMS传感器和MEMS执行器。MEMS传感器可以感知和测量物体的特定状态和变化，并按一定规律将被测量的状态和变化转变为电信号或者其它可用信号，MEMS执行器则将控制信号转变为微小机械运动或机械操作。经过40多年的发展，MEMS从实验室走向实用化，已广泛应用于消费电子、汽车、工业与通信、医疗健康、高可靠等各个领域。基于MEMS技术的系统设备大大增强了人们与物理世界交互的能力，极大地改变了人们的生活方式。

②MEMS行业发展历程

MEMS技术被誉为21世纪具有革命性的高新技术之一，其诞生和发展是需求牵引和技术推动的综合结果，亦是微电子技术和微机械技术的巧妙结合。

MEMS起源可追溯至20世纪50年代。硅的压阻效应被发现后，学者们开始了对硅传感器的研究。20世纪70年代末至90年代，安全气囊、制动压力、轮胎压力检测系统等汽车行业应用需求增长推动了MEMS行业发展的第一次浪潮，压力传感器和加速度计取得快速发展。

1979年Roylance和Angell研制出压阻式微加速度计，1983年Honeywell用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片研制出压力传感器。20世纪90年代末至21世纪初，信息技术的兴起和微光学器件的需求推动了MEMS行业发展的第二次浪潮，MEMS惯性传感器与MEMS执行器取得共同发展。MEMS惯性传感器方面，1991年，电容式微加速度计开始被研制，1998年美国Draper实验室研制出了较早的MEMS陀螺仪。MEMS执行器方面，1994年德州仪器以光学MEMS微镜为基础推岀投影仪，21世纪初MEMS喷墨打印头出现。

2010年至今，产品应用场景的日益丰富推动了MEMS行业发展的第三次浪潮，如高性能的MEMS陀螺仪在工业仪器、航空、机器人等多方面得到应用。MEMS商业化将MEMS技术从最早的汽车应用领域向航空、工业和消费电子等领域不断扩展。

③MEMS行业的产业链

MEMS产业链一般可分为四个环节：芯片设计、晶圆制造、封装测试以及系统应用。MEMS行业主要有Fabless和IDM两种经营模式。采用Fabless模式的MEMS企业主要负责MEMS产品的设计与销售，将生产、封装、测试等环节外包。采用IDM模式的国际企业，如博世、意法半导体、亚德诺半导体、霍尼韦尔等，经营范围覆盖了芯片设计、晶圆制造和封装测试等各环节。

（2）MEMS行业市场现状

①全球市场现状

根据Yole的统计和预测，全球MEMS行业市场规模将从2021年的136亿美元增长到2027年的223亿美元，2021-2027年复合增长率为9.00%。

MEMS器件已经被广泛应用于消费电子、汽车、医疗、工业、通信等多个领域。从2021年市场规模来看，消费电子、汽车和工业市场是MEMS行业最大的三个细分市场。

从全球竞争格局的角度看，目前少数巨头企业占据了全球MEMS行业的主导地位，2021年前十大MEMS厂商市场占比达到了57.94%，市场集中度较高。

②国内市场现状

受益于工业物联网、智能制造、人工智能等战略的实施，加之各级政府加速推动智慧城市建设、智能制造、智慧医疗发展，MEMS市场具有较大的发展机遇。根据赛迪顾问数据整理，2020年中国MEMS市场保持快速增长，整体市场规模达到736.70亿元，同比增长23.24%，国内市场增速持续高于全球。预计2022年中国MEMS市场规模将突破1,000亿元，2020-2022年复合增长率为19.06%。

2021年中国MEMS市场以国外厂商为主，中国厂商中歌尔股份有限公司、瑞声科技控股有限公司、武汉高德红外股份有限公司、台湾积体电路制造股份有限公司进入了前30大厂商行列，发达国家在MEMS芯片设计和制造领域技术先进，在产品性能和可靠性等方面优势更为明显。

（3）MEMS产品类型与市场结构

MEMS产品主要分为MEMS传感器和MEMS执行器，常见的MEMS器件如下表所示：

①MEMS传感器和MEMS执行器的比较

MEMS传感器是用来检测物理、化学或生物现象的器件；而MEMS执行器是用来产生机械运动、力和转矩的器件，两者用途存在较大差异，因而技术路线和难点不同。由于客户应用MEMS产品的环境具有多样性，需要检测的外界信号种类较多，从而导致MEMS传感器种类众多，需求差异大，不同类型的MEMS传感器的工艺差异大，需开发合适的工艺方案；另外MEMS传感器往往需要匹配复杂的ASIC芯片，所以MEMS传感器的开发往往需要从系统的角度考虑。而MEMS执行器通常只是完成单一的动作，结构较为简单，但对于材料制备，以及加工工艺的一致性要求较高，如MEMS射频滤波器等；另外，MEMS执行器无需或只需要简单的驱动电路即可，系统相对简单。

②不同类型MEMS传感器的比较

由于MEMS传感器测量的外部信号不同，不同类型的MEMS传感器技术差异较大。MEMS惯性传感器主要检测物体的运动，需要将传感器安装在载体上用于检测载体的运动，因此MEMS多为密闭式封装。而压力/光学/声学传感器需要通过直接接触被测量，所以多为开放式封装，同时需要结合使用环境设计有利于检测信号的传感器敏感单元表面结构。MEMS惯性传感器相对于压力传感器、声学传感器等其他类型的传感器应用领域较广，在高可靠领域及其他工业、消费领域均具备丰富的应用场景，不同应用场景对于性能、成本、功耗、体积的要求差异较大。相对于在工业及消费领域应用较广的声学传感器、环境传感器等，高性能MEMS惯性传感器多应用于高可靠领域，复杂环境下对于产品性能要求高，因此对产品可靠性提出了更严格的需求，存在较高的技术门槛。MEMS压力传感器主要是压阻式和电容式，使用广泛，成本低；部分高端压力传感器采用谐振式原理，精度高，售价高，多用于仪表校验等对精度要求高的领域。MEMS声学传感器和光学传感器主要应用于消费类电子，例如智能手机中的MEMS麦克风和接近传感器，产品具有体积小、成本低、功耗低的特点，对产品绝对性能要求相对不高，行业内厂商竞争相对激烈。

③MEMS传感器的工作原理

MEMS传感器是采用微电子和微机械技术工艺制造出来的微型传感器，种类繁多，是使用最广泛的MEMS产品。MEMS传感器通过微传感元件和传输单元，可将输入的信号转换，并导出另一种可监测信号。与传统工艺制造的传感器相比，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等特点。MEMS惯性传感器属于MEMS传感器的重要分支，主要包括陀螺仪、加速度计等，并可通过组合形成惯性组合传感器IMU。

④MEMS传感器行业的产品结构

按照YoleDeveloppement统计的MEMS产品市场规模数据，2021年不同类型MEMS产品的市场份额如下所示：

MEMS惯性传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计、惯性传感组合，2021年上述四类产品市场规模合计35.09亿美元，占比25.81%，是MEMS行业中的主要产品类型。

审核编辑 ：李倩