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MEMS：给万亿苹果充值

报价宝 来源：baojiabao.com 发布时间：2022-12-21 17:08:00 09月15日更新
报价宝综合消息MEMS：给万亿苹果充值

苹果的 iPhone 开启了移动互联网时代，而成就 iPhone 的，则是各种创新科技硬件的应用，其中包括 MEMS。

2007 年的初代 iPhone，使用了 MEMS 麦克风、MEMS 加速度传感器等器件，使手机首次实现各种智能操作；2010 年的 iPhone 4 首次使用 MEMS 三轴陀螺仪，让我们可以翻转或移动手机控制程序运行；2016 年的苹果 TWS 耳机 AirPods 不仅配备了 MEMS 麦克风，实现了拾音、降噪、语音命令、自适应均衡，还配备了红外传感器和运动加速计，让耳机学会监测人的佩戴状态。那么，在造就了苹果超 2 万亿美元市值的 iPhone 中，国产 MEMS 有什么机会？

多数人可能并不知道，MEMS 这种低调的工业品，不仅是科技界公认最具发展潜力的研究领域之一，更是衡量工业国家核心竞争力的指标之一，被业界人士视为"一辈子都做不完的产业"。

作为无处不在的一种革命性关键技术，MEMS 已渗透到我们生活的方方面面，涵盖几乎所有需要微型化的产品。苹果、华为、三星、小米、OPPO 等各种消费电子品牌都离不开 MEMS 技术。

是机械，也是微电子

1959 年，物理学家理查德・费曼在加州理工学院的演讲《微观世界有无垠的空间》中，曾大胆构想原子尺度的工业世界，人们甚至可以吞下"外科医生机器人"，清除动脉血栓或消灭肿瘤。[1]

如今，这种构想不再是科幻，MEMS 就是一种比人类头发的直径还小很多倍的微型机械，它就像细胞一样，构建了微观的人工智慧世界 [2]。比如吞食 MEMS 诊断药丸检测体内身体指标，并通过无线传输到病人体外 [3]，再比如用 MEMS 为细胞做手术 [4]。可以说，我们在宏观世界能做什么，MEMS 就能帮我们在微观做什么。

MEMS 全称为"微机电系统"（Micro-Electro-Mechanical System），又称微系统技术、微机械等。是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。该系统可在微观尺度上单独或批量执行传感、控制和驱动操作，并在宏观尺度上实现各类功能。

随着技术的发展，科学家又提出了纳机电系统 NEMS（Nano-Electro-Mechanical System）的概念。由于二者结构相同，且归属于同一领域，下文中 MEMS 均代指 MEMS / NEMS。

MEMS 是最先进的机械技术与最先进的微电子技术的结晶。它是一种结构偏向机械，制造偏向微电子的技术，兼具微型化、低成本、高效能、大批量生产的优点，这也是它最有商业价值的地方：一方面，MEMS 会使用诸多微观模拟元件（类似我们常看到的宏观机械零件），组成体积极微小的器件，如通道、孔、悬臂、膜、腔等结构 [5]；另一方面，它能通过微纳米技术，在芯片上制造微型机械结构，因此可大批量生产，且有较低的生产成本。[6]

当机械学会感知和运动

MEMS 是一种能与自然界交流的器件，感知化学、电学、机械、热学、辐射、磁场六个能量域的环境参数，再做出相应的反应。

▲ MEMS 传感器关注的能量域，制表丨果壳硬科技

资料来源丨 Nanoscale Research Letters[7]

感知和运动是 MEMS 的两大特质，以此分为两类：MEMS 传感器和 MEMS 执行器。二者功能均是将信号或功率，从一个能量域转换为另一个能量域，传感器是将环境信号转换为电信号，执行器是将电信号转换为机械运动，二者相辅相成。

▲ MEMS 传感器和驱动器主要种类，制表丨果壳硬科技

资料来源丨和林微纳招股书 [8]

MEMS 传感器被人誉为"电五官"。若把处理器比作人脑，通信比作神经系统，MEMS 传感器就是五官和皮肤，感知物理、化学或生物量的存在和强度。其机理是沉积在设备传感层上的聚合物吸收了特定化学物质，产生了应力、质量、电气或机械特性变化，最终由 MEMS 利用压阻式、电容式或光学式等传感机制检测这些变化。需要强调的是，MEMS 传感器是传统传感器的升级版，其尺寸更小、功耗更低、性能更好。

MEMS 执行器相当于人的四肢，能执行各种微操作和运动，如微马达、微开关、微推进器、微泵和微阀等。其机理是采用电热、电磁、静电或压电四种驱动机制使器件产生微观结构运动。[7]

▲ MEMS 驱动和传感技术及特点，制表丨果壳硬科技

资料来源丨 Nanoscale Research Letters [7]

比集成电路更难制造

MEMS 工艺流程包括研发设计（芯片设计、工艺流程设计、机电和结构设计、设计验证等）、晶圆制造（融合离子扩散、薄膜沉积 PVD / CVD、光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀等）、封装测试，看似与集成电路相同，实则比集成电路更难。从集成电路到 MEMS，是平面工艺到立体工艺、电路静态结构到机械可动结构、半导体到机械 / 化学 / 光学等多学科交叉融合、电子产品应用环境到各种自然界或人造环境的变化。

▲ MEMS 工艺与 IC 工艺对比，制表丨果壳硬科技

MEMS 衬底材料（支撑材料）硅是主流，一些特殊应用会使用玻璃、高分子聚合物、金属等，二氧化钛（TiO2）、二氧化锡（SnO2）和氧化锌（ZnO）等金属氧化物也逐渐成为有吸引力的材料。[9]

加工技术依据材料分为硅基和非硅基两种路线。硅基 MEMS 加工技术以集成电路加工技术为基础，具有批量化、成本低、集成度高等优势；非硅基加工技术包括 LIGA、准 LIGA（即 X 光同步辐射光刻、电铸成型及注塑工艺）和精密加工技术，非硅基加工技术实现的可动微结构能够拥有更大纵向尺寸，但批量能力差、重复性差、加工成本高。[10][11]

▲ MEMS 制造工艺不完全盘点，制表丨果壳硬科技

虽然 MEMS 处处都好，但对研发商来说，想说爱它不容易：一方面，它拥有"一种产品，一种工艺"的特点，每种器件的设计、制造、封装、测试方法均存在较大差异，市场很难形成标准化，成熟的产品才能表现出一定的集中度 [12]；另一方面，做 MEMS 要耐得住性子，极端情况下一款传感器的研发需 6 年~8 年，加上测试、导入产业链的时间，成品甚至能花费近 20 年；除此之外，MEMS 与集成电路产业的通病就是价格与产品重要性不成正比。[13]

有应用才会有市场

其实，MEMS 还是个 90 后，它的商用历史只有三十多年，产业刚刚步入成熟期。从 MEMS 的研发历史来看，是从结构研究逐渐到材料的过程。

▲ MEMS 技术历史发展特征，制表丨果壳硬科技

MEMS 会伴随电子、机械、材料、信息、物理、化学、光学及生物医学等学科的技术成长，同时当 MEMS 与不同技术结合会再产生新的器件。在此过程中，一些器件应用逐渐衰退，新器件应用开始起步，往复循环，生生不息。

纵览三十多年历史，MEMS 新器件的驱动力主要源于应用，只有当新产品要用到某些器件，才会引发大规模研究和生产：

1990 年~2000 年汽车安全掀起第一次热潮；

2000 年~2010 年智能手机引发第二次热潮；

2010 年~2020 年智能手表、TWS 耳机、可穿戴设备主导第三次热潮；

2020 年至今车联网、智能家居、智能医疗、智能城市以及万物互联等应用让第四次热潮蓄势待发。

▲ 各 MEMS 器件所处应用阶段，图源丨《科技情报参考》[14]

前景好，但国内力量分散

由于 MEMS 的生产过程与集成电路类似，所以主要玩家基本也是集成电路企业。相比投资火热的集成电路，MEMS 产业相对较小，同时高技术门槛拦住了许多初创玩家。

近几年 MEMS 的应用场景逐步增加，需求量持续攀升：主流智能手机开始将 MEMS 麦克风使用量拉升至 2~4 颗，用于语音采集、噪音消除和改善语音识别等功能；单只 TWS 耳机中至少要使用 2 颗 MEMS 麦克风，用于通话、离线唤醒、音乐控制、应用开启和降噪模式切换等多种功能；每辆汽车的 MEMS 传感器使用数量拉升至 30 颗甚至上百颗，用于辅助自动驾驶、车辆检测等功能。

应用带动下，MEMS 的市场前景乐观。Yole 预测，MEMS 全球市场份额将由 2020 年的 121 亿美元升至 2026 年的 182 亿美元，年复合增长率 7.17%。其中，消费领域是 MEMS 的最大应用市场，约占整体收入的 60%，其次分别为汽车、工业、医疗、航空航天和通信。[15]

▲ 以终端市场分类的 MEMS 市场情况，图源丨 Yole

从器件上来看，MEMS 传感器是绝对的主力，全球市场规模预计从 2020 年的 90 亿美元提升至 2026 年的 128 亿美元，年均复合增长率为 6.1%。其中，压力传感器和惯性组合传感器极具潜力，至 2026 年全球市场规模将分别达到 23.6 亿美元和 21.3 亿美元，其次是声学传感器（MEMS 麦克风）、加速度传感器、陀螺仪传感器等。MEMS 射频器件增长势头猛烈，至 2026 年将有 40.5 亿美元的全球市场空间。喷墨打印头、微型测辐射热仪、光学传感器、硅基微流控器件等将持续保持增长。[15]

▲ 以器件类型分类的 MEMS 市场情况，图源丨歌尔微电子招股书 [16]

从领域上来看，消费、汽车、工业、医疗四大领域均有一定市场前景，但增速有所区别，物联网、智慧医疗、智慧城市是 MEMS 主要驱动力。

▲ 不同领域分类的全球 MEMS 市场情况，制表丨果壳硬科技

资料来源丨 Yole

目前 MEMS 市场以国外厂商为主，顶级的 MEMS 厂商包括博世、博通、Qorvo、意法半导体、德州仪器、歌尔微、惠普、楼氏、TDK、英飞凌等。国产 MEMS 企业是追赶者，歌尔微（MEMS 麦克风）、瑞声科技（MEMS 麦克风）、高德红外（红外传感器）三家企业上榜 2020 年全球市场销售额排行前 30。[15]

按细分领域划分，MEMS 声学传感器领域楼氏、瑞声科技、歌尔微三家公司占据全球市场份额的 75%，MEMS 压力传感器领域博世、泰科电子和英飞凌三家公司占据全球市场份额的 57%，MEMS 惯性组合传感器领域博世、意法半导体和 TDK 三家厂商占据全球市场份额的 76%。[16]

▲ 全球 MEMS 厂商 TOP10，图源丨歌尔微电子招股书 [16]

在国内，MEMS 市场潜力巨大。据赛迪顾问预测，从 2020 年至 2030 年，国内 MEMS 市场规模将由 736.7 亿元人民币提升至超过 1200 亿元人民币。[17]

我国 MEMS 起步并不比国外晚很多，但由于历史原因导致力量分散、条块分割、投入严重不足 [13]，直到 2010 年前后产业才形成雏形 [18]，仅从 MEMS 传感器来说，依然存在较大缺口，超过 90% 的芯片与高档传感器芯片需要从国外进口，导致价格直线上升，且在 MEMS 的产品结构布局上不足 20%。[19]

不过好在国内已形成较好的企业资源、创新资源和载体平台，并已拥有至少 37 条 MEMS 产线 [20]，发展后劲足。

▲ 中国 MEMS 产业资源分布，图源丨赛迪顾问 [17]

从二级市场上来看，国产 MEMS 已拥有研发设计、设备材料、晶圆制造、封装测试、集成应用的完备产业链，同时拥有丰富种类器件。

▲ 中国 MEMS 主要上市企业基本信息，资料来源 丨前瞻经济学人 [21]

国内 MEMS 投资和兼并也持续活跃，2020 年相关案例达 116 个、金额 347 亿 [22]。项目投资以 A 轮为主，感知技术离应用层越近，越能吸引投资者，项目估值和投资金额越大。从投资项目来看，资本较为看好生物、机器视觉、自动驾驶和语音交互领域等应用。[23]

▲ 2020 年国内 MEMS 各领域投融资事件数量及投资金额占比，图源丨赛迪顾问 [23]

▲ 2020 年国内 MEMS 投融资情况及分布情况，图源丨赛迪顾问 [23]

▲ 未上市 MEMS 企业不完全统计，制表丨果壳硬科技

参考资料丨国泰君安产业观察，有删改 [13]

追赶者要怎么走

作为追赶者，国产厂商该怎么走？果壳硬科技团队认为有如下四个关键点：

1. 国产 MEMS 需要注重产业集中化

从 2020 年的 MEMS 专利数量来看，美国占全球 MEMS 专利总申请量的 32%，处于领先状态。虽然中国也有 13%，但申请人以高校和科研机构为主，产品产业化有一定差距 [24]。另外，MEMS 产业本身就较为分散，国内不仅缺乏系统性，甚至过于寄予希望于短期获利。[25]

因此，国产 MEMS 在未来要注重产业化和集中化，具体包括：

产研结合：技术是限制 MEMS 企业发展的一个关键点，通过孵化科研院所或高新技术企业，对这类企业提供必要政策、资金的支持和 MEMS 生产设备的支持，通过软件、硬件配套使技术快速转化为成熟产品；

产业合作：市场是限制 MEMS 企业发展的另一个关键点，MEMS 产品单价低，从研发到上市周期长，需巨大规模才能盈利，如果能与下游客户形成紧密的战略合作，既能提供稳定的市场，也能充分了解下游客户的需求；

发展路径：先与国外企业合作，引入有市场前景的 MEMS 产品及技术或购买国外 MEMS 自行封测，再自主设计和制造低端 MEMS 进行国产替代，积累技术和市场，逐步突破技术进入高端市场，最后不断吞并中小型企业，并将这种经验复制到其他 MEMS 产品上，国内歌尔微、瑞声两家企业均是通过此种模式发展壮大。[26]

2. 抓住下行周期的黄金期

现有市场，消费电子仍会是 MEMS 的主战场，但显现在行业上的趋势是消费电子需求不济，整体行业正进入下行周期，这会带动 MEMS 进入整固期。（具体可参考果壳硬科技此前《半导体跑步进入大过剩时代》一文）此时对已入局 MEMS 并有技术积累的企业来说，将是黄金收购期，可抓住这次机遇利用收购快速提升竞争能力。[26]

另外，在消费电子景气度下降期间，汽车和医疗领域的新市场更值得被发掘。汽车方面，激光雷达、图像识别、主动刹车、胎压等新传感器短期需求将会持续增加 [27]；医疗方面，用于护理点的微流控 MEMS、用于监测人体温度的微型测辐射热仪、用于医学成像的压电微机械超声换能器（PMUT）将会是 MEMS 的新天地。[28]

3. 降本增效的关键是代工

对 MEMS 行业来说，一直无法解决的问题就是市场规模在膨胀，但单器件却越来越便宜。对下游厂商而言，用 MEMS 就是为了便宜 [29]。MEMS 封装测试占总成本 30%~70%[30]，因此对国产 MEMS 厂商而言，想挣钱，就要先降低制造成本。

国外大多数 MEMS 企业是 IDM 模式（Integrated Device Manufacturer，指从设计、制造、封装、测试到销售一体化垂直整合型公司），这些企业都拥有自主的制造能力。但国内则是以 Fabless 模式（设计型公司）为主导，虽然这些公司设计的产品越来越强大，但制造能力依赖外部代工厂。

更为困难的是，国内 MEMS 晶圆生产能力与国际先进水平差距较大。据中国电子技术标准化研究院信息显示，国内仅华润上华、中芯国际、上海先进半导体寥寥几家公司的晶圆生产线与国际水平相近，且生产经验无法达到国外规模化生产的标准，同时国内 MEMS 封装技术没有统一接口标准，产品外形千差万别。[30]

总而言之，当制造不再是问题，国产 MEMS 就会越来越强大。另外，国产制造商还能通过添加更多附加服务，来抵消影响，如提供高度复杂的软件支持或提供支持 AI 的传感解决方案。

4. 技术和市场要围绕应用走

MEMS 在市场的价值一定是体现在应用上的，反观应用已经实现了三次进化：2000 年~2010 年是离线时代，传感和执行的价值仅限于独立动作，如屏幕旋转、计步、硬件打印；2010 年~2020 年是在线时代，MEMS 开始与云端连接，如地理定位、状态监测、汽车导航和 3D 打印；2020 年到现在是生活时代，离线和在线已经没有差别，通过内置机器学习内核、微型 DSP 并应用人工智能技术，让数字和真实之间无缝衔接，如零延迟反馈、预测性维护、全息图等。[29]

国产 MEMS 研究界和产业界除了要追赶新材料（如 PZT、氮化铝、氧化钒）、新封装（如 3D 晶圆级封装）技术以求进一步降本增效外，还应注重与下游应用的匹配，做到感、知、联一体化。

对 MEMS 来说，最重要的是能做什么。当应用铺开，市场自然会打开。

References：

本文来自微信公众号：果壳硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌 编辑：李拓

文章标签： 技术 市场 传感器 应用 产业 器件 企业 科技 制造 发展 国产 机械 中国 产品 电子 电路 领域 全球 果壳 集成电路 报价宝 降噪耳机价格 耳机价格 红米手机价格 华为手机价格 小米手机价格 电视机价格 笔记本电脑价格 笔记本价格 汽车价格 报价宝 数码相机价格 手机价格 华为手机价格 耳机价格

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