MEMS传感器，国产替代的春天？
现如今，人们已经逐渐离不开各种智能设备。一天醒来，先用指纹识别解锁手机，查看新到的邮件；中午，设定好的扫地机器人避开了孩子散落一地的玩具后开始清扫房间；夜晚，跟着手机导航一路来到了网红机器人餐厅，餐厅机器人在你拿走碟子后对你说了声“谢谢”……
为了实现这一切，背后其实都离不开我们今天的主角——MEMS传感器。
01
什么是MEMS传感器？
MEMS传感器是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的传感器，是传感器小型化、智能化、集成化的代表之作，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。
MEMS传感器的门类品种繁多，不同类别的MEMS传感器在不同领域可实现的功能不一，如加速度传感器既可帮助智能手机计算位移、触发指令，也可帮助汽车监测安全气囊系统、防滑系统、防盗系统等。我们将MEMS传感器细分种类总结成以下图片：
MEMS传感器分类图示
02
MEMS 传感器 VS. 传统传感器
一是微型化，一般单个MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位，重量轻、能耗低。
二是可批量生产，MEMS传感器主要采用硅基半导体加工制作，可兼容传统IC生产工艺。
三是集成化，在同一封装体内，可以集成多种机械结构芯片与ASIC芯片于一体，形成复杂的微系统。
四是多学科交叉，MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学等多种学科。
MEMS传感器同时兼备集成与智能化的优势，不仅可以将多个传感器组合到同一个芯片封装内，还能将多个传感器的数据进行组合运算，以提高信息的准确性。
03
MEMS传感器产业链
MEMS传感器的产业链主要分为研发设计、生产制造（中试、量产和封装测试）、系统集成应用三个层面。
MEMS传感器产业链
在设计层面，主要有IDM和Fabless两种模式。IDM模式为垂直整合元件制造模式，企业能够独立完成芯片设计、晶圆制造、封装和测试等各生产环节。Fabless模式则指的是无晶圆厂模式，该模式下芯片设计企业主要从事芯片的设计与销售，将晶圆制造、封装、测试等生产环节交由第三方晶圆制造和封装测试企业完成。目前，Fabless模式已逐渐成为半导体行业的主流商业模式。
MEMS传感器IDM和Fabless模式对比
MEMS晶圆制造基本工艺步骤、相关设备企业代表
封装测试环节对MEMS的产品成本有着重要影响。在 MEMS 产品量产化过程中，封装的成本比重已经越来越大，通常超过四成，再结合测试部分的成本，一般来说，后端的成本往往占据产品成本的大半，有的甚至超过七至八成。为了降低研发到市场的导入成本，整合封装已成为各大OSAT (外包半导体产品封装和测试) 封装厂商热衷于思考和探索的课题。
04
MEMS传感器应用领域
MEMS传感器的应用范围非常广阔，从高大上的航空航天领域到触手可及的消费电子领域，许多设备内部都有着MEMS传感器的身影。根据Yole Development发布的统计数据，2019年全球MEMS的三大终端应用市场分别为消费电子、汽车和工业，整体市场规模突破115亿美元，增长率为7.4%。
MEMS传感器部分应用领域与产品
// 消费电子
2026年全球MEMS各领域市场占比预测
消费电子是全球MEMS行业最大的应用市场（超过60%），且在整个MEMS行业的市场规模的占比越来越高；以手机为例，单部智能手机上安装的MEMS传感器数量将会从2014年的12颗上升到2021年的20颗。
// 汽车电子
汽车电子是MEMS产品第二大应用市场。随着汽车智能化的发展趋势和汽车安全要求标准的提高，MEMS传感器在汽车上的应用也越来越广泛；据Yole Development预测，到2025年，汽车电子领域MEMS市场规模将达28.6亿美元。
汽车安全规定完善及汽车智慧化趋势助推MEMS应用发展：据统计，全球平均每辆汽车包含10个传感器，在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器，车越好，所用的MEMS就越多，BMW740i汽车上有70多只MEMS。
// 工业与通信
MEMS 产品市场需求随着工业互联网应用的不断成熟、工业转型升级的趋势而不断提升；根据 Yole 的数据，2018-2026年全球工业领域 MEMS 产品市场规模从 12.43 亿美元增长至 20.91 亿美元，年均复合增长率为 6.72%。
// 医疗
医疗保健是MEMS产品第四大应用市场。MEMS传感器被广泛应用于生物和医疗电子产品中，如心脏起搏器、精密手术仪器、心率监视器、数字温度计、怀孕测试仪等；根据Yole的数据，2018-2026年全球医疗领域 MEMS 产品市场规模从 6.71 亿美元增长至 11.80 亿美元，年均复合增长率为 7.32%，呈现稳步上升的态势。
压力传感器在医疗领域应用场景
05
我国MEMS传感器市场发展现状
尽管目前我国对MEMS传感器的市场投入呈现增长态势，但仍存在市场起步晚，高端产品进口依赖，研发力量不足等问题，整体产业链发展尚处于初级阶段。
// 国产化率低，严重依赖进口
到2020年全球传感器市场已接近600亿美元规模，而目前我国传感器芯片市场的国产化率不到10%，相对集成电路的进口依赖性更为严重。国外企业起步早，例如ADI从1987年开始MEMS的研发，1991年开始MEMS传感器的量产，BOSCH也从1995年开始MEMS传感器的量产；我国上世纪90年代才刚开始集成电路的产业化， 2010年前后MEMS行产业才有了雏形。以苏州敏芯、深迪半导体、苏州明皜、天津诺思为代表的MEMS芯片设计企业先后在国内成立。与此同时，一批具有产品封装和测试能力的国内企业开始走出来，这其中的佼佼者就是瑞声科技和歌尔声学。他们凭借自身强大的模组封装制造能力和客户渠道，成功打入包括Apple在内的一系列国内外顶尖客户。要彻底实现我国MEMS产业的飞速发展和自主可控，最关键的还是要突破MEMS芯片的设计和生产制造环节，这方面仍需要国内的MEMS芯片创业公司共同努力。
// 缺少复合型人才
在研究主体方面，国内主要集中在高等院校与研究所，而国外还包括众多有实力的公司和企业。目前国内企业具备一定创新能力，但业务重合度高，产品定位中低端，行业整体营收规模偏小。MEMS涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。简而言之，MEMS产品团队需要跨学科的复合型人才，但我国目前的分学科培养体制很难培养出大量优秀的复合型人才。
// 制造端缺乏系统、完整的MEMS生产体系，需要本地化、国产化供应链整合
集成电路产业需要靠整个供应链的发展才能起飞，我国近20年来芯片设计行业的飞速发展也正是因为中芯国际、华宏宏力、长电科技、通富微电、华天等供应链公司的成长和壮大。同理，MEMS产业要想得到长足的发展，在我国必须有强大和成熟的本土供应链做支撑，因中国MEMS产业起步较晚，国内缺乏系统、完整的MEMS生产体系，无法为本土MEMS设计公司提供供应链支持，成为制约中国MEMS产业发展的最大障碍。
MEMS产业链涉及到设计研发、生产制造、封装测试、系统应用多个环节，目前国内传感器行业也已具有一定规模的产业布局，已形成涵盖敏感单元设计、制造、封装测试、软件与数据处理算法、应用等环节的传感器产业链；但与此同时，还存在产业档次偏低、企业规模较小、技术创新基础较弱、同质化较为严重等问题。在生产制造环节，最重要的是建立起国产先进的MEMS平台。比如发展多尺寸兼容的先进MEMS研发平台、发展8英寸MEMS传感器加工中试平台、发展MEMS传感器批量制造平台等多个平台。
06
MEMS传感器创新趋势
MEMS传感器的创新推动着各领域的发展，各领域产品对功能革新的需求也为MEMS传感器指引着未来发展的方向。我们认为，MEMS传感器目前已呈现出小型化、融合协同、柔性化、无源化、封装技术创新、算法智能化等发展趋势。
MEMS传感器创新趋势
07
MEMS传感器投资机会
我们认为，未来应重点关注拥有中高端产品线核心技术积累的公司，以及产业链升级改造的机会。针对早期投资阶段，重点院校、实验室、科研院所的专家型人才团队也是关注重点之一。
// 关注中高端产品线有核心技术积累的公司
目前我国MEMS行业整体呈现中低端产品竞争激烈、高端产品竞争中没有竞争力的局面，高端产品线80%进口依赖，产业档次偏低、企业规模较小、技术创新基础较弱、同质化较为严重。随着未来国产替代趋势的进一步加强，我国势必需要发展中高端MEMS产品线，解决技术层面卡脖子的问题，因此需要重点关注在MEMS各细分领域有核心技术和专利积累的初创公司。
// 关注产业链升级改造机会
经过十余年发展，我国在MEMS产业链本地化方面有了长足的进步和积累，但仍然面临自主设计能力欠缺、高端产品线生产设备和能力不足、测试封装阶段不够先进等痛点。建议可以重点关注产业链向中高端升级改造的机会，例如新的生产设备、新的封装测试方法、从源头进行自主产品设计等。
// 关注高校和科研院所的科研成果转化
08
国内外MEMS新创企业一览
发达国家在MEMS技术中主要在芯片和微机电制造领域较成熟，特别是在使用寿命和精度上优势明显。目前中国MEMS市场仍以国外厂商为主导，其中前十名分别是博通、博世、意法半导体、德州仪器、QORVO、惠普、楼氏、恩智浦、歌尔和TDK，美国厂商占比超过50%。与此同时，许多新创企业也在MEMS领域逐渐崭露头角，使MEMS传感器领域得到了创新及发展。
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