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:

  • [1] Feynman R P. There's plenty of room at the bottom[J]. California Institute of Technology, Engineering and Science magazine, 1960.

  • [2] Wilfinger R J, Bardell P H, Chhabra D S. The resonistor: a frequency selective device utilizing the mechanical resonance of a silicon substrate[J]. IBM Journal of Research and Development, 1968, 12(1): 113-118.

  • [3] 许泳.MEMS:越感知越火热 [N].计算机世界,2010-07-26 (030)

  • [4] 天津大学新闻网:天津广播:“为细胞做手术”天大应用微机电系统技术突破靶向细胞药物导入世界难题.2017.3.10.http://news.tju.edu.cn/ info / 1005/21512.htm

  • [5] Mouser Electronics:MEMS: A Brief Overview.https://www.mouser.com/applications/mems-overview/

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  • [9] Kim C, Getz P, Kim M, et al. Room-tempearutre CO 2 sensing based on interdigitated capacitors and resonant cantilevers[C]//2017 19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS). IEEE, 2017: 1532-1535.doi.org/10.1109/transducers.2017.7994351

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  • [12] 冯海玉,姚琳,翁祖泉.MEMS 市场集中度变化趋势及原因分析 [J].中国集成电路,2015,24 (07):22-25.

  • [13] 国泰君安产业观察:【产业报告】MEMS 传感器 —— 探知国产替代的春天.2021.2.5.https://mp.weixin.qq.com/ s / i6PFTad0UDBFB-RCOeXaVg

  • [14] 扬州市科学技术局.MEMS 创新资源分布及产业扶持政策.《科技情报参考》MEMS 产业专刊 2018 年第 12 期(总第 198 期).2018.6.12.http://kjj.yangzhou.gov.cn/ yzkjj / kjqbck / 201807/404073b248a749258644e120d16bb1fe / files / 7cdf58c5127348bdaf4be995c5649253.pdf

  • [15] Yole:MEMS Industry Market and Technology Report.2021.7.https://s3.i-micronews.com/uploads/2021/07/YINTR21180-Status-of-the-MEMS-Industry-2021_Sample.pdf

  • [16] 歌尔微电子:首次公开发行股票并在创业板上市招股说明书.2022.8.15.http://www.cninfo.com.cn/ new / disclosure / detail?stockCode=&announcementId=1214294527&orgId=-&announcementTime=2022-08-15

  • [17] 赛迪顾问:2020 年中国 MEMS 制造白皮书.2020.10.28.https://www.nanopolis.cn/ static / upload / 2021//2//722//2020% E5% B9% B4% E4% B8% AD% E5%9B% BDMEMS% E5%88% B6% E9%80% A0% E7%99% BD% E7%9A% AE% E4% B9% A6.pdf

  • [18] 传感器专家网:6 年前:毕业 29 人相关工作 0,不建议读!国产 MEMS 的发展与困境.2022.7.11.https://mp.weixin.qq.com/ s / bYyEG9MxCrft9ungrQLpiw

  • [19] 姚兴宇. MEMS 传感器在中国的发展现状分析 [J]. 决策探索 (中), 2019, 8.

  • [20] 感知芯视界:重磅发布 | 新增 16 条!本土 37 条主流 MEMS 产线全景图.2022.1.17.https://mp.weixin.qq.com/ s / d28RRNXJqHFgaaVUWThwEQ

  • [21] 前瞻经济学人:【行业深度】洞察 2022:中国 MEMS 传感器行业竞争格局及市场份额 (附市场集中度、企业竞争力评价等).2021.11.2.https://www.qianzhan.com/ analyst / detail / 220/211101-108a0255.html

  • [22] 敏芯股份:MEMS 自主可控的机遇与挑战.2021.7.19.https://mp.weixin.qq.com/ s / fRoFiahzbOppYW5X6D6EXg

  • [23] 赛迪顾问:2021 中国 MEMS 产业研究报告.2021.12.27.https://www.nanopolis.cn/ static / upload / 2021//11//975//2021% E4% B8% AD% E5%9B% BDMEMS% E4% BA% A7% E4% B8%9A% E7% A0%94% E7% A9% B6% E6%8A% A5% E5%91%8A.pdf

  • [24] 徐晶,李双,张弦,张薇,庄宝森,董接莲.中国传感器技术专利统计分析 [J].物联网技术,2020,10 (06):84-85+88.

  • [25] 电子发烧友网:缺乏耐心,产业分散,国产 MEMS 出路到底在哪?.2021.11.01.https://mp.weixin.qq.com/ s / QiQ75GvqTYaqGhm_0fYzyw

  • [26] 中国科学院上海微系统与信息技术研究所战略研究所:中国 MEMS 产业发展趋势分析及建议.2016.12.6.https://small.shanghaitech.edu.cn/ wp-content / uploads / 2018/10 / Chinese-MEMS-Industry.pdf

  • [27] 电子工程专辑:从汽车 MEMS,看 2021 汽车电子市场发展前景.2021.3.2.https://www.eet-china.com/ news / 202103020928.html

  • [28] Semi Engineering:MEMS: New Materials, Markets And Packaging.2021.7.28.https://semiengineering.com/mems-new-materials-markets-and-packaging/

  • [29] i-micronews:The MEMS success story: a decade of evolving strategies leading to a bright MEMS future – An interview with Bosch Sensortec, STMicroelectronics and Yole Développement.2021.10.28.https://www.i-micronews.com/the-mems-success-story-a-decade-of-evolving-strategies-leading-to-a-bright-mems-future-an-interview-with-bosch-sensortec-stmicroelectronics-and-yole-developpement/

  • [30] 中国电子技术标准化研究院:智能传感器型谱体系与发展战略白皮书 2019 版.http://www.cesi.cn/ 201908/5426.html

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

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