国产MEMS传感器厂商该怎么办？探索万亿市场替代空间（全面分析）
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等各种知名品牌都离不开MEMS技术。
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本文从技术到中国产业现状，全面介绍了中国的MEMS，本文关注MEMS国产替代。在本文中，你将了解到：MEMS到底是什么，MEMS的市场情况和国产化布局，国产MEMS及背后的思考。并试图回答国产替代浪潮下，国内的MEMS企业们如何追赶的问题。国产MEMS替代机会在哪？
原标题：《MEMS：给万亿苹果充值》
作者：付斌 | 编辑：李拓
神奇的MEMS，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。
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。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，再比如用MEMS为细胞做手术。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；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。
用机械当五官和四肢，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
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
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。
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
MEMS，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。
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。
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；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。
有应用才会有市场，产业步入高速发展期
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》
前景虽好，但国内力量分散，无领导企业
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。
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。
以器件类型分类的MEMS市场情况，图源丨歌尔微电子招股书
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。
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%。
全球MEMS厂商TOP10，图源丨歌尔微电子招股书
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。
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，直到2010年前后产业才形成雏形，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%。
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，发展后劲足。
中国MEMS产业资源分布，图源丨赛迪顾问
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
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。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。
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
2020年国内MEMS投融资情况及分布情况，图源丨赛迪顾问
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
国产传感器厂商，怎么去追赶？
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。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。
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。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。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。
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；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。
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。MEMS封装测试占总成本30%~70%，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。
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。
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。
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