MEMS专题调研报告

MEMS专题调研报告

加强关键核心技术和基础共性技术的标准研制，持续提升标准的供给质量和水平。引导社会团体加快制定发布具有创新性和国际性的团体标准。鼓励企事业单位和专家积极参与国际标准化活动，开展国际标准制定。MEMS传感器行业发展情况和未来发展趋势（一）MEMS行业发展需要更精准可靠的传感器各类智能设备作为信息获取和交互的关键器件，对传感器收集数据的丰富程度和精准程度要求越来越高。对于可以主动感知、自主决策的无人系统，准确的环境感知能力和高精度定姿定位能力至关重要。MEMS传感器精度提升有助于将应用场景扩展至高性能领域。同时，MEMS惯性传感器的应用范围越来越广泛，行业内企业需要采用新技术、新工艺使MEMS惯性传感器在复杂的环境中保持精准可靠。（二）MEMS传感器微型化、集成化的发展趋势随着MEMS加工工艺的进步，以及CMOS工艺和MEMS工艺的集成，MEMS传感器可以在更小面积的芯片上集成更强大的运算与存储能力，更好地满足系统应用对低成本、小体积、高性能的全面要求。同时，先进的封装技术，如多芯片模块可以将多个芯片组合封装，特别是3D堆叠封装技术，代表着MEMS产品不断向微型化和高集成化的发展趋势迈进，预示着其可在有限的体积内集成更多的组件，实现更复杂更强大的功能。（三）MEMS传感器行业多传感器融合与协同多传感器融合技术有助于增加可获得的数据数量，显著提高系统的冗余度和容错性，从而保证决策的快速性和正确性。随着设备智能化程度的提升，单个设备中搭载的传感器数量不断增加，多传感器的融合和协同提升了信号识别与收集效果。自动驾驶的安全性需要多传感器的冗余支持，也需要通过多传感器融合提升传感器组合的性能和容错率。在智能化加速和万物互联的时代，多传感器融合技术未来将进一步广泛应用于复杂工业过程控制、机器人、智慧交通、海洋监视和管理、智慧农业、遥感、医疗诊断等诸多领域，成为传感器产业未来主要发展趋势之一。（四）应用场景多元化，MEMS传感器行业规模不断扩大MEMS传感器是智能设备重要的基础硬件之一，已被广泛应用到消费电子、汽车、工业、高可靠等各个领域，新的应用场景亦层出不穷。随着传感、5G通信连接、计算技术的快速进步和联网节点的不断增长，对于智能传感器数量和智能化程度的要求将进一步提升。未来，工业物联网、车联网、智能城市、智能家居等新产业领域都将成为MEMS传感器行业广阔的应用空间，尤其是自动驾驶汽车需要多种高精度、高可靠性的传感器，将创造巨大的行业空间，引领MEMS传感器的下一次应用浪潮。促进行业质量提升（一）加强标准化工作加强关键核心技术和基础共性技术的标准研制，持续提升标准的供给质量和水平。引导社会团体加快制定发布具有创新性和国际性的团体标准。鼓励企事业单位和专家积极参与国际标准化活动，开展国际标准制定。（二）提升质量品牌效益优化产品设计、改造技术设备、完善检验检测，推广先进质量文化与技术。引导企业建立以质量为基础的品牌发展战略，丰富品牌内涵，提升品牌形象和影响力。开展质量兴业、品牌培育等活动，定期发布质量品牌报告。（三）优化市场环境引导终端企业优化电子元器件产品采购模式，倡导优质廉价，避免低价恶性竞争、哄抬价格、肆意炒作等非理性市场行为，推动构建公平、公正、开放、有序的市场竞争环境。MEMS产品在不同下游应用领域的市场空间国外市场方面，根据Yole报告的统计，预计未来全球高可靠领域MEMS产品的市场空间较大。国内市场方面，基于MEMS的惯性测量单元可大幅降低设备成本，并能在各种恶劣环境中稳定工作满足可靠性要求，取代原本成本高昂、体积较大的其他惯性器件。MEMS产品用于高可靠领域的核心壁垒为需要根据产品最终应用领域设计、生产出对应性能的产品；例如平台稳定需要超低噪声和高带宽处理技术做支撑；复杂环境导航需要抗高过载和温度补偿技术做支撑等。因此，行业内企业能否全面掌握以上技术以满足客户不同的要求成为其MEMS产品进入此领域的核心壁垒；此外，MEMS产品用于此领域的另一个核心壁垒主要为是否可在保证MEMS惯性传感器高性能的同时，从系统级角度保证产品工程化、可测性及环境适应性。此外，MEMS产品在高端工业领域应用较广，市场较大。根据Yole发布的StatusofMEMSIndustry2022，2021年全球高端工业领域中MEMS产品的市场规模为22．34亿美元，预计到2027年全球高端工业领域中MEMS产品的市场规模将达33．40亿美元，2021-2027年复合增长率为7．00%。国际竞争格局方面，MEMS产品主要用于高端工业领域的资源勘探、压力传感等多个领域，应用场景相对分散，世界知名机构的产品在高端工业领域具有相对优势。MEMS产品用于高端工业领域的核心壁垒在于产品在复杂、多变的环境中持续保持高精度感知和传递外部环境变化，其中，MEMS产品长时间在高温及高振动的外部环节中保持有效工作成为衡量行业内企业技术先进性的重要依据，已成为MEMS产品进入高端工业领域的核心壁垒。同时，MEMS产品在无人系统领域也有广泛的应用场景及广阔的市场空间。根据Yole发布的StatusofMEMSIndustry2022和High-EndInertialSensing2022，2021年全球无人系统领域中MEMS产品的市场规模为40．26亿美元，预计到2027年全球无人系统领域中MEMS产品的市场规模将达64．21亿美元，2021-2027年复合增长率为8．09%。MEMS产品主要用于无人系统领域的无人机、无人驾驶车辆等领域，其中，无人驾驶市场份额在市场规模正逐渐占据愈发重要的地位，行业内的厂商正积极布局此类市场以获取更强的市场竞争地位。行业格局方面，从全球来看，得益于相关研究起步较早，以及半导体产业链发展成熟，无人系统市场中的MEMS产品市场份额基本被国际知名企业瓜分。我国以深迪半导体、矽睿科技、芯动联科为代表的国内厂商相继推出无人系统领域产品，但在中高端产品线上差距明显。MEMS产品用于无人系统领域的核心壁垒主要为MEMS传感器与其他无人系统技术的有机融合，即在保证无人系统高性能、低成本的前提下，减少对通信损耗、提高响应速度，最终达到降低成本、提升整体效率的目的。加强公共平台建设（一）建设分析评价公共平台支持有能力、有资质的企事业单位建设国家级电子元器件分析评价公共服务平台，加强质量品质和技术等级分类标准建设，围绕电子元器件各领域开展产品检测分析、评级、可靠性、应用验证等服务，为电子系统整机设计、物料选型提供依据。（二）建设科技服务平台支持地方、园区、企事业单位建设一批公共服务平台，开展知识产权培训与交易、科技成果评价、市场战略研究等服务。鼓励建设专用电子元器件生产线，为MEMS传感器、滤波器、光通信模块驱动芯片等提供流片服务。建设创新创业孵化平台。支持电子元器件领域众创、众包、众扶、众筹等创业支撑平台建设，推动建立一批基础电子元器件产业生态孵化器、加速器，鼓励为初创企业提供资金、技术、市场应用及推广等扶持。夯实配套产业基础（一）突破关键材料技术支持电子元器件上游电子陶瓷材料、磁性材料、电池材料等电子功能材料，电子浆料等工艺与辅助材料，高端印制电路板材料等封装与装联材料的研发和生产。提升配套能力，推动关键环节电子专用材料研发与产业化。（二）提升设备仪器配套能力支持技术难度大、应用价值高、通用性强、对电子元器件行业带动大的配套电子专用设备与仪器，如刻蚀显影设备等工艺设备、显微CT等检测分析仪器的研发及产业化，提升设备仪器质量和可靠性水平。（三）健全产业配套体系鼓励和引导化工、有色金属、轻工机械、设备仪器等企业进入电子元器件领域，开展关键材料、设备的研发和生产，推进产学研用协同创新，实现全产业链协同发展，增强试验验证能力，提升关键环节配套水平。加大政策支持力度围绕电子元器件产业，推动生产、应用、融资等合作衔接，加快市场化推广应用。充分利用产业基础再造等渠道支持创新突破。鼓励制造业转型升级基金等加大投资力度，引导地方投资基金协同支持。发挥市场机制作用，鼓励社会资本参与，吸引风险投资、融资租赁等多元化资金支持产业发展。优化产业发展环境加强对电子元器件行业垄断、倾销、价格保护、侵犯知识产权等不正当竞争行为的预警和防范，维护公平竞争、健康有序的市场发展环境。促进行业诚信经营、依法纳税、节能环保、和谐用工。引导电子元器件行业信用体系建设，推行企业产品标准、质量、安全自我声明和监督制度。引导产业转型升级引导企业搭建数字化设计平台、全环境仿真平台和材料、工艺、失效分析数据库，基于机器学习与人工智能技术，推进关键工序数字化、网络化改造，优化生产工艺及质量管控系统，开展智能工厂建设，提升智能制造水平。高性能MEMS惯性传感器行业状况高性能MEMS惯性传感器行业不同于其他MEMS惯性传感器主要应用于消费电子领域，高性能MEMS惯性传感器主要适用于高端工业、无人系统、高可靠等应用领域。目前高性能惯性传感器主要通过三种技术实现，分别是激光惯性技术、光纤惯性技术和MEMS惯性技术。激光惯性技术和光纤惯性技术主要基于萨格奈克效应发挥作用，分别于20世纪90年代和21世纪初进入技术成熟期，技术特点是精度较高但体积和重量较大，生产成本高；MEMS惯性技术基于哥氏振动效应发挥作用，目前技术正逐渐进入成熟期，国际MEMS惯性技术代表性企业为Honeywell、ADI等，国内MEMS惯性技术代表性企业为芯动联科等，均掌握先进的MEMS惯性传感器技术体系，产品性能均为国际先进。目前，高性能MEMS陀螺仪的精度水平可以达到中低精度的激光陀螺仪和光纤陀螺仪，随着MEMS惯性技术的愈发成熟，MEMS惯性传感器在保持原有低成本、小体积、可批量生产的特点下，精度水平不断提高，目前可在诸多战术级应用场景替代激光陀螺和光纤陀螺，并逐渐渗透导航级应用场景。高性能MEMS加速度计接近石英加速计水平，可达到导航级水平。MEMS惯性技术作为惯性传感器领域的主流技术之一，将在自动驾驶和高端工业等领域覆盖更多新的应用场景，市场空间较为广阔。（一）高性能MEMS惯性传感器行业状况、市场竞争情况根据Yole统计的数据，2021年，全世界高性能MEMS惯性传感器市场规模约71，000万美元（含MEMS惯性传感器系统），约452，270万元人民币，世界MEMS惯性产品销售额集中在Honeywell、ADI、NorthropGrumman/Litef等行业巨头手中，市场份额前三的企业合计占有50%以上的份额。（二）高性能MEMS惯性传感器行业技术水平情况MEMS陀螺仪的性能及技术水平是高性能MEMS惯性传感器行业技术水平的集中体现，技术水平先进的国内外企业在MEMS结构设计、MEMS工艺、ASIC设计方面均具备较强实力。目前，行业内企业为实现MEMS陀螺仪的高灵敏度、强抗干扰和高精度，MEMS芯片设计结构从传统双质量块方案向四质量块结构、多环结构等新型对称结构发展。MEMS工艺方面，加工工艺由传统的硅-玻璃工艺过渡到全硅工艺，此外，为降低材料不匹配引起的测量偏差，行业内企业采用晶圆级高真空技术、薄膜吸气技术等，实现高Q值，实现机械增益的大幅提升。电路设计方面多采用数模混合ASIC电路以满足体积小、功耗低的要求。综合以上技术，行业内企业逐步实现正交误差补偿，模态匹配，标度因数自补偿，标度因数自校准，耦合消除等目标。行业内技术水平先进的国际巨头传感器企业在加速度计MEMS结构设计、MEMS工艺、电路设计方面均具备较强实力。目前为实现加速度计高灵敏度、环境适应性好，高精度的特点，加速度计从传统单质量块技术方案向多质量块阵列式结构技术方案演进，检测机理从AM向FM演进，同时由于谐振式加速度计具有高精度潜能、准数字输出等特点，谐振式技术方案愈发为客户采纳。MEMS工艺方面，加速度计工艺方案由传统的硅-玻璃工艺过渡到全硅工艺，降低材料不匹配和走线引起的寄生和热失配，并采用高深宽比的体硅深槽刻蚀等技术，实现机械增益的大幅提升。电路与算法方面，加速度计实现上由分立器件向数模混合ASIC过渡，满足SWaP-C要求，并在算法上着力发展误差在线补偿和抑制等技术。MEMS惯性传感器应用领域目前MEMS惯性传感器已被广泛应用于工业与通信、高可靠、汽车电子、医疗健康、消费电子等多个领域。随着MEMS惯性技术的持续进步，高性能MEMS惯性传感器应用逐渐拓展到无人系统、自动驾驶、高端工业、高可靠等领域，而中低性能MEMS惯性传感器主要应用于消费电子和汽车等领域。（一）MEMS惯性传感器无人系统领域应用无人系统是指具有一定自治能力和自主性的无人控制系统，它是人工智能、机器人技术以及实时控制决策系统的结合产物。通过利用惯性器件及捷联惯性导航技术，可以为无人系统提供精确的速度、位置和姿态等信息，从而实现其精确的导航定位和姿态控制。无人系统能广泛替代人类于各种环境下独立完成布置的任务，而不需要或者只需要极少操控人员的控制，大大扩充了人类的行为能力。无人系统包含无人机、无人车、无人船、无人潜航器以及机器人等多种无人平台，其中尤以无人机的应用最为广泛。根据DroneIndustryInsight数据，2020年全球无人机市场规模为209亿美元，预计到2026年全球无人机市场规模将达413亿美元，2020-2026年复合增长率为12．02%。2020年新冠疫情爆发，无人机作为智能无人化工作的代表，具有高效无休、零接触的工作特点，成为阻断疫情传播的防控利器，在安防巡检、消杀作业、物流配送、宣传喊话、照明测温、农业植保等方面发挥了重要的作用。Frost&Sullivan估计，2020年中国民用无人机行业整体市场规模达599亿元，发展潜力巨大。（二）MEMS惯性传感器自动驾驶领域应用现代汽车系统已经搭载了多种MEMS惯性传感器，如陀螺仪、加速度计、磁力计和惯性测量单元，以增强汽车的可靠性，提高驾驶的安全性。最早应用于汽车的是MEMS加速度计，用于监测汽车运行状态，判断突然减速过程中是否启用安全气囊，MEMS加速度计还被用于胎压监测（TPMS）中监测车辆运动状态以优化TPMS传感器的电池寿命，MEMS陀螺仪也被大量用于车身稳定系统以增强行车安全性。如今，MEMS惯性测量单元正逐步被用于自动驾驶并辅助GPS导航，在卫星信号较弱甚至丢失的情况下，根据惯性测量单元实时测量的加速度和角速率信息，继续利用惯性导航以推算出最新的位置，在短时间内仍可得到较高精度的位置信息，利用航迹推算实现短时导航，大大提高了用户体验。根据iimedia估计，2025年全球无人驾驶汽车市场规模将突破1，200亿美元，2021-2025年复合增长率为46．78%，增长潜力巨大。根据相关研究机构数据，2017-2021年我国无人驾驶市场规模由681亿元增至2，358亿元，年均复合增长率为36．4%。相关研究机构预测，2022年我国无人驾驶市场规模可达2，894亿元。（三）MEMS惯性传感器测量测绘领域应用随着卫星导航定位系统平台、现代测绘基准体系基础设施、航空航天遥感影像快速获取平台、先进野外测绘技术装备、地理信息数据处理技术装备以及地理信息数据交换传输服务网络等测绘装备体系完成构建，测绘行业进入信息化测绘阶段。高精度MEMS惯性测量单元是信息化测绘体系的重要支撑。信息化测绘的数据采集方式包括传统测量、航空摄影测量、卫星遥感以及激光雷达测量等。除传统方式外，其他现代化测绘方式需要基于高精度惯性测量单元的飞行控制系统或光学稳定系统支撑，以便于载具在动态过程中采集到清晰的图像。根据中国地理信息产业协会数据，2021年我国地理信息产业总产值达到7，524亿元，总产值较上年增长9．20%。预计未来高精度MEMS惯性测量单元将在信息化测绘体系中占据重要地位。（四）MEMS惯性传感器通信–动中通领域应用动中通是指通过天线基座对天线进行动态调整，使平台保持和通讯卫星相对稳定的状态，从而保证通讯质量。动中通共分四类：车载、船载、机载和全自动便携站等产品，主要应用于应急通信、移动办公、电视台现场直播、航空宽带、商船通信、游艇、渔船等领域。惯性传感器是动中通的核心部件，在运动过程中根据惯性测量信息自动控制天线的方位、仰角和极化角，确保天线的波束中心始终精确指向卫星，使系统在静态、高速、高动态下均可稳定运行，具有高机动性和高灵活性，具有一定的市场规模。（五）MEMS惯性传感器工业物联网领域应用各类传感器是工业物联网的感知器官，高精度的传感器才能保证系统长期稳定工作并提供高质量的数据。MEMS惯性传感器已在工业物联网中被广泛应用，例如风力发电塔姿态监测、光伏发电太阳跟踪系统、电网塔架安全监测、水电大坝监测、机器振动监测、矿井矿山监测、工程机械监测等。随着工业领域对数字化需求的增长，物联网一方面设备数量增速较快，另一方面物联网设备对可靠性的要求也进一步提升。根据statista的数据，在2021年，全球工业物联网（IIoT）市场规模超过了2，630亿美元。预计未来几年市场规模将大幅增长，到2028年将达到约1．11万亿美元，2021-2028年复合增长率将达到22．83%，市场前景广阔。（六）MEMS惯性传感器资源勘探领域应用惯性技术在资源勘探中，主要用于测量井身轨迹和钻头的实际位置，从而保证井深达到预定位置。随着石油资源日益枯竭，勘探和开发情况愈加复杂，因此就需要精度更高、性能更加可靠的石油测斜仪器。而惯性技术的应用，使得这种需求得以满足，通过采用高精度、高分辨率的惯性及磁传感器来精确测量钻井过程中井斜角、方位角及工具面角等工程参数，从而实现井身轨迹与钻头位置的实时监测。根据中华人民共和国自然资源部发布的《全国石油天然气资源勘查开采情况通报（2020年度）》，2020年油气勘查投资达到710．24亿元，开采投资为2，249．48亿元。国家统计局数据显示，2021年原油产量同比增长约2．11%；天