一、MEMS基本概念和相關產業政策
MEMS基本概念
微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機電系統其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。主要由傳感器、動作器（執行器）和微能源三大部分組成。
微機電系統是集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統。具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產的基本特點。
MEMS是一項革命性的新技術，廣泛應用于高新技術產業，是一項關系到國家的科技發展、經濟繁榮和國防安全的關鍵技術。在十四五規劃的集成電路綱要就包含了MEMS。
MEMS相關產業政策
近年來，中國發展智能傳感器產業已上升為國家戰略。隨著一系列政策的頻繁出臺以及3C產品、汽車電子等下游行業的快速發展，中國MEMS傳感器市場需求旺盛，歷年持續保持快速增長，從細分領域來看，慣性傳感器、壓力傳感器、麥克風等領域均保持連年增長的趨勢。
資料來源：國務院，國家發改委，工業和信息化部
二、MEMS主要分類和應用
MEMS 傳感器種類很多，也有多種分類方法。按其工作原理，大致可分為 MEMS 物理、化學和生物傳感器，其中每一種 MEMS 傳感器又可分為很多種小類，不同的 MEMS 傳感器可以測量不同的量，實現不同的功能。主要的 MEMS 傳感器包括運動傳感器、壓力、麥克風、環境、光傳感器等。其中運動傳感器可分為陀螺儀、加速度計、磁力計。
從產品結構上看，目前全球排名前五的MEMS傳感器細分領域為射頻、壓力、麥克風、加速計和陀螺儀，占比接近65%；中國市場的這一排序為射頻、壓力、麥克風、慣性和加速度計，與全球市場相似。
圖3 MEMS產品結構傳感器分類
三、MEMS產業鏈
類似于傳統半導體產業，主要包括了四大部分：前端 Fabless 設計環節、ODM 代工晶圓廠生產環節、封裝測試到下游最終應用的四大環節。
圖4 MEMS產業鏈
圖5 MEMS產業鏈細分
中國的設計、制造、封裝測試廠商都在積極布局 MEMS，已形成完整 MEMS 的產業鏈。
圖6 MEMS產業鏈企業分布
長三角區域：以上海、無錫、南京為中心。逐漸形成包括熱敏、磁敏、圖像、稱重、光電、溫度、氣敏等較為完備的傳感器生產體系及產業配套。
珠三角區域：以深圳中心城市為主。由附近中小城市的外資企業組成以熱敏、磁敏、超聲波、稱重為主的傳感器產業體系。
東北地區：以沈陽、長春、哈爾濱為主。主要生產 MEMS 力敏傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器。
京津區域：主要以高校為主。從事新型傳感器的研發，在某些領域填補國內空白。北京已建立微米 / 納米國家重點實驗室。
中部地區：以鄭州、武漢、太原為主。產學研緊密結合的模式，在 PTC/NTC 熱敏電阻、感應式數字液位傳感器和氣體傳感器等產業方面發展態勢良好。
圖8 國內MEMS企業分布
四、現有市場競爭格局
從競爭者數量來看，由于MEMS傳感器類型較多，生產廠商眾多。2019年中國MEMS市場主要以外國廠商為主，博通和博世并駕齊驅，其他主要競爭者包括意法半導體、德州儀器、Qorvo等。
美國廠商占比超過半數，歐美、日本廠商在MEMS主要的芯片和微機電制造領域相對發達。國內的競爭者也有不俗表現，歌爾股份在2019年首次躋身全球MEMS廠商前十，瑞聲科技排名22；代工廠領域，賽微電子控股公司Silex排名第一。總體來看，國際競爭者優勢明顯，但國內企業新秀在加速追趕。
競爭格局：美、日、德企主導傳感器市場，國內企業競爭力弱
全球傳感器市場的主要廠商有GE傳感器、愛默生、西門子、博世、意法半導體、霍尼韋爾、ABB、日本橫河、歐姆龍、施耐德電氣、E+H等，中國傳感器市場中70%左右的份額被這些外資企業占據。
在全球消費類慣性傳感器（加速度計+陀螺儀）市場，意法半導體處于市場領導者的地位，占據四成左右的市場份額。
全球傳感器分布
綜上對市場規模、技術成熟度、企業經營狀況、競爭者數量等方面的分析，我們判斷，國內MEMS傳感器行業的國產替代尚處于成長初期，MEMS國產企業正在加快追趕行業巨頭。隨著物聯網、智能汽車、5G技術的發展，國內MEMS傳感器產業將保持繼續增長，國產替代步伐有望加速。
MEMS產業曾是美國、歐盟、日本三分天下之勢，且各有千秋。美國以軍促民，發揮軍政產學研協同效應，在MEMS技術綜合實力方面具有領先優勢；日本則在汽車電子用MEMS、機器人用MEMS等方向能力突出，在全球前10名MEMS巨頭中，日本的數量常年與美國一致，但企業規模略遜于美國；歐盟在汽車電子用MEMS、消費電子用MEMS占有重要的市場份額，擁有超過100家的MEMS芯片研發和生產機構。
中國MEMS市場長期以國外廠商為主，其在MEMS技術中各環節均較為成熟，在使用壽命和產品精度上優勢明顯。2019年，中國MEMS市場廠商前十名為博通、博世、意法半導體、德州儀器、QORVO、惠普、樓氏、恩智浦、歌爾和TDK，其中美國公司占比達到54%。中國企業歌爾擠入前十，且2019年MEMS收入同比增長達36%，遠超同行業其他頭部公司；瑞聲科技排名第22位，收入同比增長11%，同樣高于行業整體水平。
傳感器企業市場分布
五、國產廠家面臨的機遇和挑戰
1 、國產廠家面臨的機遇
目前，國內MEMS傳感器廠商整體規模不大。除歌爾與瑞聲年營收在1億美元以上，美新半導體、美泰科技、芯奧微等本土MEMS傳感器廠商年營收均在6000萬美元以下，整體規模較小。另外，國內廠商經營產品種類較為單一，產品線多數為一條，多為元器件供應商，解決方案供應能力較差。而國際巨頭Invensense、英飛凌等國外廠商擁有2到3條產品線，博世、電裝、意法半導體等MEMS產品線超過4條且具備一體化解決方案供給能力。相比之下，小供應商很難在較短時間內實現大批量生產制造，因此排名靠前的大供應商市場份額相對穩定，市場集中度較高。
2、 國產非上市公司MEMS企業
3、 未來發展趨勢
（1）MEMS和傳感器呈現多項功能高度集成化和組合化的趨勢。由于設計空間、成本和功耗預算日益緊縮，在同一襯底上集成多種敏感元器件、制成能夠檢測多個參量的多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。
（2）傳感器智能化及邊緣計算。軟件正成為MEMS傳感器的重要組成部分，隨著多種傳感器進一步集成，越來越多的數據需要處理，軟件使得多種數據融合成為可能。MEMS產品發展必將從系統應用的定義開始，開發具有軟件融合功能的智能傳感器，促進人工智能在傳感器領域更廣闊的應用。
（3）傳感器低功耗及自供能需求日趨增加。隨著物聯網等應用對傳感需求的快速增長，傳感器使用數量急劇增加，能耗也將隨之翻倍。降低傳感器功耗，采用環境能量收集實現自供能，增強續航能力的需求將會伴隨傳感器發展的始終，且日趨強烈。
（4）MEMS向NEMS演進。隨著終端設備小型化、種類多樣化，推動微電子加工技術特別是納米加工技術的快速發展，智能傳感器向更小尺寸演進是大勢所趨。與MEMS類似，NEMS（納機電系統）是專注納米尺度領域的微納系統技術，只不過尺寸更小。
（5）新敏感材料的興起。薄膜型壓電材料具有更好的工藝一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面積，可用于MEMS執行器、揚聲器、觸覺和觸摸界面等。未來MEMS器件的驅動模式預計將從傳統的靜電梳齒驅動轉向壓電驅動。
（6）更大的晶圓尺寸。相比于目前業界普遍 應用的6英寸、8英寸晶圓制造工藝，更大的晶圓尺寸能夠很大程度上降低成本、提高產量，并且晶圓尺寸的擴大與芯片特征尺寸的縮小是相應促進和互相推動的。例如，用12英寸晶圓工藝線制造的MEMS產品已經出現。
六、總結
MEMS傳感器目前已經廣泛運用于消費電子、汽車、工業、醫療、通信等各個領域，隨著人工智能和物聯網技術的發展，MEMS傳感器的應用場景將更加多元。MEMS傳感器是人工智能重要的底層硬件之一，傳感器收集的數據越豐富和精準，人工智能的功能才會越完善。物聯網生態系統的核心是傳感、連接和計算，隨著聯網節點的不斷增長，對智能傳感器數量和智能化程度的要求也不斷提升。未來，智能家居、工業互聯網、車聯網、智能城市等新產業領域都將為MEMS傳感器行業帶來更廣闊的市場空間。
因其得天獨厚的優勢，MEMS傳感器應用絕不僅局限于可穿戴設備，未來醫療、人工智能以及汽車電子等領域的傳輸底層架構均要依賴MEMS傳感器來布局。
從目前全球的發展趨勢來看，汽車工業和消費類電子的市場已經發展的足夠發達，成為了MEMS傳感器的發展基礎，未來醫療、人工智能、物聯網、智慧城市等智能現代化趨勢明顯，未來MEMS傳感器的發展潛力很大。
