苹果的iPhone开启了移动互联网时代，而让iPhone成功的是各种创新技术硬件的应用，包括MEMS。
2007年，第一代iPhone使用了MEMS麦克风、MEMS加速度传感器等器件，使手机首次实现了各种智能操作。2010年，iPhone 4第一次使用了MEMS三轴陀螺仪，可以让我们翻转或移动手机来控制程序。苹果2016年的TWS耳机AirPods，不仅配备了MEMS麦克风，实现了拾音、降噪、语音指令和自适应均衡，还配备了红外传感器和运动加速度计，让耳机可以学习监测人的佩戴状态。那么，国产MEMS在创造了苹果超过2万亿美元市值的iPhone中有哪些机会呢？
大多数人可能不知道，MEMS这种低调的工业产品，不仅是科技界公认的最有前景的研究领域之一，也是衡量工业国家核心竞争力的指标之一。被业界视为“无止境的行业”。
MEMS作为一项无处不在的革命性关键技术，已经渗透到我们生活的方方面面，几乎涵盖了所有需要微型化的产品。各种消费电子品牌，苹果、华为、三星、小米、OPPO，都离不开MEMS技术。
是机械的和微电子的。
1959年，物理学家理查德·费曼在加州理工学院的讲座《微观世界有无限空间》中，大胆设想了原子尺度的工业世界。人们甚至可以吞下“外科医生机器人”来清除动脉血栓或消除肿瘤。
如今，这个想法已经不再是科幻小说了。MEMS是一种比人类头发直径小很多倍的微型机器。就像细胞一样，它构建了一个人工智能的微观世界。比如吞下MEMS诊断药丸，检测体内的物理指标，无线传输到患者体外(3)，再用MEMS对细胞进行操作(4)。可以说，我们在宏观世界能做的事情，MEMS可以帮助我们在微观上做。
MEMS被称为“微机电系统”，也称为微系统技术、微机械等。它是由微传感器、微致动器、信号处理与控制电路、通信接口和电源组成的集成微器件系统。该系统可以在微观尺度上单独或批量进行传感、控制和驱动操作，在宏观尺度上实现各种功能。
随着科技的发展，科学家提出了NEMS的概念。由于它们具有相同的结构并且属于相同的领域，MEMS在下文中被称为MEMS/NEMS。
MEMS是最先进的机械技术和最先进的微电子技术的结晶。是一种结构偏机械，制造微电子的技术偏。它具有小型化、低成本、高效率、可量产的优势，这也是它最具商业价值的地方:一方面，MEMS会使用许多微模拟元件形成有源的微小器件，如通道、孔洞、悬臂梁、薄膜、腔体等结构(5)；另一方面，它可以通过微纳技术在芯片上制造微机械结构，因此可以大批量生产，生产成本低。(6)
当机器学会感觉和移动时
MEMS是一种可以与自然交流的器件。它感知化学、电、机械、热、辐射、磁场六个能量域的环境参数，然后做出相应的反应。
MEMS传感器的能量域、制表和外壳硬化技术
传感和运动是MEMS的两大特性，可分为MEMS传感器和MEMS执行器两大类。这两种功能都是将信号或功率从一个能量域转换到另一个能量域。传感器将环境信号转化为电信号，执行器将电信号转化为机械运动，两者相辅相成。
MEMS传感器和致动器的主要类型、制表和硬技术
MEMS传感器被誉为“电五感”。如果把处理器比作人脑，把通讯比作神经系统，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器层上的聚合物吸收特定的化学物质，导致应力、质量、电或机械性能的变化。最后，MEMS使用压阻、电容或光学传感机制来检测这些变化。需要强调的是，MEMS传感器是传统传感器的升级版，尺寸更小，功耗更低，性能更好。
MEMS执行器相当于人的四肢，可以进行各种微操作和运动，如微型电机、微型开关、微型推进器、微型泵、微型阀等。其机理是采用电热、电磁、静电或压电四种驱动机构使装置产生微结构运动。
MEMS驱动和传感技术及特性、制表和外壳硬质技术
比集成电路更难制造。
MEMS工艺流程包括RD设计、晶片制造(熔融离子扩散、薄膜沉积PVD/CVD、光刻、干法蚀刻、湿法蚀刻等。)，以及包装测试。看似和集成电路一样，其实比集成电路更难。从集成电路到MEMS，是从平面工艺到立体工艺，从电路的静态结构到机械可动结构，从半导体到机械/化学/光学等多学科融合，从电子产品的应用环境到各种自然或人工环境的变化。
MEMS技术与IC技术的比较，制表与外壳硬技术
硅是MEMS的主流衬底材料，一些特殊应用会用到玻璃、聚合物、金属等。诸如二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)和氧化锌(ZnO)的金属氧化物已经逐渐成为有吸引力的材料。(9)
加工工艺根据材料分为硅基和非硅基路线。硅基MEMS加工技术以集成电路加工技术为基础，具有批量生产、低成本、高集成度等优点。非硅基加工技术包括LIGA、准LIGA和精密加工技术。非硅基加工技术实现的可动微结构可以具有较大的纵向尺寸，但批量生产能力差，重复性差，加工成本高。(10)(11)
MEMS制造工艺不完整库存、制表、外壳硬技术
MEMS虽然处处好，但要让开发者爱不释手:一方面，它具有“一个产品、一个工艺”的特点，每个器件的设计、制造、封装、测试方法都存在较大差异，市场上很难形成标准化，成熟的产品可以表现出一定的集中度；另一方面，极端情况下开发一个传感器需要6 ~8年，加上测试和引入产业链的时间，成品甚至可以用近20年；再说MEMS和IC行业的通病就是价格和产品的重要性不成正比。(13)
有应用才会有市场。
其实MEMS还是90后一代，商用历史只有30多年，行业刚刚进入成熟阶段。从MEMS的研发历史来看，是一个从结构研究到材料的过程。
MEMS技术的发展历史、制表特点及果壳的硬质技术
MEMS将伴随着电子、机械、材料、信息、物理、化学、光学和生物医学的技术增长，当MEMS与不同的技术结合时，将产生新的器件。在这个过程中，一些设备的应用逐渐没落，新设备的应用开始启动，周而复始。
纵观30多年的历史，新型MEMS器件的驱动力主要来自于应用。只有当某些设备用于新产品时，才会开始大规模的研究和生产:
从1990年到2000年，出现了第一次汽车安全热潮。
2000-2010年，智能手机引发第二次热潮；
2010-2020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、智慧医疗、智慧城市、万物互联的应用，让第四次热潮蓄势待发。
MEMS器件的应用阶段，其来源是科技信息参考。
前景不错，但是国内力量分散。
因为MEMS的生产工艺和集成电路类似，所以主要玩家基本都是集成电路企业。相对于火热的IC投资，MEMS产业规模相对较小，而高技术门槛让很多初创玩家止步不前。
近年来，MEMS的应用场景逐渐增多，需求持续上升:主流智能手机已经开始将MEMS麦克风的使用量增加到2~4个，用于语音采集、消除噪声、提高语音识别。单个TWS耳机中应使用至少2个MEMS麦克风，用于通话、离线唤醒、音乐控制、应用启动和降噪模式切换等各种功能；每辆汽车使用的MEMS传感器数量增加到30个甚至上百个，用于辅助自动驾驶、车辆检测等功能。
在应用的推动下，MEMS的市场前景看好。Yole预测，MEMS的全球市场份额将从2020年的121亿美元增长到2026年的182亿美元，年复合增长率为7.17%。其中，消费领域是MEMS最大的应用市场，约占总收入的60%，其次是汽车、工业、医疗、航空航天和通信。
按终端市场分类的MEMS市场情况，资料来源:Yole
从器件来看，MEMS传感器是绝对主力。全球市场规模预计将从2020年的90亿美元增长到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传感器潜力巨大。到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、加速度传感器和陀螺传感器。MEMS器件正在快速增长，到2026年全球市场空间将达到40.5亿美元。喷墨头、微型辐射热计、光学传感器和硅基微流体设备将继续增长。(15)
按器件类型分类的MEMS市场情况，图来源:歌尔微电子招股说明书
从领域来看，消费、汽车、工业、医疗都有一定的市场前景，但增速不同。物联网、智慧医疗、智慧城市是MEMS的主要驱动力。
不同领域的全球MEMS市场情况、制表和外壳硬技术
目前MEMS市场由国外厂商主导，排名靠前的MEMS厂商有博世、博通、Qorvo、意法半导体、德州仪器、高威、惠普、楼氏、TDK、英飞凌等国内MEMS公司是追赶者，Golmicro、AAC Technologies和高德红外(红外传感器)三家公司在2020年全球市场销售额前30名的名单中。(15)
从细分领域来看，MEMS声学传感器领域的娄石、盛瑞科技和格威三家公司占据了全球75%的市场份额，MEMS压力传感器领域的博世、泰科和英飞凌三家公司占据了全球57%的市场份额，MEMS惯性传感器领域的博世、意法和TDK三家厂商占据了全球76%的市场份额。
全球MEMS制造商TOP10，歌尔微电子招股说明书
在国内，MEMS市场潜力巨大。据赛迪顾问预测，2020-2030年，国内MEMS市场规模将从736.7亿元增长到1200亿元以上。
我国的MEMS起步并不比国外晚多少，但由于历史原因，力量分散，条块分割，投入严重不足。直到2010年左右，这个行业才初具规模(18)。就MEMS传感器而言，差距还是很大的。90%以上的芯片和高档传感器芯片需要从国外进口，导致价格大幅上涨，MEMS产品结构布局不足20%。(19)
好在中国已经形成了良好的企业资源、创新资源和载体平台，拥有至少37条MEMS生产线，发展潜力充足。
中国MEMS产业资源分布图元CCID顾问
从二级市场来看，国内MEMS拥有RD、设备与材料、晶圆制造、封装测试、集成应用以及多种器件的完整产业链。
国内MEMS投资和并购也持续活跃。2020年相关案件116起，金额347亿元。项目投资主要在a轮，感知技术离应用层越近，越能吸引投资人，项目估值和投资金额越大。从投资项目来看，资本更看好生物、机器视觉、自动驾驶、语音交互等应用。(23)
2020年中国MEMS各领域投融资事件数量及投资额占比，图片来源CCID顾问
2020年中国MEMS投融资现状及布局。CCID顾问拍摄的照片
未上市MEMS企业不完全统计，壳的制表和硬技术
参考资料《国泰君安行业观察》已删除修改。
追求者怎么走？
作为追赶者，国产厂商该怎么走？壳牌技术团队认为有以下四个关键点:
1.国产MEMS需要专注于产业集中化。
从2020年MEMS专利数量来看，美国占全球MEMS专利申请总量的32%，处于领先地位。国内虽然有13%，但申请人主要是高校和科研机构，产品产业化有一定差距。另外，MEMS行业本身比较分散，在国内不仅缺乏系统性，甚至对短期利润寄予了太多希望。(25)
因此，国产MEMS未来应注重产业化和集中化，包括:
产学研结合:技术是制约MEMS企业发展的关键点。通过孵化科研院所或高新技术企业，需要为这类企业提供政策、资金和MEMS生产设备的支持，使技术通过配套的软硬件快速转化为成熟产品；
行业合作:市场是制约MEMS企业发展的另一个关键点。MEMS产品单价低，从RD到上市周期长，需要巨大的规模才能盈利。如果能与下游客户形成紧密的战略合作，不仅能提供稳定的市场，还能充分了解下游客户的需求；
发展路径:先与国外企业合作，引进有市场前景的MEMS产品和技术或购买国外MEMS进行自测，然后自主设计制造低端MEMS进行国内替代，积累技术和市场，逐步突破技术进入高端市场，最后不断兼并中小企业，将这一经验复制到其他MEMS产品中。国内的Golway和瑞音企业都是通过这种模式发展壮大的。
2.抓住下行周期的黄金期
目前消费电子仍将是MEMS的主战场，但行业趋势是消费电子需求不佳，整个行业进入下行周期，将推动MEMS进入盘整期。此时，对于已经进入MEMS并积累了技术的企业来说，将是一个黄金收购期，他们可以抓住这个机会，利用收购迅速提高自己的竞争力。(26)
此外，消费电子下滑期间，汽车、医疗领域的新市场值得挖掘。汽车方面，激光雷达、图像识别、主动制动、胎压等新型传感器的短期需求将持续增加；在医疗方面，用于护理点的微流控MEMS、用于监测人体温度的微测辐射热计和用于医学成像的压电微机械超声换能器(PMUT)将是MEMS的新世界。(28)
3.降本增效的关键是贴牌。
对于MEMS行业来说，尚未解决的问题是市场规模在扩大，但单个器件越来越便宜。对于下游厂商来说，为了便宜就用MEMS。封装测试占总成本的30% ~ 70%(30%)，所以对于国内MEMS厂商来说，要想赚钱，首先要降低制造成本。
国外大部分MEMS企业都是IDM模式，这些企业都有独立的制造能力。但在中国，无厂模式(设计公司)是主导模式。虽然这些公司设计的产品功能越来越强大，但其制造能力依赖于外部代工厂。
更难的是，国内MEMS晶圆产能与国际先进水平差距较大。根据中国电子技术标准化研究院的信息，目前只有华润尚华、SMIC、上海先进半导体的少数晶圆生产线接近国际水平，生产经验达不到国外大规模生产的标准。同时，国内对于MEMS封装技术还没有统一的接口标准，产品形态千差万别。
总之，当制造不再是问题的时候，国产MEMS会越来越强。此外，国内制造商可以通过增加更多附加服务来抵消这种影响，例如提供高度复杂的软件支持或支持AI的传感器解决方案。
4.技术和市场应该以应用为中心。
MEMS在市场上的价值必然体现在应用上。另一方面，应用实现了三次进化:2000 ~2010年是离线时代，感知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 ~2020年是线上时代，MEMS开始与云端连接，如地理定位、状态监控、车载导航、3D打印等；从2020年到现在，是一生的时间，线下和线上没有区别。通过内置的机器学习内核、微型DSP以及人工智能技术的应用，实现了数字与现实的无缝连接，如零延迟反馈、预测性维护、全息图等。
除了追赶新材料、新封装技术(如3D晶圆级封装)以进一步降本增效外，国内MEMS研究和产业还应注重与下游应用的匹配，实现感、知、联的融合。
对于MEMS来说，最重要的是它能做什么。应用铺开了，市场自然就打开了。
参考资料:
底部有足够的空间。加州理工学院，工程和科学杂志，1960。
谐振器:一种利用硅衬底机械谐振的频率选择器件(J)。IBM研究与发展杂志，1968，12(1): 113-118。
徐勇。MEMS:越感知越热(n)。计算机世界，2010-07-26 (030)
杜。MEMS陀螺仪的功能原理和市场应用(J)。中国集成电路，2021，30 (12):76-79+85。
阿尔加米利·阿斯、基尔·MHM、丹尼斯·乔、艾哈迈德·艾、阿拉卜西·SS、巴·哈什万·SS、朱奈德·mm。纳米研究快报。2021年1月26日；16(1):16.DOI: 10.1186/s11671-021-03481-7
、周、、龚振邦。国内外MEMS发展与中国MEMS发展战略思考(J)。机器人技术与应用，2002，(02):2-4。
杨勇军徐永清。硅MEMS器件的加工技术与展望(J)。微纳电子技术，2010，47 (07):425-431。
冯海煜，姚琳，翁祖权。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。
姚星宇。中国MEMS传感器发展现状分析(J)。决策探索(中)2019年8月。
、李双、、张伟、庄、董洁莲。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。
免责声明：该文章系本站转载，旨在为读者提供更多信息资讯。所涉内容不构成投资、消费建议，仅供读者参考。
