|
中国科学院上海微系统与信息技术研究所 随着物联网的崛起，作为其发展基础的传感器日益受到关注。本文将分三部分对 MEMS 传感器行业发展情况进行梳理，对 MEMS 行业未来三至五年的发展趋势进行深度分析判断，同时为中国 MEMS 产业的发展提出战略建议。 本篇为第一部分（上）——传感器行业概况。 一、行业发展历程 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的功能相当于人类的感觉器官，能够感觉外部的压力、温度、光、声、气等物理量。 传感器的发展历史已经非常久，根据基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件等。在信息技术的推动下，传感器的主要发展方向主要是微型化、智能化、集成化、系统化、网络化，尤其以半导体加工工艺为代表的硅基MEMS 传感器的发展迅速，成为物联网时代的重要组成元素。 MEMS 传感器属于光、机、电、通信、物理、生物、化学等学科交叉融合创新的前沿领域，是信息空间与物理世界进行沟通的重要桥梁，是智能感知时代的关键支撑技术之一。一方面，MEMS 及先进传感器技术在经济和社会发展中发挥着重要作用，无论是在消费电子、汽车电子、生物医疗、工业自动化、航空航天等先进制造业领域，还是在智慧城市、食品安全、环境保护、物联网等信息服务领域，都需要海量传感器提供及时准确的数据支撑，具备形成优势产业的应用市场需求。从 MEMS 传感器发展历程来看，MEMS 在上世纪 70年代以来经历了约 30 年的技术开发期。这一阶段，成功得到应用的产品主要是扩散硅压力传感器。上世纪 80年代进入医疗测试应用（如一次性生理压力传感器和导管端压力传感器）领域，90 年代又进入汽车工业（如多路歧管压力传感器 MAP，油压传感器，胎压传感器等），使应用数量一次又一次地出现数量级的扩大。到了 90年代，加速度传感器在汽车安全气囊中大量应用和数字微镜在投影仪中的大量应用改变了 MEMS 传感器应用由压力传感器独立支撑的局面，使 MEMS 技术展现了更广阔的应用前景。目前，MEMS 技术已比较成熟，新产品层出不穷和应用数量迅速增长，大量 MEMS 产品开始应用在移动消费等领域。MEMS 产品及应用发展历程如图1 所示。 二、主要市场及产品 根据全球半导体产业协会 SIA 统计数据，2014 年全球半导体行业产值达 3360 亿美元，过去 5 年复合年增长率约为 8%。MEMS 传感器市场份额占比 3%，但是复合年增长率超过整体半导体市场，达到 12%，成为半导体领域增长快速市场潜力较大的领域之一。 图 2 2014 年半导体产业各类产品产值占比（来源：SIA） 表 1 2008-2014 年半导体产业中各类产品收入（来源：企业） 1、 MEMS 在重点市场的应用 （1）消费电子市场 从具体的市场细分领域来看，受惠于 2007 年苹果iPhone 智能手机和任天堂的 Wii 游戏机，MEMS 在消费类产品中大放异彩，2008 年和 2009 年由于全球范围内经济危机的影响，MEMS 产业也出现相应的下滑，从 2010年起 MEMS 产业一直处于稳步增长的状态。根据市场调研机构 Yole 预计，2015~2020 年全球 MEMS 市场的复合年增长率（CAGR）为 8.9%，将从 119 亿美元增长到 200亿美元以上。同期全球 MEMS 出货量的复合年增长率为13%。 图 3 MEMS 在消费电子领域的应用（来源：SITRI） 从市场领域来看，消费和移动占比最重，以智能手机为代表的消费电子产品大幅拉升 MEMS 器件的出货量，近年移动和消费用 MEMS 产品占到 MEMS 产业比重约40%。但今后的市场似乎已经进入不确定时代，智能手机/便携式应用市场已经接近饱和，各大厂商也正在寻求新的增长点。 图 4 MEMS 在各类市场销售收入预测（来源：Yole, 2015） 对于 MEMS 厂商来说，消费类市场极具挑战性。虽然出货量仍然在增长，但是该市场的竞争越来越残酷。传感器，如 MEMS 麦克风、惯性传感器、压力传感器和气体传感器等，在智能手机中的应用正呈“蔓延”之势，但是这些传感器的利润率非常低。智能手机之后，尚未出现量大的应用能成为 MEMS 市场的短期增长驱动力。如今，物联网（IoT）仍然是一个小众而细分的市场，应用领域还没出现大量的 MEMS 传感器需求。 （2）汽车行业 首先应用在汽车领域的 MEMS 器件是 MEMS 压力传感器，而随着传感器技术的发展，越来越多的器件被应用到汽车领域中，比如加速度传感器、陀螺仪、流量传感器、麦克风、红外夜视传感器等。 图 5 MEMS 在汽车电子市场的应用（来源：SITRI） 汽车产业对传感器需求旺盛，如今每辆汽车平均集成 20 个 MEMS 传感器，并且自动驾驶汽车也加大了对MEMS 的需求。2015 年，尽管应用于汽车的 MEMS 传感器出货量增加了 8.4%，营收却与上年持平，约为 27 亿美元。根据 IHS 预测， 2016 年市场规模将有望回升，市场增长率达到 4.3%，市场营收约为 28 亿美元。2015-2022 年期间，预计汽车 MEMS 市场复合年增长率为 6.9%，到 2022 年，市场规模将达 32 亿美元。在此阶段末期，全球汽车 MEMS 传感器的出货量将首次超过 20亿颗。 从器件类型来看，三种用于汽车行业的 MEMS 传感器占据了超过 95%的市场份额，分别是压力传感器、加速度计和陀螺仪。截止 2022 年，其它应用的市场规模也依旧相对较小，未来几年增长最快的大批量应用——预测是行人检测、进气湿度测量、信息娱乐系统中可供免提通话的 MEMS 麦克风、用于驾驶辅助系统中夜视系统的微测辐射热计。未来的新兴传感器领域也包括用于汽车抬头显示器（HUD）和自适应 LED 大灯的扫描振镜。 图 6 2015 年全球十大汽车 MEMS 传感器供应商（来源：IHS） 2015 年全球前十大汽车传感器供应商排名中，全球领先的德国传感器供应商罗伯特博世（Robert Bosch）虽然受汇率影响较大，但是其公司业务在本国营收和出货量两方面将持续攀升，排在第一位。 森萨塔科技（Sensata）紧随博世，排名第二。尽管去年收购了 CST 公司和凯维力科（Kavlico）的传感器业务，2015 年森萨塔科技的市场营收还是显现出低迷的状态。伴随公司在动力系统压力传感器领域的强大地位，也受益于对施莱德（Schrader）公司的收购，森萨塔科技在胎压监测传感器领域的市场地位进一步提高。 MEMS 传感器业务领域的后起之秀是恩智浦（NXP），去年对飞思卡尔（Freescale）的收购让公司跃升排行榜第三名，NXP 公司以汽车磁传感器而闻名，通过对飞思卡尔的收购，也将压力传感器和加速度计纳入公司业务范围。剩下的七家公司也显现出低迷状态，如日本电装（Denso，排名第四）和松下（Panasonic，排名第六）。这两家公司都受到了日元持续贬值的负面影响。 2、MEMS 的类型 MEMS 传感器细分产品类型多样化，目前实现商业化的产品主要包括：喷墨打印头、压力传感器、硅麦克风、加速度计、陀螺仪、电子罗盘、光学 MEMS、微测热辐射计、PIR&热电堆、微流控、RF MEMS、MEMS 晶振、环境 MEMS 以及其它 MEMS 传感器件。 图 7 2015-2021 年各类型 MEMS 收入预测（来源：Yole） （1）运动传感器 运动传感器主要包括加速度传感器、陀螺仪、磁传感器。运动传感器市场的起飞主要受惠于在 Wii 的游戏(Wii Motion Plus)中作体感游戏手柄，去实现对游戏的控制，以及 iphone 手机中加入运动传感器实现更佳的使用体验。可以说，过去五年中，MEMS 产业主要由消费类电子驱动发展，MEMS 出货量不断攀升，运动传感器占有很大的比重。 图 8 运动传感器在移动消费应用中的市场规模（来源：IHS） 消费类运动传感器市场主要由几大国外巨头所垄占，包括 Bosch Sensortec、ST 及 Invensense 等，另外由于消费市场量大的巨大吸引力，中国大陆及台湾地区也有多家主业从事运动传感器的厂商，包括 mCube、无锡美新、上海深迪、苏州明皜和上海矽睿等。 表 2 全球及中国消费类运动传感器主要供应商 （2）硅麦克风 自从 MEMS 麦克风首次亮相以来，该市场一直在增长。全球庞大的智能手机出货量，加速了 MEMS 麦克风市场飙升，因为几乎每部智能手机中都至少使用一个MEMS 麦克风。一些高端智能手机甚至使用三个麦克风：一个用于语音采集，一个或两个用于噪音消除，一个用于改善语音识别。
图 9 MEMS 麦克风的应用领域广阔 物联网（IoT）和可穿戴设备应用是 MEMS 麦克风的新兴市场：新的机遇将为这个快速增长的市场创造新的动力。未来几年，智能手表、智能眼镜、智能家居和建筑、车辆语音控制将有良好的应用前景。 MEMS 麦克风将是增长速度最快的 MEMS 器件之一：MEMS 麦克风市场将从 2014 年的 9.67 亿美元增长到2019 年的 16.5 亿美元，复合年增长率为 13%。出货量将从 2014 年的 33 亿颗增长到 2019 年的 66 亿颗。因此，不管是对于现有的企业，还是初创型公司都充满机会。
图 10 2013-2019 年 MEMS 麦克风收入预测（来源：Yole）
表 3 2013 年全球已封装 MEMS 麦克风供应商营收排行榜 在众家 MEMS 麦克风供应商中，楼氏遥遥领先竞争对手，而其营收市占率在 2013 约为 60%；楼氏的辉煌业绩来自于销售高价格的高性能麦克风给大客户三星(Samsung)以及苹果(Apple)，特别是后者为全球最大的MEMS 麦克风买主，在供应链有呼风唤雨的地位。 在已封装 MEMS 麦克风市场排名第二的供应商为瑞声(AAC)，2013 年营收市占率 13%；排名第三的则是歌尔(Goertek)，营收市占率 7%。瑞声与歌尔都是中国厂商，其业务也重度依赖苹果。排名全球第四大已封装 MEMS 麦克风供应商的是韩国业者 BSE，其业绩表现来自于拥有苹果最大对手三星这个大客户，成长快速。紧追在 BSE 之后排名第五大的厂商则是欧洲业者意法半导体(ST)，该公司的 MEMS 麦克风业务因为赢得了 iPad 设计案而持续扩张。楼氏是已封装 MEMS 麦克风市场的龙头,也自己设计 MEMS 架构，不过有越来越多 MEMS 麦克风供应商只专注于封装，例如瑞声、歌尔、BSE 与日商 Hosiden，都是买进标准化 MEMS 裸晶以及 ASIC 进行封装，然后以自有品牌销售完成品。这四家公司原本都是传统驻极体电容式麦克风(electret condenser microphones)的供应商，该种旧技术无法行动装置所需的性能与小型化上与MEMS 麦克风匹敌，而因为没有 MEMS 或半导体技术背景，这些公司的专长主要在于声学以及封装技术。 （3）压力传感器 当今的现代化产业中，压力传感器扮演了很重要的角色。由于 MEMS 压力传感器具有高性能、低成本和小尺寸等优点，被广泛地应用于汽车电子、工业控制、消费电子、航天航空和医疗领域等。 MEMS 压力传感器是微系统世界里第一个出现的MEMS 器件，该项技术已相当成熟，且市场空间很大。据 Yole Development 公司的权威市场报告，MEMS 压力传感器在 2014 年的市场已经超过 21 亿美金，预计到2019 年将超过 40 亿美元，复合年增长率达 14.5%。除了传统的工业过程控制传感器巨大需求外，增长最快的需求是手机、可穿戴、智能社区/家居等消费类电子（供水和空调系统等）、汽车电子（如智能胎压 TPMS 测量和电喷油、气混合控制）、医疗仪器（如血压计、心血管导管端压力测量、糖尿病人携带人工胰岛素泵等）和监控物联网等十分重要且广泛的需求。
图 11 2014-2019 年全球各类压力 MEMS 市场收入（$M）及份额（来源：Yole） 由于 MEMS 压力传感器的市场巨大，目前全球压力传感器市场份额排名前五的公司（Bosch、Denso、Sensata,GE Sensing 和 Freescale）占据约 50%市场份额。汽车、医疗、工业和高端市场已经有成熟的领导者和一些小公司。消费电子市场是新兴的，一些传统的 MEMS 传感器公司对此很感兴趣。
图 12 全球压力 MEMS 主要供应商市场份额（来源：Yole） 压力传感器之所以在 MEMS 传感器产业中长期以来始终占据龙头地位，是因为不断有新的需求产生和市场成长。在各个工业领域的生产过程控制中，压力传感器有着巨大的用量，即使不算新增工程的用量，按照每 5年装置大修对所有传感器进行更换的需求来算，每年也有巨大保有量的 20%需要重新更换。随着汽车电子产业的发展，电喷发动机和进排气系统相关的压力流量传感器和汽车轮胎安全监控用 TPMS 压力传感器具有大规模产品化的需求特点。而便携式和可穿戴装备用血压计的家庭化和个人普及化有一次带来了压力传感器的井喷增长。近年来压力传感器已经应用到智能手机等海量应用中进行气压和高度测量。绝对压力测量产生的高度检测信号可以补助 GPS 在高度方向定位精度很差的缺点，与已有 9 轴传感器组合成 10 轴 Combo 来实现正在推出的室内导航和基于位置的服务等手机新的智能化服务业务，该应用的产业化规模正在急剧爆炸性增长中。国内能独立从事 MEMS 压力传感器研发的企业较少，主要包括西安中星、北京北信、太原科泰、盾安环境等一批从原国家电子、航天部门分离出来的科技企业，更多的是从事购买芯片进行封装及模块生产的模式。在消费电子用压力传感器方面，部分初创公司比如无锡康森斯克、苏州敏芯、上海丽恒光等纷纷推出了其压力传感器产品。 （4）红外热成像传感器 红外热成像技术通过探测物体本身发出的红外辐射，将景物的温度分布形成视频图像，具有夜视和无接触测温成像等应用。红外热成像技术最核心的部分是红外焦平面阵列（也称红外成像芯片、红外图像传感器、或红外探测器），其技术难度大，芯片价格从数百欧元到数千欧元不等，美国更是实行了严格的出口禁运。红外成像产业的传统应用领域在于军事，多采用高性能的制冷型探测器，价格十分昂贵，因而成本相对较低的非制冷技术得到更为广泛的应用。近年来非制冷探测器迅速发展，2013 年民用市场增长 24%，广泛应用于例如工业测温、机器视觉、安防监控、车载夜视等行业。例如，全球最大的红外公司 FLIR 2014 年第二季度最新季报显示，安防监控热像仪同比增加 30%。而随着宝马 7系列轿车几年前率先推出车载热像夜视系统，越来越多的汽车公司也开始采用该技术，进入爆发式增长阶段。 据 Yole Developpement 最新的红外市场报告，2013-2020 年间，全球非制冷红外热像仪将从 40 多万台增长到 150 万台，市场规模从 18 多亿美元增长到 28 亿美元，其中民用市场的份额将超过 80%，而分辨率为 80x60左 右 的 探 测 器 的 增 长 速 度 远 高 于384x288/320x240 和 640x480 等传统红外探测器 20%左右的增长率。80x60 探测器之所以获得高速发展，主要原因在于技术的进步导致成本快速下降，使得红外开始面向通用工具（替代点温仪）、智能家居、物联网、手机应用等行业。此前，Panasonic，Omron 和 Fluke 等公司已经在进行 8x8,16x4 和 32x31 等红外探测器点阵的产品推广，极低成本 80x60 探测器的出现势必将取代点阵测温，甚至部分单点测温市场（每年 2 亿只）。
图 13 2013-2020 年全球非制冷红外热像仪市场收入预测（来源：Yole） |
|
|
