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射频、惯性与压力——MEMS传感器的三大应用领域全景探索

发布时间:2024-04-26 浏览:399次

1 MEMS 行业整体情况

1.1 什么是 MEMS?

MEMS 全称 Micro ElectromechanicalSystem,即微机电系统,是集微传感器微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统,是一个独立的智能系统,可大批量生产,其系统尺寸在几毫米乃至更小,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。MEMS 传感器,是MEMS中的核心元件,它是一种将能量从一种形式转变成另一种形式,并针对特定可测量的输入为用户提供一种可用的能量输出的微型器件它是采用微电子和微机械加工技术制造出来的。

MEMS 传感器的门类品种繁多,分类方法也很多。按其工作原理,可分为物理型、化学型和生物型三类。按照被测的量又可分为加速度、角速度、压力、位移、流量、电量、磁场、红外、温度、气体成分、湿度、pH 值、离子浓度、生物浓度、触觉等类型的传感器。其中每种 MEMS 传感器又有多种细分方法。如微加速度计按检测质量的运动方式划分,有角振动式和线振动式加速度计:按检测质量支承方式划分,有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式,按信号检测方式划分,有电容式、电阻式和隧道电流式;按控制方式划分,有开环和闭环式。

1.2 物联网时代到来,MEMS 迎来高景气发展机遇,国产替代空间大

MEMS 传感器模拟和扩展人类感官,具备微型化优势,是物联网时代获取信息的关键节点技术。MEMS是利用半导体生产工艺构造的集微传感器、信号处理和控制电路、微执行器、通讯接口和电源等部件于一体的微米至毫米尺寸的微型器件或系统,具备微型化优势。通过接收运动、光、热、声、磁等信号,信号再被转换成电子系统能够识别、处理的电信号,当今在物联网蓬勃发展的背景下,移动设备中大量使用各类 MEMS 传感器。

物联网终端连接规模庞大,带动MEMS 全球市场空间不断提升。根据IDC的数据,预计到2025年物联网总连接数达到102.7亿,中国物联网规模占比全球26%5年复合增速 17.8%。物联网需求带动 MEMS 市场规模不断提升。根据半导体权威机构 Yole Development的数据,预计到2026年,全球MEMS市场规模将达到 183亿美金。按照应用场景分类,消费电子市场是MEMS第一大市场,稳定占比 MEMS市场份额的60%以上。按照产品应用分类,2020年MEMS市场规模前三名分别为射频传感器(20.5亿,占比 17%,CAGR12%)、压力传感器(17.68 亿,占比 14.7%.CAGR4.9%)和 MEMS 慣性(15.03 亿,占比12.47%,CAGR5.2%)。

MEMS 产品应用领域广泛,国内市场空间大。MEMS应用领域广泛,包括智能汽车、智能家居、智能工厂、健康医疗、智慧社区等多个领域。根据赛迪咨询的数据,2019年中国 MEMS 整体市场规模达到597.8亿元(包括设计、代工、封测),同比增长 18.3%。中国是世界主要的电子器件消费大国,每年消耗近一半的 MEMS器件,未来国产替代空间大,MEMS代工自主可控重要性将愈发凸显。未来随着工业互联网、智能制造、人工智能等战略的实施,将加速推动智慧城市建设、智能制造、智慧医疗,将为MEMS市场及企业带来高景气发展机遇。

1.3 MEMS 主要的应用领域

MEMS 行业是百亿美金大市场。市场空间将从2021年的136亿美金,提升至 2027 年的 223 亿美金。整体CAGR的增长年复合增长率为9%。到2027年第一大市场为射频MEMS市场,整体空间为46.64亿美金;第二大市场为惯性市场,IMU 惯性和加速度计合计市场空间为44.33亿美金;第三大市场为压力MEMS,市场空间为 26.24亿美金;第四大市场为硅麦MEMS,市场空间为23.33亿美金。

中国 MEMS 产业结构和全球整体MEMS下游领域应用基本类似。根据赛迪顾问的数据统计看,2020年中国MEMS市场射频占据最大份额,达到25.4%,其次是压力、惯性、红外和麦克风。

2 MEMS 行业按照下游领域看未来发展潜力

2.1 射频 MEMS:滤波器是其中最主要器件之一

RF MEMS是指利用微纳电子机械系统MEMS/NEMS,技术微纳精细制造实现的射频微波结构、器件、单片集成子系统等。它具有小型化、低功耗、低成本、集成化等方面的优势,逐渐广泛应用于军民各领域。

RF MEMS 应用领域包括:1)个人通讯,如移动电话、PDA(Personal DigitalAssistant)、便携式计算机的数据交换;2)车载、机载、船载 收发机和卫星通信终端、GPS 接收机等:3)信息化作战指挥、战场通信、微型化卫星通信系统、相控阵雷达等。

RF MEMS 器件主要有:1)基于开关基本结构单元的移相器、可调滤波器、可变波束天线等,应用于相控阵雷达系统、平面阵列扫描天线等:2)硅基/熔融石英基的高性能滤波器,应用于军用雷达/卫星通信、电子对抗等:3)超小型化的声波滤波器(SAW、FBAR),大量应用于手机、无线人机交互设备、导航、微纳卫星等;4)微纳电感、电容结构组成的天线阵列,用于雷达、电子对抗等;5)微纳传输线/波导结构(如微同轴结构)组成的高性能 T/R 组件等。

滤波器是构建射频微波子系统最重要、用量最大的器件之一,也是研究最广泛、成熟度最高的器件。RFMEMS 滤波器有微带线滤波器、带状线滤波器、硅基腔体滤波器、熔融石英SIW滤波器、SAW 滤波器、BAW 和 FBAR 滤波器等。针对高性能指标、高可靠性、高功率容量的军工市场需求,RF MEMS 滤波器主要有:1)微带线滤波器;2)硅基 SIW 和腔体滤波器,国内中电 13 所和 55 所研制的该类型产品已达到实用化程度;3)MEMTronics 公司的高性能熔融石英SIW 滤波器,主要供应军工高端市场;4)Avag0 公司 FBAR 和 TriQuint 公司 BAW 滤波器,主要针对超小体积、高性能的应用领域,如智能手机、消费电子无线终端、微纳卫星等。

民用市场的射频微波滤波器主要以SAW、BAW 滤波器以及近年来的FBAR滤波器为主,SAW 滤波器主要供应商有日本EPCOS、村田制作所、富士通 MediaDevice、欧姆龙、MUTATA 公司及国内的中电55 所、中电26所等。SAW 滤波器主要针对 2GHZ 以下的应用领域,如早期的2G通信等。

根据 Yole 的数据统计,RFMEMS的器件滤波器领域全球市场空间到2021年达到 29 亿美金。其中几乎全部市场都被美国厂商所垄断。博通占比2021年29亿美金中的45%,Qorvo 占比2021年29 亿美金中的 29%,高通占比 13%,Skyworks占比 9%,太阳诱电占比份额的2%。

滤波器市场空间巨大,国产替代空间大。根据Yole 的数据显示,BAW 滤波器(BAW-SMR和FBAR)从2018年的8.21亿美金和5.91亿美金,提升至2028年的 17.90 亿美金和 14.87 亿美金。BAW的营收占比也将从 2018年的 26.2%,提升至2028年的33.1%。在高频通信时代,供应链安全使得下游客户对滤波器国产替代需求迫切,随着本土厂商技术不断积累,未来有望打破日美厂商垄断的市场格局。

2.2 惯性 MEMS:小型化创造惯性导航领域新市场

在惯性传感器领域,三种主要的技术在不断提升军用和民用能力:环形激光陀螺(RLGS),光纤陀螺(FOGs)以及 MEMS 陀螺和加速度计。应用这些技术制造的陀螺和加速度计已经取代了除高精度应用领域之外几乎所有的机械陀螺和加速度计。RLGs 具有超高的标度因素稳定性和对重力不敏感,在许多军用领域占据重要地位。

FOGs(光纤陀螺)RLGs(环形激光陀螺)一种成本低廉的替代品也逐渐渗透进RLGs 的应用领域。

MEMS 惯性传感器对于惯性导航系统的小型化具有关键意义。MEMS 创造了惯性导航应用的新市场,如战术级别的制导弹药以及可以与 GPS 芯片进行组合导航的个人导航仪。

从MEMS惯性领域主要市场的 MEMS IMU 惯性组合和 MEMS 加速度计看,海外厂商占据绝对市场份额。其中MEMS 加速度计市场在2021年空间为12.2亿美金,Bosch市场占有率为32%,ST意法半导体市场份额为21%,村田市场占有率为13%,NXP市场占有率为11%,ADI市场占有率为7%。

在MEMS IMU 惯性组合市场中,2021年市场规模为18.3亿美金。其中 Bosch占比 35%,ST 意法半导体占比 20%,TDK市场占比为 20%,霍尼韦尔市场占比6%,ADI市场占比为7%。

MEMS 惯性领域技术研发和建设,事关国民经济和国家安全建设。“九五”期间我国把研制高性能 MEMS 惯性传感器作为发展军用微米纳米技术的战略,紧紧围绕微型惯性测量单元(MIMU)的需求开展技术攻关,带动了国内相关单位建立研究队伍、设立相关实验室、建设工艺制造平台,突破了若千关键技术,奠定了技术发展基础。三十年弹指一挥间,MEMS 惯性传感器已从实验室探索研究走向工程应用,技术和产品都取得了巨大进步,在消费电子、车载导航、物联网、工业装备和高端装备等方面得到了广泛应用。

从全球市场和我国 MEMS 惯性导航领域的成就看,在高性能 MEMS 惯性传感器产品已推广应用,国内掌握了 MEMS 惯性传感器设计、制造、封装和测试等主要技术环节,具备了开发高性能 MEMS 惯性传感器产品的能力:MEMS 惯性传感器应用于智能辅助驾驶中,同时国内企业将MEMS六轴惯性传感器应用于智能辅助驾驶在车载定位这个细分赛道蹚出了一条新路,走在了国际前列,在消费电子MEMS 惯性传感器领域,消费领域同样存在供应链安全的问题,国产化替代的大背景下,系统厂商对于 MEMS 陀螺和MEMS 加速度计产品的需求量巨大,国内企业迎来了新的发展机遇。

从 MEMS 惯性产品应用未来发展方向看,主要机会在自动驾驶,人形机器人以及具备更高的集成度和智能化。

从智能驾驶MEMS 惯性导航应用看,L3及以上级自动驾驶需要安全可靠、低成本、高精度的 MEMS 惯性传感器。从L2级别到L3级别,自动驾驶的安全性问题突出,目前,全球自动驾驶渗透率情况以L1、L2级为主,L3~L5 级渗透率较低。国内乘用车市场自动驾驶技术以 L2级为主,L3 级尚未落地。根据 ICV 预测.2023 年~2027 年全球自动驾驶渗透率L2及以上级呈现增加的趋势。其中,L2/L2+级预计2027年渗透率达58%,L3 级预计2027年渗透率达 25%。具备高可靠性的传感器是保障更高等级自动驾驶的必由之路。

人形机器人打开了 MEMS 惯性传感器的成长空间。MEMS 惯性传感器可以获取人形机器人的角速度和加速度数据,通过 MEMS IMU 可监测人形机器人的实时状态、位置信息以及运动轨迹,维持人形机器人完成走、跑、蹲等动作的姿态平衡。单台人形机器人采用1颗或多颗MEMS IMU,市场空间广阔。MEMS IMU 与其他传感器融合,如立体声摄像机、关节编码器、力扭矩传感器、足部接触传感器等,实现数据互补,估计姿态足的质心位置、速度、方向、角速率和角动量,共同进行机器人状态反馈并完成下一步动作,应用于机器人的下蹲起立、前后行走、上下楼梯、回避障碍等场景。

2.3 压力 MEMS:应用于汽车工业、医疗和航空航天

MEMS 压力传感器可以用类似集成电路(10)设计技术和制造工艺,进行高精度、低成本的大批量生产,从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用 MEMS 传感器打开方便之门,使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形,由机械量弹性变形到电量转换输出,因此它不可能如 MEMS 压力传感器那样做得像 |C那么微小,成本也远远高于 MEMS 压力传感器。

相对于传统的机械量传感器,MEMS压力传感器的尺寸更小,最大的不超过1cm,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。MEMS 压力传感器主要包括压阻式、电容式和谐振式类型,主要用于测量液体、气体、固体等介质的压力。硅压阻式压力传感器:是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的,具有较高的测量精度、较低的功耗,极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器,如无压力变化,其输出为零,几乎不耗电。

硅电容式压力传感器:由沉积在膜片下表面的一层金属作为可移动的电容器而沉积在膜片上的另一个电极则沉积在硅衬底上,这两个电极组成了一个平行的平板电容器。由于膜片受到压力的影响而产生挠曲,使电容的两个极板之间的距离改变,使电容值改变,其值与被测量的压力一致。

硅谐振式压力传感器:是利用膜片或梁的谐振频率随着被测压力的不同而变化从而实现对压力表的测量。硅膜(梁)受到静电等方式的刺激,会产生共振振动,共振频率为 f0,当硅膜(梁)受到被测压力的直接或间接作用时,会引起共振频率的变化,并相应于被测压力。

从压力 MEMS 市场格局来看。MEMS压力传感器前三名玩家、博世、TEConnectivity 和英飞凌凭借进入行业较早建立的技术,资金壁垒。同时凭借巨大的规模经济效益占据全球市场中 20亿美金中的超过 50%。新晋玩家较难进入相关供应商行列。其他供应商如森萨塔(Sensata)和恩智浦(NXP)等其他厂商紧随其后在 TPMS领域具备较深的布局。

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