MEMS慣性傳感器發展歷程
MEMS慣性傳感器發展歷程
1954年，壓阻效應的出現為微型壓力傳感器的研制提供了理論基礎，而60年代Draper實驗室對MEMS加速度計的研發工作啟動也標志著該行業進入啟動期階段，在啟動期期間，多項革命性的產品出現，為后來的產品提供了原型。
經過了40年左右的啟動期過渡，美國ADI公司研制出世界上第一款單片集成的 商用陀螺儀ADXRS標志著該行業的高速發展期正式開始，MEMS加速度計不斷向著輕量化、高精度、經濟化的方向發展。
萌芽期——開始時間：1954 結束時間：1960。行業大事件：1954年，C.S史密斯發現了壓阻效應，為微型壓力傳感器的研制提供理論基礎。該理論的提出標志著MEMS傳感器行業萌芽期的開始。1958年，杰克·基爾比發明了第一塊集成電路，加速了MEMS行業創新的步伐 。
行業影響：壓阻效應的發現是慣性傳感器發明最核心的理論基礎，自1954年之后，在此理論基礎上壓阻效應的理論不斷發展，最終推動MEMS傳感器的 出現。杰克基比爾的發明證明了將電子元器件集成到一個晶片上是可行的，在集成電路之前，晶體管之父肖克利發明的晶體管為集成電路的發展奠定了元件基礎。
啟動期——開始時間：1960 結束時間：2000。行業大事件：20世紀60年代末，對MEMS加速度計的研究和開發工作開始啟動，主要研發單位為美國的Draper實驗室、斯坦福大學以及加州大學伯克利 分校。20世紀70年代，綜合MEMS工藝與壓阻效應，出現了壓阻式加速度計。1989年，美國Draper實驗室研制出第一臺振動式微機電陀螺儀 。
行業影響：60年代開始，MEMS加速度計的產品概念被提出，研究工作正式啟動，而后在美國Draper實驗室的推動下，該行業革命性的產品陸續出現， 同時MEMS加速度計實現商業化。1989年首臺振動式微機電陀螺儀的發明為該行業走上高速發展期提供了有力的推動力量。
高速發展期——開始時間：2000 結束時間：2022。行業大事件：2002年，美國ADI公司研制出世界上第一款單片集成的商用陀螺儀ADXRS。2006年，日本兵庫大學的K. Maenska報道了一種僅由一個帶電極的鋯鈦酸鉛棱柱體構成的新型的壓電振動固態微機械陀螺。2013年，法國電子與信息技術實驗室設計出一種采用了橫向懸掛設計的3D電容音叉陀螺。
行業影響：第一款單片集成的商用陀螺儀ADXRS標志著慣性傳感器行業進入高速發展期，其產品應用越來越廣泛，MEMS加速度計將向著輕量化、高精 度、經濟化的方向發展。自21世紀以來，隨著集成電路及計算機行業的迅速發展，MEMS加速度計更多應用于汽車安全氣囊，而且在手機、 計算機等電子消費產業中發揮越來越重要的作用。
中國MEMS慣性傳感器產業鏈分析 中國MEMS慣性傳感器行業產業鏈分為三個環節 產業鏈上游參與主體為傳感器設計企業、軟件、原材料及設備供應商，產業鏈中游參與主體是傳感器加工、封裝測試企業，純MEMS晶圓制造企業是MEMS慣性傳感器晶圓的主要加工企業，產業鏈下游參與者為傳感器應用解決方案提供商及終端設備系統集 成商等。
MEMS慣性傳感器產業鏈上游傳感器設計企業與國際領先企業差距相對較小，軟件開發、原材料和設備企業與國際同類企業均存在較大差距；中游環節的國際MEMS晶圓加工以8英寸晶圓產線為主，中國本土MEMS晶圓產線規格相對落后；消費電子和汽車是MEMS慣性傳感器主要終端應用領域，占其應用市場總產值的70%以上。
總體來說，MEMS慣性傳感器產業鏈條鏈路較為復雜。上游包含原材料、設計、設計軟件等參與方，下游囊括消費電子、汽車、工業、醫療、航天等多個 領域，因此其中游產品的價格將受到多方面因素影響，且其中競爭者眾多，國產廠商議價能力不強。
（1）上游環節
①設計
設計企業是將傳感器由概念轉化為產品的主要推動者。當前，中國本土MEMS慣性傳感器設計企業在加速度計方面已具備較強研發能力，可設計具備優異性能參數的高端單軸、二軸、三軸加 速度計，產品不僅可用于手機、可穿戴設備等消費級加速度計應用領域和汽車慣性導航等中端工業級領域，還可用于航空航天等高端工業級領域。由于MEMS陀螺儀技術更加復雜，設計難度相對加速度計更高，在民用領域，中國本土MEMS慣性傳感器設計企業研發能力相比國際領先企業較為薄弱，多定位于低端消費級產品應用領域，在軍用領域，中國具備航空航天等領域高端MEMS陀螺儀的研制能力，主要原因為，基于國家戰略安全考慮，中國科研事業單位可不計成本地研制高性能產品。
②軟件
設計軟件主要用于對MEMS傳感器機械結構進行有限元分析模擬，如CoventorWare、Ansys、 Solidworks等，集成電路EDA軟件用于模擬傳感 器信號處理電路，如Cadence、Synopsis等。
設計軟件的使用可提高MEMS慣性傳感器設計者的工作效率，為設計者的研發提供基礎工具保 障。從國際格局上看，預計在2025年EDA國產率能達到35%，受到美國的限制，中國發展核心部件國產化刻不容緩；2020-2025年，中國集成電路企業新增率為5%左右，整體來說該細分領域已經進入高質量發展階段。
③原材料
MEMS慣性傳感器的原材料包括硅晶圓、硅靶材、金屬靶材、封裝材料等，其中晶圓是制造集成電路的基礎材料，硅晶圓的尺寸和純度對芯片加工成本和產品品質造成重要影響。
目前，中國 MEMS慣性傳感器加工采用的晶圓尺寸包括4英寸、6英寸和8英寸，晶圓尺寸越大，單位晶圓材料可產出的芯片數量越多，單位加工成本越 低。6英寸和8英寸是傳感器晶圓的主流尺寸。
盡管中國晶圓企業起步較晚，本土企業晶圓供應能力遠低于日本信越、日本勝高、臺灣環球晶圓等全球頭部企業，上海新昇等本土頭部企業生產工藝和規模不斷提升，已能提供8英寸及以上尺寸晶圓，MEMS慣性傳感器原材料保障能力獲得增強。
以市場占比超過50%的消費級MEMS慣性傳感器6軸IMU為例，產品加工費用約0.17美元/顆（MEMS傳感器芯片加工費約0.1美元/顆， ASIC加工費約0.07美元/顆），產品封裝費約0.2 -0.3美元/顆，產品測試費約0.15美元/顆。在MEMS慣性傳感器量產階段，封裝費用是目前MEM S慣性傳感器最主要成本，而加工費可通過規；a效應得以顯著攤薄，因此傳感器的成本降低難點主要體現于如何降低封裝成本。
④設備企業
MEMS慣性傳感器設備包括光刻機、PVD、CVD、刻蝕機等加工設備、鍵合機、劃片機等封裝設備和傳感器參數測試設備，由于當前中國本土設備難以滿足中高端MEMS慣性傳感器生產要求，設備多為Ulvac、Veeco等歐美日先進設備供應商提供。
此外，基于商業機密等方面考慮，部分先進的高精度MEMS傳感器測試設備進口中國受限，為中國MEMS慣性傳感器產品性能參數的驗證帶來不利。
（2）中游環節
A：加工
晶圓代工企業可分為三類：
①純MEMS晶圓制造企業：僅提供MEMS晶圓加工服務，該類 企業提供代工服務的特點為產品生產批次多，可 為上游各類客戶提供MEMS代工服務。純MEM S代工的代表性企業包括Micralyne、Tronics和Silex（已被中國本土企業賽微電子收購）等；
②傳統集成電路代工企業：通過調整加工工 藝亦可提供MEMS晶圓加工服務，該類企業產 能規模龐大，多為客戶提供規模化加工服務。傳 統集成電路代工的代表性企業包括臺積電TSM C、格羅方德、中芯國際SMIC和上海先進ASMC等；
③IDM企業：亦提供MEMS晶圓加工 服務，客戶一般是與IDM企業自身業務無利益沖 突的企業，因此IDM企業可代工的產品種類較少，客戶資源較少。提供代工的IDM代表性企業 包括博世、意法半導體和士蘭微等。
B：封裝測試 MEMS慣性傳感器需放置于多軸轉臺、振動臺、沖擊臺等設備測試其處于不同外部環境時性能參數的變化情況。而該外部激勵測試完全由MEMS慣性傳感器設計者根據應用場景需求制定，因此，MEMS慣性傳感器設計企業需根據不同應用場景對產品的測試方案進行針對性設計。
（3）下游環節
應用解決方案提供商、終端設備系統集成商
中國MEMS慣性傳感器行業產業鏈的下游參與主體為傳感器應用解決方案提供商及終端設備系 統集成商，該類企業將慣性傳感器與其他功能器件集成為模組或系統，裝配于終端電子設備中。
MEMS慣性傳感器是測量物體運動狀態的重要 器件，集成MEMS慣性傳感器的終端電子設備 廣泛應用于智能手機、可穿戴、消費級無人機等 消費電子領域、汽車安全系統、ADAS （先進駕 駛輔助系統）、自動駕駛等汽車電子領域和機器 人、工業自動化設備、航空航天等工業領域以及醫療等領域。
消費電子和汽車電子是MEMS慣 性傳感器最主要下游應用領域，消費量占比超過 70%
編輯：xiaoYing 最后修改時間：2023-04-06
