MEMS慣性傳感器發(fā)展歷程
MEMS慣性傳感器發(fā)展歷程
1954年，壓阻效應(yīng)的出現(xiàn)為微型壓力傳感器的研制提供了理論基礎(chǔ)，而60年代Draper實(shí)驗(yàn)室對MEMS加速度計(jì)的研發(fā)工作啟動(dòng)也標(biāo)志著該行業(yè)進(jìn)入啟動(dòng)期階段，在啟動(dòng)期期間，多項(xiàng)革命性的產(chǎn)品出現(xiàn)，為后來的產(chǎn)品提供了原型。
經(jīng)過了40年左右的啟動(dòng)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(biāo)志著該行業(yè)的高速發(fā)展期正式開始，MEMS加速度計(jì)不斷向著輕量化、高精度、經(jīng)濟(jì)化的方向發(fā)展。
萌芽期——開始時(shí)間：1954 結(jié)束時(shí)間：1960。行業(yè)大事件：1954年，C.S史密斯發(fā)現(xiàn)了壓阻效應(yīng)，為微型壓力傳感器的研制提供理論基礎(chǔ)。該理論的提出標(biāo)志著MEMS傳感器行業(yè)萌芽期的開始。1958年，杰克·基爾比發(fā)明了第一塊集成電路，加速了MEMS行業(yè)創(chuàng)新的步伐 。
行業(yè)影響：壓阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是慣性傳感器發(fā)明最核心的理論基礎(chǔ)，自1954年之后，在此理論基礎(chǔ)上壓阻效應(yīng)的理論不斷發(fā)展，最終推動(dòng)MEMS傳感器的 出現(xiàn)。杰克基比爾的發(fā)明證明了將電子元器件集成到一個(gè)晶片上是可行的，在集成電路之前，晶體管之父肖克利發(fā)明的晶體管為集成電路的發(fā)展奠定了元件基礎(chǔ)。
啟動(dòng)期——開始時(shí)間：1960 結(jié)束時(shí)間：2000。行業(yè)大事件：20世紀(jì)60年代末，對MEMS加速度計(jì)的研究和開發(fā)工作開始啟動(dòng)，主要研發(fā)單位為美國的Draper實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)以及加州大學(xué)伯克利 分校。20世紀(jì)70年代，綜合MEMS工藝與壓阻效應(yīng)，出現(xiàn)了壓阻式加速度計(jì)。1989年，美國Draper實(shí)驗(yàn)室研制出第一臺(tái)振動(dòng)式微機(jī)電陀螺儀 。
行業(yè)影響：60年代開始，MEMS加速度計(jì)的產(chǎn)品概念被提出，研究工作正式啟動(dòng)，而后在美國Draper實(shí)驗(yàn)室的推動(dòng)下，該行業(yè)革命性的產(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn)， 同時(shí)MEMS加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。1989年首臺(tái)振動(dòng)式微機(jī)電陀螺儀的發(fā)明為該行業(yè)走上高速發(fā)展期提供了有力的推動(dòng)力量。
高速發(fā)展期——開始時(shí)間：2000 結(jié)束時(shí)間：2022。行業(yè)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(xué)的K. Maenska報(bào)道了一種僅由一個(gè)帶電極的鋯鈦酸鉛棱柱體構(gòu)成的新型的壓電振動(dòng)固態(tài)微機(jī)械陀螺。2013年，法國電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出一種采用了橫向懸掛設(shè)計(jì)的3D電容音叉陀螺。
行業(yè)影響：第一款單片集成的商用陀螺儀ADXRS標(biāo)志著慣性傳感器行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，其產(chǎn)品應(yīng)用越來越廣泛，MEMS加速度計(jì)將向著輕量化、高精 度、經(jīng)濟(jì)化的方向發(fā)展。自21世紀(jì)以來，隨著集成電路及計(jì)算機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展，MEMS加速度計(jì)更多應(yīng)用于汽車安全氣囊，而且在手機(jī)、 計(jì)算機(jī)等電子消費(fèi)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。
中國MEMS慣性傳感器產(chǎn)業(yè)鏈分析 中國MEMS慣性傳感器行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分為三個(gè)環(huán)節(jié) 產(chǎn)業(yè)鏈上游參與主體為傳感器設(shè)計(jì)企業(yè)、軟件、原材料及設(shè)備供應(yīng)商，產(chǎn)業(yè)鏈中游參與主體是傳感器加工、封裝測試企業(yè)，純MEMS晶圓制造企業(yè)是MEMS慣性傳感器晶圓的主要加工企業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈下游參與者為傳感器應(yīng)用解決方案提供商及終端設(shè)備系統(tǒng)集 成商等。
MEMS慣性傳感器產(chǎn)業(yè)鏈上游傳感器設(shè)計(jì)企業(yè)與國際領(lǐng)先企業(yè)差距相對較小，軟件開發(fā)、原材料和設(shè)備企業(yè)與國際同類企業(yè)均存在較大差距；中游環(huán)節(jié)的國際MEMS晶圓加工以8英寸晶圓產(chǎn)線為主，中國本土MEMS晶圓產(chǎn)線規(guī)格相對落后；消費(fèi)電子和汽車是MEMS慣性傳感器主要終端應(yīng)用領(lǐng)域，占其應(yīng)用市場總產(chǎn)值的70%以上。
總體來說，MEMS慣性傳感器產(chǎn)業(yè)鏈條鏈路較為復(fù)雜。上游包含原材料、設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)軟件等參與方，下游囊括消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、航天等多個(gè) 領(lǐng)域，因此其中游產(chǎn)品的價(jià)格將受到多方面因素影響，且其中競爭者眾多，國產(chǎn)廠商議價(jià)能力不強(qiáng)。
（1）上游環(huán)節(jié)
①設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)企業(yè)是將傳感器由概念轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的主要推動(dòng)者。當(dāng)前，中國本土MEMS慣性傳感器設(shè)計(jì)企業(yè)在加速度計(jì)方面已具備較強(qiáng)研發(fā)能力，可設(shè)計(jì)具備優(yōu)異性能參數(shù)的高端單軸、二軸、三軸加 速度計(jì)，產(chǎn)品不僅可用于手機(jī)、可穿戴設(shè)備等消費(fèi)級加速度計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域和汽車慣性導(dǎo)航等中端工業(yè)級領(lǐng)域，還可用于航空航天等高端工業(yè)級領(lǐng)域。由于MEMS陀螺儀技術(shù)更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度相對加速度計(jì)更高，在民用領(lǐng)域，中國本土MEMS慣性傳感器設(shè)計(jì)企業(yè)研發(fā)能力相比國際領(lǐng)先企業(yè)較為薄弱，多定位于低端消費(fèi)級產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，在軍用領(lǐng)域，中國具備航空航天等領(lǐng)域高端MEMS陀螺儀的研制能力，主要原因?yàn)，基于國家?zhàn)略安全考慮，中國科研事業(yè)單位可不計(jì)成本地研制高性能產(chǎn)品。
②軟件
設(shè)計(jì)軟件主要用于對MEMS傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shè)計(jì)軟件的使用可提高M(jìn)EMS慣性傳感器設(shè)計(jì)者的工作效率，為設(shè)計(jì)者的研發(fā)提供基礎(chǔ)工具保 障。從國際格局上看，預(yù)計(jì)在2025年EDA國產(chǎn)率能達(dá)到35%，受到美國的限制，中國發(fā)展核心部件國產(chǎn)化刻不容緩；2020-2025年，中國集成電路企業(yè)新增率為5%左右，整體來說該細(xì)分領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)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(chǔ)材料，硅晶圓的尺寸和純度對芯片加工成本和產(chǎn)品品質(zhì)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(chǎn)出的芯片數(shù)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(yè)起步較晚，本土企業(yè)晶圓供應(yīng)能力遠(yuǎn)低于日本信越、日本勝高、臺(tái)灣環(huán)球晶圓等全球頭部企業(yè)，上海新昇等本土頭部企業(yè)生產(chǎn)工藝和規(guī)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(qiáng)。
以市場占比超過50%的消費(fèi)級MEMS慣性傳感器6軸IMU為例，產(chǎn)品加工費(fèi)用約0.17美元/顆（MEMS傳感器芯片加工費(fèi)約0.1美元/顆， ASIC加工費(fèi)約0.07美元/顆），產(chǎn)品封裝費(fèi)約0.2 -0.3美元/顆，產(chǎn)品測試費(fèi)約0.15美元/顆。在MEMS慣性傳感器量產(chǎn)階段，封裝費(fèi)用是目前MEM S慣性傳感器最主要成本，而加工費(fèi)可通過規(guī)；a(chǎn)效應(yīng)得以顯著攤薄，因此傳感器的成本降低難點(diǎn)主要體現(xiàn)于如何降低封裝成本。
④設(shè)備企業(yè)
MEMS慣性傳感器設(shè)備包括光刻機(jī)、PVD、CVD、刻蝕機(jī)等加工設(shè)備、鍵合機(jī)、劃片機(jī)等封裝設(shè)備和傳感器參數(shù)測試設(shè)備，由于當(dāng)前中國本土設(shè)備難以滿足中高端MEMS慣性傳感器生產(chǎn)要求，設(shè)備多為Ulvac、Veeco等歐美日先進(jìn)設(shè)備供應(yīng)商提供。
此外，基于商業(yè)機(jī)密等方面考慮，部分先進(jìn)的高精度MEMS傳感器測試設(shè)備進(jìn)口中國受限，為中國MEMS慣性傳感器產(chǎn)品性能參數(shù)的驗(yàn)證帶來不利。
（2）中游環(huán)節(jié)
A：加工
晶圓代工企業(yè)可分為三類：
①純MEMS晶圓制造企業(yè)：僅提供MEMS晶圓加工服務(wù)，該類 企業(yè)提供代工服務(wù)的特點(diǎn)為產(chǎn)品生產(chǎn)批次多，可 為上游各類客戶提供MEMS代工服務(wù)。純MEM S代工的代表性企業(yè)包括Micralyne、Tronics和Silex（已被中國本土企業(yè)賽微電子收購）等；
②傳統(tǒng)集成電路代工企業(yè)：通過調(diào)整加工工 藝亦可提供MEMS晶圓加工服務(wù)，該類企業(yè)產(chǎn) 能規(guī)模龐大，多為客戶提供規(guī)模化加工服務(wù)。傳 統(tǒng)集成電路代工的代表性企業(yè)包括臺(tái)積電TSM C、格羅方德、中芯國際SMIC和上海先進(jìn)ASMC等；
③IDM企業(yè)：亦提供MEMS晶圓加工 服務(wù)，客戶一般是與IDM企業(yè)自身業(yè)務(wù)無利益沖 突的企業(yè)，因此IDM企業(yè)可代工的產(chǎn)品種類較少，客戶資源較少。提供代工的IDM代表性企業(yè) 包括博世、意法半導(dǎo)體和士蘭微等。
B：封裝測試 MEMS慣性傳感器需放置于多軸轉(zhuǎn)臺(tái)、振動(dòng)臺(tái)、沖擊臺(tái)等設(shè)備測試其處于不同外部環(huán)境時(shí)性能參數(shù)的變化情況。而該外部激勵(lì)測試完全由MEMS慣性傳感器設(shè)計(jì)者根據(jù)應(yīng)用場景需求制定，因此，MEMS慣性傳感器設(shè)計(jì)企業(yè)需根據(jù)不同應(yīng)用場景對產(chǎn)品的測試方案進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。
（3）下游環(huán)節(jié)
應(yīng)用解決方案提供商、終端設(shè)備系統(tǒng)集成商
中國MEMS慣性傳感器行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的下游參與主體為傳感器應(yīng)用解決方案提供商及終端設(shè)備系 統(tǒng)集成商，該類企業(yè)將慣性傳感器與其他功能器件集成為模組或系統(tǒng)，裝配于終端電子設(shè)備中。
MEMS慣性傳感器是測量物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要 器件，集成MEMS慣性傳感器的終端電子設(shè)備 廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、可穿戴、消費(fèi)級無人機(jī)等 消費(fèi)電子領(lǐng)域、汽車安全系統(tǒng)、ADAS （先進(jìn)駕 駛輔助系統(tǒng)）、自動(dòng)駕駛等汽車電子領(lǐng)域和機(jī)器 人、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域以及醫(yī)療等領(lǐng)域。
消費(fèi)電子和汽車電子是MEMS慣 性傳感器最主要下游應(yīng)用領(lǐng)域，消費(fèi)量占比超過 70%
編輯：xiaoYing 最后修改時(shí)間：2023-04-06
