蘋果的 iPhone 開啟了移動互聯(lián)網(wǎng)時代，而成就 iPhone 的，則是各種創(chuàng)新科技硬件的應(yīng)用，其中包括 MEMS。
2007 年的初代 iPhone，使用了 MEMS 麥克風(fēng)、MEMS 加速度傳感器等器件，使手機(jī)首次實(shí)現(xiàn)各種智能操作；2010 年的 iPhone 4 首次使用 MEMS 三軸陀螺儀，讓我們可以翻轉(zhuǎn)或移動手機(jī)控制程序運(yùn)行；2016 年的蘋果 TWS 耳機(jī) AirPods 不僅配備了 MEMS 麥克風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了拾音、降噪、語音命令、自適應(yīng)均衡，還配備了紅外傳感器和運(yùn)動加速計，讓耳機(jī)學(xué)會監(jiān)測人的佩戴狀態(tài)。那么，在造就了蘋果超 2 萬億美元市值的 iPhone 中，國產(chǎn) MEMS 有什么機(jī)會？
多數(shù)人可能并不知道，MEMS 這種低調(diào)的工業(yè)品，不僅是科技界公認(rèn)最具發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域之一，更是衡量工業(yè)國家核心競爭力的指標(biāo)之一，被業(yè)界人士視為“一輩子都做不完的產(chǎn)業(yè)”。
作為無處不在的一種革命性關(guān)鍵技術(shù)，MEMS 已滲透到我們生活的方方面面，涵蓋幾乎所有需要微型化的產(chǎn)品。蘋果、華為、三星、小米、OPPO 等各種消費(fèi)電子品牌都離不開 MEMS 技術(shù)。
是機(jī)械，也是微電子
1959 年，物理學(xué)家理查德?費(fèi)曼在加州理工學(xué)院的演講《微觀世界有無垠的空間》中，曾大膽構(gòu)想原子尺度的工業(yè)世界，人們甚至可以吞下“外科醫(yī)生機(jī)器人”，清除動脈血栓或消滅腫瘤。[1]
如今，這種構(gòu)想不再是科幻，MEMS 就是一種比人類頭發(fā)的直徑還小很多倍的微型機(jī)械，它就像細(xì)胞一樣，構(gòu)建了微觀的人工智慧世界 [2]。比如吞食 MEMS 診斷藥丸檢測體內(nèi)身體指標(biāo)，并通過無線傳輸?shù)讲∪梭w外 [3]，再比如用 MEMS 為細(xì)胞做手術(shù) [4]?？梢哉f，我們在宏觀世界能做什么，MEMS 就能幫我們在微觀做什么。
MEMS 全稱為“微機(jī)電系統(tǒng)”（Micro-Electro-Mechanical System），又稱微系統(tǒng)技術(shù)、微機(jī)械等。是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通信接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在微觀尺度上單獨(dú)或批量執(zhí)行傳感、控制和驅(qū)動操作，并在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)各類功能。
隨著技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家又提出了納機(jī)電系統(tǒng) NEMS（Nano-Electro-Mechanical System）的概念。由于二者結(jié)構(gòu)相同，且歸屬于同一領(lǐng)域，下文中 MEMS 均代指 MEMS / NEMS。
MEMS 是最先進(jìn)的機(jī)械技術(shù)與最先進(jìn)的微電子技術(shù)的結(jié)晶。它是一種結(jié)構(gòu)偏向機(jī)械，制造偏向微電子的技術(shù)，兼具微型化、低成本、高效能、大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，這也是它最有商業(yè)價值的地方：一方面，MEMS 會使用諸多微觀模擬元件（類似我們常看到的宏觀機(jī)械零件），組成體積極微小的器件，如通道、孔、懸臂、膜、腔等結(jié)構(gòu) [5]；另一方面，它能通過微納米技術(shù)，在芯片上制造微型機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此可大批量生產(chǎn)，且有較低的生產(chǎn)成本。[6]
當(dāng)機(jī)械學(xué)會感知和運(yùn)動
MEMS 是一種能與自然界交流的器件，感知化學(xué)、電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)、輻射、磁場六個能量域的環(huán)境參數(shù)，再做出相應(yīng)的反應(yīng)。
▲ MEMS 傳感器關(guān)注的能量域，制表丨果殼硬科技
資料來源丨 Nanoscale Research Letters[7]
感知和運(yùn)動是 MEMS 的兩大特質(zhì)，以此分為兩類：MEMS 傳感器和 MEMS 執(zhí)行器。二者功能均是將信號或功率，從一個能量域轉(zhuǎn)換為另一個能量域，傳感器是將環(huán)境信號轉(zhuǎn)換為電信號，執(zhí)行器是將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動，二者相輔相成。
▲ MEMS 傳感器和驅(qū)動器主要種類，制表丨果殼硬科技
資料來源丨和林微納招股書 [8]
MEMS 傳感器被人譽(yù)為“電五官”。若把處理器比作人腦，通信比作神經(jīng)系統(tǒng)，MEMS 傳感器就是五官和皮膚，感知物理、化學(xué)或生物量的存在和強(qiáng)度。其機(jī)理是沉積在設(shè)備傳感層上的聚合物吸收了特定化學(xué)物質(zhì)，產(chǎn)生了應(yīng)力、質(zhì)量、電氣或機(jī)械特性變化，最終由 MEMS 利用壓阻式、電容式或光學(xué)式等傳感機(jī)制檢測這些變化。需要強(qiáng)調(diào)的是，MEMS 傳感器是傳統(tǒng)傳感器的升級版，其尺寸更小、功耗更低、性能更好。
MEMS 執(zhí)行器相當(dāng)于人的四肢，能執(zhí)行各種微操作和運(yùn)動，如微馬達(dá)、微開關(guān)、微推進(jìn)器、微泵和微閥等。其機(jī)理是采用電熱、電磁、靜電或壓電四種驅(qū)動機(jī)制使器件產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)運(yùn)動。[7]
▲ MEMS 驅(qū)動和傳感技術(shù)及特點(diǎn)，制表丨果殼硬科技
資料來源丨 Nanoscale Research Letters [7]
比集成電路更難制造
MEMS 工藝流程包括研發(fā)設(shè)計（芯片設(shè)計、工藝流程設(shè)計、機(jī)電和結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)計驗(yàn)證等）、晶圓制造（融合離子擴(kuò)散、薄膜沉積 PVD / CVD、光刻、干法刻蝕、濕法腐蝕等）、封裝測試，看似與集成電路相同，實(shí)則比集成電路更難。從集成電路到 MEMS，是平面工藝到立體工藝、電路靜態(tài)結(jié)構(gòu)到機(jī)械可動結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體到機(jī)械 / 化學(xué) / 光學(xué)等多學(xué)科交叉融合、電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境到各種自然界或人造環(huán)境的變化。
▲ MEMS 工藝與 IC 工藝對比，制表丨果殼硬科技
MEMS 襯底材料（支撐材料）硅是主流，一些特殊應(yīng)用會使用玻璃、高分子聚合物、金屬等，二氧化鈦（TiO2）、二氧化錫（SnO2）和氧化鋅（ZnO）等金屬氧化物也逐漸成為有吸引力的材料。[9]
加工技術(shù)依據(jù)材料分為硅基和非硅基兩種路線。硅基 MEMS 加工技術(shù)以集成電路加工技術(shù)為基礎(chǔ)，具有批量化、成本低、集成度高等優(yōu)勢；非硅基加工技術(shù)包括 LIGA、準(zhǔn) LIGA（即 X 光同步輻射光刻、電鑄成型及注塑工藝）和精密加工技術(shù)，非硅基加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可動微結(jié)構(gòu)能夠擁有更大縱向尺寸，但批量能力差、重復(fù)性差、加工成本高。[10][11]
▲ MEMS 制造工藝不完全盤點(diǎn)，制表丨果殼硬科技
雖然 MEMS 處處都好，但對研發(fā)商來說，想說愛它不容易：一方面，它擁有“一種產(chǎn)品，一種工藝”的特點(diǎn)，每種器件的設(shè)計、制造、封裝、測試方法均存在較大差異，市場很難形成標(biāo)準(zhǔn)化，成熟的產(chǎn)品才能表現(xiàn)出一定的集中度 [12]；另一方面，做 MEMS 要耐得住性子，極端情況下一款傳感器的研發(fā)需 6 年~8 年，加上測試、導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)鏈的時間，成品甚至能花費(fèi)近 20 年；除此之外，MEMS 與集成電路產(chǎn)業(yè)的通病就是價格與產(chǎn)品重要性不成正比。[13]
有應(yīng)用才會有市場
其實(shí)，MEMS 還是個 90 后，它的商用歷史只有三十多年，產(chǎn)業(yè)剛剛步入成熟期。從 MEMS 的研發(fā)歷史來看，是從結(jié)構(gòu)研究逐漸到材料的過程。
▲ MEMS 技術(shù)歷史發(fā)展特征，制表丨果殼硬科技
MEMS 會伴隨電子、機(jī)械、材料、信息、物理、化學(xué)、光學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的技術(shù)成長，同時當(dāng) MEMS 與不同技術(shù)結(jié)合會再產(chǎn)生新的器件。在此過程中，一些器件應(yīng)用逐漸衰退，新器件應(yīng)用開始起步，往復(fù)循環(huán)，生生不息。
縱覽三十多年歷史，MEMS 新器件的驅(qū)動力主要源于應(yīng)用，只有當(dāng)新產(chǎn)品要用到某些器件，才會引發(fā)大規(guī)模研究和生產(chǎn)：
1990 年~2000 年汽車安全掀起第一次熱潮；
2000 年~2010 年智能手機(jī)引發(fā)第二次熱潮；
2010 年~2020 年智能手表、TWS 耳機(jī)、可穿戴設(shè)備主導(dǎo)第三次熱潮；
2020 年至今車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能醫(yī)療、智能城市以及萬物互聯(lián)等應(yīng)用讓第四次熱潮蓄勢待發(fā)。
▲ 各 MEMS 器件所處應(yīng)用階段，圖源丨《科技情報參考》[14]
前景好，但國內(nèi)力量分散
由于 MEMS 的生產(chǎn)過程與集成電路類似，所以主要玩家基本也是集成電路企業(yè)。相比投資火熱的集成電路，MEMS 產(chǎn)業(yè)相對較小，同時高技術(shù)門檻攔住了許多初創(chuàng)玩家。
近幾年 MEMS 的應(yīng)用場景逐步增加，需求量持續(xù)攀升：主流智能手機(jī)開始將 MEMS 麥克風(fēng)使用量拉升至 2~4 顆，用于語音采集、噪音消除和改善語音識別等功能；單只 TWS 耳機(jī)中至少要使用 2 顆 MEMS 麥克風(fēng)，用于通話、離線喚醒、音樂控制、應(yīng)用開啟和降噪模式切換等多種功能；每輛汽車的 MEMS 傳感器使用數(shù)量拉升至 30 顆甚至上百顆，用于輔助自動駕駛、車輛檢測等功能。
應(yīng)用帶動下，MEMS 的市場前景樂觀。Yole 預(yù)測，MEMS 全球市場份額將由 2020 年的 121 億美元升至 2026 年的 182 億美元，年復(fù)合增長率 7.17%。其中，消費(fèi)領(lǐng)域是 MEMS 的最大應(yīng)用市場，約占整體收入的 60%，其次分別為汽車、工業(yè)、醫(yī)療、航空航天和通信。[15]
▲ 以終端市場分類的 MEMS 市場情況，圖源丨 Yole
從器件上來看，MEMS 傳感器是絕對的主力，全球市場規(guī)模預(yù)計從 2020 年的 90 億美元提升至 2026 年的 128 億美元，年均復(fù)合增長率為 6.1%。其中，壓力傳感器和慣性組合傳感器極具潛力，至 2026 年全球市場規(guī)模將分別達(dá)到 23.6 億美元和 21.3 億美元，其次是聲學(xué)傳感器（MEMS 麥克風(fēng)）、加速度傳感器、陀螺儀傳感器等。MEMS 射頻器件增長勢頭猛烈，至 2026 年將有 40.5 億美元的全球市場空間。噴墨打印頭、微型測輻射熱儀、光學(xué)傳感器、硅基微流控器件等將持續(xù)保持增長。[15]
▲ 以器件類型分類的 MEMS 市場情況，圖源丨歌爾微電子招股書 [16]
從領(lǐng)域上來看，消費(fèi)、汽車、工業(yè)、醫(yī)療四大領(lǐng)域均有一定市場前景，但增速有所區(qū)別，物聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智慧城市是 MEMS 主要驅(qū)動力。
▲ 不同領(lǐng)域分類的全球 MEMS 市場情況，制表丨果殼硬科技
資料來源丨 Yole
目前 MEMS 市場以國外廠商為主，頂級的 MEMS 廠商包括博世、博通、Qorvo、意法半導(dǎo)體、德州儀器、歌爾微、惠普、樓氏、TDK、英飛凌等。國產(chǎn) MEMS 企業(yè)是追趕者，歌爾微（MEMS 麥克風(fēng)）、瑞聲科技（MEMS 麥克風(fēng)）、高德紅外（紅外傳感器）三家企業(yè)上榜 2020 年全球市場銷售額排行前 30。[15]
按細(xì)分領(lǐng)域劃分，MEMS 聲學(xué)傳感器領(lǐng)域樓氏、瑞聲科技、歌爾微三家公司占據(jù)全球市場份額的 75%，MEMS 壓力傳感器領(lǐng)域博世、泰科電子和英飛凌三家公司占據(jù)全球市場份額的 57%，MEMS 慣性組合傳感器領(lǐng)域博世、意法半導(dǎo)體和 TDK 三家廠商占據(jù)全球市場份額的 76%。[16]
▲ 全球 MEMS 廠商 TOP10，圖源丨歌爾微電子招股書 [16]
在國內(nèi)，MEMS 市場潛力巨大。據(jù)賽迪顧問預(yù)測，從 2020 年至 2030 年，國內(nèi) MEMS 市場規(guī)模將由 736.7 億元人民幣提升至超過 1200 億元人民幣。[17]
我國 MEMS 起步并不比國外晚很多，但由于歷史原因?qū)е铝α糠稚?、條塊分割、投入嚴(yán)重不足 [13]，直到 2010 年前后產(chǎn)業(yè)才形成雛形 [18]，僅從 MEMS 傳感器來說，依然存在較大缺口，超過 90% 的芯片與高檔傳感器芯片需要從國外進(jìn)口，導(dǎo)致價格直線上升，且在 MEMS 的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布局上不足 20%。[19]
不過好在國內(nèi)已形成較好的企業(yè)資源、創(chuàng)新資源和載體平臺，并已擁有至少 37 條 MEMS 產(chǎn)線 [20]，發(fā)展后勁足。
▲ 中國 MEMS 產(chǎn)業(yè)資源分布，圖源丨賽迪顧問 [17]
從二級市場上來看，國產(chǎn) MEMS 已擁有研發(fā)設(shè)計、設(shè)備材料、晶圓制造、封裝測試、集成應(yīng)用的完備產(chǎn)業(yè)鏈，同時擁有豐富種類器件。
▲ 中國 MEMS 主要上市企業(yè)基本信息，資料來源 丨前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人 [21]
國內(nèi) MEMS 投資和兼并也持續(xù)活躍，2020 年相關(guān)案例達(dá) 116 個、金額 347 億 [22]。項(xiàng)目投資以 A 輪為主，感知技術(shù)離應(yīng)用層越近，越能吸引投資者，項(xiàng)目估值和投資金額越大。從投資項(xiàng)目來看，資本較為看好生物、機(jī)器視覺、自動駕駛和語音交互領(lǐng)域等應(yīng)用。[23]
▲ 2020 年國內(nèi) MEMS 各領(lǐng)域投融資事件數(shù)量及投資金額占比，圖源丨賽迪顧問 [23]
▲ 2020 年國內(nèi) MEMS 投融資情況及分布情況，圖源丨賽迪顧問 [23]
▲ 未上市 MEMS 企業(yè)不完全統(tǒng)計，制表丨果殼硬科技
參考資料丨國泰君安產(chǎn)業(yè)觀察，有刪改 [13]
追趕者要怎么走
作為追趕者，國產(chǎn)廠商該怎么走？果殼硬科技團(tuán)隊認(rèn)為有如下四個關(guān)鍵點(diǎn)：
1. 國產(chǎn) MEMS 需要注重產(chǎn)業(yè)集中化
從 2020 年的 MEMS 專利數(shù)量來看，美國占全球 MEMS 專利總申請量的 32%，處于領(lǐng)先狀態(tài)。雖然中國也有 13%，但申請人以高校和科研機(jī)構(gòu)為主，產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化有一定差距 [24]。另外，MEMS 產(chǎn)業(yè)本身就較為分散，國內(nèi)不僅缺乏系統(tǒng)性，甚至過于寄予希望于短期獲利。[25]
因此，國產(chǎn) MEMS 在未來要注重產(chǎn)業(yè)化和集中化，具體包括：
產(chǎn)研結(jié)合：技術(shù)是限制 MEMS 企業(yè)發(fā)展的一個關(guān)鍵點(diǎn)，通過孵化科研院所或高新技術(shù)企業(yè)，對這類企業(yè)提供必要政策、資金的支持和 MEMS 生產(chǎn)設(shè)備的支持，通過軟件、硬件配套使技術(shù)快速轉(zhuǎn)化為成熟產(chǎn)品；
產(chǎn)業(yè)合作：市場是限制 MEMS 企業(yè)發(fā)展的另一個關(guān)鍵點(diǎn)，MEMS 產(chǎn)品單價低，從研發(fā)到上市周期長，需巨大規(guī)模才能盈利，如果能與下游客戶形成緊密的戰(zhàn)略合作，既能提供穩(wěn)定的市場，也能充分了解下游客戶的需求；
發(fā)展路徑：先與國外企業(yè)合作，引入有市場前景的 MEMS 產(chǎn)品及技術(shù)或購買國外 MEMS 自行封測，再自主設(shè)計和制造低端 MEMS 進(jìn)行國產(chǎn)替代，積累技術(shù)和市場，逐步突破技術(shù)進(jìn)入高端市場，最后不斷吞并中小型企業(yè)，并將這種經(jīng)驗(yàn)復(fù)制到其他 MEMS 產(chǎn)品上，國內(nèi)歌爾微、瑞聲兩家企業(yè)均是通過此種模式發(fā)展壯大。[26]
2. 抓住下行周期的黃金期
現(xiàn)有市場，消費(fèi)電子仍會是 MEMS 的主戰(zhàn)場，但顯現(xiàn)在行業(yè)上的趨勢是消費(fèi)電子需求不濟(jì)，整體行業(yè)正進(jìn)入下行周期，這會帶動 MEMS 進(jìn)入整固期。（具體可參考果殼硬科技此前《半導(dǎo)體跑步進(jìn)入大過剩時代》一文）此時對已入局 MEMS 并有技術(shù)積累的企業(yè)來說，將是黃金收購期，可抓住這次機(jī)遇利用收購快速提升競爭能力。[26]
另外，在消費(fèi)電子景氣度下降期間，汽車和醫(yī)療領(lǐng)域的新市場更值得被發(fā)掘。汽車方面，激光雷達(dá)、圖像識別、主動剎車、胎壓等新傳感器短期需求將會持續(xù)增加 [27]；醫(yī)療方面，用于護(hù)理點(diǎn)的微流控 MEMS、用于監(jiān)測人體溫度的微型測輻射熱儀、用于醫(yī)學(xué)成像的壓電微機(jī)械超聲換能器（PMUT）將會是 MEMS 的新天地。[28]
3. 降本增效的關(guān)鍵是代工
對 MEMS 行業(yè)來說，一直無法解決的問題就是市場規(guī)模在膨脹，但單器件卻越來越便宜。對下游廠商而言，用 MEMS 就是為了便宜 [29]。MEMS 封裝測試占總成本 30%~70%[30]，因此對國產(chǎn) MEMS 廠商而言，想掙錢，就要先降低制造成本。
國外大多數(shù) MEMS 企業(yè)是 IDM 模式（Integrated Device Manufacturer，指從設(shè)計、制造、封裝、測試到銷售一體化垂直整合型公司），這些企業(yè)都擁有自主的制造能力。但國內(nèi)則是以 Fabless 模式（設(shè)計型公司）為主導(dǎo)，雖然這些公司設(shè)計的產(chǎn)品越來越強(qiáng)大，但制造能力依賴外部代工廠。
更為困難的是，國內(nèi) MEMS 晶圓生產(chǎn)能力與國際先進(jìn)水平差距較大。據(jù)中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院信息顯示，國內(nèi)僅華潤上華、中芯國際、上海先進(jìn)半導(dǎo)體寥寥幾家公司的晶圓生產(chǎn)線與國際水平相近，且生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)無法達(dá)到國外規(guī)?；a(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，同時國內(nèi) MEMS 封裝技術(shù)沒有統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品外形千差萬別。[30]
總而言之，當(dāng)制造不再是問題，國產(chǎn) MEMS 就會越來越強(qiáng)大。另外，國產(chǎn)制造商還能通過添加更多附加服務(wù)，來抵消影響，如提供高度復(fù)雜的軟件支持或提供支持 AI 的傳感解決方案。
4. 技術(shù)和市場要圍繞應(yīng)用走
MEMS 在市場的價值一定是體現(xiàn)在應(yīng)用上的，反觀應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三次進(jìn)化：2000 年~2010 年是離線時代，傳感和執(zhí)行的價值僅限于獨(dú)立動作，如屏幕旋轉(zhuǎn)、計步、硬件打??；2010 年~2020 年是在線時代，MEMS 開始與云端連接，如地理定位、狀態(tài)監(jiān)測、汽車導(dǎo)航和 3D 打印；2020 年到現(xiàn)在是生活時代，離線和在線已經(jīng)沒有差別，通過內(nèi)置機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核、微型 DSP 并應(yīng)用人工智能技術(shù)，讓數(shù)字和真實(shí)之間無縫銜接，如零延遲反饋、預(yù)測性維護(hù)、全息圖等。[29]
國產(chǎn) MEMS 研究界和產(chǎn)業(yè)界除了要追趕新材料（如 PZT、氮化鋁、氧化釩）、新封裝（如 3D 晶圓級封裝）技術(shù)以求進(jìn)一步降本增效外，還應(yīng)注重與下游應(yīng)用的匹配，做到感、知、聯(lián)一體化。
對 MEMS 來說，最重要的是能做什么。當(dāng)應(yīng)用鋪開，市場自然會打開。
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本文來自微信公眾號：果殼硬科技 （ID：guokr233），作者：付斌 編輯：李拓
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