【华安证券】半导体行业深度：MEMS传感器关注射频、惯性和压力三大应用领域.pdf

2024-04-01

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1 MEMS行业整体情况

1.1什么是MEMS

MEMS全称Micro Electromechanical System,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惯性(15.03亿，占比12.47%，CAGR5.2%)。

1.3 MEMS主要的应用领域

MEMS 行业是百亿关金大市场。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。

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。

滤波器是构建射频徽波子系统最重要、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) Avago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，RF MEMS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17.90亿美全和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。工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%，霍尼书尔市场占比6%，ADI市场占比为7%。MEMS 慣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,突破了若干关键技术,莫定了技术发展基础。

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蹬出了一条新路，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坏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运,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情并完成下一步动作,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(1C)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压力传感器那祥做得像1C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)受到静电等方式的剩激，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、TE Connectivity 和英飞凌凭借进入行业较早建立的技术，资金璧垒。同时凭借巨大的规模经济效益占据全球市场中20亿关金中的超过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。

从MEMS压力传感器整体行业应用看。压力MEMS传感器主要的下游应用包括汽车、生命医学领域、航天领域应用。

在汽车工业领域的应用中，MEMS压力传感器具有很广泛的应用，可以对汽车的行驶速度、燃油消耗量、耗油量以及汽车的安全性等进行测量。在汽车的行驶过程中，需要对汽车的速度、油耗以及安全性进行检测。

在生物医学领域的应用中，可在诊断系统及检测系统，如颅内压力检测系统中应用压力传感器。通过微机电系统(MEMS)技术将数据以数宇形式传输到计算机中。随着生命科学的发展，应用于生命科学中的MEMS传感器已广泛应用于各种生物医学系统中。比如在细胞培养实验中，通过检测细胞内的压力变化来研究细胞的生长情况;在生理学实验中，利用MEMS传感器测量生物体内气体和液体的浓度来研究生物反应情况等。

在航天领域的应用中，利用压力传感器能够对航天飞行器及宇宙飞船的姿态进行控制，对火箭、卫星、喷气发动机、高速飞行器等耐热腔体表面的压力进行测量。在我国航天事业发展过程中，随着科技水平和工艺技术的提高，在载人飞船、空间实验室和空间站等航天器上也都应用了MEMS压力传感器。

3 MEMS行业主要关注的上市公司

3.1赛微电子:MEMS 领域纯代工厂全球排名第一

賽徽电子深耕MEMS 微系统领域,通过收购瑞典Silex逐渐转型为MEMS 技术开发服务和纯代工厂商。赛微电子前身耐威科技成立于2008年，于2015年在创业板上市，主要从事导航业务和航空电子业务。2016年通过全资收购瑞通芯源获得全球领先的MEMS纯代工领域龙头瑞典公司Silex控股权，同年公司在北京开始筹划建设FAB38英寸MEMS 代工厂。2019年公司完成非公开发行引入战略股东国家集成电路产业基金，2021年公司再度完成非公开发行募资23亿元表明了加码进军MEMS 本土制造的决心。自2020年初开始，公司逐步剥离非半导体业务，至2022年已基本完成。目前公司主营业务分为MEMS 工艺开发、MEMS 代工制造。

公司全资子公司瑞典Silex是全球领先的纯MEMS 代工企业，服务于全球各领域巨头厂商，且正在瑞典持续扩充产能;同时公司控股子公司賽莱克斯北京已投入运营并持续推动产能爬坡，因此合理预计公司有望继续保持地MEMS 代工的全球领先地位。根据Yole的统计数据，2012年至今，璃瑞典 Silex在全球MEMS 代工厂营收排名中一直位居前五，与意法半导体(STMicroelectronics)、TELEDYNEDALSA、台积电(TSMC)，索尼(SONY)等厂商持续竞争，2019-2022年则在全球MEMS纯代工厂商中位居第一,在2022年全球MEMS厂商综合排名中居第26位。随着公司境内外新增产线及产能的陆续建设及投入使用，公司整体将继续保持在全球MEMS 制造产业竞争中的第一梯队。

赛徽电子定位中游代工环节，工艺开发能力强。MEMS 行业存在产品品类多、工艺非标准化的特点，无法通过单一工艺支持整个产品世代。针对每个单独产品采取不同的工艺策略，而对每个客户高度定制化的属性，代工厂需要不断进行工艺开发，因此工艺平台的Knowhow和生产的管理需要长期经验积累。公司全资子公司Silex拥有164项国内/国际MEMS核心专利，同时具备多项目并行开发的能力，满足客户多样化多批次需求。

賽徽电子产品覆盖领域广泛，具备全球性的销售渠道、坚实的客户基础，市场储备良好。公司MEMS 产品包括消费电子领域的硅基麦克风、工业生产领域的惯性传感器、汽车和光通信领域的微镜、生物医学领域的微流控/芯片实验室、无线通信领域的射频芯片,以及光通信领域的硅光子等。公司客户遍及全球各个行业，包括全球DNA/RNA 测序仪龙头、光刻机巨头、新型超声设备巨头、网络通信和应用巨头以及工业和消费细分行业的领先企业等。

公司产能主要包括瑞典产能和北京产能。公司在瑞典拥有一座成熟运转的MEMS 晶圆工厂，内含两条8英寸产线;在北京拥有一座已建成运营、具备规模产能的MEMS品圆工厂，内含一条8英寸产线;该两座晶圆工厂均处于持续扩产状态，其中瑞典产线通过添购部分设备、收购半导体产业园区推动扩产，以满足相关客户的订单需求;北京产线则主要是陆续推动产能从当前的1.2万片1月向3万片1月产能扩充，并持续扩大晶圆类别及客户领域。

3.2高华科技:高可靠压力和温湿度传感器和传感器网络系统供应商布局商业航空航天

公司主营业务为高可靠性传感器及传感器网络系统的研发、设计、生产及销售，主要产品为各类压力、加速度、湿湿度、位移等传感器，以及通过软件算法将上述传感器集成为传感器网络系统。依托高可靠性传感器产品的自主创新优势，公司核心产品具有可靠性高、一致性好、集成度高的特点，较早得到航天客户的关注，成功参与了载人航天工程的项目配套，并逐渐被应用于其他各高可靠领域。

随着公司的研发和生产能力的提升，在航天领域，公司参与并圆满完成了载人航天工程、探月工程、北斗工程、空间站建设工程等重点工程配套任务;在航空领域，公司参与了多型新一代战机的配套;在兵器领域，公司参与了信息化装备的传感器配套任务;在轨道交通领域，公司参与了和谐号、复兴号等高铁动车的传感器国产化配套;在冶金领域，公司产品已被座用于宝武集团、建龙集团等企业的冶炼设备健康监测系统。公司与上述领域的重要客户建立了长期稳定的合作关系。

公司的高可靠性传感器指满足国标、军标、宇航级标准等要求下，可在恶劣和严酷环境(如高湿、低温、高冲击、强腐蚀性和复杂电磁环境等)下长期稳定工作的传感器。在传感器领域，终瑞应用场景需求会决定工艺技术和感测原理的选择。目前，公司压力、加速度、湿度传感器均采用MEMS 技术，振动、温度、位移传感器未采用MEMS技术。

在传感器网络化和智能化的发展趋势下，依托自身在传感器领域的优势，公司根据军用领域和工业领域客户的需求，为其定制传感器网络系统。该产品将公司自主研发的传感器产品与信号采集及处理技术相结合，形成集信息采集、传输、处理于一体的综合系统,可为客户实现设备健康状态监测、远程运营维护等功能。目前，公司已开发出多种可应用于不同领域的传感网络系统。

高华科技持续围绕基于MEMS 相关技术自主研发设计高可靠性传感器以及传感器网络系统相关产品的发展战略，经过多年的技术和累与研发投入，目前已具备MEMS相关芯片的自主设计能力。随着研发及生产工作的不断推进，公司自主设计的MEMS芯片预计将于2022/2023年底开始逐步实现量产。

目前，公司在研的MEMS芯片为压力敏感芯片，按技术原理可分为扩散硅原理和SOI原理两大类，其中扩散硅原理芯片是目前国内市场上MEMS 压力传感器主要采用的芯片，该类芯片具有灵敏度高、精度高、动态特性好、耐腐蚀、响应时间短、易批量生产、易多功能集成等特点。但是由于硅材料的禁带宽度受温度限制，在高温工作时会国电子跃迁导致失效，而SOI原理芯片相较于扩散硅原理芯片，可有效缓解PN结漏电带来的工作温度受限、电性能溧移等问题，因此，该类芯片具有耐高温、可靠性高等优势。

公司自研的扩散硅芯片通过特有的屏蔽技术和独有的结构设计实现了抗电磁干扰、宽温区、高线性度、优迟滞性、高可靠性等特性;公司自研的SOI芯片相较于外采通用的SOI芯片，通过调节掺杂浓度，改善了常见的温度漯移问题,满足了传感器宽温区、严酷环境适应性的使用要求。

3.3芯动联科:高可靠惯性传感器布局自动驾驶

芯动联科的主营业务为高性能硅基MEMS 惯性传感器的研发、测试与销售。目前，公司已形成自主知识产权的高性能MEMS惯性传感器产品体系并批量生产及应用，在MEMS惯性传感器芯片设计、MEMS工艺方案开发、封装与测试等主要环节形成了技术闭环，建立了完整的业务流程和供应链体系，公司主要产品为高性能MEMS 惯性传感器，包括MEMS陀螺仪和MEMS 加速度计，均包含一颗微机械(MEMS)芯片和一颗专用控制电路(ASIC)芯片。陀螺仪和加速度计通过惯性技术实现物体运动姿态和运动轨迹的感知，是惯性系统的基础核心器件，其性能高低直搂决定惯性系统的整体表现。硅基MEMS 惯性传感器因小型化、高集成、低成本的优势，成为现代惯性传感器的重要发展方向。

公司MEMS 陀螺仅的主要特点为:基于SOI体硅工艺采用独特的多质量块全对称解耦合结构设计及自校准自补偿电极，在保持高性能的前提下易生产，对温度不敏感，同时能够起到对冲击和振动的抑制作用。MEMS陀螺仅的数模混合ASIC具备自校准、自诊断、自标定、自适应等智能算法，使本产品相比传统惯性器件易使用、低成本、更智能。传统的惯性器件主要应用于系统复杂、高价值平台(如卫星、车辆、高铁、舰船、石油开采设备)，但由于其体积大、价格高、抗机械冲击能力弱，不具备大规模量产能力，同时也制约上述应用平台向小型化、低成本化、智能化发展。公司MEMS陀螺仪借助半导体技术，实现了批量化生产，并且具有智能化程度更高和成本更低的优势。

陀螺仪技术方面，传统的陀螺仅如环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪、动力调谐陀螺仪、半球谐振陀螺仪、静电悬浮陀螺仪等产品，主要是为系统复杂、高价值应用平台(如卫星、飞船、飞机、高铁、舰艇、石油开采设备)提供惯性技术服务，但由于其体积大、价格高、抗机械冲击能力差，大规模量产能力有限，制约着上述应用平台小型化，低成本化、智能化发展。公司高性能MEMS陀螺仪核心性能指标已达到国际先进水平，亦可达到部分光纤陀螺仪和激光陀螺仪等传统陀螺仪精度水平，同时公司MEMS陀螺仪借助半导休技术，体积、重量和功耗相比上述传统陀螺仪优势明显，有力推动了MEMS陀螺仪在高性能惯性领域的广泛应用，成为部分行业用户的首选。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）