MEMS惯性传感器发展历程
MEMS惯性传感器发展历程
1954年，压阻效应的出现为微型压力传感器的研制提供了理论基础，而60年代Draper实验室对MEMS加速度计的研发工作启动也标志着该行业进入启动期阶段，在启动期期间，多项革命性的产品出现，为后来的产品提供了原型。
经过了40年左右的启动期过渡，美国ADI公司研制出世界上第一款单片集成的 商用陀螺仪ADXRS标志着该行业的高速发展期正式开始，MEMS加速度计不断向着轻量化、高精度、经济化的方向发展。
萌芽期——开始时间：1954 结束时间：1960。行业大事件：1954年，C.S史密斯发现了压阻效应，为微型压力传感器的研制提供理论基础。该理论的提出标志着MEMS传感器行业萌芽期的开始。1958年，杰克·基尔比发明了第一块集成电路，加速了MEMS行业创新的步伐 。
行业影响：压阻效应的发现是惯性传感器发明最核心的理论基础，自1954年之后，在此理论基础上压阻效应的理论不断发展，最终推动MEMS传感器的 出现。杰克基比尔的发明证明了将电子元器件集成到一个晶片上是可行的，在集成电路之前，晶体管之父肖克利发明的晶体管为集成电路的发展奠定了元件基础。
启动期——开始时间：1960 结束时间：2000。行业大事件：20世纪60年代末，对MEMS加速度计的研究和开发工作开始启动，主要研发单位为美国的Draper实验室、斯坦福大学以及加州大学伯克利 分校。20世纪70年代，综合MEMS工艺与压阻效应，出现了压阻式加速度计。1989年，美国Draper实验室研制出第一台振动式微机电陀螺仪 。
行业影响：60年代开始，MEMS加速度计的产品概念被提出，研究工作正式启动，而后在美国Draper实验室的推动下，该行业革命性的产品陆续出现， 同时MEMS加速度计实现商业化。1989年首台振动式微机电陀螺仪的发明为该行业走上高速发展期提供了有力的推动力量。
高速发展期——开始时间：2000 结束时间：2022。行业大事件：2002年，美国ADI公司研制出世界上第一款单片集成的商用陀螺仪ADXRS。2006年，日本兵库大学的K. Maenska报道了一种仅由一个带电极的锆钛酸铅棱柱体构成的新型的压电振动固态微机械陀螺。2013年，法国电子与信息技术实验室设计出一种采用了横向悬挂设计的3D电容音叉陀螺。
行业影响：第一款单片集成的商用陀螺仪ADXRS标志着惯性传感器行业进入高速发展期，其产品应用越来越广泛，MEMS加速度计将向着轻量化、高精 度、经济化的方向发展。自21世纪以来，随着集成电路及计算机行业的迅速发展，MEMS加速度计更多应用于汽车安全气囊，而且在手机、 计算机等电子消费产业中发挥越来越重要的作用。
中国MEMS惯性传感器产业链分析 中国MEMS惯性传感器行业产业链分为三个环节 产业链上游参与主体为传感器设计企业、软件、原材料及设备供应商，产业链中游参与主体是传感器加工、封装测试企业，纯MEMS晶圆制造企业是MEMS惯性传感器晶圆的主要加工企业，产业链下游参与者为传感器应用解决方案提供商及终端设备系统集 成商等。
MEMS惯性传感器产业链上游传感器设计企业与国际领先企业差距相对较小，软件开发、原材料和设备企业与国际同类企业均存在较大差距；中游环节的国际MEMS晶圆加工以8英寸晶圆产线为主，中国本土MEMS晶圆产线规格相对落后；消费电子和汽车是MEMS惯性传感器主要终端应用领域，占其应用市场总产值的70%以上。
总体来说，MEMS惯性传感器产业链条链路较为复杂。上游包含原材料、设计、设计软件等参与方，下游囊括消费电子、汽车、工业、医疗、航天等多个 领域，因此其中游产品的价格将受到多方面因素影响，且其中竞争者众多，国产厂商议价能力不强。
（1）上游环节
①设计
设计企业是将传感器由概念转化为产品的主要推动者。当前，中国本土MEMS惯性传感器设计企业在加速度计方面已具备较强研发能力，可设计具备优异性能参数的高端单轴、二轴、三轴加 速度计，产品不仅可用于手机、可穿戴设备等消费级加速度计应用领域和汽车惯性导航等中端工业级领域，还可用于航空航天等高端工业级领域。由于MEMS陀螺仪技术更加复杂，设计难度相对加速度计更高，在民用领域，中国本土MEMS惯性传感器设计企业研发能力相比国际领先企业较为薄弱，多定位于低端消费级产品应用领域，在军用领域，中国具备航空航天等领域高端MEMS陀螺仪的研制能力，主要原因为，基于国家战略安全考虑，中国科研事业单位可不计成本地研制高性能产品。
②软件
设计软件主要用于对MEMS传感器机械结构进行有限元分析模拟，如CoventorWare、Ansys、 Solidworks等，集成电路EDA软件用于模拟传感 器信号处理电路，如Cadence、Synopsis等。
设计软件的使用可提高MEMS惯性传感器设计者的工作效率，为设计者的研发提供基础工具保 障。从国际格局上看，预计在2025年EDA国产率能达到35%，受到美国的限制，中国发展核心部件国产化刻不容缓；2020-2025年，中国集成电路企业新增率为5%左右，整体来说该细分领域已经进入高质量发展阶段。
③原材料
MEMS惯性传感器的原材料包括硅晶圆、硅靶材、金属靶材、封装材料等，其中晶圆是制造集成电路的基础材料，硅晶圆的尺寸和纯度对芯片加工成本和产品品质造成重要影响。
目前，中国 MEMS惯性传感器加工采用的晶圆尺寸包括4英寸、6英寸和8英寸，晶圆尺寸越大，单位晶圆材料可产出的芯片数量越多，单位加工成本越 低。6英寸和8英寸是传感器晶圆的主流尺寸。
尽管中国晶圆企业起步较晚，本土企业晶圆供应能力远低于日本信越、日本胜高、台湾环球晶圆等全球头部企业，上海新昇等本土头部企业生产工艺和规模不断提升，已能提供8英寸及以上尺寸晶圆，MEMS惯性传感器原材料保障能力获得增强。
以市场占比超过50%的消费级MEMS惯性传感器6轴IMU为例，产品加工费用约0.17美元/颗（MEMS传感器芯片加工费约0.1美元/颗， ASIC加工费约0.07美元/颗），产品封装费约0.2 -0.3美元/颗，产品测试费约0.15美元/颗。在MEMS惯性传感器量产阶段，封装费用是目前MEM S惯性传感器最主要成本，而加工费可通过规模化生产效应得以显著摊薄，因此传感器的成本降低难点主要体现于如何降低封装成本。
④设备企业
MEMS惯性传感器设备包括光刻机、PVD、CVD、刻蚀机等加工设备、键合机、划片机等封装设备和传感器参数测试设备，由于当前中国本土设备难以满足中高端MEMS惯性传感器生产要求，设备多为Ulvac、Veeco等欧美日先进设备供应商提供。
此外，基于商业机密等方面考虑，部分先进的高精度MEMS传感器测试设备进口中国受限，为中国MEMS惯性传感器产品性能参数的验证带来不利。
（2）中游环节
A：加工
晶圆代工企业可分为三类：
①纯MEMS晶圆制造企业：仅提供MEMS晶圆加工服务，该类 企业提供代工服务的特点为产品生产批次多，可 为上游各类客户提供MEMS代工服务。纯MEM S代工的代表性企业包括Micralyne、Tronics和Silex（已被中国本土企业赛微电子收购）等；
②传统集成电路代工企业：通过调整加工工 艺亦可提供MEMS晶圆加工服务，该类企业产 能规模庞大，多为客户提供规模化加工服务。传 统集成电路代工的代表性企业包括台积电TSM C、格罗方德、中芯国际SMIC和上海先进ASMC等；
③IDM企业：亦提供MEMS晶圆加工 服务，客户一般是与IDM企业自身业务无利益冲 突的企业，因此IDM企业可代工的产品种类较少，客户资源较少。提供代工的IDM代表性企业 包括博世、意法半导体和士兰微等。
B：封装测试 MEMS惯性传感器需放置于多轴转台、振动台、冲击台等设备测试其处于不同外部环境时性能参数的变化情况。而该外部激励测试完全由MEMS惯性传感器设计者根据应用场景需求制定，因此，MEMS惯性传感器设计企业需根据不同应用场景对产品的测试方案进行针对性设计。
（3）下游环节
应用解决方案提供商、终端设备系统集成商
中国MEMS惯性传感器行业产业链的下游参与主体为传感器应用解决方案提供商及终端设备系 统集成商，该类企业将惯性传感器与其他功能器件集成为模组或系统，装配于终端电子设备中。
MEMS惯性传感器是测量物体运动状态的重要 器件，集成MEMS惯性传感器的终端电子设备 广泛应用于智能手机、可穿戴、消费级无人机等 消费电子领域、汽车安全系统、ADAS （先进驾 驶辅助系统）、自动驾驶等汽车电子领域和机器 人、工业自动化设备、航空航天等工业领域以及医疗等领域。
消费电子和汽车电子是MEMS惯 性传感器最主要下游应用领域，消费量占比超过 70%
编辑：xiaoYing 最后修改时间：2023-04-06
