多數人可能并不知道，MEMS這種低調的工業品，不僅是科技界公認最具發展潛力的研究領域之一，更是衡量工業國家核心競爭力的指標之一，被業界人士視為“一輩子都做不完的產業”。

作為無處不在的一種革命性關鍵技術，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品。蘋果、華為、三星、小米、OPPO等各種知名品牌都離不開MEMS技術。

本文從技術到中國產業現狀，全面介紹了中國的MEMS，本文關注MEMS國產替代。在本文中，你將了解到：MEMS到底是什么，MEMS的市場情況和國產化布局，國產MEMS及背后的思考。并試圖回答國產替代浪潮下，國內的MEMS企業們如何追趕的問題。國產MEMS替代機會在哪？

神奇的MEMS，是機械，也是微電子

1959年，物理學家理查德·費曼在加州理工學院的演講《微觀世界有無垠的空間》中，曾大膽構想原子尺度的工業世界，人們甚至可以吞下“外科醫生機器人”，清除動脈血栓或消滅腫瘤。

如今，這種構想不再是科幻，MEMS就是一種比人類頭發的直徑還小很多倍的微型機械，它就像細胞一樣，構建了微觀的人工智慧世界。比如吞食MEMS診斷藥丸檢測體內身體指標，并通過無線傳輸到病人體外，再比如用MEMS為細胞做手術。可以說，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“微機電系統”（Micro-Electro-Mechanical System），又稱微系統技術、微機械等。是由微傳感器、微執行器、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。該系統可在微觀尺度上單獨或批量執行傳感、控制和驅動操作，并在宏觀尺度上實現各類功能。

隨著技術的發展，科學家又提出了納機電系統NEMS（Nano-Electro-Mechanical System）的概念。由于二者結構相同，且歸屬于同一領域，下文中MEMS均代指MEMS/NEMS。

MEMS是最先進的機械技術與最先進的微電子技術的結晶。它是一種結構偏向機械，制造偏向微電子的技術，兼具微型化、低成本、高效能、大批量生產的優點，這也是它最有商業價值的地方：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械零件），組成體積極微小的器件，如通道、孔、懸臂、膜、腔等結構；另一方面，它能通過微納米技術，在芯片上制造微型機械結構，因此可大批量生產，且有較低的生產成本。用機械當五官和四肢，當機械學會感知和運動 MEMS是一種能與自然界交流的器件，感知化學、電學、機械、熱學、輻射、磁場六個能量域的環境參數，再做出相應的反應。

MEMS傳感器關注的能量域，制表丨果殼硬科技 資料來源丨Nanoscale Research Letters 感知和運動是MEMS的兩大特質，以此分為兩類：MEMS傳感器和MEMS執行器。二者功能均是將信號或功率，從一個能量域轉換為另一個能量域，傳感器是將環境信號轉換為電信號，執行器是將電信號轉換為機械運動，二者相輔相成。

MEMS傳感器和驅動器主要種類，制表丨果殼硬科技

資料來源丨和林微納招股書

MEMS傳感器被人譽為“電五官”。若把處理器比作人腦，通信比作神經系統，MEMS傳感器就是五官和皮膚，感知物理、化學或生物量的存在和強度。其機理是沉積在設備傳感層上的聚合物吸收了特定化學物質，產生了應力、質量、電氣或機械特性變化，最終由MEMS利用壓阻式、電容式或光學式等傳感機制檢測這些變化。需要強調的是，MEMS傳感器是傳統傳感器的升級版，其尺寸更小、功耗更低、性能更好。 MEMS執行器相當于人的四肢，能執行各種微操作和運動，如微馬達、微開關、微推進器、微泵和微閥等。其機理是采用電熱、電磁、靜電或壓電四種驅動機制使器件產生微觀結構運動。

MEMS驅動和傳感技術及特點，制表丨果殼硬科技

資料來源丨Nanoscale Research Letters

MEMS，比集成電路更難制造 MEMS工藝流程包括研發設計（芯片設計、工藝流程設計、機電和結構設計、設計驗證等）、晶圓制造（融合離子擴散、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、電路靜態結構到機械可動結構、半導體到機械/化學/光學等多學科交叉融合、電子產品應用環境到各種自然界或人造環境的變化。

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。

加工技術依據材料分為硅基和非硅基兩種路線。硅基MEMS加工技術以集成電路加工技術為基礎，具有批量化、成本低、集成度高等優勢；非硅基加工技術包括LIGA、準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，非硅基加工技術實現的可動微結構能夠擁有更大縱向尺寸，但批量能力差、重復性差、加工成本高。

MEMS制造工藝不完全盤點，制表丨果殼硬科技 雖然MEMS處處都好，但對研發商來說，想說愛它不容易：一方面，它擁有“一種產品，一種工藝”的特點，每種器件的設計、制造、封裝、測試方法均存在較大差異，市場很難形成標準化，成熟的產品才能表現出一定的集中度；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需6年~8年，加上測試、導入產業鏈的時間，成品甚至能花費近20年；除此之外，MEMS與集成電路產業的通病就是價格與產品重要性不成正比。 有應用才會有市場，產業步入高速發展期 其實，MEMS還是個90后，它的商用歷史只有三十多年，產業剛剛步入成熟期。從MEMS的研發歷史來看，是從結構研究逐漸到材料的過程。

MEMS技術歷史發展特征，制表丨果殼硬科技

MEMS會伴隨電子、機械、材料、信息、物理、化學、光學及生物醫學等學科的技術成長，同時當MEMS與不同技術結合會再產生新的器件。在此過程中，一些器件應用逐漸衰退，新器件應用開始起步，往復循環，生生不息。 縱覽三十多年歷史，MEMS新器件的驅動力主要源于應用，只有當新產品要用到某些器件，才會引發大規模研究和生產：

1990年~2000年汽車安全掀起第一次熱潮；

2000年~2010年智能手機引發第二次熱潮；

2010年~2020年智能手表、TWS耳機、可穿戴設備主導第三次熱潮；

2020年至今車聯網、智能家居、智能醫療、智能城市以及萬物互聯等應用讓第四次熱潮蓄勢待發。

各MEMS器件所處應用階段，圖源丨《科技情報參考》

前景雖好，但國內力量分散，無領導企業 由于MEMS的生產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。相比投資火熱的集成電路，MEMS產業相對較小，同時高技術門檻攔住了許多初創玩家。 近幾年MEMS的應用場景逐步增加，需求量持續攀升：主流智能手機開始將MEMS麥克風使用量拉升至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耳機中至少要使用2顆MEMS麥克風，用于通話、離線喚醒、音樂控制、應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。

應用帶動下，MEMS的市場前景樂觀。Yole預測，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，年復合增長率7.17%。其中，消費領域是MEMS的最大應用市場，約占整體收入的60%，其次分別為汽車、工業、醫療、航空航天和通信。

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，全球市場規模預計從2020年的90億美元提升至2026年的128億美元，年均復合增長率為6.1%。其中，壓力傳感器和慣性組合傳感器極具潛力，至2026年全球市場規模將分別達到23.6億美元和21.3億美元，其次是聲學傳感器（MEMS麥克風）、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、光學傳感器、硅基微流控器件等將持續保持增長。

以器件類型分類的MEMS市場情況，圖源丨歌爾微電子招股書 從領域上來看，消費、汽車、工業、醫療四大領域均有一定市場前景，但增速有所區別，物聯網、智慧醫療、智慧城市是MEMS主要驅動力。

不同領域分類的全球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、意法半導體、德州儀器、歌爾微、惠普、樓氏、TDK、英飛凌等。國產MEMS企業是追趕者，歌爾微（MEMS麥克風）、瑞聲科技（MEMS麥克風）、高德紅外（紅外傳感器）三家企業上榜2020年全球市場銷售額排行前30。

按細分領域劃分，MEMS聲學傳感器領域樓氏、瑞聲科技、歌爾微三家公司占據全球市場份額的75%，MEMS壓力傳感器領域博世、泰科電子和英飛凌三家公司占據全球市場份額的57%，MEMS慣性組合傳感器領域博世、意法半導體和TDK三家廠商占據全球市場份額的76%。

全球MEMS廠商TOP10，圖源丨歌爾微電子招股書 在國內，MEMS市場潛力巨大。據賽迪顧問預測，從2020年至2030年，國內MEMS市場規模將由736.7億元人民幣提升至超過1200億元人民幣。 我國MEMS起步并不比國外晚很多，但由于歷史原因導致力量分散、條塊分割、投入嚴重不足，直到2010年前后產業才形成雛形，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口，導致價格直線上升，且在MEMS的產品結構布局上不足20%。 不過好在國內已形成較好的企業資源、創新資源和載體平臺，并已擁有至少37條MEMS產線，發展后勁足。

中國MEMS產業資源分布，圖源丨賽迪顧問 從二級市場上來看，國產MEMS已擁有研發設計、設備材料、晶圓制造、封裝測試、集成應用的完備產業鏈，同時擁有豐富種類器件。

中國MEMS主要上市企業基本信息，資料來源 丨前瞻經濟學人 國內MEMS投資和兼并也持續活躍，2020年相關案例達116個、金額347億。項目投資以A輪為主，感知技術離應用層越近，越能吸引投資者，項目估值和投資金額越大。從投資項目來看，資本較為看好生物、機器視覺、自動駕駛和語音交互領域等應用。

2020年國內MEMS各領域投融資事件數量及投資金額占比，圖源丨賽迪顧問

2020年國內MEMS投融資情況及分布情況，圖源丨賽迪顧問

未上市MEMS企業不完全統計，制表丨果殼硬科技

參考資料丨國泰君安產業觀察，有刪改

國產傳感器廠商，怎么去追趕？ 作為追趕者，國產廠商該怎么走？果殼硬科技團隊認為有如下四個關鍵點： 1. 國產MEMS需要注重產業集中化 從2020年的MEMS專利數量來看，美國占全球MEMS專利總申請量的32%，處于領先狀態。雖然中國也有13%，但申請人以高校和科研機構為主，產品產業化有一定差距。另外，MEMS產業本身就較為分散，國內不僅缺乏系統性，甚至過于寄予希望于短期獲利。

因此，國產MEMS在未來要注重產業化和集中化，具體包括：

產研結合：技術是限制MEMS企業發展的一個關鍵點，通過孵化科研院所或高新技術企業，對這類企業提供必要政策、資金的支持和MEMS生產設備的支持，通過軟件、硬件配套使技術快速轉化為成熟產品；

產業合作：市場是限制MEMS企業發展的另一個關鍵點，MEMS產品單價低，從研發到上市周期長，需巨大規模才能盈利，如果能與下游客戶形成緊密的戰略合作，既能提供穩定的市場，也能充分了解下游客戶的需求；

發展路徑：先與國外企業合作，引入有市場前景的MEMS產品及技術或購買國外MEMS自行封測，再自主設計和制造低端MEMS進行國產替代，積累技術和市場，逐步突破技術進入高端市場，最后不斷吞并中小型企業，并將這種經驗復制到其他MEMS產品上，國內歌爾微、瑞聲兩家企業均是通過此種模式發展壯大。

2. 抓住下行周期的黃金期 現有市場，消費電子仍會是MEMS的主戰場，但顯現在行業上的趨勢是消費電子需求不濟，整體行業正進入下行周期，這會帶動MEMS進入整固期。此時對已入局MEMS并有技術積累的企業來說，將是黃金收購期，可抓住這次機遇利用收購快速提升競爭能力。 另外，在消費電子景氣度下降期間，汽車和醫療領域的新市場更值得被發掘。汽車方面，激光雷達、圖像識別、主動剎車、胎壓等新傳感器短期需求將會持續增加；醫療方面，用于護理點的微流控MEMS、用于監測人體溫度的微型測輻射熱儀、用于醫學成像的壓電微機械超聲換能器（PMUT）將會是MEMS的新天地。 3. 降本增效的關鍵是代工 對MEMS行業來說，一直無法解決的問題就是市場規模在膨脹，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。MEMS封裝測試占總成本30%~70%，因此對國產MEMS廠商而言，想掙錢，就要先降低制造成本。 國外大多數MEMS企業是IDM模式（Integrated Device Manufacturer，指從設計、制造、封裝、測試到銷售一體化垂直整合型公司），這些企業都擁有自主的制造能力。但國內則是以Fabless模式（設計型公司）為主導，雖然這些公司設計的產品越來越強大，但制造能力依賴外部代工廠。

更為困難的是，國內MEMS晶圓生產能力與國際先進水平差距較大。據中國電子技術標準化研究院信息顯示，國內僅華潤上華、中芯國際、上海先進半導體寥寥幾家公司的晶圓生產線與國際水平相近，且生產經驗無法達到國外規模化生產的標準，同時國內MEMS封裝技術沒有統一接口標準，產品外形千差萬別。 總而言之，當制造不再是問題，國產MEMS就會越來越強大。另外，國產制造商還能通過添加更多附加服務，來抵消影響，如提供高度復雜的軟件支持或提供支持AI的傳感解決方案。 4. 技術和市場要圍繞應用走 MEMS在市場的價值一定是體現在應用上的，反觀應用已經實現了三次進化：2000年~2010年是離線時代，傳感和執行的價值僅限于獨立動作，如屏幕旋轉、計步、硬件打印；2010年~2020年是在線時代，MEMS開始與云端連接，如地理定位、狀態監測、汽車導航和3D打印；2020年到現在是生活時代，離線和在線已經沒有差別，通過內置機器學習內核、微型DSP并應用人工智能技術，讓數字和真實之間無縫銜接，如零延遲反饋、預測性維護、全息圖等。 國產MEMS研究界和產業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）技術以求進一步降本增效外，還應注重與下游應用的匹配，做到感、知、聯一體化。 對MEMS來說，最重要的是能做什么。當應用鋪開，市場自然會打開。

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審核編輯黃宇