MEMS惯性传感器投资策略解析

中国半导体产业中存在着巨大发展空间的领域除了CPU、GPU、FLASH、DSP和FPGA之外，MEMS惯性传感器也是一个关键的领域，在半导体器件国产化日益高涨的今天，呼唤MEMS惯性传感器领域的“王者”。

第一节

MEMS传感器介绍

一、MEMS传感器技术介绍

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）即微机电系统，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，可批量制作，将微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至接口、通信和电源等集为一体的微型器件或系统。MEMS是利用传统的半导体工艺和材料，通过微米技术在芯片上制造微型机械，并将其与对应电路集成为一个整体。受益于普通传感器无法企及的IC硅片加工批量化生产带来的成本优势，MEMS同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。

MEMS其工作原理是外部环境物理、化学和生物等信号输入，通过微传感器转换成电信号，经过信号处理（模拟信号或数字信号）后，由微执行器执行动作，达到与外部环境“互动”的功能。如图1-1-1所示。

传统麦克风传感器与MEMS麦克风传感器对比如图1-1-2所示。

MEMS传感器品种繁多，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。每种MEMS传感器又有多种细分方法，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。常见的MEMS传感器有压力传感器、加速度传感器、微机械陀螺仪、惯性传感器、MEMS硅麦克风等。

二、MEMS惯性传感器介绍

MEMS惯性传感器主要是指MEMS加速度计和MEMS陀螺仪。MEMS惯性传感器在1990年代开始规模应用在汽车工业和国防工业，20世纪初开始应用于手机等消费电子领域，物联网有望引领下一波增长浪潮（如图2-1-1所示）。

MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，均由一颗MEMS芯片和一颗ASIC芯片组成，二颗芯片封装一起构成了陀螺仪或加速度计，如图2-2-2所示。

集成若干轴加速度计和陀螺仪为一体，可构成IMU（Inertial Measurement Unit惯性测量单元），IMU可用于测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度。ST的九轴MEMS IMU传感器（三轴陀螺仪+三轴加速度计）、InvenSense的九轴IMU传感器（三轴陀螺仪+三轴加速度计），如图2-2-3所示。

低精度的MEMS惯性传感器的应用领域以消费电子为代表，如手机、游戏机、无线鼠标、数码相机、硬盘保护、计步器、防盗系统、GSP导航、老人健康检测、玩具、玩具级无人机、智能运动器械等产品中，基本功能是测量物体的直线加速度、倾斜角度、转动速度、振动频率和力度等，这些基本的物理信号通过应用程序的开发，可以衍生出各种各样的功能。主要供应商为ST、Bosch、Invensense（TDK）、Mcube、苏州明皓、Kionix（Rohm）等。

中精度的MEMS惯性传感器的应用领域以汽车为代表，主要功能为：安全气囊触发、电子稳定系统、防侧翻、轮胎防盗、TPMS（胎压监控）、GPS辅助导航、自动驾驶等。根据功能不同规格不同，如安全气囊触发的加速度计量程在±70g～±100g，电子稳定系统、防侧翻等的加速度计量程～±2g，零偏温漂在±0.1～±1mg/℃，电子稳定系统的陀螺仪的量程在±200°/s～±500°/s，零偏稳定性（常温Allen）在2～15°/h，另外还有精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、工厂机械、工业级无人机、仪器仪表、轨道交通等应用领域。主要供应商为ADI、Bosch、松下、精工、Murata、Silicon sensing、Infineon、MEMSIC等。

高精度的MEMS惯性传感器的应用以航天和国防领域为代表，包括导弹导引头、通信天线指向控制、智能炮弹、光学瞄准稳定系统、水下物体导航、飞机姿态监控、战场机器人等，其性能指标要求全工作温度区域得到保证，其中小量程加速度计的量程在10～100g，零偏稳定性<10mg；大部分陀螺仪的量程在100°/s～500°/s，零偏稳定性（常温Allen）在0.2°/h～1°/h。主要供应商为Honeywell、BEI、Sensonor、Colibrys、Endevco、Systron Donner、Sagem等。

第二节

MEMS惯性传感器行业分析

一、MEMS传感器所属行业和法规

（一）所属行业

根据中国证监会发布的《上市公司行业分类指引》（2012 年修订）规定，MEMS传感器所属行业为“计算机、通信和其他电子设备制造业”（C39）；根据国家统计局2017年6月颁布实施的《国民经济行业分类》国家标准（GB/T4754-2017），MEMS传感器所处行业为“计算机、通信和其他电子设备制造业”行业下的“电子元件及电子专用材料制造”（C3983）子行业，细分行业为敏感元件及传感器制造。

（二）行业监管体制、主要法律法规及政策

1、行业监管体制

1) 行业监管体制及主管部门

MEMS传感器所属行业的主管部门主要为工信部。工信部主要负责研究拟定信息化发展战略、方针政策和总体规划；拟定本行业的法律、法规，发布行政规章；组织制订行业的产业政策、产业规划，组织制订行业的技术政策、体制和标准等，并对行业的发展方向进行宏观调控。

2）行业协会及其他组织

中国半导体行业协会是MEMS传感器所属行业的行业自律组织，主要负责产业及市场研究，对会员企业提供行业引导、咨询服务、行业自律管理以及代表会员企业向政府部门提出产业发展建议和意见等。

工信部和半导体协会构成了惯性传感器行业的管理体系，各惯性传感器企业在主管部门的产业宏观调控和行业协会自律规范的约束下，面向市场自主经营，自主承担市场风险。

2、行业主要法规及政策

近年来，国家层面大力推进MEMS传感器行业发展，包括如下。

2017年12月，工信部发布智能传感器产业三年行动指南（2017-2019年）。到2019年，建成智能传感器创新中心；模拟仿真、设计、MEMS工艺、晶圆级封装和个性化测试技术达到国际水平；涵盖智能传感器模拟与数字/数字与模拟转换(AD/DA)、专用集成电路（ASIC）、软件算法等的软硬件集成能力大幅攀升。支持企业探索研发新型MEMS传感器设计技术、制造工艺技术、集成创新与智能化技术等，持续提升原创性研发能力，逐步构建高水准技术创新体系。核心技术攻关工程包括：提升MEMS传感器集成化水平，推动集成距离、环境光、三维景深等光学组合智能传惑器产品实现商用。

2015年5月，国务院公布《中国制造2025》，在十大重点领域中明确提出要突破机器人本体、减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈。

2013年2月，工业和信息化部、科技部、财政部、国家标准化管理委员会组织制定了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》，制定了具体的产业发展目标，并给出了 2013-2025 年的发展路线图。

2013年2月，国务院发布《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》，其中着重提出“加强低成本、低功耗、高精度、高可靠、智能化传感器的研发与产业化，着力突破物联网核心芯片、软件、仪器仪表等基础共性技术，加快传感器网络、智能终端、大数据处理、智能分析、服务集成等关键技术研发创新”。

2011年2月，工业和信息化部印发《物联网“十二五”发展规划》，提出“提升感知技术水平。重点支持超高频和微波射频身份标签、智能传感器、嵌入式软件的研发，支持位置感知技术、基于MEMS的传感器等关键设备的研制，推动二维码解码芯片研究”。

二、MEMS传感器产业链

MEMS是多学科交叉的复杂系统，其产业链类似于传统半导体产业，整个产业链涉及设计、制造、封装测试、软件及应用方案环节。MEMS产业链的上游负责MEMS器件设计、材料和生产设备供应，中游生产制造出MEMS器件、下游使用MEMS器件制造终端电子产品，MEMS产业链如图2-2-1所示。

大部分MEMS行业的主要厂商是以Fabless为主，例如楼氏、HP、佳能等。同时，平行的也有IDM厂商垂直参与到整条产业链的各个环节，比如Bosch、ST等都建有自己的晶元代工生产线。

MEMS设计，作为MEMS的核心门槛之一，因为其fabless的轻资产特性，及其核心门槛，国内公司投资较为积极。国内有众多比较知名的Fabless，例如海思半导体、展讯、RDA、全志科技、国民技术、澜起科技等等。

MEMS制造目前主要分为三类，纯MEMS代工、IDM企业代工和传统集成电路MEMS代工。与其将MEMS看做一种产品倒不如把它看成一种工艺，MEMS器件依赖各种工艺和许多变量。只有经过多年的工艺改进及测试，MEMS器件才能真正被商品化。研发团队一般需要大量时间来搜索有关工艺及材料物理特性方面的资料。利用单一一种材料（如多晶硅）制得的器件可能需要根据多晶硅的来源及沉积方法来标记工艺中的变化。因此每一种工艺都需要长期、大量的数据来稳定一个工艺。

国内MEMS代工厂华润上华、中芯国际、上海先进等，硬件条件虽与国际水平相近，但开发能力远不及海外代工厂；中国MEMS代工企业还未积累起足够的工艺技术储备和大规模市场验证反馈的经验，加工工艺的一致性、可重复性都不能满足设计需要，产品的良率和可靠性也无法达到规模生产要求。因此商业化阶段的本土设计公司更愿意同TSMC、X-Fab、Silex等海外成熟代工厂合作。

三、MEMS传感器市场容量

按Yole预测，2017年MEMS传感器销售额占全部传感器市场的30%，约120亿美元。2015-2021年MEMS传感器年均增长率约为14%，高于全部传感器市场12%的增长率。如图2-3-1所示。

MEMS传感器在无人机和机器人应用领域产品划分如图2-3-2所示。

四、惯性传感器陀螺仪和加速度计发展趋势

（一）陀螺和加速度计介绍

1、陀螺

陀螺仪是惯性导航中一种重要传感器，能检测载体相对惯性空间转动角速度或绝对角度，是惯性导航与制导、运动系统的姿态监测与稳定控制的核心部件。陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性，按照零偏稳定性的大小，陀螺仪可以分为惯性级（小于0.01°/h）、战术级（0.1~10°/h）和速率级（大于10°/h）。

根据陀螺的工作原理，可将陀螺分基于经典力学原理的陀螺和基于近代物理学原理的陀螺。在工程实践中，根据敏感载体相对惯性空间的角速度的介质的不同，将陀螺分为转子陀螺、光学陀螺、磁流体陀螺、原子陀螺等。最为常见的转子陀螺包括液浮陀螺、动力调谐陀螺、静电陀螺、振动陀螺，光学陀螺包括激光陀螺、光纤陀螺，微机械陀螺包括已经应用于工程实际中的MEMS（Micro-Electron-Mechanical-System，简称MEMS）陀螺和正处于研发阶段的NEMS （Nano-Electro-Mechnical-System，NEMS）陀螺。

与传统机械转子陀螺、静电陀螺、激光陀螺和光纤陀螺相比，基于MEMS技术的陀螺，具有体积小、成本低、功耗小、可靠性高、可批量生产的特点。

2、加速度计

加速度计是一种惯性传感器，能够测量物体的加速度，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。

利用MEMS技术设计的加速度计由于采用了微机电系统技术，使得尺寸大大缩小，具有体积小、重量轻、能耗低等优点。

（二）国内外陀螺发展趋势

美国Draper 实验室对2001年、2005年和2020年陀螺仪的发展和应用进行了分析和预测（如2-4-1、2-4-2、2-4-3所示），可以看出各种陀螺仪的发展趋势。

光纤陀螺（FOG）和石英/硅微机电MEMS陀螺发展迅速。

2020年石英/硅微机电MEMS陀螺将占领中低精度应用领域。

（三）国内外加速度计发展趋势

美国Draper实验室对2001年、2005年和2020年加速度计的发展和应用进行了分析和预测（如图2-4-4、2-4-5、2-4-6所示），从中可以看出各种陀螺仪的发展趋势。

微机电MEMS加速度计发展迅速,，将取代石英挠性和液浮加速度计。

高精度机电加速度计仍保持原有应用领域，部分领域被微机电MEMS加速度计取代。

五、行业竞争现状

MEMS技术发展于20世纪90年代，是在微电子制造技术发展的基础上随着精密微型机械制造技术的发展而成长起来的，经二十多年的研究国外已经比较成熟，众多科研单位及公司如美国Draper实验室、霍尼韦尔Honeywell、ADI公司、Berkeley大学，德国Bosch公司，挪威的Sensonor，日本Toyata公司等已经有商业化产品。

我国在微陀螺领域的研究起步较晚，经过近些年的努力，关键技术研究有长足的进步，性能有大幅提高。上世纪90年代，最早的研究单位是上海微系统所、清华大学、北京大学、上海交大等，在国家“八五”、“九五”计划期间，国家自然科学基金委员会、科技部、教育部、中科院、总装备部的经费总投入约1.5亿元。“十五”期间MEMS正式列为863计划中的重大专项，加上教育部的教育振兴计划、中科院的知识创新体系、自然科学基金会和科技部的立项以及地方政府和企业的投入，预计总经费达3亿以上。“十一五”和“十二五”期间总投资在20亿以上。

国内各高校、研究所虽然做了大量的研究工作，但中高性能微机械陀螺很少有商业化产品。中高端传感器技术和产业化相比国外还有明显差距。国内MEMS传感器公司有美新半导体、明皜传感、矽睿科技、深迪半导体、敏芯微电子等。但是国内MEMS公司在营业规模、技术水平、产品结构、与国外有明显差距，60%-70%的设计产品集中在加速度计、压力传感器等传统领域。国内MEMS企业规模还相对较小，单个企业较少有年销售额超过1亿美金。《中国传感器产业发展白皮书（2014）》显示中国中高端传感器的进口比例达80%，传感器芯片的进口比例更高达90%，凸显了本土中高端传感器技术和产业化的落后。

（一）国际主要公司

（a）美国Honeywell

霍尼韦尔是一家国际性从事自控产品开发及生产的公司，公司成立于1885年。是一家销售额为333.7亿美元(2011年度)，500强排名280位。1954年，该公司收购doelcam公司，一个陀螺仪的制造商。公司不断改善陀螺仪，使之更敏感和准确，同时降低它们的大小和重量。

Honeywell高性能惯性测量单元（IMU）HG1900、HG1930等组件中均使用了MEMS陀螺，已被美国国防部和国际军队成功部署在各种武器，无人机，平台稳定应用以及商业应用中。

目前Honeywell在MEMS陀螺研制开发领域是世界上最高水平之一。

（b）挪威Sensonor公司

Sensonor公司1985年成立于挪威霍尔滕，是世界领先的小型化、高性能MEMS陀螺仪和IMU的生产商，其产品作为导航、制导和稳定平台的核心部件，广泛应用于工业自动化和航空航天等领域。

2003年被英飞凌科技收购。2009年，英飞凌MBO分拆Sensonor公司，继续专注于基于MEMS的传感器，主要关注高精度传感器的应用和市场，特别是惯性（陀螺仪和IMU）。从2012年起，Sensonor一直由瑞士投资集团所有。

公司目前主要产品是陀螺模块STIM202和STIM210，以及惯性测量单元STIM300。

（c）美国ADI公司

ADI公司1965年成立于美国马萨诸塞州诺伍德市，是高性能模拟、混合信号和数字信号处理集成电路设计、制造和营销方面世界领先的企业，产品涉及几乎所有类型的电子电器设备。

ADI公司陀螺产品主要有：商业级的加速度计ADXL3XX（普通飞行器）；工业级陀螺仪ADXRS6XX系列、工业级加速度计ADXL2XX系列（应用于专业级的空拍）；战术级ADIS1613X系列产品，主要有战术级ADIS16135、ADIS16137。

（d）瑞士Colibrys公司

Colibrys是世界领先的加速度传感器制造商, 具有完备的MEMS产品设计、研究开发、芯片生产、封装和混合机电元件测试技术。其自行研发并在瑞士生产的高精度MEMS电容式加速度传感器 主要针对恶劣环境中的应用，特别广泛地用于三个方面：军事和航天航空，能源，工业市场。

（二）国有科研机构公司

（a）中电科十三所美泰公司

美泰电子科技有限公司是中国电子科技集团公司（CETC）第十三研究所控股的有限责任公司，位于石家庄，前身是13所第十八专业部。致力于MEMS器件与系统的研发、生产和销售。国家投资近5亿元建设MEMS生产线。主要产品有MEMS惯性器件与系统、MEMS测试测量传感器、MEMS遥测传感器、射频（RF）MEMS器件、MEMS汽车传感器等。

（b）北京大学

北京大学微电子研究院微机电系统研究所成立于1995年，在王阳元院士和武国英教授领导下，从硅基加工技术的角度来开展微机电系统的研究。从1996年开始承担了"微米/纳米加工技术国家重点实验室"建设项目，以硅基MEMS加工和设计技术为主，同时承担多项ME MS研究课题。于1998年4月完成实验室建设项目验收，有工艺实验室900平米和具有国际先进水平的完善的 MEMS 加工设备，是国家微机电系统研究的重要加工基地和研究基地。

（c）清华大学

清华大学精密仪器与机械学系微电子技术研究所，主要研究各种新型微纳器件以及由它们构成的系统，研究范围是： 新器件与系统、新技术与工艺、新电路与模型、新材料与结构、新概念与原理。目前有两个主要研究方向：新型微电子器件与系统，纳电子学。仪器科学与技术研究所围绕现代科学仪器的研究领域， 主要研究方向包括微米纳米技术、光存储技术、精密仪器和测试技术、导航与控制技术、传感技术与智能仪器、智能微系统及控 制技术和生命科学仪器等，是一个多学科交叉的与校外企业和研究单位有广泛联系的以一级学科建立起来的教学研究单位。

（三）民营公司

（a）深迪半导体

深迪半导体（上海）有限公司是由美国海外留学人员创立的中国设计、生产商用MEMS陀螺仪系列惯性传感器的MEMS芯片公司，成立于2008年8月，总部位于上海张江高科技园区。公司研发了拥有完全自主知识产权的先进的MEMS工艺和集成技术，专注于为消费电子及汽车电子市场设计和生产低成本、高性价比、低功耗、小尺寸的商用MEMS陀螺仪芯片，并为客户提供各种全面的应用解决方案和极其优质的服务。

（b）苏州明皜

苏州明皜传感主要从事MEMS传感器的研发、设计和生产，并提供相关技术服务。主要产品有：加速度传感器、陀螺仪、压力传感器和磁传感器，旨在为消费电子、汽车电子、工业自动化以及航空等领域提供所需的产品和集成方案。

明皜传感由海内外知名管理和技术团队与苏州固锝电子股份有限公司共同投资创建。团队分布在苏州、美国硅谷及***新竹；团队成员执业于半导体、MEMS业界数十年，在产品设计与研发、系统集成与应用、封装测试及生产营运及市场推广等方面具有丰富的经验。

（c）苏州圣赛诺尔

苏州圣赛诺尔传感器技术有限公司是昆山圣赛诺尔传感技术有限公司与挪威Sensonor公司在国内设立的唯一合资企业，研发、制造及销售与挪威Sensonor公司同品质的高精度微机电陀螺仪产品。

第三节

MEMS惯性传感器投资策略与风险分析

一、MEMS惯性传感器投资策略

（一）中高端MEMS惯性传感器市场需求迫切，低端市场竞争激烈

在中高端MEMS惯性传感器市场，由于国内技术发展较晚，国内很多用户使用的是西方国家不限制进口的高性能MEMS惯性传感器中相对低端的产品，如Colibrys的加速度计、Sensonor的陀螺仪等，甚至使用中档性能的工业级产品，如ADI的陀螺仪等。中高端市场用户需求迫切。

而中低端市场，由于竞争者众多，产品的售价不断下降，毛利润不断下降。

（二）掌握全部核心设计技术的企业是投资的关键

MEMS惯性传感器不同于传统集成电路设计型企业，不仅要求具备ASIC设计能力，同样要求具备MEMS设计能力，ASIC和MEMS相互紧密结合，共同决定MEMS惯性传感器的最终性能。因此，掌握全部核心设计技术的企业尤为重要。

（三）掌握生产线工艺是企业的法宝

MEMS惯性传感器不同于传统集成电路设计型企业，一种产品往往是一种工艺，新工艺在 MEMS fab厂调试的周期3-6个月，稳定、易生产的工艺是保证高良品率的关键。因此，具有MEMS fab工厂，或者具有熟悉MEMS工艺的企业竞争优势明显。

（四）具备大批量供货能力是企业是投资的关键

fab厂生产的MEMS和ASIC封装后的产品，需要历经筛选试验交付最终客户，若最终合格产品低，势必影响大批量供货能力，大批量供货能力是一个企业在设计、工艺、试验等方面能力的集中体现，也是投资的最重要判断指标。

（五）属于技术和资金密集型行业，呼吁国家大基金投入

MEMS惯性传感器是属于典型的技术和资金密集型行业，国内建设了一些MEMS fab厂，但是水平距离国外大厂仍有较大差距，fab厂人员水平和生产熟悉程度需要大幅度提高。呼吁国家大基金加大在MEMS设计、工艺方面的投入。

二、MEMS惯性传感器投资风险分析

（一）国内MEMS传感器行业处于起步阶段，产业链仍不完善

中国的MEMS传感器行业，真正产业化的发展历史还不到10年，在整体技术水平上仍落后于Honeywell、博世、英飞凌等代表国际先进水平的大公司，目前国内MEMS传感器行业处于起步阶段，产业链仍不完善。

与集成电路行业高度标准化的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）制造工艺不同，MEMS传感器具有一条黄金定律，就是“一类产品线，一种制造工艺”，做眼睛的工艺很难用来做鼻子，做鼻子的工艺很难来做耳朵，随着国内高端MEMS传感器产品的进一步发展，国内MEMS专业代工厂的制造、封装和测试工艺赶上国际主流水平仍需要时日。

（二）市场竞争，利润下降风险

过去五年中，MEMS产业主要由消费类电子驱动发展，MEMS器件出货量不断攀升。但同时MEMS器件尺寸也不断减小，价格不停在下跌，利润逐渐萎缩，使得MEMS企业的日子越来越艰难。

开拓蓝海市场、产品差异化（比如丰富产品功能）可降低利润下降风险。无人机和虚拟现实设备有望成为MEMS传感器应用新蓝海，众多厂商推出六轴/九轴/十轴的MEMS器件，多集成度的MEMS器件逐渐受到青睐。

（三）高端专业人才不足

MEMS传感器设计行业是典型的技术密集型行业，MEMS传感器设计（包括MEMS设计、ASIC设计、MEMS工艺设计）对于人才的依赖远高于其他行业。经过多年的发展，国内MEMS传感器设计行业已积累一批人才，但与国际领先的企业相比，国内MEMS传感器设计行业高端、专业人才仍相对稀缺。随着市场需求的不断增长，人才匮乏的情况依然普遍存在。