从市场到技术，MEMS机会展现美好未来
从几十年前的第一个图像传感器到现在的气体传感器，传感器的能力不断发展。情绪感知已经出现了，我们还没有看到味觉传感器。想象空间是无限的，消费/移动/物联网设备的下一个维度就是增加更多的感觉，这应该并不遥远！
文︱立厷
图︱Yole
7月底，Yole发布2021年MEMS行业状况报告，更新了2020年销售数量、ASP（平均售价）和市场规模，阐述了未来MEMS增长的最佳机会，并从产品和资金方面探讨了生态系统及主要利益相关者，总结了MEMS产业现状和应用趋势。
市场预期看好
Yole高级技术与市场分析师Dimitrios Damianos说：“疫情流行，全球封锁和美中贸易战对半导体产业造成了严重的影响。因此，适当的开放战略将是成功的关键。”
2026年，MEMS市场将达到182亿美元，复合增长率约为7%，传统MEMS器件会保持增长，但其增长速度较慢。增长的主要推动力是音频领域的麦克风、微型扬声器和惯性MEMS、光学MEMS的AR/VR（增强与虚拟现实）及其他应用。
按终端市场划分的 MEMS市场预测
Yole传感与执行团队首席分析师Jerome Mouly称：“去年冠状病毒疫情爆发时，各个行业立即感受到了巨大影响，给MEMS带来了后遗症。但危机并没有以同样的方式影响到所有终端市场。”他补充道：“MEMS市场严重依赖于占总市场62%的消费类应用和16%的汽车产业。因此，伴随智能手机和汽车出货量的恢复性反弹，MEMS传感器销售在2020年下半年得到了恢复。”
按设备划分的 MEMS市场预测
在经历了疲软的2019和2020年后，Yole的分析师预测，该市场将在2021年增长11%，达到134亿美元。之后以高个位数增长，2026年将增加到开头说的市值。
对于制造汽车压力传感器的MEMS厂商来说，需要警惕的一点是ICE（内燃机）车辆的减少。
市场格局和排名变化
新冠疫情、全球封锁和美国对华贸易战严重影响了半导体行业的供应链。因此，适当的发展战略已成为成功的关键。一些参与者从危机中获利，而另一些则没有，这导致了全球MEMS排名的重大变化。
博世、Broadcom、Qorvo、意法半导体（ST）、德州仪器（TI）、歌尔微电子、惠普、Knowles、TDK和英飞凌已跻身前十，总收入至少为65亿美元，占整个市场的一半以上。然而，增加收入的公司不一定是拥有最大市场份额的公司。
2020年头部 MEMS制造商市值
去年，相关公司预防冠状病毒疫情的技术有了大幅度成长，如热成像和传感或压力传感器。例如销售微辐射热测定仪的Guide IR（高德红外）、FLIR Systems和Lynrde，卖热电堆的Melexis也从中获益。与此同时，因对体温升高相关量测应用需求增加，Amphenol的压力MEMS因呼吸机和持续正压（CPAP）机器等呼吸系统需求而增长。
Broadcom和Qorvo去年业务猛增，为5G的部署提供了非常稳定的RF MEMS滤波器，比预想的情况还要好。SiTime在继续大力推动基于MEMS的计时产品取代传统的石英计时解决方案。
AAC和歌尔微电子从富有成效的MEMS麦克风需求环境中获利。这是15年来首次MEMS麦克风的领导者由Knowles转变为歌尔微电子。
博世、ST、TDK在消费和汽车领域都有业务的企业由于消费MEMS业务2020年下半期的需求恢复，抵消了汽车潜在的负面影响。
目前，RF MEMS公司的MEMS业务增长最多，其次是MEMS热传感器和麦克风。
前30名玩家成长排名
2020年头部 MEMS制造商同比变动
在上游供应链，一些厂商还有ASIC代工业务，不过，这里的代工厂排名仅考虑MEMS代工业务。
MEMS代工厂排名
MEMS领域主要公司
MEMS产业现状
由于麦克风、微型扬声器和惯性MEMS、用于光学MEMS的AR/VR以及其他新兴应用在音频领域的新机遇，MEMS市场将会增长。
去年，当新冠疫情爆发时，对各个行业的影响立即显现出来，这反过来又对MEMS业务产生了影响。但危机并没有以同样的方式影响所有终端市场。MEMS市场在很大程度上依赖于消费类应用（占总市场的62%）和汽车行业（占总市场的16%）。因此，Yole曾预计去年MEMS市场将受到新冠疫情对智能手机和汽车终端系统发货的负面影响。但事实并非如此。MEMS传感器销售在2020年下半年恢复。在关键终端市场出现稳定和复苏迹象后，制造商恢复补充库存。事实上，消费类MEMS的强劲需求已经完全抵消了汽车行业的放缓。因此，2020年MEMS市场价值接近121亿美元，较上年增长近2%。
创新带来商业机会
Yole深入调查了创新技术和相关市场，指出了最新的创新及商业机会。正如Yole团队分析的，预期增长可以通过下述几个新兴技术和机会得以提升：
麦克风和穿戴设备中的惯性MEMS，特别是TWS（真无线立体声）耳机，是通过使用麦克风和VAD（语音端点检测）实现的。为了更好地捕捉声音，需要通过加速度计对语音检测和进行骨传导降噪。2020年，苹果为AirPods Pro增加3D空间音频效果，安卓设备也可能跟进，这样IMU（惯性测量单元）的需求可能会激增。
集成在可穿戴设备或汽车内部空气监控的气体传感器和环境组合，可以帮助使用者监控周围的室内及室外空气质量。因为使用者非常关心其呼吸的空气，特别是因为冠状病毒疫情。
5年后，LiDAR（激光雷达）和AR/VR的光学MEMS的收入仍然不会太高。不过，随着ADAS/AV（高级驾驶辅助系统/自动驾驶汽车）和AR/VR市场的进一步发展，机会就在眼前。
PMUT（压电式MEMS超声波换能器）用于超声波指纹识别，也被用作智能手机和汽车物理按钮和触觉替代品。电容式MUT（CMUT）在PoC（及时现场护理）的低成本超声成像的消费者导向方面也非常有前景。
MEMS微型扬声器首先将在TWS入耳式设计中显示其优势，以替代旧的电动或平衡电枢扬声器。
不同结构的 MEMS微型扬声器
基于MEMS的传感器移位OIS（光学图像稳定）已在苹果12 Pro的相机模块中替代第一次使用的柔性PCB传感器。它还可以进入其他手机或消费设备中的其他摄像头模块。
MEMS传感器制造商正试图摆脱商品化循环并提升价值链。很明显，一条通往将MEMS传感器与AI（人工智能）/ML（机器学习）/DL（深度学习）相结合的应用的路径正在云端形成。
2020-2026年 MEMS行业收入与CAGR
挑战与应对
MEMS市场挑战正在演变，从传感器到系统，MEMS玩家都希望自己能够爬上价值链的关键位置。在过去，重点是产品收缩、价格下降和数量增加。今天，随着用例变得越来越重要，需求也在变化，而不同的传感器必须与软件融合。即使需要进行重要的数据处理，系统级的功耗也必须降低，特别是对于音频/语音人机界面（HMI）等常开型应用。
通常，来自传感器的所有数据都需要处理。现在的趋势是在更靠近传感器的地方处理数据。这有助于实现低延迟、更安全和更隐私，因为不涉及云计算。但是，组件值与数据相关联，信号链上的位置越高，价值就越高。我们看到供应链中的能力组合正在不断发展，从前端制造到封装、模块和系统集成。转向系统级方法和集成不同组件，如MEMS、专用集成电路（ASIC）、天线和电源，这些组件在同一个外壳中使用不同的材料和工艺，因此需要更复杂的系统级封装（SiP）技术，目标是提高系统级性能并降低总体功耗。
我们看到，MEMS制造商通过内部开发或并购，以顺应向系统级方法发展的各种趋势。例如：
Knowles为谷歌Pixel手机提供独立数字信号处理器（DSP）
ST在嵌入式MCU中有集成了一个有人工智能/机器学习（AI/ML）库的IMU；收购了Cartesiam的edge AI，以进一步增强其包括AI/ML的现有惯性产品
博世发布了一个MCU，上面有edge AI加速计和用于嗅觉测量和气味检测AI气体传感器
TDK发布了微型化超低功耗MEMS气体传感器平台，用于家庭、汽车、物联网、医疗保健和其他应用的二氧化碳检测
mCube收购了Kinduct的云分析部门，为客户提供可操作的解决方案
我们看到第一个迹象是，设备可以使用“phy-gital（实体数字化）”MetaWorld中最著名的五种感知功能，模拟和感知其所在的环境。MEMS的最后一步将是从简单的确定性数据采集传感器发展到更具同情心的数据解释机器。这类设备可以识别和预测用户的情绪和感受，对需求和意图做出反应，就像人有同情心一样。
MEMS应用无处不在
MEMS（微电子机械系统）是一种半导体器件，包括微米/毫米范围内的运动部件，使用光刻工艺进行制造。MEMS传感器将物理值（如速度、温度等）转换为电信号。
MEMS有着悠久的历史，并在不断发展。随着MEMS传感器变得更加智能化，发展的加速将迎来激动人心的时刻。
MEMS传感器的进化
MEMS传感器的供应链定位包括前端制造、后端制造、二级封装和系统。MEMS传感器芯片由硅制成（前端制造），通常与ASIC芯片组装，并封装在一级封装中（后端制造）。二级封装增加了更多的电子元件、坚固的外壳和连接器。通常市场统计只考虑一级封装的价值。
MEMS定义
MEMS器件的应用涵盖的领域非常广泛，几乎各行各业都有MEMS的身影。
MEMS器件应用之一
MEMS器件应用之二
MEMS器件应用之三
技术趋势日渐清晰
MEMS传感器和驱动器一直在努力缩小尺寸，降低成本和提高性能。目前的趋势是采用更加系统化的方法，其中异构集成是关键，旨在提升系统性能的同时提高精准度，降低成本。在一些主要应用的推动下，先前存在的正在趋势加速。
已有应用趋势不断加速
光学MEMS独立反射镜是用于激光雷达和AR/VR应用的Bubble MEMS，可能是下一代用于独立反射镜的封装。2021年3月，ST和OQmented联合研制出先进的MEMS微镜激光束，在此基础上OQmented将开始进一步转化和量产其Bubble MEMS 3D玻璃MEMS微镜真空密封专利技术。使用这些独特的气泡状玻璃密封反射镜的方法可以消除环境中的致污物，实现更清晰的成像。
光学 MEMS独立反射镜
用于OIS（光学稳像）的MEMS技术比VCM（音圈马达）OIS技术耗电更少，成像更精确。MEMS技术已成为光学图像稳定的新选择，一个主要玩家是美国的MEMS Drive，它是一家创新型无晶圆厂半导体公司，主要致力于研发，制造和营销以微机电技术为基础的驱动马达，目前产品主要应用在便携式电子移动设备摄像头。2018年，全球唯一芯片级光学防抖技术MEMS OIS首次在媲美专业单反的手机上实现五轴光学防抖技术，移动拍照媲美专业级单反相机的时代真正来临。
另一家个加拿大公司Sheba Microsystems，2019年作为世界第一款使用图像传感器运动的AFMEMS相机，将微型相机在超薄、高速、高精度和低能耗等性能方面提升到了一个新高度。
光学稳像 MEMS
制造工艺方面，压电MEMS沉积技术正迎来“黄金时代”，压电MEMS系列产品包括传感器和执行器，如喷墨打印头、BAW、麦克风、微型扬声器、光学MEMS、MEMS自动对焦等。行业压电MEMS制造的经验正在增加，在PVD（物理气相沉积）行业的一些变化中，溅射技术已成为首选的沉积技术。不少厂商都有自主研发的溶胶-凝胶法和溅射技术。
MEMS沉积技术趋势
另一个趋势是异构集成，异构集成是将信号链上移的关键。其的在于：提高传感器性能、信号完整性和系统级性能，同时降低成本；在同一先进封装下集成使用不同材料和工艺的不同组件（MEMS、ASIC、天线、电源等），实现SiP类型封装，就像其他领域做的那样。
异构集成上移信号链
MEMS的想象空间
从几十年前的第一个图像传感器到现在的气体传感器，传感器的能力不断发展。情绪感知已经出现了，我们还没有看到味觉传感器。
MEMS将无所不能
消费/移动/物联网设备的下一个维度就是增加更多的感觉，这应该并不遥远！
