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揭露中国MEMS产业现状:落后10年中高端90%靠进口!(附十强企业名单)
来源: | 作者:传感器专家网 | 发布时间: 2022-05-05 | 60 次浏览 | 分享到:
本文资料均来自各大研究院、企业年报等,数据扎实,引用来源清晰,内容全面丰富,分为:行业现状分析、政策环境分析、产业链分析、市场情况分析、商业模式分析、竞争环境、龙头公司分析、发展趋势分析等部分,值得一读。


文中指出,国内MEMS厂商经营产品种类较为单一,在中高端MEMS产品和部件进口占比达80%,传感器芯片进口率达90%,本土企业传感器产品毛利率低于20%,而国际企业则高于60%,射频类MEMS器件已成为卡脖子技术,消费电子市场占整个MEMS行业60%以上份额……

国内传感器企业与国际企业差距巨大,通过本文,对中国MEMS传感器行业会有个全面的了解。正视差距,方能超越。推荐需要了解中国MEMS传感器行业的伙伴分享、收藏。

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本文内容较全面,可按如下大纲阅读需要的内容

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一、行业现状分析

(一)基本定义

(二)发展概况

1、国外MEMS产业发展概况

2、国内MEMS发展概况

(三)产品分类

二、政策环境分析

(一)国家法律法规及政策

(二)行业相关标准及规范

三、产业链分析

(一)MEMS研发设计

(二)MEMS生产制造

(三)MEMS封装测试

(四)系统集成应用

四、市场情况分析

(一)全球/中国市场规模

1、全球MEMS市场规模

2、中国MEMS市场规模

(三)MEMS市场结构分析

1、应用领域分析

(1)消费电子

(2)汽车电子

(3)工业与通信

(4)医疗健康

(5)国防与航空

2、重点产品分析

(1)MEMS麦克风

(2)MEMS压力传感器

(3)惯性传感器

(4)射频MEMS器件

五、商业模式分析

1、外购芯片封装测试

2、Fabless模式

3、IDM模式

六、竞争环境

(一)全球竞争格局

(二)历年排名变化

七、龙头公司分析

(一)MEMS设计

1、歌尔股份

2、瑞声科技

3、敏芯科技

4、汉威电子

5、睿创微纳

6、士兰微

7、华工科技

8、苏奥传感

(二)MEMS制造

1、赛微电子

2、华润微

(三)MEMS封装

1、华天科技

2、长电科技

3、晶方科技

八、发展趋势分析

1、商业模式

2、产品形式

(1)微型化

(2)集成化

(3)低功耗化

(4)智能化

3、MEMS封装技术

附录:国内MEMS各细分领域优秀企业



一、行业现状分析


(一)基本定义


MEMS全称 Micro Electro Mechanical System,即微机电系统,是将微电子与精密机械结合发展的工程技术,通过采用半导体加工技术能够将电子机械系统的尺寸缩小到毫米或微米级。

MEMS器件具有通道、孔、悬臂、膜、腔等一系列结构以测量环境变量,涵盖机械(移动和旋转)、光学、电子(开关和计算)、热学、生物等功能结构,涉及众多交叉学科。


名词

含义

MEMS

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)的英文缩写。它是将微电子技术与机械工程融合到一起的、操作范围在微米范围内的一种微细加工工业技术,涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。使用该技术制成的产品具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点,现已应用于微型传感器、芯片等高精尖产品的生产中。

MEMS传感器

采用MEMS技术制成的传感器。传感器是一类将环境中的自然信号转换为电信号的半导体器件,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

MEMS执行器

MEMS执行器是将电信号转化为微动作或微操作的MEMS器件。

ASIC

全称Application Specific Integrated Circuit,即专用集成电路,MEMS传感器中的ASIC芯片主要负责为MEMS芯片供应能量,并将MEMS芯片转换的电容、电阻、电荷等信号的变化转换为电信号,电信号经过处理后再传输给下一级电路。

晶圆

硅半导体集成电路或MEMS器件和芯片制作所用的硅晶片,由于其形状为圆形,故称为晶圆。

裸片

裸片(die)是指在加工厂生产出来的芯片,即是晶圆经过切割测试后没有经过封装的芯片,这种裸片上只有用于封装的压焊点(pad),是不能直接应用于实际电路当中的。

封装

将芯片装配为最终产品的过程,即把芯片制造厂商生产出来的裸芯片放在一块起到承载作用的基板上,把管脚引出来,然后固定包装成为一个整体。

Yole Development

成立于1998年法国的市场调研及战略咨询机构,覆盖半导体制造、传感器和MEMS等新兴科技领域。

赛迪顾问

赛迪顾问股份有限公司(HK:8235)是直属于工业和信息化部中国电子信息产业发展研究院的咨询企业。

EDA

Electronic Design Automation,电子设计自动化,指以计算机为工作平台,融合应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术,完成电子产品的自动设计。

有限元分析

有限元分析 (FEA) 是虚拟环境中产品和系统的建模,用于查找和解决可能的(或现有)结构或性能问题。FEA 是有限元方法 (FEM) 的实际应用,它由工程师和科学家用于对复杂的结构、流体和多物理场问题进行数学建模和数值求解。


MEMS传感器一般由MEMS芯片和与之配套的ASIC芯片构成,其工作原理为:MEMS芯片采用半导体加工技术在硅晶圆上制造出微型电路和机械系统,将接收的外部信号转化为电容、电阻、电荷等信号变化,ASIC芯片再将上述信号变化转化成电学信号,最终通过封装将芯片保护起来并将信号引出,从而实现外部信息获取与交互的功能。

MEMS执行器是将电信号转化为微动作或微操作的MEMS器件。

图表1:微机电系统
图片

图表2:MEMS双向操作
图片
资料来源:智慧产品圈

图表3:MEMS传感器结构示意图
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资料来源:Sandia,华夏幸福产业研究院


(二)发展概况


全球MEMS传感器发展经历了三个阶段:1990~2000 年的汽车电子化浪潮,点燃了 MEMS 传感器的需求;2000~2010 年的消费电子浪潮,推动MEMS传感器呈现多品类、多功能一体化的发展态势;2010 年至今的物联网及人工智能浪潮,带动了 MEMS 传感器单品放量、软硬协同化发展。

图表4:全球MEMS传感器发展历程
资料来源:敏芯股份招股说明书

1、国外MEMS产业发展概况

近年来,受益于汽车电子、消费电子、医疗电子、光通信、工业控制、仪表仪器等市场的高速成长,MEMS行业发展势头迅猛,MEMS销售额一直保持稳步增长。据研究机构预测,2019年全球MEMS市场总规模约为115亿美元。

从全球范围来看,得益于智能家居、智能手机和可穿戴设备等领域的应用机会增多,消费电子依然是MEMS行业的第一大市场,占比超过60%

国外企业自上世纪90年代就进入MEMS领域,大部分半导体制造公司也同时从事MEMS生产加工业务。国外企业如博世(Robert Bosch)、德州仪器(TI)、模拟器件(ADI)、英飞凌、NXP-飞思卡尔、楼氏电子(Knowles)、惠普、丰田电装(DENSO)、松下、爱普生、村田制作所(Murata)等在MEMS传感器设计和研究领域内走在前列。

随着终端用户对传感器感测多个物理信号需求的进一步放大,未来MEMS产品将向着微型化、集成化、智能化的方向发展。而全球MEMS产业重心也在不断东迁,加速向亚太地区转移。

2、国内MEMS发展概况

国内MEMS 产业在 2009 年后才逐渐起步,在国家政策鼓励下,中国MEMS产业已在长三角和京津冀地区建立完整的产学研布局,但国内MEMS公司在营业规模、技术水平、产品结构等方面与国外有明显差距。

我国MEMS传感器制造企业超过200家,大多属于初创类中小型企业,国内企业(除歌尔声学和瑞声科技)整体规模较小。同时国内厂商经营产品种类较为单一,产品线多数为一条

企业分布主要集中在长三角地区,占比超过50%。这主要得益于长三角具有良好的集成电路产业基础,硅基MEMS研发及代工生产线资源较多,产业链完整,涵盖设计、代工和封测的重点企业。

国内高端MEMS产品和部件高度依赖进口。国内MEMS市场中高端传感器进口占比达80%,传感器芯片进口率达90%,我国传感器新品研制落后近10年,产业化水平落后10-15年。中国本土企业自主设计、制造和封装测试的产品仍然以军工市场和技术要求较低的中低端市场为主,如低端消费电子产品市场。

在汽车电子、消费电子等主要应用市场,中国本土企业缺乏竞争力,导致中国MEMS传感器民用市场80%以上的份额由国际企业占据。在此背景下,中国本土企业业务及生产规模显著落后于国际企业,生产规模的明显差距导致本土企业单位生产成本远高于国际领先企业,本土企业产品毛利率低于 20%,而国际企业毛利率高于60%

在MEMS制造代工环节,国内经验也相对不足。虽然国内头部MEMS代工厂的硬件条件与国外先进水平相近,但国内企业的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业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求,产品的良率和可靠性也无法达到规模生产要求。

国内MEMS传感器产业将呈现并购化、专业分工化的发展路径。MEMS传感器作为获取信息的关键器件,对各种传感装置的微型化起着巨大的推动作用,在智能产业发展中具有广阔前景。

(三)产品分类


发展至今,MEMS产品主要可以分为MEMS传感器和MEMS执行器,其中传感器是用于探测和检测物理、化学、生物等现象和信号的器件,而执行器是用于实现机械运动、力和扭矩等行为的器件。从MEMS行业的市场结构来看,MEMS产品主要以传感器为主。

MEMS传感器的种类繁多,根据测量量不同可分为:MEMS物理传感器、MEMS化学传感器、MEMS生物传感器三大类,每一种MEMS传感器又有很多细分类别。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硅麦克风等等。

MEMS传感器的品种多到以万为单位,且不同MEMS之间参量较多,没有完全标准的工艺。


图表5:MEMS分类

类别

细分类别

领域

主要产品

MEMS传感器

MEMS物理传感器

力学传感器

加速度计、陀螺仪、位移传感器、流量传感器、压力传感器、惯性传感器

电学传感器

电场传感器、电流传感器、电场强度传感器

磁学传感器

磁通传感器、磁场强度传感器

热学传感器

热导率传感器、热流传感器、温度传感器

光学传感器

可见光传感器、红外传感器、激光传感器

声学传感器

声表面波传感器、噪声传感器、超声波传感器、微型麦克风

MEMS化学传感器

气体传感器

可燃性气体传感器、毒性气体传感器、大气污染气体传感器、汽车用传感器

温度传感器

温度传感器

离子传感器

PH传感器、离子浓度传感器

MEMS生物传感器

生理量传感器

生物浓度传感器、触觉传感器

生物量传感器

DNA传感器、免疫传感器、微生物传感器、酶传感器

MEMS执行器

MEMS执行器

光学MEMS

微镜、自动聚焦、光具座

微流控

喷墨打印头、药物输送、生物芯片

射频MEMS

开关、滤波器、谐振器

微结构

微针、探针、手表元件

微型扬声器

微型扬声器

超声指纹识别

超声波指纹识别

数据来源:华夏产业研究院整理


二、政策环境分析


(一)国家法律法规及政策


近年来,国家大力推进 MEMS 传感器等先进传感器的产业化,主要法律法规及政策如下:

图表6:国家法律法规及政策

序号

发布时间

发布单位

政策名称

相关内容

1

2019年

国家发改委

《产业结构调整指导目录(征求意见稿)》

将新型智能传感器、MEMS传感器先进封装测试列入产业结构调整鼓励类项目

2

2017年

工信部

促进新一代人工智能产业发展三年行动计划(2018-2020年)

发展市场前景广阔的新型生物、气体、压力、流量、惯性、距离、图像、声学等智能传感器,支持基于微机电系统(MEMS)和互补金属氧化物半导体(CMOS)集成等工艺的新型智能传感器研发

3

2017年

工信部

智能传感器产业三年行动指南(2017-2019年)

着力突破硅基MEMS加工技术、MEMS与互补金属氧化物半导体(CMOS)集成、非硅模块化集成等工艺技术,推动发展器件级、晶圆级MEMS封装和系统级测试技术,鼓励研发个性化或定制化测试设备,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

4

2016年

国务院

“十三五”国家科技创新规划

开展新型光通信器件、半导体照明、高效光伏电池、MEMS(微机电系统)传感器、柔性显示、新型功率器件、下一代半导体材料制备等新兴产业关键制造装备研发,提升新兴领域核心装备自主研发能力

5

2016年

国家发改委、科技部、工信部、中央网信办

“互联网+”人工智能三年行动实施方案

支持人工智能领域的芯片、传感器、操作系统、存储系统、高端服务器、关键网络设备、网络安全技术设备、中间件等基础软硬件技术开发,支持开源软硬件平台及生态建设

6

2016年

全国人大

中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要

培育集成电路产业体系,培育人工智能、智能硬件、新型显示、移动智能终端、第五代移动通信(5G)、先进传感器和可穿戴设备等成为新增长点

7

2015年

国务院

国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见




大力发展云计算、大数据等解决方案以及高端传感器、工控系统、人机交互等软硬件基础产品

8

2015年

国务院

中国制造2025

组织研发具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的高档数控机床、工业机器人、增材制造装备等智能制造装备以及智能化生产线,突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电机及驱动器和减速器等智能核心装置,推进工程化和产业化

9

2014年

工信部

国家集成电路产业发展推进纲要

加快云计算、物联网、大数据等新兴领域核心技术研发,开发基于新业态、新应用的信息处理、传感器、新型存储等关键芯片及云操作系统等基础软件,抢占未来产业发展制高点

10

2013年

工信部、科技部、财政部、国家标准化管理委员会

加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划

传感器及智能化仪器仪表产业整体水平跨入世界先进行列,产业形态实现由“生产型制造”向“服务型制造”的转变,涉及国防和重点产业安全、重大工程所需的传感器及智能化仪器仪表实现自主制造和自主可控,高端产品和服务市场占有率提高到50%以上

11

2013年

国务院

国务院关于推进物联网有序健康发展指导意见

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,推进物联网与新一代移动通信、云计算、下一代互联网、卫星通信等技术的融合发展


(二)行业相关标准及规范

为引导中国MEMS传感器行业规范化发展,中国政府发布了众多国家级行业标准,为行业提供基础标准指导。

2011年1月,中国国家质监局和国标委发布《GB/T26111-2010微机电系统(MEMS)技术术语》,规定了MEMS领域所涉及的材料、设计、加工、封装、测试以及器件等方面的通用术语和定义,为MEMS传感器行业发展提供基础指导。

2016年8月,中国国家质监局和国标委发布《GB/T32817-2016半导体器件微机电器件MEMS总规范》,提出MEMS行业总规范,规定了用于IECQ-CECC体系质量评定的一般规程,给出了电、光、机械和环境特性的描述和测试总则,该规范重点参考了国际标准,为中国MEMS传感器行业向国际领域拓展提供基础指引。

图表7:行业主要标准

序号

标准编号

标准名称

备注

1

GB/T 26111-2010

微机电系统(MEMS)技术术语

国家标准

2

GB/T 32817-2016

半导体器件微机电器件 MEMS总规范

国家标准

3

GB/T 32814-2016

硅基MEMS制造技术基于SOI硅片的MEMS工艺规范

国家标准

4

GB/T 38447-2020

微机电系统(MEMS)技术 MEMS结构共振疲劳试验方法

国家标准

5

GB/T 38341-2019

微机电系统(MEMS)技术 MEMS器件的可靠性综合环境试验方法

国家标准

6

GB/T 34893-2017

微机电系统(MEMS)技术 基于光学干涉的MEMS微结构面内长度测量方法

国家标准

7

GB/T 34898-2017

微机电系统(MEMS)技术MEMS谐振敏感元件非线性振动测试方法

国家标准

8

GB/T 34894-2017

微机电系统(MEMS)技术基于光学干涉的MEMS微结构应变梯度测量方法

国家标准

9

GB/T 34900-2017

微机电系统(MEMS)技术基于光学干涉的MEMS微结构残余应变测量方法

国家标准

10

GB/T 35086-2018

MEMS电场传感器通用技术条件

国家标准

11

GB/T 33922-2017

MEMS压阻式压力敏感芯片性能的圆片级试验方法

国家标准

12

GB/T 33929-2017

MEMS高g值加速度传感器性能试验方法

国家标准

13

GB/T 32816-2016

硅基MEMS制造技术以深刻蚀与键合为核心的工艺集成规范

国家标准

14

GB/T 32815-2016

硅基MEMS制造技术体硅压阻加工工艺规范

国家标准

15

GB/T 28274-2012

硅基MEMS制造技术 版图设计基本规则

国家标准

16

GB/T 28275-2012

硅基MEMS制造技术 氢氧化钾腐蚀工艺规范

国家标准

17

GB/T 28277-2012

硅基MEMS制造技术 微键合区剪切和拉压强度检测方法

国家标准

18

GB/T 26112-2010

微机电系统(MEMS)技术 微机械量评定总则

国家标准

19

GB/T 26113-2010

微机电系统(MEMS)技术 微几何量评定总则

国家标准

数据来源:全国标准信息公共服务平台


三、产业链分析


MEMS工艺就是将传统机械系统的部件微型化后,利用半导体加工技术将微型机械系统和集成电路固定在硅晶圆上,然后根据不同的应用场景采用特殊定制的封装形式,最终切割组装形成硅基换能器。

相比传统的机械系统,微机电系统具有微型化、重量低、功耗低、成本低、功能多等竞争优势,可通过微纳加工工艺进行批量制造、封装和测试。

MEMS产业链一般由芯片设计企业、晶圆制造厂商、封装测试厂商和终端应用企业构成,芯片设计企业专注于MEMS芯片及其产品结构的设计,完成设计后交由第三方晶圆厂生产制造出MEMS芯片,经过封装测试后实现向消费电子、汽车、医疗和工控等应用领域客户的出货。

除上述专注于各环节的专业厂商外,MEMS 行业还存在博世、意法半导体等大型IDM厂商,这些公司能够自行完成芯片设计、晶圆制造和封装测试等主要研发和生产环节。

(一)MEMS研发设计


MEMS的研发设计,不仅涉及基础理论、制备工艺、应用技术,还涉及到MEMS技术与其他如通讯技术、计算机技术的结合,更涉及到一些新兴学科和一些前沿技术的综合分析与应用。

MEMS产品设计中有三个主要任务是互相交联在一起的:机电和结构设计、工艺流程设计、包括封装和测试在内的设计验证。MEMS设计中材料的选择也比常规产品的材料选择复杂的多。

目前典型的MEMS产品开发基本符合一个产品、一种工艺、一种封装、一种专用集成电路芯片(ASIC)、一种测试系统的模式。在产品进入生产阶段之前,需要完成多个闭环。

材料数据库经常需要根据具体应用的实验结果进行更新。这个开发流程通常是不可预测的,而且往往需要数年的时间才能量产

图表8:MEMS研发设计
图片
资料来源:头豹研究院

(1)机电和结构设计涵盖有限元分析(FEA)建模和传感器版图结构设计

MEMS设计企业通过Coventor、Ansys、TannerPro等国际MEMS EDA软件企业提供的仿真模拟分析和建模设计软件实现结构分析、力学分析、温度分析、灵敏度分析、耦合分析等,从而完成传感器结构建模,再通过AutoCAD等绘图工具绘制MEMS传感器掩膜版,从而完成版图结构设计。

由于海外MEMS传感器行业商业化始于2000年左右,而中国MEMS传感器行业商业化始于2009年,中国MEMS传感器行业起步较晚,中国市场尚不具备成熟的、商业化的、为MEMS设计提供辅助的本土EDA软件供应商。

(2)工艺设计主要为 MEMS传感器制作工艺设计,制作工艺的选择对传感器参数、制造成本、兼容性和集成度等方面均产生关键影响。

由于MEMS传感器中复杂的极微小型机械系统的存在,MEMS传感器的芯片设计和工艺研发必须紧密配合,制造端已有的工艺路线在很大程度上决定了芯片的设计路线,而芯片的设计路线又需要对制造端的工艺模块进行重组和调试,以实现芯片所需达到的功能和可靠性要求。

此外,不同传感器类型拥有不同机械特性,使得一种工艺路线只能对应一种传感器。因此,MEMS传感器的研发企业必须同时进行芯片和工艺端的研发,在制造端缺乏成熟工艺模块的情况下,需要与制造端企业共同开发成熟的工艺模块;在制造端具备成熟工艺模块的情况下,新的一款芯片的推出需要重新对制造端工艺模块的重新组合和调试。因此MEMS传感器的生产工艺具有高度定制化特点

(3)封装测试设计包括封装形式设计和测试系统设计。

由于MEMS传感器种类多、应用广,传感器企业需完成封装测试设计,即对传感器封装形式和测试系统做出定制化设计

相比半导体集成电路封装,MEMS传感器封装更加复杂,在封装设计方面需考虑更多因素。例如,温度、湿度以及传感器自身的封装材料散热性、耐腐蚀性和结构强度等外部因素对传感器可靠性产生的影响,因此封装设计需考虑如何选择合适的封装结构和封装材料,以保护传感器免受外部因素干扰。

MEMS传感器各个设计环节相互影响,不同应用领域、不同类型、不同性能参数的传感器具有特定的设计逻辑,代表特定的工艺设计、机电结构设计和封装测试设计等。因此,传感器设计是MEMS传感器产业链的核心环节,掌握设计自主知识产权的企业具备市场竞争优势。

(二)MEMS生产制造


MEMS与IC工艺虽然存在一定的相似度,但本质上存在明显差异。与大规模集成电路产品均采用标准的CMOS生产工艺不同,MEMS制造对半导体加工技术的先进与否并不敏感,MEMS 传感器芯片本质上是在硅片上制造极微小化机械系统和集成电路的集合体,生产工艺具有较高的定制化特点。

MEMS 传感器的制造工艺则需要兼顾电路和机械系统,具有一种传感器对应一种工艺路线的特点。因此,MEMS 传感器的技术先进性除了体现在MEMS传感器芯片的设计难度之外,还体现在MEMS传感器芯片生产工艺的可实现性方面。MEMS传感器厂商不但需要具备突出的极微小化机械系统和集成电路的设计能力,也需要开发不同传感器芯片的生产工艺

从MEMS制造环节来看,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。

目前提供MEMS代工的IDM厂商主要有意法半导体、索尼、德州仪器等;传统集成电路MEMS代工企业有台积电、X-FAB(德国)、中芯国际等;全球知名的纯MEMS代工厂Teledyne Dalsa(加拿大)、Silex Microsystems(瑞典)、亚太优势(APM)、Innovative Micro Technology(美国)、Tronics Microsystems(法国)和Micralyne(加拿大)等。国内的华虹宏力、上海先进半导体也有MEMS生产能力。

国内第三方半导体制造企业普遍缺乏成熟的MEMS传感器工艺模块。由此使得国内MEMS厂商,如果需要利用国内第三方半导体的制造资源,必须事先进行完整的包括晶圆制造、晶圆测试、封装、成品测试在内的全生产环节的工艺研发,帮助第三方半导体制造企业建立起某一品类传感器的成熟工艺模块。

图表9:MEMS代工企业类型比较

类别

纯MEMS代工

IDM代工

传统集成电路MEMS代工

客户群体

可开发及代工的产品品种丰富

品种单一

以可量产的消费类电子产品为主

竞争优势

1、产品种类丰富,可同时处理多种工艺和多种产品;

2、在积累量产的实践中集成了标准化工艺模块,有效缩短产品商业化时间,降低开发成本;

3、技术储备充足,在某些领域已具备超过IDM企业的技术能力;

4、不提供设计服务,无自营产品,在商业模式上更容易获得客户信赖。

1、技术及经营成熟,可为客户提供一整套MEMS解决方案,包括MEMS设计、制造、封装、测试和应用支持;

2、老牌集成电路厂商,进入MEMS代工行业时间较早,行业积累丰富,客户优质,目前占据着MEMS代工市场最大份额。

1、巨大的产能、全线生产,可提供成本更低的解决方案;

2、CMOS和MEMS工艺融合优势。

竞争风险

1、起步较晚,客户规模有限;

2、产能利用率待提高。

1、利用剩余产能为客户提供MEMS代工服务,代工业务被安排在自营产品之后,无法保证稳定的产能和快速响应,同时也导致提供代工服务的产品单一;

2、自营产品与代工业务存在本质冲突,MEMS设计企业或因知识产权风险而避免与IDM代工企业合作。

1、以可量产的消费类产品代工为主,其他细分市场的MEMS设计公司因产品多样小量难以获得支持;

2、MEMS工艺开发能力较弱。

代表企业

Silex、Teledyne Dalsa、IMT

ST、Sony、TI

台积电、X-FAB


MEMS器件依赖各种工艺和许多变量,所以一种MEMS产品对应一种工艺。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并验证有关工艺及材料物理特性。

利用单独一种材料(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。

目前全球MEMS加工工艺主要的技术途径有三种:一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术;二是以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA技术;三是以日本为代表发展的精密加工技术,如微细电火花EDM、超声波加工。

图表10:MEMS工艺和IC工艺比较

各工艺名称

MEMS工艺

IC工艺

光刻技术

需双面光刻技术

单面光刻技术

干法(腐蚀技术)

深层、高深度比腐蚀

一般薄膜腐蚀

湿法(腐蚀技术)

各向异性腐蚀、自停止技术、深层体硅腐蚀

各向同性腐蚀、阳极腐蚀、电钝化腐蚀,限于表面加工

牺牲层技术

表面硅微加工工艺,与IC工艺兼容,用于制造表面活动结构

不常用

键合

硅硅直接键合、硅玻璃阳极键合

高温键合制作SOI材料

LIGA

制作高深宽比结构,成本高

不用

资料来源:电子发烧友


(三)MEMS封装测试


目前在国内 MEMS行业中,参与封装测试的企业为传统半导体集成电路封装测试代工企业和传感器设计企业。其中,传统半导体集成电路封装测试代工企业主要参与传感器封装环节,测试环节由传感器设计企业主导。

MEMS封装通常分为芯片级封装、器件级封装和系统级封装三个层次。“芯片级”含义更加广泛,不但涵盖包括控制器在内的集成电路封装中的各种芯片,还包括感测的各种力、光、磁、声、温度、化学、生物等传感器元器件和执行运动、能量、信息等控制量的各种部件。

目前的MEMS封装技术大多来自集成电路封装技术,但MEMS产品应用领域多样,且应用场景复杂,所以MEMS封装比集成电路封装更庞大、更复杂、更困难。

在MEMS产品量化过程中,封装的成本比重已经越来越大,通常超过四成,再结合测试部分的成本,一般来说,后端的成本往往占据产品成本的大半,有的甚至超过七成。

因此为了尽量适应各个领域的应用,以便尽可能形成大规模的批量生产,降低研发到市场的导入成本,整合MEMS产品的封装形式已经成为各大OSAT封装厂商(外包半导体封装测试厂)热衷于思考和探索的课题。

MEMS与IC不同,测试时需要外加不同的激励来测试不同的MEMS产品,非标准化特性明显,如在加速度计、陀螺仪等产品时,需要多轴转台、振动台、冲击台等设备来外加转动、震动激励;在测试硅麦克风时,需要通过消声腔、标准声源等外部设备来施加声源激励。

此外,即使同类型传感器的测试方法也不一定相同,如普通加速度计内有活动部件,而基于热对流原理的加速度计内无活动部件,二者的测试流程和设备并非完全相同;电容式MEMS麦克风的腔体是封闭的,而压电式MEMS麦克风的腔体是开放的,二者的测试设备、流程也不尽相同。

因此,多数MEMS厂商针对自研产品的相关属性原理设计个性化测试装备、搭建个性化测试环境,在一定程度上拉高了产品成本。

(四)系统集成应用


MEMS传感器产业链中的应用集成环节主要存在三大类。

一是由MEMS传感器生产厂商提供,此类MEMS传感器厂商也可称为解决方案提供商,其解决方案特点是通用性强,且能够更有效发挥产品性能,兼具灵活与轻度定制化特点,如应美盛Firefly移动解决方案,终端厂商只需简单调整内部软件即可用在整机产品上,基本做到即插即用;

二是由应用厂商进行集成,该类解决方案特点是专注于特定领域、研发成本较高、产品研发周期较长,如康明斯对外采购压力、流量等传感器、生产汽车发动机、涡轮增压器等;

三是垂直整合厂商集成,该类应用集成的特点是专用强,高度设配自家应用,且通常属高精尖领域,如GE为旗下航空、发电、运输等业务自行生产专用传感器。

总体来看,由MEMS传感器厂商提供的高通用性、高效能、灵活的解决方案更符合大众消费市场发展要求,而后两类集成方案更加适合专用领域。

图表11:MEMS传感器产业链全景图

四、市场情况分析


(一)全球/中国市场规模


1、全球MEMS市场规模

根据Yole Development (2021)的统计与预测,2020年全球MEMS行业市场规模已达到 121亿美元,预计2025年将达到 182亿美元,2020-2026 年市场规模复合增长率为7.2%。

图表12:2020-2026全球MEMS行业市场规模及预测(单位:亿美元)
数据来源:Yole Development(2020)

2、中国MEMS市场规模

根据赛迪顾问的统计,近年来受益于中国智能手机、平板电脑等消费电子类产品产量的稳定增长,加速度计、陀螺仪和微型麦克风等MEMS产品的需求也不断增长,使得中国已经成为全球 MEMS 市场中发展最快的地区。

2019年中国MEMS市场规模达到597.8亿元,同比增长18.3%。预计到2022年市场规模将突破1000亿元。(与Yole Development的预测数据相冲突,可能是统计口径问题及预测时间点等原因)

图表13:2016-2022年中国MEMS行业市场规模及预测(单位:亿元)
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数据来源:赛迪顾问


(二)MEMS市场结构分析


1、应用领域分析

MEMS产品在消费电子、汽车电子、工业、通信、医疗、国防和航空等 MEMS 的主要应用领域均有着广泛的应用。


应用领域

涉及的MEMS产品

消费电子

射频MEMS、微型麦克风、喷墨打印头、光学MEMS、惯性传感器组合、陀螺仪、加速度计、压力传感器、磁传感器等

汽车电子

加速度计、压力传感器、陀螺仪、惯性传感器组合等

工业与通信

压力传感器、喷墨打印头、非制冷红外探测仪、微针、陀螺仪、流量计、加速度计等

医疗健康

压力传感器、微流控、流量计、微型麦克风、加速度计等

国防与航空

非制冷红外探测仪、陀螺仪、加速度计、压力传感器等

注:各应用领域涉及的 MEMS 产品按照该应用领域中市场规模由高到低的顺序列示。


不同的应用领域来看,全球消费电子产品市场占比最大,达到了58.92%,主要得益于智能手机以及未来5G应用的空间巨大。此外,汽车电子是占比第二大市场,市场占比为16.78%,主要得益于汽车安全以及智能化要求的日益增加。

图表14:全球不同领域MEMS市场预测(亿美金)
数据来源:Yole Development(2020)

图表15:2020年全球各市场占比(%)
图表16:2026年全球各市场占比(%)

数据来源:Yole Development(2020)

(1)消费电子

目前,消费电子是全球MEMS行业最大的应用市场,且在整个MEMS行业的市场规模的占比越来越高,包括射频MEMS、微型麦克风、压力传感器、加速度计、陀螺仪等MEMS产品都广泛运用在以智能手机、平板电脑为代表的消费电子产品中。

2017年消费类产品的出货规模在整个MEMS市场规模中的占比超过50%。而随着消费电子产品品类和数量的增长以及设备智能化程度的提升,其对MEMS产品数量的需求也将不断增加。到2023年,消费类MEMS产品将占据整个MEMS行业60%以上的市场空间。

除了智能手机、平板电脑和笔记本电脑等主流消费电子产品外,近年来涌现出的智能家居和可穿戴设备等新兴应用领域也广泛使用了MEMS传感器产品,如智能手表安装了MEMS加速度计、陀螺仪、微型麦克风和脉搏传感器,VR/AR设备采用MEMS加速度计、陀螺仪和磁传感器来精确测定头部转动的速度、角度和距离等。

图表17:2017 年消费电子领域 MEMS 产品结构
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数据来源:Yole Development(2018),敏芯股份招股说明书

(2)汽车电子

汽车电子是MEMS产品最早的应用领域之一,目前也是仅次于消费电子的第二大市场。在汽车领域,应用最多的MEMS产品主要是压力传感器和惯性传感器。

随着汽车智能化的发展趋势和汽车安全要求标准的提高,MEMS传感器在汽车上的应用也越来越广泛。

比如:在自动变速箱中,加入MEMS传感器可以动态测量汽车上下坡时倾斜角度,实时调节传动比,防止因为人为判断或者操作的失误;主动控制系统,在转弯时通过MEMS传感器测量角速度,可以知道方向盘打的够不够,主动在内侧或者外侧轮胎加上适当的刹车以防止汽车脱离车道;在车内空气净化系统里,加入MEMS传感器,可以实时检测车内空气,控制系统智能调节空气净化器,保持车内空气清新。

图表18:MEMS 应用领域——汽车电子(单位:百万美元)
数据来源:Yole Development(2018),敏芯股份招股说明书

(3)工业与通信

工业与通信领域也存在广阔的新兴传感器应用空间,目前常见的工业与通信类 MEMS 器件包括压力传感器、非制冷红外探测仪、喷墨打印头、陀螺仪、加速度计、流量计和微针等,其中压力传感器和惯性传感器在整个工业与通信MEMS 产品结构中占据了三分之一以上的份额。

随着《中国制造 2025》和十三五相关产业规划的发布实施,“智能制造”已经上升到国家意志层面,而智能感知与控制相关产业作为智能制造的核心环节,将受益于制造产业智能化升级的浪潮。

图表19:2017 年工业与通信领域 MEMS 产品结构
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数据来源:Yole Development(2018),敏芯股份招股说明书

(4)医疗健康

Covid-19创造了对医疗MEMS传感器的需求,医疗应用 MEMS 市场高速成长。

MEMS 传感器被广泛应用于生物和医疗电子产品中,如心脏起搏器、精密手术仪器、医疗机器、仿生眼、智能假肢、血糖仪、数字血压计、血气分析仪、数字脉搏、心率监视器、数字温度计、怀孕测试仪、透皮给药系统、透析系统和氧浓缩器等。压力传感器、微流控、流量计、微型麦克风和加速度计在医疗类 MEMS 市场中占据主要份额。

在保障设备安全性的前提下,MEMS 器件可以提升医疗器械的敏感度、精确度,提高设备的自动化、智能化和可靠性水平。同时,MEMS 技术可以把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功能的微型系统,制造出新型微医疗仪器。

图表20:MEMS 应用领域——医疗(单位:百万美元)
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数据来源:Yole Development(2018),敏芯股份招股说明书

(5)国防与航空

在国防与航空领域,市场规模最大的 MEMS 产品包括非制冷红外探测仪、陀螺仪、加速度计和压力传感器。近年来,惯性传感器迅速发展,越来越多地被导航和军事用途所采用。

图表21:MEMS 应用领域——国防与航空(单位:百万美元)
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数据来源:Yole Development(2018),敏芯股份招股说明书

赛迪顾问将国内MEMS市场应用结构分为网络与通信领域、汽车领域、计算机领域、医疗电子领域、消费电子领域和其他领域。

根据其《2019国内MEMS市场分析》报告,2019年随着中国智能手机等相关网络通信产品快速增长,MEMS陀螺仪、MEMS加速度计等产品用量等到快速提高,因此网络与通信成为中国MEMS市场的最大应用领域,2019的市场份额上升至30.9%。

汽车电子领域MEMS增速迅速,2019年市场规模为173.2亿元,市场份额为28.9%,位居第二。因为MEMS在平板电脑中应用渗透率的提高,计算机领域成为中国MEMS的第三大应用市场,2019年市场规模为85.8亿元,市场份额为14.3%。

图表22:2019年中国MEMS市场应用结构
数据来源:赛迪顾问《2019国内MEMS市场分析》(2020.08)

2、重点产品分析

从产品类型上讲,全球当前射频类MEMS和压力传感器的市场容量最大;从未来发展空间来看,射频类MEMS未来增加的空间最大,这主要是由于5G频段的增多,对于滤波器和射频功放需求的数量巨大。

惯性类传感器,已经被国际大厂垄断,如Bosch、ST等,新兴产商进入门槛较高;环境类尚未形成规模和垄断,基于环境光传感的人体健康监测正在兴起。此外近期由于新冠疫情的发展,红外测温类传感器备受市场关注。


在国内的MEMS市场产品结构中,射频MEMS由于在中国发展逐渐成熟,应用于工业和消费品等多个领域,在产品结构中位列首位,市场规模达到154.8亿元,占比25.9%;压力传感器在汽车电子、医疗和消费电子等领域继续领跑,在细分产品市场份额中居前列。

图表23:2019年中国MEMS市场产品结构
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数据来源:赛迪顾问(2020.08)

(1)MEMS麦克风

MEMS麦克风的组成一般是由MEMS微电容传感器、微集成转换电路、声腔、RF抗干扰电路这几个部分组成的。

MEMS微电容极头包括接受声音的硅振膜和硅背极,硅振膜可以直接接收到音频信号,经过MEMS微电容传感器传输给微集成电路,微集成电路把高阻的音频电信号转换并放大成低阻的电信号,同时经RF抗噪电路滤波,输出与前置电路匹配的电信号,就完成了声电转换。通过对电信号的读取,从而实现对声音的识别。

图表24:MEMS麦克风原理及封装结构

自从MEMS麦克风首次亮相以来,该市场一直在增长。全球庞大的智能手机出货量,加速了MEMS麦克风市场飙升,因为几乎每部智能手机中都至少使用一个MEMS麦克风。

近年来,MEMS麦克风是MEMS市场中增速最快的细分市场之一。根据Yole Development的数据统计,MEMS麦克风市场规模从2008年的1.05亿美元,到2012年的超过4亿美元,再到2017年突破10亿美元,出货量接近50亿颗,预计2023年全球MEMS麦克风市场规模将达到13.63亿美元,出货量也将进一步上升至92.5亿颗。

消费电子是MEMS麦克风的主要应用领域,市场空间占比超过90%。2018年,MEMS麦克风的主要应用为手机、平板和电脑,占据78%的市场份额,其次,为耳机和智能穿戴以及智能音箱与语音AI等,分别占据9%和8%的市场份额。


图表25:2018年全球消费电子市场MEMS麦克风分布
数据来源:Yole Development(2019)

2017年以来,智能语音交互市场的火热也带动了国内 MEMS 麦克风市场规模的快速增长。

2018年中国MEMS麦克风市场规模为 31.3 亿元,同比增速为15.07%,预计 2021年市场规模将进一步上升至47.9亿元,复合增长率超过15%。

图表26:2016-2021年中国MEMS麦克风市场规模(单位:亿元)
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数据来源:赛迪顾问

(2)MEMS压力传感器

目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器,两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。

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。

电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状,上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器,上横隔栅受压力作用向下位移,改变了上下二根横隔栅的间距,也就改变了板间电容量的大小,即△压力=△电容量。

图表27:MEMS压力传感器类型
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汽车是压力传感器应用最多的领域,进气歧管压力传感器、刹车压力传感器、碳罐燃油蒸汽压力传感器、空调冷媒压力传感器等已在汽车行业中广泛使用,而柴油机则普遍安装了颗粒过滤器。

随着国家环保政策的不断趋严和消费者对环保和安全意识的不断提升,未来汽油机颗粒过滤器、柴油机共轨压力传感器、胎压监测系统、侧安全气囊、SCR(选择性催化还原技术)尿素喷射系统等仍有较大的增长空间。

消费电子中压力传感器的主要应用是安装在手机和可穿戴设备中的高度计,用于测量高度并配合导航定位系统,可以实现在大型建筑中准确定位到所在楼层。压感触控也越来越多地应用于手机和电脑等消费电子产品中,通过感知触控的力度来实现不同的功能。

此外,在电子烟中,MEMS传感器能够检测使用者的抽吸气压,在感知到吸气后使电子烟进入工作状态。在医疗领域,血压和呼吸道的监控是MEMS压力传感器最主要的应用。

2017年全球压力传感器市场规模为16.36亿美元,预计2023年市场规模将超过20亿美元,市场空间稳步提升。压力传感器是MEMS传感器行业中市场规模最大的细分市场之一,在汽车、消费电子、工业、医疗和航空领域有着广泛的应用。

根据赛迪顾问研究数据,2018年我国MEMS压力传感器市场规模为116.6亿元,预计2018-2021年复合增长率为8.88%,2021年市场规模将突破150亿元。目前全球 MEMS 压力传感器生产厂商仍以博世、英飞凌等国外大型半导体企业为主。

据Yole Development统计压力传感器CR8为72.3%。未来随着智能家居和智能工厂的不断发展,工业生产中的流程控制以及建筑中的空调系统和空气净化系统都将为 MEMS压力传感器带来新的增长空间。

图表28:2017年全球MEMS压力传感器市场竞争格局
数据来源:Yole Development(2018),华安证券研究所

(3)惯性传感器

MEMS 惯性传感器主要用于测量线性加速度、振动、冲击和倾角等物理属性,主要的产品类型包括用于测量线性加速度的加速度计、测量角速度的陀螺仪、感应磁场强度的磁传感器以及各类惯性传感器的组合。

MEMS 惯性传感器主要应用于消费电子和汽车领域。消费电子产品中的惯性传感器可以实现屏幕翻转、游戏控制、摄像防手抖和硬盘保护等功能,还能够帮助 GPS 系统导航对死角进行测量。在汽车领域,惯性传感器的快速反应可以提升汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统的安全性能。

图表29:加速度计和磁传感器示意图
资料来源:博世、华安证券研究所

根据赛迪顾问的数据统计,2018年中国MEMS惯性传感器市场规模约为80亿元,同比增速超过15%。未来三年中国MEMS惯性传感器增速将进一步提升,至2021年市场规模将达到133.4亿元。

图表30:中国 MEMS 惯性传感器市场规模(单位:亿元)
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数据来源:赛迪顾问

全球 MEMS 惯性传感器几乎被国外大厂把持。根据Yole Development的统计,2017年除美新在磁传感器领域占据了 4%的市场份额外,其他惯性传感器市场的领先企业也均为博世、意法半导体、旭化成等国外厂商。

2017年全球各品类惯性传感器合计市场容量为35.31亿美元,预计到 2023年市场总规模将突破40亿美元。其中加速度计是目前出货量最大的产品,占据了整个MEMS惯性传感器市场规模的三分之一以上。

(4)射频MEMS器件

射频MEMS器件是MEMS器件中占比最大的产品,从2019年的42亿美金增长至2022年的101亿美金,这主要得益于5G频段增多后对于射频滤波器、射频开关需求数量的增加。其中消费电子市场占比最大。

图表31:2016-2022年全球射频MEMS市场预测
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数据来源:Yole Development(2017)

目前中美贸易战背景下,射频类MEMS器件已经成为卡脖子技术尤其是滤波器器件。滤波器主要有表面声波滤波器(SAW)和体声波滤波器(BAW)两种,该行业目前处于国外高度垄断状态,对于SAW滤波器,主要为日系厂商垄断,Murata、TDK、太阳诱电占据85%以上市场,其中Murata占比50%,占比最大;BAW滤波器主要为美系厂商垄断,Broadcom一家占比高达87%,占据绝对领导地位。

图表32:MEMS滤波器市场占比


五、商业模式分析


国内MEMS传感器行业内企业商业模式包括:(1)外购芯片封测模式;(2)垂直分工制造(Fabless)模式;(3)垂直整合制造(IDM)模式:

1、外购芯片封测模式

该模式下中国本土 MEMS传感器企业主要负责传感器销售环节,企业通过向外采购MEMS传感器主要组成部分,即海外传感器设计企业设计好的芯片和与传感器配套的其他芯片如ASIC信号调理电路芯片,自行或委托代工厂完成传感器的封装和测试,再将传感器成品销售给下游终端客户。

外购芯片封测模式技术门槛较低,采用该模式的中国本土传感器企业通常缺乏传感器自主设计能力。由于中国MEMS传感器行业起步较晚,本土企业在传感器设计方面的技术积累薄弱,本土企业在发展初期多采用外购芯片封测模式。

例如,歌尔股份、瑞声科技就是采购德国英飞凌等企业的传感器芯片和美国亚德诺等企业的传感器配套 ASIC调理芯片,自主或交由 Silex、中芯国际等企业完成传感器封装测试工作,再将最终产品销往下游客户。

图表33:外购芯片封测模式
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资料来源:头豹研究院

2、Fabless 模式

与集成电路行业相似,Fabless模式下中国本土MEMS传感器企业负责器件设计和销售环节,即企业自主完成MEMS传感器设计,将设计版图交由代工企业并委托其完成传感器器件制造环节,再将制造成品交由传感器封装测试代工企业完成封测环节,最终将传感器产品销往下游终端客户。

Fabless模式技术门槛较高、资金门槛要求较低,采用该模式的中国本土MEMS企业通常具备芯片自主设计能力。

Fabless 模式下,MEMS企业、制造代工企业、封装测试代工企业各自分工,传感器企业专注设计环节,制造代工企业专注制造环节,封装测试代工企业专注封装测试环节,行业生产效率大幅提高。

此外,Fabless模式下MEMS传感器设计企业决策效率高,能根据市场变化对产品规划做出快速调节。目前,采用Fabless模式的中国本土企业包括北京元芯、苏州敏芯微等。

图表34:Fabless模式
资料来源:头豹研究院

3、IDM 模式

与集成电路行业相似,IDM 模式下的中国本土 MEMS 压力传感器企业自主完成包括器件设计、器件制造、封装测试及销售等产业链各环节,除自主设计传感器外,需配套大量传感器制造和封装测试所需设备,资金投入大,属于重资产企业

由于 IDM 模式对技术积累、生产规模和资金实力等方面要求高,采用该模式的企业均为全球大型 MEMS 压力传感器企业。

采用 IDM 模式的企业具备产业链整合能力,设计、制造和销售等各环节不存在因产业链环节交接引起的衔接问题,并享受全产业链的附加值带来的差额利润。

然而该模式的劣势明显,即企业资金投入庞大,资产折旧摊销成本高,相比可根据市场变化对产品规划做出快速反应的 Fabless 企业,IDM 企业对市场变化的反应较为迟钝。

随着 MEMS 压力传感器行业器件制造和封装测试代工企业工艺技术的提高,行业内企业将更青睐于 Fabless 模式,专注于核心技术环节,注重轻资产运营,降低资金占用风险。

图表35:IDM模式
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资料来源:头豹研究院

MEMS与模拟IC相比,更看重对工艺的掌握(制造和封装),但由于MEMS行业的特性,单靠几款MEMS芯片很难支撑一条产线。IDM模式和Fabless模式有各自的优势和劣势,也需要MEMS产业量上企业重点关注。

图表36:IDM和Fabless模式比较


IDM

Fabless

优势

产能优势:在下游MEMS代工厂产能不足的情况下,可以保证自己产品的供给;

工艺优势:MEMS设计的核心在于工艺和经验积累,很多体现在know-how上,有自己的产线可以更快捷、更安全地将工艺实现。

成本低、反应快(对于消费电子领域格外重要);

委外代工,不需要承担设备折旧,盈利弹性更大。

劣势

自建产线的产能利用率有待提高;

产线的研发及建设太昂贵,折旧成本可能高于性能优势带来的好处,在成本上与代工模式并不具备太多竞争力。

严重依赖代工厂,受制于产能分配,在行业景气度高的时候拿不到产能;细分领域量小的品种很难得到代工厂支持;

产品工艺配合受限,工艺不够齐全,无法在性能上和IDM进行竞争;

自营产品与代工业务存在本质冲突,MEMS设计企业或因知识产权风险而避免与IDM代工厂企业合作。


六、竞争环境


(一)全球竞争格局


Yole Development公布了2020年全球MEMS产品销售额TOP30的企业排行榜,如图所示。数据显示, TOP30企业的销售额占据了全球MEMS市场规模约83%的份额。

图表37:2020年Top MEMS manufactures-In US$ million
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数据来源:Yole Development

从头部企业看,“双博(博世+博世)”效应显现。两家的营收均超过10亿美元,大幅领先后续厂商,形成寡头现象。

TOP1博世主打运动类MEMS产品,双重布局于汽车和消费电子领域。据公开调研数据,几乎所有的新车都要搭载博世的5个MEMS,全球约50%的智能手机都要至少搭载博世的1个MEMS。时博世拥有自己的MEMS制造基地,可以优化制造成本。

排名第二的博通从2013年开始飞速增长,并曾经因试图收购高通公司而名噪一时。博通主打射频类MEMS产品,智能手机快速普及导致射频MEMS产品量价齐升,这对博通保持在前TOP2起到了决定性作用。

从颈部企业看,产品多元,竞争激烈。

TOP3的QROVO定位在射频MEMS赛道,随着5G及智能手机的快速普及,QROVO近年来的排名得到快速提升。目前正在积极弥补交付延迟问题。

TOP4的意法半导体不仅提供车载、工业、民用等方面的MEMS产品,也为其他公司代工生产MEMS。

作为老牌厂商的TOP5德州仪器市场份额逐年下降,正在积极开拓车载等新市场。

TOP6是来自中国的歌尔声学,依靠近年来MEMS声学传感器的高速发展,成为了唯一的全球排名前是的中国企业。

此外,TOP30其他企业的产品还覆盖了声学MEMS(楼氏、瑞声科技),辐射类MEMS(FLIR、ULIS),生物类MEMS(欧姆龙)、图像类MEMS(佳能、索尼),并纷纷在自己的赛道实现跨越和赶超。

由于MEMS产品种类多,应用领域要求差异大,因此各企业都有各自主攻的市场领域和一定的生存空间。整体来看,MEMS市场被国外企业主导。

(二)历年排名变化


从历年的收入份额变化来看,早年只有两个领军企业TI和HP,其主打产品分别为DLP光机和喷墨打印头,其它企业都是跟随者,体量较小;后来得益于汽车工业和消费电子的发展,Bosch和ST异军突起;随着智能手机的大面积普及以及未来5G的巨大需求,RF类企业Broadcom和Qorvo突起并超越,2017年后至今,Broadcom和Bosh一直牢牢占据前两名的位置。

对于榜首几家企业,企业体量大,属于大型MEMS公司,主要靠提升销售额来维持排名;对于中型MEMS企业而言,主要靠丰富产品领域及应用来提升排名;对于小型企业,很难占据大体量市场,其增长较慢。

图表38:前十大MEMS公司收入份额的10年演变
数据来源:Yole Development(2020)

七、龙头公司分析


(一)MEMS设计(包括IDM)


1、歌尔股份(002241.SZ)

公司自声学产品起家,深耕行业十余年,2014年后主动谋求转型,基于自身的声学优势业务,向传感器、可穿戴、AR/VR等领域积极拓展,扩张自身能力边界。

而后公司逐渐放弃低值OEM业务,转型ODM、JDM模式,向可听、可看、可感的声、光、电方向完善布局,形成“零件+成品”的发展战略。

具体到公司业务层面,目前公司主要业务分为三大品类:精密零组件、智能声学整机和智能硬件。

从2020年报中看出,智能声学整机占营收比为46.20%,精密零组件占营收比为21.13%,智能硬件占比为30.57%。

精密零组件业务主要产品为微型麦克风、微型扬声器、扬声器模组、天线模组、MEMS传感器及其他电子元器件等;智能声学整机业务主要产品为有线耳机、无线耳机、智能无线耳机、智能音响产品等;智能硬件业务主要产品为智能家用电子游戏机配件产品、智能可穿戴电子产品、AR/VR产品、工业自动化产品等。

图表39:歌尔股份历年主要经营指标(单位:万元)
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数据来源:歌尔股份公司年报

2、瑞声科技(2018.HK)

瑞声科技前身常州远宇电子有限公司成立于1993年,主营音响器材领域,公司1998 年开始为全球领先手机厂商供货,2005年于香港联交所主板上市。2008年以来,公司作为声学器件龙头供应商,在深耕主业的同时陆续布局非声学业务:2019年非声学业务已达总营收54.3%,占比过半。公司现已成为产品横跨声学、光学、射频、马达的微型器件整体解决方案供应商,具有一体化解决方案的平台优势。

公司当前主业围绕手机领域展开,涵盖声学板块、光学板块、电磁传动及精密结构件、微机电系统,其中MEMS微机电系统:2020年营收10.82亿元,同比增长16.57%,营收占比约6%。主要产品MEMS麦克风,份额稳定。

图表40:瑞声科技MEMS业务历年主要经营指标(单位:万元)
数据来源:瑞声科技公司年报

3、敏芯股份(688286.SH)

敏芯股份是一家以 MEMS 传感器研发与销售为主的半导体芯片设计公司,目前主要产品线包括 MEMS 麦克风、MEMS 压力传感器和 MEMS 惯性传感器。

经过多年的技术积累和研发投入,公司在 MEMS 传感器芯片设计、晶圆制造、封装和测试等各环节都拥有了自主研发能力和核心技术,同时能够自主设计为MEMS传感器芯片提供信号转化、处理或驱动功能的ASIC芯片,并实现了MEMS传感器全生产环节的国产化。

截至2019年12月31日,公司拥有境内外发明专利38项、实用新型专利19项, 正在申请的境内外发明专利32项、实用新型专利24项,覆盖了MEMS传感器的芯片设计、晶圆制造、封装等各个生产环节,并将相应的专利积累和核心技术应用到了公司 MEMS 麦克风、MEMS 压力传感器和 MEMS 惯性传感器这三大产品线中。

图表41:敏芯股份历年主要经营指标(单位:万元)
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数据来源:敏芯股份公司年报

4、汉威电子(300007.SZ)

汉威科技成立于1998年,于2009年在创业板上市。公司深耕传感器领域,主要产品包括气体传感器、压力传感器、温度传感器等。

以气体传感器起步,通过自主培育(炜盛科技)和投资并购(并购苏州能斯达)的方式不断进行传感器种类的横向整合,并着力研发智能传感器技术,是国内少有几家掌握了MEMS传感器技术的公司之一。

2018年,公司持续推进MEMS阵列传感器、热电堆红外传感器、压力传感器、超声波流量传感器、水质检测传感器、超低功耗红外气体传感器等多种产品的研发进度。公司以传感器业务为核心,纵深物联网下游应用领域。

物联网综合解决方案业务主要分为四大板块:1)物联网平台解决方案;2)智慧市政系统解决方案;3)智慧环保系统解决方案;4)智慧安全系统解决方案。

图表42:汉威电子传感器业务主要经营指标(单位:万元)
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数据来源:汉威电子公司年报

5、睿创微纳(688002.SH)

睿创微纳成立于2009年,是一家专业从事非制冷红外热成像与MEMS传感技术开发的集成电路芯片企业,致力于专用集成电路、MEMS传感器及红外成像产品的设计与制造。

产品主要包括非制冷红外热成像MEMS芯片、红外热成像探测器、红外热成像机芯、红外热像仪及光电系统。公司目前已具备先进的集成电路设计、传感器设计、器件封测、图像算法开发、系统集成等研发与制造能力。

主要应用于军用及民用领域,其中军用产品主要应用于夜视观瞄、精确制导、光电载荷以及军用车辆辅助驾驶系统等,民用产品广泛应用于安防监控、汽车辅助驾驶、户外运动、消费电子、工业测温、森林防火、医疗检测设备以及物联网等诸多领域。

图表43:睿创微纳主要经营指标(单位:万元)
数据来源:睿创微纳公司年报

6、士兰微(600460.SZ)

公司成立于1997年9月25日,于2003年在上海证券交易所上市。公司主要产品包括集成电路、半导体分立器件、LED(发光二极管)产品等三大类。

经过将近二十年的发展,公司已经从一家纯芯片设计公司发展成为目前国内为数不多的以IDM模式(设计与制造一体化)为主要发展模式的综合型半导体产品公司。

2018年士兰微成功推出高精度MEMS麦克风产品。在自有的芯片制造和封装体系支持下,公司已开发出成系列的MEMS传感器产品:三轴加速度计、三轴地磁传感器、六轴惯性传感器(内置陀螺仪和加速度计)、压力传感器、光传感器、心率传感器、MEMS麦克风等,这些产品已经或正在导入量产,已进入智能手机、手环、智能音箱、行车记录仪等消费领域。公司2019年将MEMS产品从原有成熟的6寸MEMS芯片生产线升级至8寸MEMS芯片生产线,全面提升公司MEMS产品制造能力和竞争力。

图表44:士兰微主要经营指标(单位:万元)
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数据来源:士兰微公司年报

7、华工科技(000988.SZ)

华工科技于 1999 年在武汉成立,2000 年在深交所上市,是华中地区第一家由高校产业重组上市的高科技公司。公司是国家重点高新技术企业、国家“863”高技术成果产业化基地,形成了以“激光技术及其应用”为核心的四大业务板块:光通信器件、激光装备制造、激光全息仿伪、传感器。

华工科技子公司华工高理是温度传感器的全球领军企业,产品分为 NTC、PTC 和汽车电子。公司拥有NTC及 PTC芯片制备和封装工艺的自主知识产权核心技术,这是公司进行研发突破的支点,公司自主研发的汽车传感器打破了国外垄断局面,实现国产替代,自主研发的 PTC 发热器更是国内首创,使公司成为新能源 PTC 加热领域的头部企业。

图表45:华工科技敏感元器件业务主要经营指标(单位:万元)
数据来源:华工科技公司年报

8、苏奥传感(300507.SZ)

苏奥传感是一家以汽车油位传感器的研发和生产为核心业务的高新技术企业,是国内最大的汽车油位传感器生产厂家之一。

主营业务是研发、生产和销售汽车零部件,主要产品分为三大类,分别为传感器及配件、燃油系统附件及汽车内饰件。汽车传感器及配件主要包括油位传感器及配件和水位传感器;燃油系统附件主要包括加油管总成、进口控制阀、通风阀、锁闭接管总成、滤清器支架、锁紧螺母、燃油泵固定嵌环、燃油泵锁紧环等产品;汽车内饰件包括气囊盖板、仪表板、空调风管等产品。

生产的汽车油位传感器包括双回路厚膜电路汽车用油位传感器、双接触点厚膜电路汽车用油位传感器及新型多爪式耐磨耐油液位传感器等多种产品。

图表46:苏奥传感传感器及配件业务主要经营指标(单位:万元)

数据来源:苏奥传感公司年报


(二)MEMS制造


1、赛微电子(300456.SZ)

北京赛微电子股份有限公司(曾用名:北京耐威科技股份有限公司)成立于2008年,长期从事惯性、卫星、组合导航产品的研发、生产与销售,于2015年5月在深交所创业板上市。目前,公司已形成“惯性导航+卫星导航+组合导航”全覆盖的自主研发生产能力,“MEMS、导航、航空电子”三大核心支柱业务。

公司于2016年7月完成对瑞通芯源100%股权的收购并间接控股了全球领先的MEMS芯片制造商瑞典Silex。在2017年全球最新MEMS代工厂营收排名中, SILEX超越TSMC(台积电)、SONY(索尼),排名从2016 年的第五名前进至第三名;紧随 STMicroelectronics(意法半导体)、TELEDYNE DALSA之后。

在纯MEMS代工领域继续保持全球第二,紧随TELEDYNE DALSA 之后。Silex在2019年在MEMS代工领域(纯代工和非纯代工一起排名)已经达到了全球第一。公司MEMS业务包括工艺开发和晶圆制造两大类,为全球MEMS芯片设计厂商提供工艺开发及晶圆制造服务。

图表47:赛微电子MEMS晶圆制造业务主要经营指标(单位:万元)
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图表48:赛微电子MEMS工艺开发业务主要经营指标(单位:万元)
数据来源:赛微电子公司年报

2、华润微(688396.SH)

华润微是中国领先的拥有芯片设计、晶圆制造、封装测试等全产业链一体化经营能力的IDM半导体企业,企业聚焦于功率半导体、智能传感器与智能控制领域。业务包括集成电路设计、掩模制造、晶圆制造、封装测试及分立器件,业务范围遍布无锡、深圳、上海、重庆、香港、台湾等地。

目前拥有 6-8 英寸晶圆生产线5 条、封装生产线 2 条、掩模生产线 1 条、设计公司 3 家,业务覆盖芯片制造全流程。公司旗下的华润矽威、华润矽科、华润半导体、华润华晶、重庆华微主营产品和芯片设计;无锡华润上华、华润华晶以及重庆华微负责晶圆制造;公司旗下的迪思微电子专注于掩模板制造;华润安盛、华润赛美科、矽磬微电子、华润华晶负责后段的封测业务。

图表49:华润微制造与服务业务主要经营指标(单位:万元)
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数据来源:华润微公司年报


(三)MEMS封测


1、华天科技(002185.SZ)

华天科技主要从事半导体集成电路、MEMS 传感器、半导体元器件的封装测试业务。公司昆山、南京工厂持续布局先进封装领域,在 WLCSP、TSV、Bumping、Fan-out、FC 等多个技术领域均有布局,同时打通CIS芯片、存储器、射频、MEMS等多种高端产品。

图表50:华天科技主要经营指标(单位:亿元)
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数据来源:华天科技公司年报

2、长电科技(600584.SH)

长电科技是全球第三、中国第一的封装测试厂商,覆盖全系列封装技术,在先进封装上比肩国外巨头,拥有六大生产基地。

面向全球提供封装设计、产品开发及认证,以及从芯片中测、封装到成品测试及出货的全套专业生产服务。公司生产、研发和销售网络已覆盖全球主要半导体市场。公司具有广泛的技术积累和产品解决方案,包括有自主知识产权的Fan-out eWLB、WLCSP、Bump、PoP、fcBGA、SiP、PA等封装技术,另外引线框封装及自主品牌的分立器件也深受客户褒奖。

图表51:长电科技主要经营指标(单位:亿元)
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数据来源:长电科技公司年报

3、晶方科技(603005.SH)

晶方科技2005年成立于苏州,是国内晶圆级封装的领军企业之一,主要专注于传感器领域的封装测试专业代工业务,同时具备8英寸、12英寸晶圆级芯片尺寸封装技术规模量产能力。

封装产品主要包括影像传感器芯片、生物身份识别芯片、微机电系统芯片(MEMS)、环境光感应芯片、医疗电子器件、射频芯片等,并广泛应用在消费电子(手机、电脑、照相机、游戏机)、安防监控、身份识别、汽车电子、虚拟现实、智能卡、医学电子等诸多领域。

图表52:晶方科技芯片封装业务主要经营指标(单位:亿元)
数据来源:晶方科技公司年报

八、发展趋势分析

1、商业模式:纯MEMS代工厂与MEMS设计公司合作开发将成为主流

虽然目前大部分MEMS业务仍然掌握在IDM企业中,但随着制作工艺逐渐标准化,预计MEMS产业未来会沿着传统集成电路行业发展趋势,将逐步走向设计与制造相分离的模式。MEMS产业链上游MEMS设计企业与中游纯MEMS 代工企业合作分工的商业模式将成为主流。

由于中国MEMS行业起步较晚,研发、设计和工艺积累薄弱,多数中国本土企业缺乏自主化能力,因此采用外购芯片封测模式为主。

传感器芯片供应商多数为博世、英飞凌和恩智浦等国际企业,占据中国市场近90%的份额,影响中国MEMS行业健康发展。

除科研院校外,采用IDM模式的中国本土MEMS企业较少,且该模式需庞大的生产线投资,投资周期长,为企业带来资金占用风险,不利于企业快速实现产业化。

对仍于初步发展阶段的国内MEMS行业而言,在该模式下本土MEMS设计企业可轻资产运营,无需大量生产设备等固定资产投入,投资周期短。生产制造交由专业代工企业可提升传感器设计企业的产品市场化速度,利于企业快速完成产品经验积累。

2、产品形式:将向着微型化、集成化、低功耗化、智能化的方向发展

(1)微型化。微型化不可逆,MEMS向NEMS演进。与MEMS类似,NEMS(纳机电系统)是专注纳米尺度领域的微纳系统技术,只不过尺寸更小。

而随着终端设备小型化、种类多样化,MEMS向更小尺寸演进是大势所趋。MEMS传感器产品的下游应用,尤其是消费电子领域,对产品轻薄化有着较高的要求。基于下游客户的需求,MEMS传感器也需要相应地不断缩小成品的尺寸。

为实现这一目标,MEMS传感器生产厂商一方面需要改进封装结构的设计,在保证产品性能的基础上缩小MEMS传感器封装后的尺寸,另一方面,也需要缩小传感器芯片的尺寸。

在单片晶圆的尺寸固定的情况下,设计的芯片越小,所能产出的芯片数量就越多,MEMS传感器芯片的成本也能够得到有效降低。

因此,在保证产品性能达到客户需求的前提下,不断缩小产品尺寸、降低产品成本是MEMS行业的重要发展趋势之一。

(2)集成化。传感器呈现多项功能高度集成化和组合化。由于设计空间、成本和功耗预算日益紧缩,在同一衬底上集成多种敏感元器件、制成能够检测多个参量的多功能组合MEMS传感器成为重要解决方案。

MEMS集成化主要包括两种:一种是传感器与作为信号调理电路的ASIC芯片集成,另一种是多种类型传感器及器件集成。

随着 MEMS器件需求的增加和集成工艺的成熟,基于与ASIC芯片集成带来的优点,传感器与ASIC芯片封装为一体的现象将日益普遍。

通过与ASIC芯片集成,MEMS传感器不仅提高了数据可靠性,传感器所需配套器件数量亦相应减少,传感器的尺寸、重量、功耗和成本得到减小和降低,为生产满足下游应用的批量化、高可靠性、低成本的传感器提供条件。

随着设备智能化程度的不断提升,单个设备中搭载的传感器数量也逐渐增加,通过多传感器的融合与协同,提升了信号识别与收集的效果,也提高了智能设备器件的集成化程度,节约了内部空间。

(3)低功耗化。传感器低功耗化需求日趋增加。随着物联网等应用对传感需求的快速增长,传感器使用数量急剧增加,能耗也将随之翻倍。

降低MEMS功耗,增强续航能力的需求将会伴随传感器发展的始终且日趋强烈。

(4)智能化。加入信号处理功能,实现智能化。现代传感器作为电子产品的“感知中枢”,通过加入微控制单元和相应信号处理算法,还可以承担自动调零、校准和标定等功能,实现终端设备的智能化。

3、MEMS封装技术:将会向着标准化演进

根据封装行业巨头Amkor 公司的观点,MEMS的整合正在向标准化、平台化演进。从之前众多分散复杂的封装形式(Discrete Packaging)逐渐演化到以密封模压封装(Overmolded)、集成电路便面裸露封装(Exposed Die Surface)、空腔封装(Cavity Package)这三种载体为主的封装形式。MEMS模块平台标准化意味着更快的反应速度。

与此同时,随着下游最重要的应用场景物联网的快速发展,MEMS在IOT平台的产品未来会逐渐演化到SIP封装就显得尤为重要。

往往单个MEMS 模块会集成包括MCU(Microcontroller Unit)、RF模块(Radio Frequenc,例如蓝牙,NB IOT发射模块)和 MEMS传感器等多个功能部分。系统级的封装带来的同样是快速响应速度和及时的产品更新换代。



附录:国内MEMS各细分领域优秀企业

压力传感器(排名不分先后)

序号

公司名称

属地

1

盾安传感科技有限公司

浙江省绍兴市

2

麦克传感器股份有限公司

陕西省宝鸡市

3

苏州敏芯微电子技术股份有限公司

江苏省苏州市

4

美泰电子科技有限公司

河北省石家庄市

5

昆山双桥传感器测控技术有限公司

江苏省昆山市

6

无锡市纳微电子有限公司

江苏省无锡市

7

北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司

北京市

8

龙微科技无锡有限公司

江苏省无锡市

9

苏州纳芯微电子股份有限公司

江苏省苏州市

10

苏州感芯微系统技术有限公司

江苏省苏州市

惯性(组合)传感器十大企业(排名不分先后)

序号

公司名称

属地

1

北京星网宇达科技股份有限公司

北京市

2

深迪半导体(上海)有限公司

上海市

3

美新半导体(无锡)有限公司

江苏省无锡市

4

上海矽睿科技有限公司

上海市

5

北京耐威科技股份有限公司

北京市

6

美泰电子科技有限公司

河北省石家庄市

7

西安中星测控有限公司

陕西省西安市

8

苏州明皜传感科技有限公司

江苏省苏州市

9

安徽北方芯动联科微系统技术有限公司

安徽省蚌埠市

10

杭州士兰微电子股份有限公司

浙江省杭州市

射频(RF)MEMS器件十大企业(排名不分先后)

序号

公司名称

属地

1

苏州能讯高能半导体有限公司

江苏省苏州市

2

北京中科汉天下电子技术有限公司

北京市

3

诺思(天津)微系统有限责任公司

天津市

4

深圳飞骧科技有限公司

广东省深圳市

5

锐迪科微电子(上海)有限公司

上海市

6

唯捷创芯(天津)电子技术股份有限公司

天津市

7

美泰电子科技有限公司

河北省石家庄市

8

江苏微远芯微系统技术有限公司

江苏省南通市

9

苏州希美微纳系统有限公司

江苏省苏州市

10

北京时代民芯科技有限公司

北京市

MEMS麦克风十大企业(排名不分先后)

序号

公司名称

属地

1

歌尔股份有限公司

山东省潍坊市

2

杭州士兰微电子股份有限公司

浙江省杭州市

3

瑞声科技控股有限公司

江苏省常州市

4

共达电声股份有限公司

山东省潍坊市

5

无锡芯奥微传感技术有限公司

江苏省无锡市

6

苏州敏芯微电子技术有限公司

江苏省苏州市

7

汉得利(常州)电子股份有限公司

江苏省常州市

8

深迪半导体(上海)有限公司

上海市

9

华景传感科技(无锡)有限公司

江苏省无锡市

10

上海微联传感科技有限公司

上海市

非制冷红外热成像和探测器十大企业(排名不分先后)

序号

公司名称

属地

1

浙江大立科技股份有限公司

浙江省杭州市

2

上海丽恒光微电子科技有限公司

上海市

3

武汉高德红外股份有限公司

湖北省武汉市

4

烟台睿创微纳技术股份有限公司

山东省烟台市

5

广州飒特红外股份有限公司

广东省广州市

6

北方广微科技有限公司

北京市

7

北方夜视技术股份有限公司

云南省昆明市

8

上海巨哥电子科技有限公司

上海市

9

武汉高芯科技有限公司

湖北省武汉市

10

烟台艾睿光电科技有限公司

山东省烟台市

气体传感器十大企业(排名不分先后)

序号

公司名称

属地

1

武汉巨正环保科技有限公司

湖北省武汉市

2

汉威科技集团股份有限公司

河南省郑州市

3

武汉四方光电科技有限公司

湖北省武汉市

4

苏州慧闻纳米科技有限公司

江苏省苏州市

5

合肥微纳传感技术有限公司

安徽省合肥市

6

武汉微纳传感技术有限公司

湖北省武汉市

7

苏州诺联芯电子科技有限公司

江苏省苏州市

8

深证市戴维莱传感技术开发有限公司

广东省深圳市

9

苏州麦茂思传感技术有限公司

江苏省苏州市

10

苏州钽氪电子科技有限公司

江苏省苏州市

数据来源:赛迪顾问《2019年中国MEMS传感器潜力市场暨细分领域优秀本土企业》


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