機械行業(yè)市場前景及投資研究報告：智能制造前瞻MEMS傳感器國產(chǎn)化機遇

證券研究報告智能制造前瞻布局，把握MEMS傳感器

機遇2023年7月19日證券研究報告核心觀點?

MEMS

傳感器無處不在，從智能手機到汽車，從智能工廠到醫(yī)療設備，近四分之三的半導體傳感器銷售額來自利用MEMS技術(shù)制造的產(chǎn)品，MEMS器件現(xiàn)在已經(jīng)占據(jù)全球傳感器總出貨量的54%。?

重視工業(yè)級高精度MEMS傳感器行業(yè)國產(chǎn)化機遇，目前國內(nèi)高精度工業(yè)級MEMS傳感器主要依賴于國外進口，

MEMS壓力傳感器主要依賴于博世、泰科電子、英飛凌等國外廠商，MEMS慣性傳感器主要依賴于美新半導體、博世、ST等國外廠商。?

重視MEMS傳感器在機器人領域的無限潛力，隨著特斯拉確認人形機器人Optimus將于明年落地，智能機器人將具備計算機視覺、自然語言處理、動作規(guī)劃和控制功能，并且擁有語音交互、行走和執(zhí)行復雜任務等與物理世界互動能力，而實現(xiàn)一切感知的基礎和核心就是傳感器。?

根據(jù)同花順傳感器指數(shù)（885946.TI），成分股截至目前共有84家A股上市公司，但是缺少MEMS傳感器真正行業(yè)龍頭，特別是高精度MEMS傳感器。國產(chǎn)MEMS傳感器的研發(fā)，主要問題是半導體工藝的改進、市場的拓展等，隨著近幾年地方政府的重視，各地MEMS中試線、量產(chǎn)線的投入建設，將有助于建立MEMS共性基礎工藝生產(chǎn)體系，提升傳感器企業(yè)MEMS工藝研發(fā)和迭代能力，推動中國MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。?

建議關注公司：MEMS芯片-敏芯股份；ASIC芯片-納芯微；壓阻MEMS傳感器國產(chǎn)突破-康斯特；慣性硅諧振MEMS傳感器-芯動聯(lián)科，以及明皜傳感、高華科技、士蘭微；CMOS圖像傳感器-長光辰芯。?

風險提示：政策變動風險，核電安全等相關政策的變動對于行業(yè)的影響巨大；相關半導體技術(shù)等核心技術(shù)卡的風險；原材料大幅波動的風險；測算市場空間的誤差風險；研究依據(jù)的信息更新不及時，未能充分反映公司最新狀況的風險。華安證券研究所2證券研究報告目錄1

乘風智能制造，MEMS傳感器工藝逐漸成熟2

夯實科技強國基礎，MEMS傳感器無處不在3

著眼未來，重視MEMS傳感器4

建議關注公司機遇5

風險提示01乘風智能制造，MEMS傳感器工藝逐漸成熟證券研究報告1.1什么是MEMS?

微機電系統(tǒng)（MEMS,

Micro-Electro-Mechanical

System），也叫做微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機電系統(tǒng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。微機電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)（半導體制造技術(shù)）基礎上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術(shù)制作的高科技電子機械器件。MEMS是一個獨立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。例如，常見的MEMS產(chǎn)品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。一個MEMS傳感器里面最重要的芯片為MEMS芯片和ASIC芯片，其中MEMS芯片負責感知信號，將測量量轉(zhuǎn)化為電阻、電容等信號變化；ASIC芯片負責將電容、電阻等信號轉(zhuǎn)換為電信號，其中涉及到信號的轉(zhuǎn)換和放大等功能。?

MEMS側(cè)重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。?

常見的產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。華安證券研究所5證券研究報告1.2MEMS傳感器圖表1：

MEMS傳感器分類MEMS力學傳感器?

MEMS傳感器是基于微機電系統(tǒng)的典型傳感器件。它是指可以批量制造的，集微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器以及信號處理和控制電路于一體的器件或系統(tǒng)。其特征尺寸一般在0.1μm～100μm范圍。MEMS集成了當今科學技術(shù)的許多尖端成果，它將感知信息處理與執(zhí)行機構(gòu)相結(jié)合，改變了人類感知和控制外部世界的方式。MEMS光學傳感器MEMS電學傳感器MEMS聲學傳感器MEMS磁學傳感器?

與傳統(tǒng)的機械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化等特點。在微米量級的特征尺寸MEMS傳感器可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。因此，MEMS傳感器正逐步取代傳統(tǒng)機械傳感器的主導地位，在消費電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機械、化工及醫(yī)藥等領域得到廣泛的應用。MEMS溫度傳感器MEMS熱學傳感器MEMS氣體傳感器MEMS離子傳感器MEMSMEMS生化傳生理傳感器感器資料：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，華安證券研究所整理華安證券研究所6證券研究報告1.2MEMS傳感器圖表2：

MEMS傳感器工作原理資料：數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)，華安證券研究所整理華安證券研究所7證券研究報告1.2MEMS傳感器?

中國MEMS傳感器市場的起步和發(fā)展與中國3C產(chǎn)品(包括計算機、通信和消費類電子產(chǎn)品)及汽車電子產(chǎn)品保持快速增長、全球電子整機產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移密切相關。近年來，隨著消費電子、汽車電子產(chǎn)品等下游行業(yè)的快速發(fā)展，我國MEMS傳感器市場需求旺盛，歷年持續(xù)保持快速增長。?

根據(jù)Omdia的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2022年全球MEMS行業(yè)市場規(guī)模已達到184.77億美元，2017-2022年復合增長率為5.77%。根據(jù)賽迪顧問的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與預測，2022年中國MEMS傳感器市場規(guī)模已達到982.1億元，同比增長15.1%，預計到2025年市場規(guī)模將達到1571.3億元，2022-2025年復合增長率為17.0%。圖表3：

MEMS傳感器全球市場規(guī)模圖表4：

MEMS傳感器中國市場規(guī)模120020010008006004002000150100500201720182019202020212022201720182019202020212022市場規(guī)模(億美元)市場規(guī)模(億元)資料：

Yole

Intelligence

，華安證券研究所整理資料：

智研咨詢，華安證券研究所整理華安證券研究所8證券研究報告1.3MEMS傳感器應用領域圖表5：MEMS傳感器應用領域分析應用領域用途工業(yè)檢測在石油、化工、電梯、鋼鐵、機械等工業(yè)中，完成各種信息檢測，并將信息通過自動控制和計算機處理進行反饋，實現(xiàn)生產(chǎn)過程、質(zhì)量、工藝、安全等方面控制。汽車醫(yī)療對行駛速度、距離、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、安全氣囊、防盜裝置、防滑系統(tǒng)、排氣循環(huán)系統(tǒng)等參數(shù)進行測量和控制對人體表面和內(nèi)部溫度、血壓、血液和呼吸流量、心腦電波、腫瘤等進行高精度診斷。環(huán)境保護航空航天對大氣污染、水質(zhì)污染、噪聲等進行實時監(jiān)控。精確測量飛行器飛行速度、加速度、距離、周圍環(huán)境、內(nèi)部狀態(tài)等。資料：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，華安證券研究所整理華安證券研究所9證券研究報告1.3MEMS傳感器應用領域圖表6：MEMS傳感器應用產(chǎn)品分析應用市場消費電子涉及的MEMS傳感器產(chǎn)品射頻MEMS、微型麥克風、噴墨打印頭、光學MEMS、慣性傳感器組合、陀螺儀、加速度計、壓力傳感器、磁傳感器等。汽車電子加速度計、壓力傳感器、陀螺儀、慣性傳感器組合等。工業(yè)與通信壓力傳感器、噴墨打印頭、非制冷紅外探測儀、微針、陀螺儀、流量計、加速度計等國防與航空非制冷紅外探測儀、陀螺儀、加速度計、壓力傳感器等資料：觀研報告網(wǎng)，華安證券研究所整理華安證券研究所10證券研究報告1.3MEMS傳感器應用領域圖表7：

MEMS傳感器行業(yè)應用占比?

MEMS傳感器種類極多，可應用于物理、化學、生物等領域信號的探測，較為常見的種類有加速度傳感器、慣

性

傳

感

器、壓

力

傳

感

器、MEMS陀

螺

儀

以

及MEMS麥克風等。工業(yè)等,9.10%?

目前

MEMS

傳感器在消費電子、醫(yī)療、汽車電子以及工業(yè)等應用領域占比最高，分別占據(jù)41.8%、28.1%、16.7%和

9.1%。汽車電子,16.70%消費電子,41.80%醫(yī)療,28.10%資料：CCID，華安證券研究所整理華安證券研究所11證券研究報告目錄1

乘風智能制造，MEMS傳感器工藝逐漸成熟2

夯實科技強國基礎，MEMS傳感器無處不在3

著眼未來，重視MEMS傳感器4

建議關注公司機遇5

風險提示02夯實科技強國基礎，MEMS傳感器無處不在華安證券研究所證券研究報告2.1MEMS壓力傳感器?

MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到壓力時變形?？梢岳脩儍x（壓阻型感測）來測量這種形變，也可以通過電容感測兩個面之間距離的變化來加以測量。這兩種方法都很流行，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)使用比較結(jié)實的壓阻方法。?

常見的壓力傳感器有三種：壓阻式、電容式和壓電式。?

具有體積小、重量輕、靈敏度高、精度高、動態(tài)特性好、耐腐蝕、零位小等優(yōu)點?

隨著MEMS壓力傳感器的出現(xiàn)和普及，智能手機中用壓力傳感器也越來越多，主要用來測量大氣壓力。測量大氣壓的目的，是為了通過不同高度的氣壓，來計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實現(xiàn)更為精確的三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級數(shù)等都可以檢測。?

MEMS壓力傳感器的原理也非常簡單，核心結(jié)構(gòu)就是一層薄膜元件，受到壓力時變形，形變會導致材料的電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應變儀來測量這種形變，進而計算受到的壓力。華安證券研究所14證券研究報告2.1.1MEMS壓力傳感器原理?

下圖是一種電容式MEMS壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，當受到壓力時，上下兩個橫隔(傳感器橫隔上部、傳感器下部)之間的間距變化，導致隔板之間的電容變化，據(jù)此可以測算出壓力大小。圖表8：電容式MEMS壓力傳感器資料：傳感器專家網(wǎng)，華安證券研究所整理華安證券研究所15證券研究報告2.1.1MEMS壓力傳感器原理?

下圖是一種電阻式MEMS壓力傳感器的工作動圖，由一個帶有硅薄膜的底座和安裝在其上的電阻結(jié)構(gòu)組成，當外力施加時，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測量值。圖表9：電阻式MEMS壓力傳感器資料：傳感器專家網(wǎng)，華安證券研究所整理華安證券研究所16證券研究報告2.1.2MEMS壓力傳感器市場規(guī)模?

根據(jù)Yole

Intelligence的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年壓力傳感器是MEMS傳感器中銷售額最高的細分市場，也是銷售量第二大的細分市場，僅次于硅麥克風。MEMS壓力傳感器的市場規(guī)模從2018年的14.72億顆、17.63億美元增加至2021年的16.05億顆、20.04億美元，預計將于2027年增長至

25.35億顆、26.24億美元。圖10：MEMS壓力傳感器全球市場規(guī)模2520.042017.6317.5617.6216.0514.9314.7214.5515105020182019銷售量(億顆)2020銷售額(億美元)2021資料：Yole

Intelligence，華安證券研究所整理華安證券研究所17證券研究報告2.2MEMS壓力傳感器應用?

MEMS壓力傳感器是使用最廣泛的

MEMS傳感器產(chǎn)品之一，通常應用于智能手機、航空航天、汽車、生物醫(yī)藥以及工藝控制等領域，按照壓力探測方式可以分為壓阻式、電容式、諧振傳感等，而最為常用的是壓阻式和電容式，因此這兩種壓力傳感器的技術(shù)迭代也最為活。?

為充分降低微壓MEMS傳感器中測量的敏感性和線性度之間的矛盾，不斷提高微壓傳感器測量精度，一種新型的FBBM結(jié)構(gòu)應運而生，該結(jié)構(gòu)包含了

4

個短梁和一個位于中心的方形凸塊，通過減少傳感膜結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)程度達到進一步降低壓力的非線性，并提高了壓阻靈敏度，達到了提升微壓MEMS傳感器精度的目標。?

為滿足航空航天領域中在惡劣環(huán)境中的無源無線壓力傳感需求，一種基于藍寶石的隔膜和結(jié)構(gòu)體MEMS壓力傳感結(jié)構(gòu)被提出，在施加壓力時，傳感器隔膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)，傳感器的電諧振頻率因而隨壓力隔膜的偏轉(zhuǎn)而改變，實現(xiàn)了將輕微壓力轉(zhuǎn)換為電信號的目的，該結(jié)構(gòu)可在

1000℃

的高溫下正常工作，滿足了惡劣環(huán)境下壓力傳感的需求。華安證券研究所18證券研究報告2.2MEMS壓力傳感器應用?

壓力傳感器的下游行業(yè)主要是石油、化工、電力、冶金、機械制造、國防工業(yè)、計量等。圖表11：MEMS壓力傳感器上下游行業(yè)?

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展及工業(yè)化水平的提高，各行業(yè)對數(shù)字壓力檢測的需求增長較快；科技水平的提高以及產(chǎn)品應用領域的擴大等因素也將催生壓力傳感器在醫(yī)療、食品、氣象、鐵路等行業(yè)大量使用。資料：康斯特招股說明書，華安證券研究所整理華安證券研究所19證券研究報告2.2MEMS慣性傳感器?

慣性傳感器是一種用于測量物體的加速度、角速度和傾斜角度等參數(shù)的電子傳感器。?

MEMS慣性傳感器指采用MEMS工藝制備的慣性傳感器，與傳統(tǒng)工藝制造的慣性傳感器相比，MEMS器件具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和智能化等特點，被廣泛應用于航空航天、石油化工、汽車、船舶、消費電子、醫(yī)療等領域。?

高性能MEMS慣性傳感器，包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計和MEMS慣性測量單元（IMU），均包含一顆微機械（MEMS）芯片和一顆專用控制電路（ASIC）芯片，并通過慣性技術(shù)實現(xiàn)物體運動姿態(tài)和運動軌跡的感知。陀螺儀和加速度計是慣性系統(tǒng)的基礎核心器件，其性能高低直接決定慣性系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。硅基MEMS慣性傳感器因小型化、高集成、低成本的優(yōu)勢，成為現(xiàn)代慣性傳感器的重要發(fā)展方向。?

其中，陀螺儀用于感知物體運動的角速率，加速度計用于感知物體運動的線加速度，二者輔以時間維度進行運算后可得出物體相對于初始位置的偏離，進而獲得物體的運動狀態(tài)，包括當前位置、方向和速度。華安證券研究所20證券研究報告2.2.1MEMS陀螺儀?

MEMS陀螺儀是測量角速率的一種器件，是慣性系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于導航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測、平臺穩(wěn)定等應用領域。?

利用振動質(zhì)量塊被基座（儀表殼體）帶動旋轉(zhuǎn)時的哥式效應來敏感角速度，具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高、可數(shù)字化及可重復大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。圖表12：線振動（音叉式）微陀螺儀圖表13：角振動微陀螺儀資料：傳感器專家網(wǎng)公眾號，華安證券研究所整理華安證券研究所21證券研究報告2.2.1MEMS陀螺儀圖表14：MEMS螺旋儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖?

MEMS

陀

螺

儀

的

核

心

是

一

顆

微

機

械（

MEMS

）

芯

片

，

一

顆

專

用

控

制

電

路（ASIC）芯片及應力隔離封裝。其工作原理為：采用半導體加工技術(shù)在硅晶圓上制造出的MEMS芯片，在ASIC芯片的驅(qū)動控制下感應外部待測信號并將其轉(zhuǎn)化為電容、電阻、電荷等信號變化，ASIC芯片再將上述信號變化轉(zhuǎn)化成電學信號，最終通過封裝將芯片保護起來并將信號輸出，從而實現(xiàn)外部信息獲取與交互的功能。資料：電子發(fā)燒友，華安證券研究所整理華安證券研究所22證券研究報告2.2.2MEMS加速度計?

加速度計是一種能夠測量物體線加速度的器件。加速度計的理論基礎是牛頓第二定律，傳感器在加速過程中，可通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量計算出加速度值。如果初速度已知，就可以通過對時間積分得到線速度，再次積分即可計算出直線位移。加速度計已經(jīng)廣泛應用于導航定位、姿態(tài)感知、狀態(tài)監(jiān)測、平臺穩(wěn)定等領域。圖表15：MEMS加速度計應用產(chǎn)品圖示用途行業(yè)典型應用場景慣性導航平臺穩(wěn)定姿態(tài)感知狀態(tài)監(jiān)測飛行體、車、船、機器人等平臺導航飛行體、車、船、機器人等平臺穩(wěn)定?

MEMS加速度計的核心是一顆MEMS芯片、一顆ASIC芯片及應力隔離封裝。其產(chǎn)品構(gòu)造與前述陀螺儀基本相同。MEMS加速度計利用敏感結(jié)構(gòu)將線加速度的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化量，最終通過專用集成電路讀出電容值的變化，得到物體運動的加速度值。產(chǎn)品主要包含加速度計敏感結(jié)構(gòu)和ASIC芯片，ASIC芯片由電容/電壓變換電路和數(shù)字部分組成。飛行體、車、船、機器人、衛(wèi)星等姿態(tài)感知工業(yè)設備、橋梁、高鐵軌道、站等設備的監(jiān)測5G基資料：電子發(fā)燒友，華安證券研究所整理華安證券研究所23證券研究報告2.2.2MEMS加速度計?

主要用于測量物體運動過程中的加速度：過載、振動和沖擊。?

有壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式微加速度計?

平行板結(jié)構(gòu)電容式為加速度計雖然具有較高的靈敏度，但是其制作需要腐蝕、組裝、鍵合等多種工藝，過程復雜，無法與硅平面工藝兼容，難以實現(xiàn)批量化、低成本生產(chǎn)。圖表16：東南大學研制的壓阻式大加速度計圖表17：“三明治”結(jié)構(gòu)電容式微加速度計結(jié)構(gòu)圖表18：懸臂梁式隧道效應微加速度計結(jié)構(gòu)資料：傳感器專家網(wǎng)，華安證券研究所整理華安證券研究所24證券研究報告2.2.3MEMS慣性測量單元（IMU）?

IMU是基于MEMS技術(shù)的新型慣性測量器件，用來測量物體的三軸加速度和三軸角速度信息。?

MEMS

IMU的發(fā)展早期主要受軍工需求推動，后續(xù)逐步推廣至民用，現(xiàn)已于消費電子、汽車、工業(yè)自動化等領域中實現(xiàn)廣泛應用。?

IMU按實現(xiàn)途徑分為組裝式和單片式兩類。組裝式是將三個單軸加速度傳感器和三個單軸陀螺儀通過立體組裝到一起分別實現(xiàn)三個方向加速度信號和角速度信號的測量。主要的廠家包括BOSCH，ST及TDK等。單片式是將多個MEMS敏感結(jié)構(gòu)制作在一個芯片上，MEMS芯片和ASIC電路芯片通過引線鍵合連接達到多軸測量的目的，并且可以做到更高的集成度和更小的體積。華安證券研究所25證券研究報告2.2.4MEMS慣性傳感器應用?

目前MEMS慣性傳感器已被廣泛應用于工業(yè)與通信、高可靠、汽車電子、醫(yī)療健康、消費電子等多個領域。隨著MEMS慣性技術(shù)的持續(xù)進步，高性能MEMS慣性傳感器應用逐漸拓展到無人系統(tǒng)、自動駕駛、高端工業(yè)、高可靠等領域，而中低性能MEMS慣性傳感器主要應用于消費電子和汽車等領域。圖表19：MEMS慣性傳感器應用領域應用工業(yè)與通信工業(yè)機器人，石油助探，測量測繪、高速鐵路、精密農(nóng)業(yè)、工程機械、尋北儀、光電吊艙、動中通、天線姿態(tài)監(jiān)測、光伏跟蹤系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、振動監(jiān)測等高可靠衛(wèi)星姿態(tài)控制、航姿備份系統(tǒng)等汽車電子醫(yī)療健康消費電子安全氣襄、車身稿定系統(tǒng)、TPWS胎壓傳感器、GPS輔助導航、自動駕駛高精定位等健康監(jiān)測設備、植入式心臟起搏器、手術(shù)機器人、康復訓練設備等智能手機、平板電腦、游戲機、智能手表，

智能手環(huán)，

TWS耳機、筆記本電腦、數(shù)碼相機、智能玩具等資料：共研網(wǎng)，華安證券研究所整理華安證券研究所26證券研究報告2.2.5MEMS慣性傳感器市場規(guī)模?

根據(jù)

Yole

Intelligence

的統(tǒng)計，全球MEMS慣性傳感器的市場規(guī)模從2018年的28.31億美元、31.21億顆增長至2021年的35.09

億美元、39.39億顆，預計該市場將于

2027年增長至49.43億美元、60.60億顆，2018年至

2027年銷售額及銷售量的復合增長率分別為

6.39%

和

7.65%。?

其中，全球

MEMS加速度計的市場規(guī)模從

2018

年的

9.14

億美元、10.23

億顆增長至

2021

年的12.19億美元、15.37億顆，預計該市場將于2027年增長至16.41億美元、24.28億顆，2018年至2027年銷售額及銷售量的復合增長率分別為6.72%

和10.08%。圖表21：MEMS慣性傳感器全球市場規(guī)模（億顆）圖表20：MEMS慣性傳感器全球市場規(guī)模（億元）40454035302520151050.8618.35.83350.570.550.534.81302520151054.353.8114.73.4915.0713.7914.6113.123.5412.6712.043.743.754.354.859.144.289.695.1315.3712.1910.4511.3412.5810.230020182019202020212018201920202021加速度計陀螺儀IMU磁力計加速度計陀螺儀IMU磁力計資料：Yole

Intelligence，華安證券研究所整理華安證券研究所27證券研究報告2.3MEMS其他傳感器?

按物理參數(shù)分，可分為力（加速度/壓力/聲）、熱（熱電偶/熱阻）、光（光電類）、電磁（磁強計）、化學和生物醫(yī)學（血糖/電容化學/化學機械）圖表22：智能手機中的傳感器資料：行行查，華安證券研究所整理華安證券研究所28證券研究報告2.3MEMS其他傳感器?

按傳感機理分，可分為壓阻、壓電、隧道、電容、諧振、熱對流。圖表23：敏壓原理特點比較傳感器類型

測量范圍

精度頻響高線性度

信號處理電路結(jié)構(gòu)工藝

技術(shù)成熟性壓阻式電容式諧振式壓電式隧道式熱對流式大小小大小大中高高低高中較好較好較好較好較差一般簡單電橋電路簡單復雜復雜簡單復雜簡單好差差好差差中高靈敏度的開關電容或電橋電路寬頻帶閉環(huán)諧振回路電荷放大器中高高高靈敏度電流檢測電路熱敏電阻電橋低資料：傳感器專家網(wǎng)公眾號，華安證券研究所整理華安證券研究所29證券研究報告2.3.1

MEMS麥克風?

微型麥克風測量的是聲壓，要求靈敏度高，頻帶寬?

清華微電子所研制的微型麥克風，表面工藝與體硅工藝結(jié)合制作，在單片硅片上實現(xiàn)了主要結(jié)構(gòu)，采用紋膜結(jié)構(gòu)提高靈敏度圖表24：微型麥克風資料：傳感器專家網(wǎng)公眾號，華安證券研究所整理華安證券研究所30證券研究報告2.3.2

MEMS光學傳感器?

原理：電子吸收光子，從而向高能級躍遷，當入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功時，就有光電子發(fā)射，稱為外光電效應。當物體受到光照射后，其內(nèi)部原子釋放出電子，但這些電子并不逸出物體表面仍留在內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電導效應。前者稱為光電導效應，后者稱為伏打效應。?

利用半導體光電導效應可制成光敏電阻。圖表25：光學傳感器截面圖資料：傳感器專家網(wǎng)公眾號，華安證券研究所整理華安證券研究所31證券研究報告2.3.3

MEMS熱學傳感器?

熱電偶是最常用的傳感器，依靠兩個不同金屬線的末端產(chǎn)生的電動勢，電動勢在兩個導線的節(jié)點被加熱的情況下產(chǎn)生。但有一個嚴重缺點就是，輸出信號隨著線和節(jié)點的尺寸的減小而降低。圖表27：熱電偶排列原理圖圖表26：1896年研制的微熱電堆資料：傳感器專家網(wǎng)公眾號，華安證券研究所整理華安證券研究所32證券研究報告2.3.4

MEMS電磁傳感器?

微型磁強計是利用MEMS技術(shù)制作的，把磁場強度和方向信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件。按工作原理可分為電磁效應式和機械式。?

應用：安全領域可用于安全監(jiān)測、交通車輛檢測；醫(yī)療領域可用于核磁共振儀器、導管定位測量；工業(yè)可用于機器人位置測量、轉(zhuǎn)速編碼器；國防可用于探雷、導航、戰(zhàn)場偵查；還可以用于地質(zhì)勘探。圖表28：德國1995年研制的微型磁通門磁強計資料：傳感器專家網(wǎng)公眾號，華安證券研究所整理華安證券研究所33證券研究報告2.3.5

MEMS生物醫(yī)學傳感器圖表29：生物傳感器原理圖?

微傳感器是構(gòu)成任何生物MEMS產(chǎn)品最基本的組元，在生物醫(yī)學中，常用的兩類傳感器是生物醫(yī)學傳感器和生物傳感器。?

生物醫(yī)學傳感器可以分成用于測量生物學物質(zhì)的生物醫(yī)學儀器和用以醫(yī)學診斷為目的的儀器，他們通常只需要小量的樣本，大大加快分析速度。?

生物傳感器的工作原理基于待檢測分析物與生物學方法產(chǎn)生的生物分子的相互作用，這些分子包括某種形式的酶、抗體和其他形式的蛋白。這些生物分子附著在傳感元單元上，當它們和被分析物相互作用時可以改變傳感器的輸出信號。資料：傳感器專家網(wǎng)公眾號，華安證券研究所整理華安證券研究所34證券研究報告目錄1

乘風智能制造，MEMS傳感器工藝逐漸成熟2

夯實科技強國基礎，MEMS傳感器無處不在3

著眼未來，重視MEMS傳感器4

建議關注公司機遇5

風險提示03著眼未來，重視MEMS傳感器機遇證券研究報告3.1不同MEMS傳感器的比較?

由于MEMS傳感器測量的外部信號不同，不同類型的MEMS傳感器技術(shù)差異較大。?

MEMS慣性傳感器主要檢測物體的運動，需要將傳感器安裝在載體上用于檢測載體的運動，因此多為密閉式封裝。而壓力/光學/聲學傳感器需要通過直接接觸被測量，所以多為開放式封裝，同時需要結(jié)合使用環(huán)境設計有利于檢測信號的傳感器敏感單元表面結(jié)構(gòu)。?

MEMS慣性傳感器相對于壓力傳感器、聲學傳感器等其他類型的傳感器應用領域較廣，在高可靠領域及其他工業(yè)、消費領域均具備豐富的應用場景，不同應用場景對于性能、成本、功耗、體積的要求差異較大。相對于在工業(yè)及消費領域應用較廣的聲學傳感器、環(huán)境傳感器等，高性能MEMS慣性傳感器多應用于高可靠領域，復雜環(huán)境下對于產(chǎn)品性能要求高，因此對產(chǎn)品可靠性提出了更嚴格的需求，存在較高的技術(shù)門檻。?

MEMS壓力傳感器主要是壓阻式和電容式，使用廣泛，成本低；部分高端壓力傳感器采用諧振式原理，精度高，售價高，多用于儀表校驗等對精度要求高的領域。?

MEMS聲學傳感器和光學傳感器主要應用于消費類電子，例如智能手機中的MEMS麥克風和接近傳感器，產(chǎn)品具有體積小、成本低、功耗低的特點，對產(chǎn)品絕對性能要求相對不高，行業(yè)內(nèi)廠商競爭相對激烈。華安證券研究所37證券研究報告3.1不同MEMS傳感器的比較圖表30：MEMS傳感器的典型應用典型應用設計傳感器類型具體介紹智能穿戴設備的兩大功能項是量化自我和便攜式環(huán)境安全監(jiān)測。MEMS元件在可穿戴設備中的應MEMS

加速度計、陀螺儀、

用要求是使系統(tǒng)實現(xiàn)小型化、低功耗、高性能和多功能集成。健身和健康監(jiān)測是MEMS傳感器在MEMS

麥克風和脈沖傳感器

智能可穿戴設備中的代表性應用。監(jiān)視器顯示用戶已采取的步數(shù)和速度，以及身體運動過程中燃燒的卡路里。可穿戴設備應用在無人機飛行姿態(tài)控制技術(shù)方面，MEMS傳感器還有發(fā)揮空間，結(jié)合加速度計和陀螺儀，可以計無人機應用車聯(lián)網(wǎng)應用MEMS加速度計和陀螺儀算出角度變化，確定位置和飛行姿態(tài)。MEMS傳感器可以在各種惡劣條件下工作，同時獲得高精度輸出。語音將成為人與智能汽車的重要交互方式，MEMS麥克風將迎來新的發(fā)展機遇。

MEMS傳感器在汽車領域也有很多應用，包括安全氣囊（正面碰撞安全氣囊的高加速度傳感器和側(cè)面安全氣囊的壓力傳感器）、汽車發(fā)動機（用于檢測進氣量的進氣歧管）絕對壓力傳感器和流量傳感器）等。MEMS加速度傳感器、角速度傳感器、MEMS麥克風MEMS壓力傳感器、加速度

在高端汽車中，大約使用25到40個MEMS傳感器，汽車越好，使用的MEMS就越多。BMW740i自動駕駛應用工業(yè)應用計、陀螺儀和流量傳感器中有70多個

MEMS。MEMS傳感器可以滿足惡劣的汽車環(huán)境、高可靠性、準確度和低成本的要求。MEMS溫濕度傳感器、MEMS加速度計和陀螺儀MEMS溫濕度傳感器可用于檢測環(huán)境條件，MEMS加速度計可用于監(jiān)測工業(yè)設備的振動和轉(zhuǎn)速。高精度MEMS加速度計和陀螺儀可以為工業(yè)機器人的導航和旋轉(zhuǎn)提供精確的位置信息。1、提供航天器的工作信息，起到故障診斷的作用；2、判斷各子系統(tǒng)之間工作的協(xié)調(diào)性，驗證設計方案；3.

提供全系統(tǒng)自檢

4.

提供各子系統(tǒng)及整機的內(nèi)部測試參數(shù)，驗證設計的正確性。5、監(jiān)測飛行器內(nèi)外環(huán)境，為飛行員和航天員提供必要的生活條件，保證飛行參數(shù)正常。航空航天傳感器主要分為狀態(tài)傳感器和環(huán)境傳感器航天設備應用資料：廣州工控傳感科技公司，華安證券研究所整理華安證券研究所38證券研究報告3.2MEMS傳感器發(fā)展困境?

相較于美國、日本等科技大國，國內(nèi)對于MEMS技術(shù)的研究稍顯落后，在20世紀80年代末才開始成為國家重點研究項目之一。經(jīng)過近三十年的發(fā)展，國產(chǎn)MEMS在技術(shù)方面有了實質(zhì)性的進展，在市場應用方面逐步實現(xiàn)了長效積累。例如在MEMS麥克風市場，全球四大公司占據(jù)市場話語權(quán)，其中兩家來自中國，歌爾股份和瑞聲科技，他們還正在挑戰(zhàn)樓氏電子的領袖地位，勢頭兇猛。圖表31：中國傳感器行業(yè)發(fā)展歷程?

伴隨著消費電子、汽車電子、工業(yè)、醫(yī)療等領域的快速發(fā)展，市場對MEMS產(chǎn)品的需求變得十分迫切，MEMS市場如同空池一般急需更多水源流入。資料：行行查，華安證券研究所整理華安證券研究所39證券研究報告3.2MEMS傳感器發(fā)展困境?

我國作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，正消耗著全球四分之一的MEMS器件。但目前，我國大部分MEMS傳感器仍依賴進口。國內(nèi)MEMS傳感器也仍以中低端為主，技術(shù)相對落后。?

中國MEMS廠商面臨的挑戰(zhàn)非常多。首先，MEMS傳感器商業(yè)化應用周期長，MEMS傳感器研發(fā)時間更長，這對MEMS企業(yè)的耐心、遠見是一個很大挑戰(zhàn)。?

另一方面，中國MEMS產(chǎn)業(yè)鏈在競爭方面，力量還較薄弱，沒有產(chǎn)生在國際市場上具有領導地位的企業(yè)。MEMS傳感器和IC芯片一樣，具有很強的規(guī)模效應，例如前端流片等環(huán)節(jié)加工能力薄弱，一致性、生產(chǎn)重復性都不能滿足設計加工工藝要求。因此，整個MEMS產(chǎn)業(yè)鏈均處于投入階段，盈利比較困難，產(chǎn)生了惡性循環(huán)。?

此外，價格下滑導致MEMS廠商盈利困難。MEMS傳感器產(chǎn)品的價格，并非與產(chǎn)品的重要性或開發(fā)難度成正比。例如，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，從應用廣泛和競爭激烈的陀螺儀和加速度傳感器市場來看，系統(tǒng)廠商對于MEMS產(chǎn)品需求量很大，但是它們也已經(jīng)把價格殺到MEMS廠商難以為繼的地步。華安證券研究所40證券研究報告3.2MEMS傳感器發(fā)展困境圖表32：MEMS工藝流程資料：

行行查，華安證券研究所整理華安證券研究所41證券研究報告3.2MEMS傳感器發(fā)展困境?

制造MEMS器件不僅需要成熟且豐富的工藝技術(shù)，還要有足夠多的產(chǎn)線保證產(chǎn)能。目前，國內(nèi)提供專業(yè)MEMS代工服務的有、無錫華潤上華、上海先進等。除了以上企業(yè)能夠滿足代工產(chǎn)能和良率要求之外，其他大多數(shù)國內(nèi)MEMS代工企業(yè)還未積累起足夠的工藝技術(shù)儲備和大規(guī)模市場驗證反饋的經(jīng)驗，并且在加工工藝的一致性、可重復性也都不能滿足設計需要，產(chǎn)品的良率和可靠性更是無法達到規(guī)模生產(chǎn)要求。在這樣的情況之下，設計公司也只能選擇與國外成熟代工廠合作，才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。而在后端的封裝測試環(huán)節(jié)，情況則較為樂觀，南通富士通、晶方半導體、華天科技、長電科技、通富微電等企業(yè)能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的要求。華安證券研究所42證券研究報告3.2MEMS傳感器發(fā)展困境圖表33：

MEMS芯片與集成電路芯片的比較MEMS芯片集成電路制造工藝封裝立體機械結(jié)構(gòu)，采用三維制造工藝、雙面加工根據(jù)器件功能不同高度個性化平面的電學器件，使用二維制造工藝。封裝工藝高度標準化針對電子機械系統(tǒng)的校準和精度提高，設計多物理場測試測試檢測方法標準化、自動化程度較高。根據(jù)不同用途傳感器采用不同的MEMS結(jié)構(gòu)，在制造、封裝、測試等各個環(huán)節(jié)均有個性化工藝，考驗從設計到生產(chǎn)整個產(chǎn)業(yè)鏈的支持程度總結(jié)標準CMOS制造流程資料：半導體行業(yè)觀察，華安證券研究所整理華安證券研究所43證券研究報告3.2MEMS傳感器發(fā)展困境圖表34：MEMS傳感器工藝研發(fā)問題概述工藝問題簡介許多工藝方法(如物理氣相沉積法、化學氣相沉積法或電鍍法)都會依賴沉積材料來構(gòu)建機械結(jié)構(gòu)或電子元件，而光學顯微鏡看不到的材料層的厚度對于性能影響相當重要。不精確的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)層厚邊墻形貌(sidewall

profile)不佳粘附力問題微結(jié)構(gòu)的邊墻對器件性能有很大程度上的影響。通過光學顯微鏡看結(jié)構(gòu)，所看到的邊墻不是很好。特別是，刻蝕不足和溝槽通常是看不見的。然而，這些幾何形變會明顯改變彈簧和柔性板的機械性能。MEMS傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)層與層之間的粘附力可能很微小，光學顯微鏡也許會看到分層跡象，但微小的粘結(jié)層是觀察不到的。內(nèi)部應力是使用薄膜常見的問題。在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的應力會導致器件良率和性能降低，以及淀積膜的分層和開裂。內(nèi)應力和應力梯度裂紋大多數(shù)裂紋都可以在光學顯微鏡下看到，但是，在某些情況下，由于分辨率的局限性，細的“發(fā)際線”裂縫是不可見的。通常是為了形成MEMS器件中可動的機械部分，通過對連接機械部分到基底的材料進行不完全刻蝕來實現(xiàn)。當釋放失敗時，重要的是找到大部分釋放結(jié)構(gòu)釋放成功而錨點沒有釋放好的區(qū)域。失敗的釋放工藝粘滯作用像懸臂梁、薄膜、梭形閥這些機械結(jié)構(gòu)可能由于結(jié)構(gòu)的釋放會和底層基板粘連，導致器件永久性失效。如果MEMS傳感器結(jié)構(gòu)和襯底之間的距離非常小，那么通過顯微鏡觀察曲率是不可見的。薄膜材料比本體材料更能展示出不同的特性。尤其使用聚合物時，如楊氏模量、線性度、磁滯現(xiàn)象等機械性能嚴重依賴于工藝參數(shù)。不精確或者是不理想的材料特性可能會降低器件性能，甚至導致器件失效。不精確的材料特性資料：

傳感器專家網(wǎng)，華安證券研究所整理華安證券研究所44證券研究報告3.3MEMS傳感器相關政策圖表35：近年MEMS傳感器相關政策年份發(fā)布部門政策名稱重點內(nèi)容推動智能傳感器數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)預處理等專用集成電路，研發(fā)高深寬比干法體硅加工晶圓級鍵合技術(shù)，集成電路與傳感器的系統(tǒng)級封裝(SIP)技術(shù)。《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南2018工信部（2017-2019）》將具有無線通信功能的低功耗各類智能傳感器，智