MEMS惯性传感器

MEMS惯性传感器 作者 摘要 黄鸿羽 惯性传感器是一种用于检测被测物体惯性力，进而测量其加速度、角速度及相应运动状态变化的传感器。MEMS惯性传感器具备体积尺寸小型化、微电子高度集成、可高精度批量制造等MEMS器件的优点，被广泛应用于航空航天、石油化工、汽车、船舶、消费电子、医疗等领域。受益于中国消费电子和汽车智能化的快速发展，2014-2018年，中国MEMS惯性传感器行业市场规模（按销售额统计）由55.2亿元增长至73.5亿元，年复合增长率为7.4%。随着5G带来的智能手机市场回暖、新型消费电子渗透率的进一步提升以及汽车智能化的进一步发展，预计 2023年市场规模将达到102.7亿元。消费电子为MEMS惯性传感器市场需求的增长提供基础支撑消费电子当前MEMS惯性传感器的第一大应用市场，几乎每一类可测量运动状态或受运动状态影响的消费电子产品均搭载了MEMS惯性传感器。伴随5G带来的智能手机更换浪潮、可穿戴设备市场需求的进一步释放等因素影响，MEMS惯性传感器在消费电子应用领域的的需求将保持平稳增长。汽车自动驾驶有望成为MEMS惯性传感器应用市场的关注焦点尽管汽车摄像头和雷达是实现自动驾驶的关键设备，MEMS惯性传感器仍然发挥重要作用。例如，在极端环境造成摄像头和雷达难以精确探测外部信息、且GPS无法精准定位的情况下，MEMS惯性传感器作为不受外部环境限制的传感器件，将为汽车自动驾驶提供短期的动态导航辅助功能。因此，MEMS惯性传感器将作为自动驾驶不可或缺的传感器获得广泛应用。MEMS惯性传感器集成度和尺寸不断优化伴随MEMS封装的发展，MEMS惯性传感器已由平面集成封装发展为三维集成封装。晶圆级芯片封装（WLCSP）和硅通孔（TSV）等封装工艺及方案的出现为MEMS惯性传感器向三维晶圆级集成封装发展提供可能，传感器的集成度有望进一步提升。MEMS惯性传感器的尺寸也在集成度不断提升的背景下不断缩小。 行业头豹分类/综合及概念/自动驾驶/感知系统/视觉传感器港股分类法/工业制品/工业制造 关键词传感器微机械汽车消费电子 中国MEMS惯性传感器行业定义 1. 根据国家标准GB7665-87，传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置。惯性传感器是一种用于检测被测物体惯性力，进而测量其加速度、角速度及相应运动状态变化的传感器。MEMS惯性传感器是利用MEMS微加工技术和半导体集成电路制造技术制作而成的惯性传感器，由质量块、弹性元件、敏感元件等机械结构件（传感器芯片）和信号处理电路（ASIC）等部分组成。 2.中国MEMS惯性传感器行业分类 可以根据根据被测物理量，将MEMS惯性传感器分成三类。 类型名称 类型说明 加速度传感器 亦称为加速度计，是用于测量物体加速度及位移的传感器，主要根据内部机械结构位移等物理变化，通过胡克定律和牛顿第二定律推算物体加速度，利用调理芯片将物理变化转为可用信号以收集加速度信息。根据不同分类方式，加速度计可分为众多种类 角速度传感器 亦称为陀螺仪，是用于测量物体旋转角度和快慢的传感器，基于机械结构内部位移等物理变化及科里奥利力原理测量旋转物体的科里奥利加速度从而推算角速度，利用调理芯片将物理变化转为可用信号从而收集角速度数据。陀螺仪也可分为众多种类 惯性传感组合（IMU） 惯性传感组合（IMU）是基于MEMS技术的惯性传感器组合，由加速度计和陀螺仪共同组成，基于加速度计和陀螺仪原理，测量功能全面，可测量空间多个方向的加速度和角速度 3.中国MEMS惯性传感器行业特征 惯性传感组合（IMU）是基于MEMS技术的惯性传感器组合，由加速度计和陀螺仪共同组成，基于加速度计和陀螺仪原理，测量功能全面，可测量空间多个方向的加速度和角速度。其行业特征包括产品下游应用广泛、中国本土竞争力弱、细分市场差异化。 消费电子和汽车是MEMS惯性传感器主要终端应用领域 产品下游中国MEMS惯性传感器主要应用于解决方案提供商及终端设备系统集成商，该类企业将惯性传感器与其他功能器件集成为模组或系统， 应用广泛装配于终端电子设备中。具体应用领域还涉及：手机导航、防抖、游戏姿态控制、AR/VR控制、相机防抖、姿态控制、消费级无人机姿 态感知、控制、汽车、航海辅助导航、船舶、列车电子稳定器、矿山隧道、地下铁路、石油勘探等、设备状态监测、汽车自动驾驶、飞机导航仪自动控制规划路线、导弹、火箭、卫星精确制导、完成姿态和轨道控制 原材料供应商技术和规模稳步提升，但仍落后于国际头部企业 中国本土本土企业MEMS陀螺仪设计能力相对薄弱，主流软件的开发商均为国际企业，同时设备供应商多为国际企业，部分高端设备进口受限。竞争力弱然而，尽管中国晶圆企业起步较晚，本土企业晶圆供应能力远低于日本信越、日本胜高、台湾环球晶圆等全球头部企业，但上海新昇等本 土头部企业生产工艺和规模不断提升，已能提供8英寸及以上尺寸晶圆，MEMS惯性传感器原材料保障能力获得增强 MEMS惯性传感器在不同类型应用市场的发展趋势呈现差异化 细分市场针对不同应用领域，MEMS惯性传感器市场已发展成为：（1）以智能手机、可穿戴设备、平板电脑等应用为主的消费级市场；（2）以差异化汽车、智能制造等应用为主的中端工业级市场；（3）以航空航天等应用为主的高端工业级市场。以上三类细分市场的发展趋势和发展速 度存在差异 MEMS惯性传感器发展历程 4. 1954年，压阻效应的出现为微型压力传感器的研制提供了理论基础，而60年代Draper实验室对MEMS加速度计的研发工作启动也标志着该行业进入启动期阶段，在启动期期间，多项革命性的产品出现，为后来的产品提供了原型；经过了40年左右的启动期过渡，美国ADI公司研制出世界上第一款单片集成的商用陀螺仪ADXRS标志着该行业的高速发展期正式开始，MEMS加速度计不断向着轻量化、高精度、经济化的方向发展。 开始时间：1954结束时间：1960阶段：萌芽期 行业大事件：1954年，C.S史密斯发现了压阻效应，为微型压力传感器的研制提供理论基础。该理论的提出标志着MEMS传感器行业萌芽期的开始。1958年，杰克·基尔比发明了第一块集成电路，加速了MEMS行业创新的步伐 行业影响：压阻效应的发现是惯性传感器发明最核心的理论基础，自1954年之后，在此理论基础上压阻效应的理论不断发展，最终推动MEMS传感器的出现。杰克基比尔的发明证明了将电子元器件集成到一个晶片上是可行的，在集成电路之前，晶体管之父肖克利发明的晶体管为集成电路的发展奠定了元件基础 开始时间：1960结束时间：2000阶段：启动期 行业大事件：20世纪60年代末，对MEMS加速度计的研究和开发工作开始启动，主要研发单位为美国的Draper实验室、斯坦福大学以及加州大学伯克利分校。20世纪70年代，综合MEMS工艺与压阻效应，出现了压阻式加速度计。1989年，美国Draper实验室研制出第一台振动式微机电陀螺仪 行业影响：60年代开始，MEMS加速度计的产品概念被提出，研究工作正式启动，而后在美国Draper实验室的推动下，该行业革命性的产品陆续出现，同时MEMS加速度计实现商业化。1989年首台振动式微机电陀螺仪的发明为该行业走上高速发展期提供了有力的推动力量 开始时间：2000结束时间：2022阶段：高速发展期 行业大事件：2002年，美国ADI公司研制出世界上第一款单片集成的商用陀螺仪ADXRS。2006年，日本兵库大学的K.Maenska报道了一种仅由一个带电极的锆钛酸铅棱柱体构成的新型的压电振动固态微机械陀螺。2013年，法国电子与信息技术实验室设计出一种采用了横向悬挂设计的3D电容音叉陀螺。 行业影响：第一款单片集成的商用陀螺仪ADXRS标志着惯性传感器行业进入高速发展期，其产品应用越来越广泛，MEMS加速度计将向着轻量化、高精度、经济化的方向发展。自21世纪以来，随着集成电路及计算机行业的迅速发展，MEMS加速度计更多应用于汽车安全气囊，而且在手机、计算机等电子消费产业中发挥越来越重要的作用 5.中国MEMS惯性传感器产业链分析 中国MEMS惯性传感器行业产业链分为三个环节。产业链上游参与主体为传感器设计企业、软件、原材料及设备供应商，产业链中游参与主体是传感器加工、封装测试企业，纯MEMS晶圆制造企业是MEMS惯性传感器晶圆的主要加工企业，产业链下游参与者为传感器应用解决方案提供商及终端设备系统集成商等。 MEMS惯性传感器产业链上游传感器设计企业与国际领先企业差距相对较小，软件开发、原材料和设备企业与国际同类企业均存在较大差距；中游环节的国际MEMS晶圆加工以8英寸晶圆产线为主，中国本土MEMS晶圆产线规格相对落后；消费电子和汽车是MEMS惯性传感器主要终端应用领域，占其应用市场总产值的70%以上。 总体来说，MEMS惯性传感器产业链条链路较为复杂。上游包含原材料、设计、设计软件等参与方，下游囊括消费电子、汽车、工业、医疗、航天等多个领域，因此其中游产品的价格将受到多方面因素影响，且其中竞争者众多，国产厂商议价能力不强。 上游环节 上游说明 上游参与方 设计 设计企业是将传感器由概念转化为产品的主要推动者。当前，中国本土MEMS惯性传感器设计企业在加速度计方面已具备较强研发能力，可设计具备优异性能参数的高端单轴、二轴、三轴加速度计，产品不仅可用于手机、可穿戴设备等消费级加速度计应用领域和汽车惯性导航等中端工业级领域，还可用于航空航天等高端工业级领域。由于MEMS陀螺仪技术更加复杂，设计难度相对加速度计更高，在民用领域，中国本土MEMS惯性传感器设计企业研发能力相比国际领先企业较为薄弱，多定位于低端消费级产品应用领域，在军用领域，中国具备航空航天等领域用高端MEMS陀螺仪的研制能力，主要原因为，基于国家战略安全考虑，中国科研事业单位可不计成本地研制高性能产品 电装（中国）投资有限公司上海分公司、美新半导体（天津）有限公司、东电化（中国）投资有限公司、上海矽睿科技股份有限公司 软件 设计软件主要用于对MEMS传感器机械结构进行有限元分析模拟，如CoventorWare、Ansys、Solidworks等，集成电路EDA软件用于模拟传感器信号处理电路，如Cadence、Synopsis等。设计软件的使用可提高MEMS惯性传感器设计者的工作效率，为设计者的研发提供基础工具保障。从国际格局上看，预计在2025年EDA国产率能达到35%，受到美国的限制，中国发展核心部件国产化刻不容缓；2020-2025年，中国集成电路企业新增率为5%左右，整体来说该细分领域已经进入高质量发展阶段 Coventor、新思科技有限公司 原材料 MEMS惯性传感器的原材料包括硅晶圆、硅靶材、金属靶材、封装材料等，其中晶圆是制造集成电路的基础材料，硅晶圆的尺寸和纯度对芯片加工成本和产品品质造成重要影响。目前，中国MEMS惯性传感器加工采用的晶圆尺寸包括4英寸、6英寸和8英寸，晶圆尺寸越大，单位晶圆材料可产出的芯片数量越多，单位加工成本越低。6英寸和8英寸是传感器晶圆的主流尺寸。尽管中国晶圆企业起步较晚，本土企业晶圆供应能力远低于日本信越、日本胜高、台湾环球晶圆等全球头部企业，上海新昇等本土头部企业生产工艺和规模不断提升，已能提供8英寸及以上尺寸晶圆，MEMS惯性传感器原材料保障能力获得增强。以市场占比超过50%的消费级MEMS惯性传感器6轴IMU为例，产品加工费用约0.17美元/颗（MEMS传感器芯片加工费约0.1美元/颗，ASIC加工费约0.07美元/颗），产品封装费约0.2-0.3美元/颗，产品测试费约0.15美元/颗。在MEMS惯性传感器量产阶段，封装费用是目前MEMS惯性传感器最主要成本，而加工费可通过规模化生产效应得以显著摊薄，因此传感器的成本降低难点主要体现于如何降低封装成本 上海新昇半导体科技有限公司、信越有机硅国际贸易（上海）有限公司 设备企业 MEMS惯性传感器设备包括光刻机、PVD、CVD、刻蚀机等加