机械设备：智能制造前瞻布局，把握MEMS传感器国产替代机遇

智能制造前瞻布局，把握MEMS传感器国产替代机遇 华安机械张帆S0010522070003 2023年7月19日 核心观点 •MEMS传感器无处不在，从智能手机到汽车，从智能工厂到医疗设备，近四分之三的半导体传感器销售额来自利用MEMS技术制造的产品，MEMS器件现在已经占据全球传感器总出货量的54%。 •重视工业级高精度MEMS传感器行业国产化机遇，目前国内高精度工业级MEMS传感器主要依赖于国外进口，MEMS压力传感器主要依赖于博世、泰科电子、英飞凌等国外厂商，MEMS惯性传感器主要依赖于美新半导体、博世、ST等国外厂商。 •重视MEMS传感器在机器人领域的无限潜力，随着特斯拉确认人形机器人Optimus将于明年落地，智能机器人将具备计算机视觉、自然语言处理、动作规划和控制功能，并且拥有语音交互、行走和执行复杂任务等与物理世界互动能力，而实现一切感知的基础和核心就是传感器。 •根据同花顺传感器指数（885946.TI），成分股截至目前共有84家A股上市公司，但是缺少MEMS传感器真正行业龙头，特别是高精度MEMS传感器。国产MEMS传感器的研发，主要问题是半导体工艺的改进、市场的拓展等，随着近几年地方政府的重视，各地MEMS中试线、量产线的投入建设，将有助于建立MEMS共性基础工艺生产体系，提升传感器企业MEMS工艺研发和迭代能力，推动中国MEMS传感器产业的快速发展。 •建议关注公司：MEMS芯片-敏芯股份；ASIC芯片-纳芯微；压阻MEMS传感器国产突破-康斯特；惯性硅谐振MEMS传感器-芯动联科，以及明皜传感、高华科技、士兰微；CMOS图像传感器-长光辰芯。 •风险提示：政策变动风险，核电安全等相关政策的变动对于行业的影响巨大；相关半导体技术等核心技术卡脖子的风险；原材料大幅波动的风险；测算市场空间的误差风险；研究依据的信息更新不及时，未能充分反映公司最新状况的风险。 目录 1乘风智能制造，MEMS传感器工艺逐渐成熟 2夯实科技强国基础，MEMS传感器无处不在 3着眼未来，重视MEMS传感器国产替代机遇 4建议关注公司 5风险提示 01乘风智能制造，MEMS传感器工艺逐渐成熟 1.1什么是MEMS •微机电系统（MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem），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。微机电系统其内部结构一般在微米甚至纳米量级。微机电系统是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。MEMS是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。例如，常见的MEMS产品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。一个MEMS传感器里面最重要的芯片为MEMS芯片和ASIC芯片，其中MEMS芯片负责感知信号，将测量量转化为电阻、电容等信号变化；ASIC芯片负责将电容、电阻等信号转换为电信号，其中涉及到信号的转换和放大等功能。 •MEMS侧重于超精密机械加工，涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。 •常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。 1.2 MEMS传感器 •MEMS传感器是基于微机电系统的典型传感器件。它是指可以批量制造的，集微结构、微传感器、微执行器以及信号处理和控制电路于一体的器件或系统。其特征尺寸一般在0.1μm～100μm范围。MEMS集成了当今科学技术的许多尖端成果，它将感知信息处理与执行机构相结合，改变了人类感知和控制外部世界的方式。 •与传统的机械传感器相比，MEMS传感器具有体积小、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等特点。在微米量级的特征尺寸MEMS传感器可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。因此，MEMS传感器正逐步取代传统机械传感器的主导地位，在消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等领域得到广泛的应用。 1.2 MEMS传感器 1.2MEMS传感器 •中国MEMS传感器市场的起步和发展与中国3C产品(包括计算机、通信和消费类电子产品)及汽车电子产品保持快速增长、全球电子整机产业向中国转移密切相关。近年来，随着消费电子、汽车电子产品等下游行业的快速发展，我国MEMS传感器市场需求旺盛，历年持续保持快速增长。•根据Omdia的数据统计，2022年全球MEMS行业市场规模已达到184.77亿美元，2017-2022年复合增长率为5.77%。 根据赛迪顾问的数据统计与预测，2022年中国MEMS传感器市场规模已达到982.1亿元，同比增长15.1%，预计到2025年市场规模将达到1571.3亿元，2022-2025年复合增长率为17.0%。 1.3 MEMS传感器应用领域 1.3 MEMS传感器应用领域 1.3 MEMS传感器应用领域 •MEMS传感器种类极多，可应用于物理、化学、生物等领域信号的探测，较为常见的种类有加速度传感器、惯性传感器、压力传感器、MEMS陀螺仪以及MEMS麦克风等。 •目前MEMS传感器在消费电子、医疗、汽车电子以及工业等应用领域占比最高，分别占据41.8%、28.1%、16.7%和9.1%。 目录 1乘风智能制造，MEMS传感器工艺逐渐成熟 2夯实科技强国基础，MEMS传感器无处不在 3着眼未来，重视MEMS传感器国产替代机遇 4建议关注公司 5风险提示 02夯实科技强国基础，MEMS传感器无处不在 2.1 MEMS压力传感器 •MEMS压力传感器是一种薄膜元件，受到压力时变形。可以利用应变仪（压阻型感测）来测量这种形变，也可以通过电容感测两个面之间距离的变化来加以测量。这两种方法都很流行，轮胎压力监测系统使用比较结实的压阻方法。 •常见的压力传感器有三种：压阻式、电容式和压电式。 •具有体积小、重量轻、灵敏度高、精度高、动态特性好、耐腐蚀、零位小等优点 •随着MEMS压力传感器的出现和普及，智能手机中用压力传感器也越来越多，主要用来测量大气压力。测量大气压的目的，是为了通过不同高度的气压，来计算海拔高度，同GPS定位信号配合，实现更为精确的三维定位，譬如爬楼高度、爬楼梯级数等都可以检测。 •MEMS压力传感器的原理也非常简单，核心结构就是一层薄膜元件，受到压力时变形，形变会导致材料的电性能（电阻、电容）改变。因此可以利用压阻型应变仪来测量这种形变，进而计算受到的压力。 2.1.1MEMS压力传感器原理 •下图是一种电容式MEMS压力传感器的结构图，当受到压力时，上下两个横隔(传感器横隔上部、传感器下部)之间的间距变化，导致隔板之间的电容变化，据此可以测算出压力大小。 2.1.1MEMS压力传感器原理 •下图是一种电阻式MEMS压力传感器的工作动图，由一个带有硅薄膜的底座和安装在其上的电阻结构组成，当外力施加时，电压与压力大小成比例变化产生测量值。 2.1.2MEMS压力传感器市场规模 •根据YoleIntelligence的统计数据，2021年压力传感器是MEMS传感器中销售额最高的细分市场，也是销售量第二大的细分市场，仅次于硅麦克风。MEMS压力传感器的市场规模从2018年的14.72亿颗、17.63亿美元增加至2021年的16.05亿颗、20.04亿美元，预计将于2027年增长至25.35亿颗、26.24亿美元。 2.2MEMS压力传感器应用 •MEMS压力传感器是使用最广泛的MEMS传感器产品之一，通常应用于智能手机、航空航天、汽车、生物医药以及工艺控制等领域，按照压力探测方式可以分为压阻式、电容式、谐振传感等，而最为常用的是压阻式和电容式，因此这两种压力传感器的技术迭代也最为活。 •为充分降低微压MEMS传感器中测量的敏感性和线性度之间的矛盾，不断提高微压传感器测量精度，一种新型的FBBM结构应运而生，该结构包含了4个短梁和一个位于中心的方形凸块，通过减少传感膜结构偏转程度达到进一步降低压力的非线性，并提高了压阻灵敏度，达到了提升微压MEMS传感器精度的目标。 •为满足航空航天领域中在恶劣环境中的无源无线压力传感需求，一种基于蓝宝石的隔膜和结构体MEMS压力传感结构被提出，在施加压力时，传感器隔膜发生偏转，传感器的电谐振频率因而随压力隔膜的偏转而改变，实现了将轻微压力转换为电信号的目的，该结构可在1000℃的高温下正常工作，满足了恶劣环境下压力传感的需求。 2.2MEMS压力传感器应用 •压力传感器的下游行业主要是石油、化工、电力、冶金、机械制造、国防工业、计量等。 •随着全球经济的发展及工业化水平的提高，各行业对数字压力检测的需求增长较快；科技水平的提高以及产品应用领域的扩大等因素也将催生压力传感器在医疗、食品、气象、铁路等行业大量使用。 2.2 MEMS惯性传感器 •惯性传感器是一种用于测量物体的加速度、角速度和倾斜角度等参数的电子传感器。 •MEMS惯性传感器指采用MEMS工艺制备的惯性传感器，与传统工艺制造的惯性传感器相比，MEMS器件具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和智能化等特点，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。 •高性能MEMS惯性传感器，包括MEMS陀螺仪、MEMS加速度计和MEMS惯性测量单元（IMU），均包含一颗微机械（MEMS）芯片和一颗专用控制电路（ASIC）芯片，并通过惯性技术实现物体运动姿态和运动轨迹的感知。陀螺仪和加速度计是惯性系统的基础核心器件，其性能高低直接决定惯性系统的整体表现。硅基MEMS惯性传感器因小型化、高集成、低成本的优势，成为现代惯性传感器的重要发展方向。 •其中，陀螺仪用于感知物体运动的角速率，加速度计用于感知物体运动的线加速度，二者辅以时间维度进行运算后可得出物体相对于初始位置的偏离，进而获得物体的运动状态，包括当前位置、方向和速度。 2.2.1 MEMS陀螺仪 •MEMS陀螺仪是测量角速率的一种器件，是惯性系统的重要组成部分，主要用于导航定位、姿态感知、状态监测、平台稳定等应用领域。•利用振动质量块被基座（仪表壳体）带动旋转时的哥式效应来敏感角速度，具有成本低、体积小、重量轻、可靠 性高、可数字化及可重复大批量生产等优点。 资料来源：传感器专家网公众号，华安证券研究所整理 2.2.1 MEMS陀螺仪 •MEMS陀 螺 仪 的核 心 是 一 颗 微 机 械（MEMS）芯 片，一 颗 专 用 控 制 电 路（ASIC）芯片及应力隔离封装。其工作原理为：采用半导体加工技术在硅晶圆上制造出的MEMS芯片，在ASIC芯片的驱动控制下感应外部待测信号并将其转化 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输出，从而实现外部信息获取与交互的功能。 2.2.2 MEMS加速度计 •加速度计是一种能够测量物体线加速度的器件。加速度计的理论基础是牛顿第二定律，传感器在加速过程中，可通过对质量块所受惯性力的测量计算出加速度值。如果初速度已知，就可以通过对时间积分得到线速度，再次积分即可计算出直线位移。加速度计已经广泛应用于导航定位、姿态感知、状态监测、平台稳定等领域。 •MEMS加速度计的核心是一颗MEMS芯片、一颗ASIC芯片及应力隔离封装。其产品构造与前述陀螺仪基本相同。MEMS加速度计利用敏感结构将线加速度的变化转换为电容的变化量，最终通过专用集成电路读出电容值的变化，得到物体运动的加速度值。产品主要包含加