【儀表網 儀表上游】2020年是跌宕起伏的一年，疫情、中美貿易爭端、單邊主義盛行等錯綜復雜的形勢影響了各行各業，改變了人們的生活方式，甚至影響了我們對世界的看法。當然，這些也對MEMS產業產生了重要的影響。不過，困境中往往孕育著機遇，并不是所有的MEMS細分領域都在上述負面影響中掙扎。
 

　　2021年，MEMS傳感器的下一輪技術變革正在進行時...
 

　　例如，紅外探測器和微流控器件市場就在疫情大流行中獲得了現象級的大幅增長。此外，疫情帶來的居家隔離、遠程辦公，推動了5G部署、“非接觸”語音交互以及數據中心等應用發展，從而加速了射頻濾波器、MEMS振蕩器、MEMS麥克風等器件的持續增長；但是，由于消費需求端的急劇萎縮，整體消費類MEMS市場小幅下降2.6%，汽車市場猛踩剎車，使得這些市場相關的壓力傳感器、慣性傳感器需求下跌。
 

　　根據Yole預測，受疫情等紛繁形勢的影響，2020年MEMS市場營收年同比預計下降5.2%，其中消費(-2.6%)、汽車(-27.5%)和通信(-20.5%)市場負增長，工業(11.5%)、醫療(10.6%)、國防和航天(4.7%)市場繼續增長。總體而言，2021年起預計將從陰霾中走出，到2025年MEMS市場規模將增長至177億美元，2019~2025年期間的復合年增長率為7.4%。
 

　　另一方面，疫情確實阻礙了MEMS市場營收的增長，但卻并沒有影響MEMS技術和應用的中長期演進趨勢。MEMS和傳感器仍在向著微型化、集成化、網絡化、低功耗以及智能化演進，具體來說有以下幾個發展趨勢：
 

　　(1)MEMS和傳感器呈現多項功能高度集成化和組合化的趨勢。由于設計空間、成本和功耗預算日益緊縮，在同一襯底上集成多種敏感元器件、制成能夠檢測多個參量的多功能組合MEMS傳感器成為重要解決方案。
 

　　(2)傳感器智能化及邊緣計算。軟件正成為MEMS傳感器的重要組成部分，隨著多種傳感器進一步集成，越來越多的數據需要處理，軟件使得多種數據融合成為可能。MEMS產品發展必將從系統應用的定義開始，開發具有軟件融合功能的智能傳感器，促進人工智能在傳感器領域更廣闊的應用。
 

　　(3)傳感器低功耗及自供能需求日趨增加。隨著物聯網等應用對傳感需求的快速增長，傳感器使用數量急劇增加，能耗也將隨之翻倍。降低傳感器功耗，采用環境能量收集實現自供能，增強續航能力的需求將會伴隨傳感器發展的始終，且日趨強烈。
 

　　(4)MEMS向NEMS演進。隨著終端設備小型化、種類多樣化，推動微電子加工技術特別是納米加工技術的快速發展，智能傳感器向更小尺寸演進是大勢所趨。與MEMS類似，NEMS(納機電系統)是專注納米尺度領域的微納系統技術，只不過尺寸更小。
 

　　(5)新敏感材料的興起。薄膜型壓電材料具有更好的工藝一致性、更高的可靠性、更高的良率、更小的面積，可用于MEMS執行器、揚聲器、觸覺和觸摸界面等。未來MEMS器件的驅動模式預計將從傳統的靜電梳齒驅動轉向壓電驅動。
 

　　(6)更大的晶圓尺寸。相比于目前業界普遍應用的6英寸、8英寸晶圓制造工藝，更大的晶圓尺寸能夠很大程度上降低成本、提高產量，并且晶圓尺寸的擴大與芯片特征尺寸的縮小是相應促進和互相推動的。例如，用12英寸晶圓工藝線制造的MEMS產品已經出現。
 

　　接下來，讓我們管窺紅外、語音、氣體和運動(慣性)等熱門傳感器領域，聚焦這些領域的優質企業如何進行MEMS和傳感器技術創新，重塑產業鏈。
 

　　1、中國紅外探測器廠商重塑產業新格局
 

　　疫情“危中藏機”，疫情使紅外測溫槍、紅外熱像儀等無接觸快速測溫設備成為防疫剛需，紅外測溫以迅雷不及掩耳之勢覆蓋了全民生活，更成為疫情防控的決勝技術。中國紅外探測器廠商抓住機遇，在保障國內疫情防控需求的同時遠銷海外，獲得了客戶的廣泛認可，代表“中國芯”參與抗疫。在此背景下，“中國牌”測溫產品及紅外探測器廠商的營業收入和利潤增長顯著，出貨量遠超去年同期，實現了跨越式大發展，重塑了紅外行業新格局。
 

　　根據麥姆斯咨詢觀察統計，2020年紅外熱成像探測器出貨量市場份額情況：美國FLIR以35%的市場占有率較高，而國內的海康威視、高德紅外、睿創微納、大立科技分別位列第二、第三、第四及第七位，總體已占據市場份額的近45%，下圖展示了2020年中國主要廠商的出貨量預測占比。縱觀產業格局，中國紅外熱成像探測器廠商已經可以與國外廠商“分庭抗禮”。
 

　　而在熱電堆紅外探測器方面，此前主要依賴于進口產品，典型供應商如德國海曼、日本石塚、日本歐姆龍、日本松下、瑞士泰科、比利時邁來芯以及我國中國臺灣眾智等。由疫情帶來的巨大市場機遇，使得上海微技術工研院、燁映電子(已進行上市輔導備案擬科創板IPO)、創芯海微、森霸傳感、煒盛科技、西人馬等眾多國內供應商一度處于“賣斷貨”的狀態。此外，相關廠商也在積極布局熱電堆陣列技術，以期拓展智能家居、智慧安防、智慧零售等更加廣闊的應用領域。
 

　　江蘇創芯海微科技有限公司是一家專注于紅外探測器研發、生產與服務的創新型科技企業，產品主要包括熱電堆紅外探測器芯片、TO封裝及SMD封裝產品、長距離器件、相關模組和陣列產品等，主要應用于人體測溫、出入口監控、智能空調、微波爐、智能手機、智能家居、可穿戴設備等市場。創芯海微研發團隊的紅外技術研發可追溯至2010年以前，是中國較早一批從事MEMS紅外熱電堆技術的研發團隊之一。
 

　　2021年初，創芯海微發布了一款適用于群體紅外便攜式測溫的熱電堆測溫掛件WA2。WA2智能紅外測溫掛件是一款具有區域成員體溫監測管理和行程溯源功能的非接觸式紅外測溫型可穿戴智能產品。該產品采用創芯海微自主研發的MEMS熱電堆紅外傳感器和紅外測溫模組，可實現高精度、高可靠和高效率的無接觸溫度測量。將WA2智能紅外測溫掛件產品與手機藍牙連接，通過手機微信小程序上傳溫度數據至云端后臺，可以生成體溫變化圖表。WA2智能紅外測溫掛件還內置了行程溯源機制，能夠在發生疫情時，應有關部門要求提供行程軌跡信息，為迅速排查密切接觸人員提供依據。
 

　　此外，2021年創芯海微還將發布50至100厘米的長距離測溫探測器、單點高性能測溫探測器、8 x 8和32 x 32陣列紅外探測器，以及紅外光源、濕度傳感器、氣體傳感器等多款新產品。
 

　　疫情顯著提高了社會對紅外設備的認知度和下游應用領域的潛在機會，后疫情時代，紅外探測器需求預計將由“突擊爆發”轉為“長期持續、穩定增長”的新階段。
 

　　2、智能語音交互日益普及，MEMS麥克風再上新臺階
 

　　隨著5G時代提前到來，人工智能+物聯網(AIoT)設備的大爆發以及創新人工智能語音應用的不斷涌現，“語音人機交互”正成為廣泛智能設備的重要入口，快速改變人們的生活。而MEMS麥克風作為語音人機交互入口的核心元件，具備尺寸小、功耗低、性能優、一致性高、成本低等優點，被業界譽為智能設備的“聽覺細胞”。
 

　　據麥姆斯咨詢統計數據顯示，MEMS麥克風市場規模從2010年的15.9億元人民幣一路增長到2019年的86.8億元人民幣，復合年增長率高達20.75%。隨著近些年中國MEMS麥克風廠商的長足進步，2019年，樓氏電子的市場份額下滑至36%，以“歌爾股份、瑞聲科技、敏芯股份、共達電聲、芯奧微、華景傳感”為代表的中國大陸廠商和以“鈺太科技、美律”為代表的中國臺灣廠商成為MEMS麥克風的主要參與者，進入了蘋果、華為等主流智能手機品牌廠商供應鏈，合計市場份額占據市場的半壁江山。
 

　　近年，得益于蘋果AirPods 2語音喚醒功能和AirPods Pro主動降噪功能的廣受關注，真無線立體聲(TWS)耳機已成為繼智能手機、智能音箱之后，為MEMS麥克風市場注入強勁增長動力的“第三大功臣”。
 

　　根據Counterpoint發布的市場跟蹤數據，盡管面對疫情帶來的經濟危機，不斷增長的移動視頻應用，以及智能手機制造商取消耳機插孔(甚至不附贈耳機)，仍推動TWS耳機市場在2020年第三季度的季度環比增長了24%，預計2020年的整體出貨量將略高于初的市場預期。
 

　　另一方面，疫情帶來的“非接觸式”需求推動了門禁控制、電梯控制、信息顯示等應用逐漸向語音交互轉變，越來越多的智能語音設備支持“在線(Always On)”的語音喚醒。此外，在家辦公、遠程辦公已成氣候，人們越來越接受線上會議、視頻辦公等“新常態”，這對高性能麥克風陣列和語音捕獲算法提出了新要求。綜合來看，2020年疫情突如其來的短期挑戰，并沒有對MEMS麥克風的市場需求帶來多大影響，預計2020年MEMS麥克風出貨量仍將實現兩位數的快速增長。
 

　　“支持Always On語音喚醒的設備，一般采用CPU/AP/DSP以10 ms間隔反覆啟動并偵測用戶的語音信息，以判斷是否有喚醒語音輸入。這種CPU/AP/DSP不間斷工作方案，使系統靜態電流很大(>10 mA)，縮短了電子產品的電池續航時間。我們的新款MEMS麥克風ZT6311內建語音活動監測(Voice activity Detection，VAD)功能，采用多模式(Multi-mode)模擬前端(AFE)，VAD算法消耗的靜態電流極小，可大大提升電子產品的電池續航時間。”鈺太科技有限公司副總經理莊育民在接受麥姆斯咨詢采訪時表示，“高品質遠場拾音需要高性能麥克風陣列，MEMS麥克風靈敏度正負誤差需要控制在±1 dB以內。另外，主動降噪還要求MEMS麥克風低頻響應好，鈺太科技可以做到低10 Hz有響應。”
 

　　無錫芯奧微傳感技術有限公司銷售副總顧悅在受訪麥姆斯咨詢采訪時表示：“TWS耳機目前已經被各大智能手機廠商和AIoT企業認可為未來兩年可見增長的智能終端，依然將是MEMS麥克風未來兩年的重要增長點。除此之外，高度集成化的智能可穿戴設備以及更多應用場景下的智能家居，也將有力推動MEMS麥克風的需求增長。”芯奧微自2010年起從事MEMS傳感器的研發和生產，現已逐步發展成中國的MEMS麥克風品牌制造商。
 

　　針對當前熱門應用對MEMS麥克風提出的新要求，顧悅補充說：“主動降噪和高品質拾音需求，對MEMS麥克風的信噪比(SNR)、聲學過載點(AOP)、更低的低頻截止頻率和相位一致性提出了更高的要求。為此，芯奧微將在2021年推出系列高SNR(70~72 dB)、高AOP的智能數字麥克風，以及一款超低功耗的模擬麥克風(<30 uA)。”
 

　　TDK在2020年中推出了一款超低功耗的脈沖密度調制(PDM)麥克風InvenSense T3902，這款麥克風在3.5mm x 2.65mm x 0.98mm的封裝中提供了效率極高的185 µA超低功耗模式(Always On)、64.5 dB的高信噪比和120 dB的高聲學過載點，支持遠場通信(視頻和電話會議)，可在嘈雜的環境中實現清晰的音頻捕捉。“T3902是目前市場上功耗低的PDM麥克風，旨在滿足高性能、超低功耗音頻市場不斷增長的需求。”TDK InvenSense音頻產品董事總經理Kieran Harney評價稱，“TDK在可穿戴設備和物聯網領域具備強大的實力，全系列MEMS麥克風使我們成為解決客戶音頻挑戰的理想合作伙伴。”
 

　　3、MEMS氣體傳感器，為新興的健康和環境應用打開了大門
 

　　隨著智能化、信息技術的發展，工業轉型升級、環境監測、空氣品質改善、智能家居、醫療器械開發等各個領域對氣體傳感器的需求持續升級，新興的細分應用不斷涌現。
 

　　目前市場上的氣體傳感器，以半導體、電化學、催化燃燒、光學等技術為主。其中，光學原理(紅外、光散射等)的氣體傳感器出現及應運較晚，技術難度較大、成本較高，目前所占市場份額較小。根據Yole統計，2017年氣體傳感器市場中電化學、紅外、半導體技術共同占據了95%以上的市場份額，其中，電化學、半導體、紅外技術的氣體傳感器占比分別達44.2%、38.3%和15.1%，催化燃燒、光電離子探測、超聲波氣體傳感技術的市場份額占比較低，分別為1.5%、0.5%和0.4%。
 

　　氣體傳感器企業主要集中在美國、日本和歐洲地區，主要包括：城市技術、費加羅、安費諾、博世、盛思銳、艾邁斯半導體等。國內企業在技術水平上整體仍處于追趕階段，研究和產業化相對成熟的領域主要是半導體和催化燃燒氣體傳感器，這兩類在國內市場占有率較高，并具有較強的競爭力，在電化學和紅外氣體傳感器領域起步晚，缺乏系統深入的研究，相較廠商影響力較弱。國內氣體傳感器代表企業主要有：漢威科技(旗下煒盛電子)、四方光電、攀藤科技、慧聞科技、睿感(ScioSense)、戴維萊傳感、武漢微納、合肥微納等。
 

　　未來，各種氣體檢測原理都會被用于環境中多種污染物的檢測和評估。MEMS和絲網印刷技術為氣體傳感器的小型化打開了大門，使這些微型化氣體傳感器能夠集成進入智能手機和可穿戴設備等消費電子產品。與此同時，氣體傳感器也將在物聯網發展中扮演關鍵角色，采暖、通風和空調(HVAC)系統、空氣凈化器、智能窗戶、汽車、醫療器械、大氣環境監測、石油化工產業及其他應用都將采用氣體傳感器來改善人們的生活品質。根據Yole預測，氣體傳感器市場規模到2022年將增長至10億美元，2018年~2023年期間的復合年增長率為7.3%。
 

　　TDK推出一款可以直接準確檢測家居、汽車、物聯網、醫療保健和其他應用中CO2濃度的小型化超低功耗MEMS傳感器TCE-11101。TCE-11101內部集成ASIC提供自動校準、數據上報，以及I2C接口用于數據輸出和器件配置。這使它可以非常容易地集成到幾乎任何應用中，它的低功耗優勢，也使它可以在電池供電的設備中使用。
 

　　TDK InvenSense新興業務部門高級總監Sreeni Rao博士評價稱：“TCE-11101融合了TDK新材料技術、MEMS工藝、人工智能算法，提供了一個體積遠遠小于傳統傳感器(5mm x 5mm x 1mm)、耗電量小于1mW并能精確測量CO2氣體濃度的解決方案，提供了非常寬的檢測范圍(400 ppm到50000 ppm)。TCE-11101大大擴展了在各種新應用和現有應用中的CO2檢測用例。”
 

　　武漢微納傳感技術有限公司是一家專注于MEMS氣體感測解決方案，集研發、生產、銷售為一體的高新技術企業。武漢微納營銷總監李佳楓在接受麥姆斯咨詢采訪時表示：“MEMS氣體傳感器小型化、集成化、智能化、低成本的優勢，更適合智能家居、環境監測、可穿戴/手機、安防、農業、醫療健康、汽車電子需求，實現有害氣體預警偵測及節能減排。武漢微納MEMS氣體傳感器在一致性、重復性、長期穩定性達到先進的同時，持續投入小型化、智能化開發，2021年將量產業界更小尺寸封裝(2.5mm x 2.5mm x 1mm)的MEMS氣體傳感器。”
 

　　4、運動傳感器高度集成化和組合化，人工智能提高產品附加值
 

　　運動傳感器是一類將物體運動參數轉換成電子信號的器件，以加速度計、陀螺儀、高度計、磁力計為代表的MEMS運動傳感器已經無處不在。在MEMS和傳感器呈現多項功能高度集成化和組合化趨勢下，運動傳感器也不例外。如今，分立式運動傳感器，尤其是消費類單軸、3軸加速度計和磁力計，市場已經趨于飽和、價格不斷侵蝕，而6軸、7軸、9軸甚至以上(3軸加速度計+3軸陀螺儀+3軸磁力計+氣壓/溫濕度傳感器)組合式運動傳感器市場逐漸興起。
 

　　組合式傳感器擁有一些分立式傳感器的優勢，例如：采用同一顆ASIC處理信號，并將多個傳感器芯片封裝在一起，可降低成本；如果兩種傳感器芯片工藝相同或相近，可以做成單芯片，極大減小傳感器尺寸；將濾波、數據融合和人工智能等算法集成，提高產品附加值。
 

　　根據Yole預測，2019~2025年期間，分立式加速度計、陀螺儀、磁力計的復合年增長率分別為1%、-0.2%和1%，增長幾乎停滯甚至陷入負增長，而組合式運動傳感器的復合年增長率可達4.1%，市場規模到2025年預計將增長至11.8億美元。
 

　　據麥姆斯咨詢此前報道，2020年12月，博世子公司Bosch Sensortec發布了自學習人工智能傳感器：BHI260AP。這是一款革命性的自學習運動傳感器，用于可穿戴和耳穿戴設備的自學習人工智能傳感器，其獨特的自學習和個性化功能，使用戶能夠通過定制化健身活動輕松訓練設備。一體化解決方案不僅降低了開發時間、成本和復雜性，重要的是，還通過自動追蹤降低了功耗。
 

　　這款傳感器使可穿戴和耳穿戴設備制造商能夠通過傳感器中的自學習人工智能軟件，提供高度個性化的健身追蹤。它能識別和適應各種動作，并學習任何基于重復、循環動作的新健身活動。因此，用戶既是培訓人員，也是學員。
 

　　“自學習人工智能傳感器將改變用戶與健身設備的互動方式，從單純的單向方式轉變為互動的訓練方式。”Bosch Sensortec首席執行官Stefan Finkbeiner博士說，“這種新型傳感器結合了Bosch Sensortec在智能運動傳感器方面的長期經驗，以及我們在創新軟件開發領域的強大能力。”
 

　　美新半導體產品、市場及銷售副總裁盧牮在接受麥姆斯咨詢采訪時表示：“多年以來，高靈敏度、高精度、低漂移等硬件指標一直是傳感器行業要素，被整個行業孜孜以求；隨著物聯網越來越普及，我們看到多傳感器融合越來越成為重要方向，并且隨著設備的造型越來越輕巧，在極低能耗下的Always On越來越成為產品設計的挑戰。美新半導體曾經在各個時期推出過多款行業的超低功耗超小尺寸的產品，我們將繼續堅持這些特色。”
 

　　對于2021年運動傳感器新產品計劃，盧牮介紹稱：“美新半導體將在2021年第2季度推出MC3500系列加速度計，在秉承美新半導體一貫的超低功耗超小尺寸的特色優勢下，結合強大的算法功能，無論其功能還是功耗都將超越的競爭對手，其嗅探模式下小于0.4 μA的功耗，更將Always On發揮到*。此外，憑借0.7 mm的超薄厚度，能夠確保可穿戴設備的造型輕巧美觀。
 

　　2020年，美新半導體的AMR地磁產品線成長很快，已經是主要的供應商之一，2021年第3季度將推出下一代產品，對系統功耗、功能接口進行升級。未來我們還將突破6軸慣性傳感器，不斷加強算法能力和子系統領域的投入。在產業形態上，美新將堅持IDM策略，進一步做強封測和先進組裝能力，進一步依托無錫和紹興工廠把磁傳感器和加速度產品線做大做強。”
 

　　蘇州明皜傳感科技有限公司市場總監陸曉青在接受麥姆斯咨詢采訪時表示：“MEMS傳感器終將朝著微型化、高集成度的方向發展。一線供應商已經能夠實現系統級9軸慣性傳感器封裝，并且在逐步向“9+”軸方向演進，如9軸慣性傳感器與氣體、氣壓、溫濕度傳感器集成產品，相比之下，國內供應商目前多為6軸產品，且封裝尺寸較產品還存在不小差距。面對未來室內外導航、自動駕駛和個人穿戴設備等對慣性傳感器的高精度、小尺寸、低功耗、多功能的需求，明皜傳感即將推出一款主打超低功耗的3軸加速度計，并正在布局一款6軸慣性傳感器。”