比芯片还落后!中国千万别再错过MEMS了!

传感器的奥妙 2023-11-14 04:48:02

过去,我们错过了芯片,华为等公司被卡脖子陷入无芯可用的境地,惨痛教训就在眼前。

如今,有一项新技术,在全球风头正劲,正在蓬勃发展,被誉为21世纪最有革命性的高新技术,这项技术就是——MEMS。

错过了芯片,我们中国再也不能错过MEMS了!

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MEMS有多重要?华为也曾被卡住!

说起MEMS,可能大家都没有太多概念,对MEMS的重要性也没有清楚的认识。

在今年“遥遥领先”的Mate 60 手机之前,华为曾发布了P50等多台只能使用4G 网络的旗舰手机。华为能设计出自己的5G芯片,但华为手机却不能使用5G只能用4G,为什么?因为没有国产的5G射频前端模组。

一个射频前端模组由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、射频开关等器件组成,其中滤波器是射频前端中最重要的分立器件,滤波器的工艺就是MEMS,在射频前端模组中占比超过50%,主要由村田制作所等国外公司生产。

而随着MEMS的渗透,现在射频开关也正在逐渐采用MEMS工艺。

每年数十亿颗!无处不在的MEMS

5G MEMS 滤波器在智能手机上的重要性,仅是MEMS应用的冰山一角,今天我们所使用的一切智能电子产品,基本都有MEMS的身影。最典型的例子,就是我们身边的手机,搭载了大量的MEMS器件。

我们旋转手机,视频就会跟着转成横屏/竖屏,这是MEMS加速度传感器在工作;我们转动、移动手机,游戏里的人物就会跟着运动,这是MEMS陀螺仪+加速度传感器在工作;我们说Hey Siri、小爱同学、小度小度……手机就会说我在,有什么事?这是MEMS麦克风在工作。

没有MEMS,你就用不上这么智能的手机!

随着技术发展,4G时代,为我们带来了在线流媒体,直播、短视频等互联网经济触及到我们每个人,因此大量高制程的芯片被需求,带来芯片热。

现在,进入5G时代,万物互联将所有人与物联系在一起,逐渐步入物联网时代,元宇宙也成为可能,除了计算核心芯片,MEMS器件也将被大量使用,为万物带来感知能力。

从纳米尺度的原子力显微镜尖端,到具有数百万个可运动反射镜的数字投影芯片,从汽车、医疗、手机、VR/AR到航天航空领域,市场上的MEMS器件令人眼花缭乱。

▲市面上各种各样的MEMS器件(来自Yole)

MEMS已经广泛应用于喷墨打印机喷嘴、医疗诊断微流控器件,以及我们常用的移动设备中的MEMS麦克风、加速度计、陀螺仪、振荡器和FBAR滤波器等。

据知名咨询企业Yole的数据披露,现在,全球每年生产数十亿颗MEMS器件,到 2026 年,全球 MEMS 市场价值将超过 1220 亿美元, 复合年增长率达到了11.3% !

可以说,MEMS无处不在!并且还在蓬勃发展!

什么是MEMS?

MEMS如此重要,那什么是MEMS?

根据百科的解释,MEMS是:

微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System),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。其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统。主要用作各种传感器,以测量加速度、角速度、压力、位移、流量、电量、磁场、红外、温度、气体成分、湿度、PH值、离子浓度、生物浓度、触觉等。

直观点说,MEMS就是一种在极小尺寸下(一般是微米甚至纳米范畴)做出我们日常所见的管道、齿轮、悬臂等机械结构的工艺。

当然,这里只是简单的说明,事实上现在的MEMS产品包罗万象,如马达、泵、陀螺仪、反射镜面等机械装置,用MEMS的方式也能做出来,内部可能包括通道、孔、悬臂梁、膜、腔体等结构。

MEMS融合了微电子加工工艺和精密机械加工等技术,涉及微电子、机械、材料、力学、化学甚至生物学等诸多科学领域。

MEMS叫做微机电系统,有多微?看下图,螨虫与用MEMS工艺做出的机械齿轮结构对比,与MEMS齿轮相比,螨虫就如同奥特曼的怪兽一般巨大。

是不是很不可思议?

下图是一颗封装后的MEMS麦克风,传统的机械麦克风一般有手指头大,而用MEMS工艺最终做出的麦克风比手指盖还小。

在MEMS麦克风的内部结构上,与传统麦克风原理是一致的,声音通过空气传递到达麦克风的薄膜,带动薄膜振动,从而将声压转变为电信号。

▲MEMS底层薄膜随声波震动(来自欧姆龙)

因此,MEMS将小做到了极致,这是一个起点,科学家的想法是,未来我们一切所见到的机械工艺,都可能通过MEMS做出来,随之带来的是高集成度、低功耗、可规模化量产等等优势。

目前,在汽车、医疗、消费电子等中高端传感器市场里,MEMS大概占据60%-70%的市场规模,传统传感器占据大概30%-40%的市场规模,发展趋势是MEMS能够对传统传感器进行替代的场景都会进行替代。

我国MEMS现状,比芯片还落后!

从上文我们可以看到,MEMS传感器是基于传统传感器的原理发展的,基本原理并无太大差别,早已在教材上躺了几十年。

MEMS最重要的是怎么做出来,怎么量产,做出来之后好不好用,因此,工艺和材料才是最重要,这也是MEMS IDM厂商、代工厂商极具价值的原因。

目前,在全球MEMS IDM&代工领域,我国大陆本土,仅有中芯集成(SMEC)一家厂商能进入全球前列,赛微电子旗下Silex主要产能在瑞典,北京产线仍处于产能爬坡阶段,这与集成电路芯片领域的中芯国际(全球第5)、华虹集团(全球第6)、晶合集成(全球第10)等相差甚远。

▲来源:Yole,赛微电子

在全球MEMS企业TOP 30名单中,2023年我国共有6家企业进入,分别是歌尔微电子(Goermicro,排名9),瑞声科技(AAC,排名23),赛微电子全资子公司Silex Microsystems(排名26),台积电(TSMC,排名27),海康威视(Hikvision,排名29),睿创微纳(Iray,排名30)。

在大陆本土的企业仅有歌尔微、瑞声、海康威视、睿创微纳四家,且除了歌尔微进入勉强守住前10外,其他企业排名均靠后。

并且,歌尔微电子、瑞声科技的MEMS Die(裸片)主要采购自英飞凌等国外企业,自主设计、生产比例较低。

你知道这样有多大影响吗?

据此前歌尔微电子招股书显示,歌尔微电子2020年MEMS业务营收31.47亿元,其中近50%收入,约15亿元,要缴付给英飞凌购买其MEMS Die。

在歌尔和瑞声身上也折射了中国传感器产业面临的严峻问题,目前中国MEMS行业内主要采购英飞凌等厂商的 MEMS Die(裸片)和 ASIC芯片 来进行封装,这也是国内大部分MEMS企业利润率低下、缺乏竞争力的根本原因。

▲来源:Yole

MEMS技术自20世纪80年代末开始受到世界各国的广泛重视,我国的MEMS产业起步较晚,一般认为从2010年前后我国的MEMS产业才有了雏形。

现在MEMS主流技术途径分别被美国、德国、日本掌握着,分别是:

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;

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;

以日本为代表发展的精密加工技术,如微细电火花EDM、超声波加工技术。

目前,除少数领域外,中高端传感器已完成MEMS化,而我国近90%以上的中高端MEMS传感器芯片,需要向国外采购。

这一比例,远低于我国芯片自给率,根据IC Insights的数据,2021年中国IC市场规模1865亿美元,而中国大陆IC产量为312亿美元,自给率约为16.7%,我国MEMS器件自给率10%不到。

许多MEMS器件,我国并没有成熟的生产能力,譬如前文提到的MEMS滤波器。

在投影机当中,最核心的芯片叫做DMD,这种芯片就是一种MEMS器件,全世界只有美国的TI(德州仪器)可以生产。

DMD技术也称为"数字光线处理技术"。通过数字信息控制数十万到上百万个微小的反射镜,将不同数量的光线投射出去。每个微镜的面积只有16×16微米,微镜按矩阵行列排布,每个微镜可以在二进制0/1数字信号的控制下做正10度或负10度的角度翻转。

如果美国禁止这种芯片出口,那么台湾的扬明、台达等投影机引擎企业都要歇菜,世界上所有投影机都得想办法再用回液晶这种昏暗的投影技术。

▲TI的DMD芯片

第三次浪潮之巅,MEMS我们还有机会!

与芯片产业相比,MEMS产业发轫较晚,MEMS 起源可追溯至 20 世纪 50 年代,但MEMS 产业真正发展始于 20 世纪 80 年代,目前,全球整个MEMS产业正处于第三次浪潮爆发期。

MEMS第一次产业浪潮是20 世纪 80 年代至 90 年代:汽车行业的快速发展,汽车电子应用如安全气囊、制动压力、轮胎压力监测系统等需求增长,巨大利润空间驱使欧洲、日本和美国的企业大量生产 MEMS,推动了 MEMS 行业发展的第一次浪潮。

MEMS第一次产业浪潮是20 世纪 90 年代末至 21 世纪初:本阶段早期,喷墨打印头和微光学器件的巨大需求促进了 MEMS 行业的发展。而 2007 年后,手机、小家电等消费电子产品对 MEMS 的强劲需求,掀起了 MEMS 行业发展的第二次产业化浪潮。

MEMS第一次产业浪潮是2010 年并持续至今:产品应用的扩展,使 MEMS 行业呈现新的趋势。MEMS 产品逐步应用于物联网、可穿戴设备等新领域,应用场景日益丰富,正渐渐覆盖人类生活的各个维度。此外,MEMS 是当前移动终端创新的方向,新的设备形态(如可穿戴设备)需要更加微型化的器件和更为便捷的交互方式。

因此,全球MEMS产业还处于第三次产业浪潮爆发期,尚未形成成熟的市场竞争格局。

同时,借着“芯片危机”的东风,我国对MEMS、传感器产业也前所未有的重视,已出台许多政策。

歌尔、瑞声等中国MEMS头部企业,已加大自研MEMS芯片研发投入力度,近几年我国MEMS产业发展速度明显加快。

结语

MEMS器件非常重要,是21世纪最具革命性的高新技术,将在消费电子、医疗、汽车、航天航空等许多领域带来创新改变。

经过多年发展,我国虽已形成了设计、生产制造、封装测试、系统集成的完整产业链条,但产业整体仍然相对落后。

然而全球MEMS产业尚未进入成熟期,仍处于第三次发展浪潮中,能否随着这股浪潮将我国MEMS产业带动发展起来,就看我们能否抓住这个机会了。

目前,MEMS产业被写入国家“十四五”规划当中,全国各地多条MEMS产线/中试线动工建设,一批杰出的传感企业正在进行高端MEMS器件的本地化设计、制造和生产,MEMS产业的中国力量正在崛起!

错过了芯片,中国不能再错过MEMS了!

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