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MEMS慣性傳感器是MEMS傳感器重要種類之一，在消費電子、汽車電子甚至航空航天等諸多領域，均有重要作用。
本文來自頭豹研究院于3月20日發(fā)布的MEMS慣性傳感器系列報告，是最新的中國MEMS慣性傳感器行業(yè)觀察內容。文中指出：Bosch、ST等頭部企業(yè)合計占據中國加速度計市場70%以上份額，占據陀螺儀80%以上份額，占據IMU 85%以上份額。加速度計市場CR3（前三名份額）大于80%，陀螺儀計市場CR3大于90%，IMU市場CR3大于95%。
可見，中國MEMS慣性傳感器市場仍然被國際巨頭瓜分，且市場集中度非常高，國產廠商將直面國際巨頭的競爭！更多分析請見正文。
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慣性傳感器是一種用于檢測被測物體慣性力，進而測量其加速度、角速度及相應運動狀態(tài)變化的傳感器。MEMS慣性傳感器具備體積尺寸小 型化、微電子高度集成、可高精度批量制造等MEMS器件的優(yōu)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。
受益于中國消費電子和汽車智能化的快速發(fā)展，2014-2018年，中國MEMS慣性傳感器行業(yè)市場規(guī)模（按銷售額統計）由55.2億元增長至 73.5億元，年復合增長率為7.4%。
隨著5G帶來的智能手機市場回暖、新型消費電子滲透率的進一步提升以及汽車智能化的進一步發(fā)展，預計 2023年市場規(guī)模將達到102.7億元。
消費電子為MEMS慣性傳感器市場需求的增長提供基礎支撐，消費電子當前MEMS慣性傳感器的第一大應用市場，幾乎每一類可測量運動狀態(tài)或受運動狀態(tài)影響的消費電子產品均搭載了MEMS慣性傳感器。
伴隨5G帶來的智能手機更換浪潮、可穿 戴設備市場需求的進一步釋放等因素影響，MEMS慣性傳感器在消費電子應用領域的的需求將保持平穩(wěn)增長。
汽車自動駕駛有望成為MEMS 慣性傳感器應用市場的關注焦點，盡管汽車攝像頭和雷達是實現自動駕駛的關鍵設備，MEMS慣性傳感器仍然發(fā)揮重要作用。
例如，在極端環(huán)境造成攝像頭和雷達難以精確探測外部信息、且GPS無法精準定位的情況下，MEMS慣性傳感器作為不受外部環(huán)境限制的傳感器件，將為汽車自動駕駛提供短期的動態(tài)導航輔助功能。因此，MEMS慣性傳感器將作為自動駕駛不可或缺的傳感器獲得廣泛應用。
MEMS慣性傳感器集 成度和尺寸不斷優(yōu)化 伴隨MEMS封裝的發(fā)展，MEMS慣性傳感器已由平面集成封裝發(fā)展為三維集成封裝。晶圓級芯片封裝（WLCSP）和硅通孔（TSV）等封裝工藝及方案的出現為MEMS慣性傳感器向三維晶圓級集成封裝發(fā)展提供可能，傳感器的集成度有望進一步提升。MEMS 慣性傳感器的尺寸也在集成度不斷提升的背景下不斷縮小。
1、中國MEMS慣性傳感器行業(yè)定義
根據國家標準GB7665-87，傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律（數學函數法則）轉換成可用信號的器件或裝置。
慣性傳感器是一種用于檢測被測物體慣性力，進而測量其加速度、角速度及相應運動狀態(tài)變化的傳感器。
MEMS慣性傳感器是利用MEMS微加工技術和半導體集成電路制造技術制作而成的慣性傳感器，由質量塊、彈性元件、敏感元件等機械結構件（傳感器芯片）和信號處理電路（ASIC）等部分組成。
2、中國MEMS慣性傳感器行業(yè)分類
可以根據根據被測物理量，將MEMS慣性傳感器分成三類。
①加速度傳感器
亦稱為加速度計，是用于測量物體加速度及位移的傳感器，主要根據內部機械結構位移等物理變化，通過胡克定律和牛頓第二定律推算物體加速度，利用調理芯片將物理變化轉為可用信號以收集加速度信息。根據不同分類方式，加速度計可分為眾多種類。
中國慣性導航市場最為成熟的加速度計為MEMS加速度計和石英撓性加速度計。其中，MEMS加速度計多與MEMS陀 螺儀搭配使用，其設計和加工技術已日趨成熟，但中國市場70%以上的份額仍被產品性能更佳、價格具備優(yōu)勢的國際龍頭企業(yè)博世與意法半導體占據。
石英撓性加速度計多應用于航空、慣導平臺等領域，因涉及國防安全，中國在該技術技術研發(fā)力度投入大，行業(yè)發(fā)展成熟，該加速度計已成功參與“天舟”、“神舟”及“嫦娥”系列飛行任務。
②角速度傳感器
亦稱為陀螺儀，是用于測量物體旋轉角度和快慢的傳感器，基于機械結構內部位移等物理變化及科里奧利力原理測量旋轉物體的科里奧利加速度從而推算角速度，利用調理芯片將物理變化轉為可用信號從而 收集角速度數據。陀螺儀也可分為眾多種類。
▲不同種類陀螺儀特性比較
③慣性傳感組合（IMU）
慣性傳感組合（IMU）是基于MEMS技術的慣性傳感器組合，由加速度計和陀螺儀共同組成，基于加速度計和陀螺儀原理，測量功能全面，可測量空間多個方向的加速度和角速度。
3、中國MEMS慣性傳感器行業(yè)特征
慣性傳感組合（IMU）是基于MEMS技術的慣性傳感器組合，由加速度計和陀螺儀共同組成，基于加速度計和陀螺儀原理，測量功能全面，可測量空間多 個方向的加速度和角速度。其行業(yè)特征包括產品下游應用廣泛、中國本土競爭力弱、細分市場差異化。
（1）產品下游應用廣泛
消費電子和汽車是MEMS慣性傳感器主要終端應用領域
中國MEMS慣性傳感器主要應用于解決方案提供商及終端設備系統集成商，該類企業(yè)將慣性傳感器與其他功能器件集成為模組或系統，裝配于終端電子設備中。
具體應用領域還涉及：手機導航、防抖、游戲姿態(tài)控制、AR/VR控制、相機防抖、姿態(tài)控制、消費級無人機姿態(tài)感知、控制、汽車、航海輔助導航、船舶、列車電子穩(wěn)定器、礦山隧道、地下鐵路、石油勘探等、設備狀態(tài)監(jiān)測、汽車自動駕駛、飛機 導航儀自動控制規(guī)劃路線、導彈、火箭、衛(wèi)星精確制導、完成姿態(tài)和軌道控制。
（2）中國本土競爭力弱
原材料供應商技術和規(guī)模穩(wěn)步提升，但仍落后于國際頭部企業(yè)
本土企業(yè)MEMS陀螺儀設計能力相對薄弱，主流軟件的開發(fā)商均為國際企業(yè)，同時設備供應商多為國際企業(yè)，部分高端設備進口受限。
然而，盡管中國晶圓企業(yè)起步較晚，本土企業(yè)晶圓供應能力遠低于日本信越、日本勝高、臺灣環(huán)球晶圓等全球頭部企業(yè)，但上海新昇等本土頭部企業(yè)生產工藝和規(guī)模不斷提升，已能提供8英寸及以上尺寸晶圓，MEMS慣性傳感器原材料保障能力獲得增強。
（3）細分市場差異化
MEMS慣性傳感器在不同類型應用市場的發(fā)展趨勢呈現差異化
針對不同應用領域，MEMS慣性傳感器市場已發(fā)展成為：
（1）以智能手機、可穿戴設備、平板電腦等應用為主的消費級市場；
（2）以汽車、智能制造等應用為主的中端工業(yè)級市場；
（3）以航空航天等應用為主的高端工業(yè)級市場。
以上三類細分市場的發(fā)展趨勢和發(fā)展速度存在差異。
4、MEMS慣性傳感器發(fā)展歷程
1954年，壓阻效應的出現為微型壓力傳感器的研制提供了理論基礎，而60年代Draper實驗室對MEMS加速度計的研發(fā)工作啟動也標志著該行業(yè)進入啟動期階段，在啟動期期間，多項革命性的產品出現，為后來的產品提供了原型。
經過了40年左右的啟動期過渡，美國ADI公司研制出世界上第一款單片集成的 商用陀螺儀ADXRS標志著該行業(yè)的高速發(fā)展期正式開始，MEMS加速度計不斷向著輕量化、高精度、經濟化的方向發(fā)展。
（1）萌芽期
開始時間：1954 結束時間：1960
行業(yè)大事件：1954年，C.S史密斯發(fā)現了壓阻效應，為微型壓力傳感器的研制提供理論基礎。該理論的提出標志著MEMS傳感器行業(yè)萌芽期的開始。1958年，杰克·基爾比發(fā)明了第一塊集成電路，加速了MEMS行業(yè)創(chuàng)新的步伐 。
行業(yè)影響：壓阻效應的發(fā)現是慣性傳感器發(fā)明最核心的理論基礎，自1954年之后，在此理論基礎上壓阻效應的理論不斷發(fā)展，最終推動MEMS傳感器的 出現。杰克基比爾的發(fā)明證明了將電子元器件集成到一個晶片上是可行的，在集成電路之前，晶體管之父肖克利發(fā)明的晶體管為集成電路的發(fā)展奠定了元件基礎。
（2）啟動期
開始時間：1960 結束時間：2000
行業(yè)大事件：20世紀60年代末，對MEMS加速度計的研究和開發(fā)工作開始啟動，主要研發(fā)單位為美國的Draper實驗室、斯坦福大學以及加州大學伯克利 分校。20世紀70年代，綜合MEMS工藝與壓阻效應，出現了壓阻式加速度計。1989年，美國Draper實驗室研制出第一臺振動式微機電陀螺儀 。
行業(yè)影響：60年代開始，MEMS加速度計的產品概念被提出，研究工作正式啟動，而后在美國Draper實驗室的推動下，該行業(yè)革命性的產品陸續(xù)出現， 同時MEMS加速度計實現商業(yè)化。1989年首臺振動式微機電陀螺儀的發(fā)明為該行業(yè)走上高速發(fā)展期提供了有力的推動力量。
（3）高速發(fā)展期
開始時間：2000 結束時間：2022
行業(yè)大事件：2002年，美國ADI公司研制出世界上第一款單片集成的商用陀螺儀ADXRS。2006年，日本兵庫大學的K. Maenska報道了一種僅由一個帶電極的鋯鈦酸鉛棱柱體構成的新型的壓電振動固態(tài)微機械陀螺。2013年，法國電子與信息技術實驗室設計出一種采用了橫向懸掛設計的3D電容音叉陀螺。
行業(yè)影響：第一款單片集成的商用陀螺儀ADXRS標志著慣性傳感器行業(yè)進入高速發(fā)展期，其產品應用越來越廣泛，MEMS加速度計將向著輕量化、高精 度、經濟化的方向發(fā)展。自21世紀以來，隨著集成電路及計算機行業(yè)的迅速發(fā)展，MEMS加速度計更多應用于汽車安全氣囊，而且在手機、 計算機等電子消費產業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。
5. 中國MEMS慣性傳感器產業(yè)鏈分析
中國MEMS慣性傳感器行業(yè)產業(yè)鏈分為三個環(huán)節(jié)。
產業(yè)鏈上游參與主體為傳感器設計企業(yè)、軟件、原材料及設備供應商，產業(yè)鏈中游參與主體是傳感器加工、封裝測試企業(yè)，純MEMS晶圓制造企業(yè)是MEMS慣性傳感器晶圓的主要加工企業(yè)，產業(yè)鏈下游參與者為傳感器應用解決方案提供商及終端設備系統集 成商等。
MEMS慣性傳感器產業(yè)鏈上游傳感器設計企業(yè)與國際領先企業(yè)差距相對較小，軟件開發(fā)、原材料和設備企業(yè)與國際同類企業(yè)均存在較大差距；中游環(huán)節(jié)的國際MEMS晶圓加工以8英寸晶圓產線為主，中國本土MEMS晶圓產線規(guī)格相對落后；消費電子和汽車是MEMS慣性傳感器主要終端應用領域，占其應用市場總產值的70%以上。
總體來說，MEMS慣性傳感器產業(yè)鏈條鏈路較為復雜。上游包含原材料、設計、設計軟件等參與方，下游囊括消費電子、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、航天等多個 領域，因此其中游產品的價格將受到多方面因素影響，且其中競爭者眾多，國產廠商議價能力不強。
（1）上游環(huán)節(jié)
①設計
設計企業(yè)是將傳感器由概念轉化為產品的主要推動者。
當前，中國本土MEMS慣性傳感器設計企業(yè)在加速度計方面已具備較強研發(fā)能力，可設計具備優(yōu)異性能參數的高端單軸、二軸、三軸加 速度計，產品不僅可用于手機、可穿戴設備等消費級加速度計應用領域和汽車慣性導航等中端工業(yè)級領域，還可用于航空航天等高端工業(yè)級領域。
由于MEMS陀螺儀技術更加復雜，設計難度相對加速度計更高，在民用領域，中國本土MEMS慣性傳感器設計企業(yè)研發(fā)能力相比國際領先企業(yè)較為薄弱，多定位于低端消費級產品應用領域，在軍用領域，中國具備航空航天等領域高端MEMS陀螺儀的研制能力，主要原因為，基于國家戰(zhàn)略安全考慮，中國科研事業(yè)單位可不計成本地研制高性能產品。
主要參與方
電裝（中國）投資有限公司上海分公司、美新半導體（天津）有限公司、東電化（中國）投資有 限公司、上海矽?？萍脊煞萦邢薰?/p>
②軟件
設計軟件主要用于對MEMS傳感器機械結構進行有限元分析模擬，如CoventorWare、Ansys、 Solidworks等，集成電路EDA軟件用于模擬傳感 器信號處理電路，如Cadence、Synopsis等。
設計軟件的使用可提高MEMS慣性傳感器設計者的工作效率，為設計者的研發(fā)提供基礎工具保 障。從國際格局上看，預計在2025年EDA國產率能達到35%，受到美國的限制，中國發(fā)展核心部件國產化刻不容緩；2020-2025年，中國集成電路企業(yè)新增率為5%左右，整體來說該細分領域已經進入高質量發(fā)展階段。
主要參與方
Coventor、新思科技有限公司
③原材料
MEMS慣性傳感器的原材料包括硅晶圓、硅靶材、金屬靶材、封裝材料等，其中晶圓是制造集成電路的基礎材料，硅晶圓的尺寸和純度對芯片加工成本和產品品質造成重要影響。
目前，中國 MEMS慣性傳感器加工采用的晶圓尺寸包括4英寸、6英寸和8英寸，晶圓尺寸越大，單位晶圓材料可產出的芯片數量越多，單位加工成本越 低。6英寸和8英寸是傳感器晶圓的主流尺寸。
盡管中國晶圓企業(yè)起步較晚，本土企業(yè)晶圓供應能力遠低于日本信越、日本勝高、臺灣環(huán)球晶圓等全球頭部企業(yè)，上海新昇等本土頭部企業(yè)生產工藝和規(guī)模不斷提升，已能提供8英寸及以上尺寸晶圓，MEMS慣性傳感器原材料保障能力獲得增強。
以市場占比超過50%的消費級MEMS慣性傳感器6軸IMU為例，產品加工費用約0.17美元/顆（MEMS傳感器芯片加工費約0.1美元/顆， ASIC加工費約0.07美元/顆），產品封裝費約0.2 -0.3美元/顆，產品測試費約0.15美元/顆。
在MEMS慣性傳感器量產階段，封裝費用是目前MEM S慣性傳感器最主要成本，而加工費可通過規(guī)模化生產效應得以顯著攤薄，因此傳感器的成本降低難點主要體現于如何降低封裝成本。
主要參與方
上海新昇半導體科技有限公司、信越有機硅國際 貿易（上海）有限公司
④設備企業(yè)
MEMS慣性傳感器設備包括光刻機、PVD、CVD、刻蝕機等加工設備、鍵合機、劃片機等封裝設備和傳感器參數測試設備，由于當前中國本土設備難以滿足中高端MEMS慣性傳感器生產要求，設備多為Ulvac、Veeco等歐美日先進設備供應商提供。
此外，基于商業(yè)機密等方面考慮，部分先進的高精度MEMS傳感器測試設備進口中國受限，為中國MEMS慣性傳感器產品性能參數的驗證帶來不利。
主要參與方
愛發(fā)科（中國）投資有限公司、維易科精密儀器 國際貿易（上海）有限公司
（2）中游環(huán)節(jié)
①加工
晶圓代工企業(yè)可分為三類：
（1）純MEMS晶圓制造企業(yè)：僅提供MEMS晶圓加工服務，該類 企業(yè)提供代工服務的特點為產品生產批次多，可 為上游各類客戶提供MEMS代工服務。純MEM S代工的代表性企業(yè)包括Micralyne、Tronics和Silex（已被中國本土企業(yè)賽微電子收購）等；
（2）傳統集成電路代工企業(yè)：通過調整加工工 藝亦可提供MEMS晶圓加工服務，該類企業(yè)產 能規(guī)模龐大，多為客戶提供規(guī)模化加工服務。傳 統集成電路代工的代表性企業(yè)包括臺積電TSM C、格羅方德、中芯國際SMIC和上海先進ASMC等；
（3）IDM企業(yè)：亦提供MEMS晶圓加工 服務，客戶一般是與IDM企業(yè)自身業(yè)務無利益沖 突的企業(yè)，因此IDM企業(yè)可代工的產品種類較少，客戶資源較少。提供代工的IDM代表性企業(yè) 包括博世、意法半導體和士蘭微等。
主要參與方
Tronics、賽萊克斯微系統科技（北京）有限公 司、Semefab、中芯國際集成電路制造（上海） 有限公司、上海先進半導體制造有限公司
②封裝測試
MEMS慣性傳感器需放置于多軸轉臺、振動臺、沖擊臺等設備測試其處于不同外部環(huán)境時性能參數的變化情況。而該外部激勵測試完全由MEMS慣性傳感器設計者根據應用場景需求制定，因此，MEMS慣性傳感器設計企業(yè)需根據不同應用場景對產品的測試方案進行針對性設計。
主要參與方
江蘇長電科技股份有限公司、安靠封裝測試（上 海）有限公司、日月光半導體（上海）有限公司 、POWERTECH BUSINESS LIMITED、天水華 天科技股份有限公司
（3）下游環(huán)節(jié)
①應用解決方案提供商、終端設備系統集成商
中國MEMS慣性傳感器行業(yè)產業(yè)鏈的下游參與主體為傳感器應用解決方案提供商及終端設備系 統集成商，該類企業(yè)將慣性傳感器與其他功能器件集成為模組或系統，裝配于終端電子設備中。
MEMS慣性傳感器是測量物體運動狀態(tài)的重要 器件，集成MEMS慣性傳感器的終端電子設備 廣泛應用于智能手機、可穿戴、消費級無人機等 消費電子領域、汽車安全系統、ADAS （先進駕 駛輔助系統）、自動駕駛等汽車電子領域和機器 人、工業(yè)自動化設備、航空航天等工業(yè)領域以及醫(yī)療等領域。
消費電子和汽車電子是MEMS慣 性傳感器最主要下游應用領域，消費量占比超過 70%
主要參與方
紫光展銳（上海）科技有限公司、聯芯科技有限 公司、小米科技有限責任公司、華為投資控股有 限公司、上汽大眾汽車有限公司
6. 中國MEMS慣性傳感器行業(yè)規(guī)模
在2017年-2021年期間，受到消費電子、汽車等市場下行的影響，MEMS傳感器行業(yè)規(guī)模持續(xù)走低，至2022年開始，隨著智能網聯汽車的蓬勃發(fā)展，汽車 對MEMS傳感器的需求有了顯著增加，并且在未來幾年都將持續(xù)保持增長趨勢。
下游應用市場智能手機以及汽車的不良表現也同步影響著MEMS市場的表現。2017年-2019年間可穿戴設備等新型消費電子和汽車ADAS對MEMS慣性傳 感器需求增長的貢獻不斷提升，但同時全球智能手機市場需求增長疲軟，智能手機對MEMS慣性傳感器市場規(guī)模的驅動力減弱，而在2018-2020年期間經濟下行及疫情對乘用車市場的影響也直接導致MEMS傳感器的需求量降低。
隨著5G帶來的智能手機市場回暖、新型消費電子滲透率的提升以及ADAS、自動駕駛等汽車智能化的進一步發(fā)展，MEMS慣性傳感器生產需求將保持穩(wěn)定 增長。頭豹預計2023至2026年中國MEMS慣性傳感器行業(yè)市場規(guī)模年復合增長率將達到11.15%，到2026年能夠增長至362.58億元。
▲MEMS慣性傳感器行業(yè)規(guī)模=MEMS傳感器汽車領域應用市場規(guī)模/MEMS應用于汽車領域占比（來源：頭豹研究院）
7、中國MEMS慣性傳感器市場競爭格局
中國MEMS慣性傳感器市場競爭集中于民用領域。由于軍規(guī)級傳感器涉及國家戰(zhàn)略安全，通常交由符合軍用資質的企事業(yè)單位設計和制造。軍規(guī)級傳感器 通常成本高昂，尺寸較大、多為非標產品且總需求量較小，市場規(guī)模小。
在對傳感器成本、尺寸、產能規(guī)模等方面均提出較高要求的民用領域，中國本土企業(yè)競爭力薄弱。相比Bosch、ST、ADI等國際領先企業(yè)，本土企業(yè)市場 占有率低、業(yè)務規(guī)模小、技術積累少、客戶資源少、產品可靠性驗證機會少。
根據在中國MEMS慣性傳感器行業(yè)從事10年以上研發(fā)及銷售工作的專家表 示，中國本土MEMS慣性傳感器企業(yè)與國際企業(yè)在技術和業(yè)務規(guī)模等方面均存在明顯差距。
在消費級市場和中端工業(yè)級市場，國際領先企業(yè)占據市場主導地位。Bosch、ST等頭部企業(yè)合計占據中國加速度計器市場70%以上份額，占據陀螺儀80%以上份額，占據IMU85%以上份額。
從市場集中度角度而言，加速度計市場CR3大于80%，陀螺儀計市場CR3大于90%，IMU市場CR3大于95%。
隨著中國企業(yè)的技術研發(fā)技術不斷提升，未來有望趕超國際水平，但傳統應用領域已被國際企業(yè)占據，對于中國企業(yè)來說，突破當前市場格局現狀的關鍵 在于挖掘新興市場需求，如物聯網、自動駕駛等領域。
中國MEMS慣性傳感器行業(yè)競爭格局分析從企業(yè)注冊資本、研發(fā)能力、產品多樣性幾個維度入手。
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