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集微咨询:MEMS传感器应用场景群像分析与未来走势

2021-12-19 17:12:34

集微咨询(JW insights)认为:

- 全球MEMS出货量在过去近10年来半导体总类占比稍多于70%,但单位售价总体跟随消费类电子产品属性而下跌;

- 压力传感器和惯性传感器相加占总MEMS传感器市场的三分之二;

- 车规级传感器占MEMS传感器市场的27%左右,占MEMS总市场的17%;

- MEMS压力传感器约有一半的市场应用来自汽车,且面临着重大技术革新前景。

从广义上的半导体范畴来讲,MEMS的历史相当悠久,它产生于上世纪50年代,起初被发明出来,与其说是一种技术,不如说是一个概念。它与集成电路制造技术息息相关,但其制造、设计、材料等工艺却又独树一帜,与传统的半导体工艺迥异。

从其“微机电技术”的称谓上看,也可窥其跨学科的鲜明特性:将集成电路制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、控制处理电路甚至接口电路、通信电路和电源电路等制造在一块或者多块芯片上的微型集成系统,结合了微电子和机械工程技术。

典型的MEMS系统由传感器(sensor)、信息处理单元、执行器(actuator)等组成,传感器把力、声、光等物理信号转换为电信号,再由A-D转换器转化为能够否被电子系统识别和处理的电信号,对外部介质的操作则有执行器来负责,比如射频通信的物理信号对应的传感器是振荡器或者调节器,连接外部介质的执行器则是交换器。

MEMS统属于半导体大类,和集成电路的概念内涵有重叠但也有互不隶属之处,根据材料、器件结构、加工工艺、实现功能和信号接口等区别,常见的MEMS产品有压力传感器、磁传感器、麦克风、加速度计、陀螺仪、湿传感器等等,一般意义上,半导体分析机构在针对MEMS做数据统计时,会把传感器和执行器做统一但区别分类处理,但按照世界半导体贸易统计组织(WSTS)惯常的分类方法,最典型意义上的图像传感器(Imagesensor)在O-S-D(光学--传感器--分立器件)中被划分在光学器件中,所以本文的传感器数据主要来自压力、惯性、麦克风等的业内通行的统计模式,即不包含图像传感器。

需要说明的是,出于主题和篇幅考虑,本文暂不从领先供应商(如博世、意法半导体、ADI、恩智浦、村田等)的角度谈各家企业在不同产品序列的比拼,数据维度主要按照MEMS传感器应用场景分类,至于其市场份额的变化、MEMS工艺进展等也会另发文分析。

本文的数据标准依然按照集微咨询(JW insights)原来的核定标准,即对IC Insights、Gartner、Yole等分析机构的数据做均数处理。

MEMS传感器近年来的市场走势

首先,过去五年来,基于MEMS技术的传感器和执行器的出货量一直稳定在半导体器件大类(总量大约在1.2万亿左右)的2.5%至3%之间,即360亿件左右。2020年全球传感器/执行器市场的总价值为167亿美元左右,其中基于MEMS技术总销售额为139亿左右,这个数字和2019年非传感器、非光电器件的销售额基本持平,全球不含图像传感器的所有其他传感器在内的所有分类,在市场中约有一半左右属于MEMS范畴,而如全文所述,所有执行器都基于MEMS技术,所以二者权重相加,计算得出83%这个数字。

其次,这近140亿美元的MEMS传感器和执行器市场中,所有传感器细分类别销售额占比最大的是压力传感器(31亿美元),其次是加速度传感器/陀螺仪(26亿美元)和磁场传感器(22亿美元),执行器市场作为“终端”贯穿整个传感器的外部输出,所以它占的营业额最大,为60亿美元。制图如下:

我们再来对比一下2019年的状况:首先是压力传感器(28亿美元),其次是加速度传感器/陀螺仪(23.8亿美元)和磁场传感器(20.1亿美元)和执行器55.5亿美元,作图的结果和上述比例几乎完全一致,我们可以发现,整个MEMS传感器和执行器的增长率2020年同比有均值约11%的增长。

集微咨询(JW insights)之前曾发多篇文章阐述,2019年因受经济大环境尤其是DRAM周期性影响,整个半导体产业处在一个“小冰川期”,各个细分领域的半导体器件营业额均有下降,包括晶圆前端和后端的设备研发/营收占比也相对处于低谷,部分原因是因为2018年之后全球半导体产业链的库存调整,智能手机出货量放缓以及采购订单回落明显。因此,在一个相对较低的基数下,2020年MEMS传感器/执行器的增长率达到了2016年以来的新高,且5G技术无论移动端还是基站布局的方兴未艾,射频前端所需的MEMS射频滤波器极大地推动了这个领域的销售额增长。

具体到传感器领域,压力传感器依靠着更为广泛的应用场景大致上稍稍领先惯性(加速度)传感器市场,疫情防控期间疫情期间医疗器械市场需求增加了压力传感器的领先优势,前者在总的MEMS传感器市场的在过去7年几乎恒定在34%-35%之间,后者的同时间段均值则为33%左右,二者相加整个MEMS传感器市场的三分之二。

集微咨询(JW insights)之前曾就全球MCU市场撰文分析,认为该产品大类带有鲜明的电子消费品属性,平均销售价格和出货量有一种微妙的博弈关系,这种现象也部分出现在MEMS市场中,我们看看2012年以来整个传感器市场销售额的增长。

从上图中可以看到,2015年之后全球MEMS市场上升势头明显,和5G和互联网的爆棚式发展带来的消费类电子的高增长时间点重合。

从另一个角度看,MEMS传感器/执行器的出货量在同一时间段几乎恒定在半导体大类占比的2.5%-3%左右,整个O-S-D则在过去十多年恒定在出货量占半导体大类为72%左右。我们再统计一下2016-2020年以来半导体总的大类的全球出货量分别同比增12%、8%、-7%和3%,年均增长为4%左右,而同时间内MEMS传感器/执行器的出货量年均增8.5%左右,单位销售价格均值下降了9%,典型的例子是知名手机BoM分析机构techinsights拆解iPhone12,得知这款手机的惯性传感器、压力传感器等成本约为2美元,相比之下,iPhone6和iPhone7的各类传感器总成本分别为7美元和6.5美元,成本的降低赋予MEMS传感器ASP下滑以足够的市场空间。

集微咨询(JW insights)查询各个分析机构统计的2014-2020历年MEMS市场的应用场景,可得知该市场的电子消费类占比为61%,汽车应用为17%左右,如果只算MEMS传感器领域,各分析机构取均值如下图表:

聚焦汽车MEMS领域,可得知该细分领域的MEMS传感器占比为27%左右,高出整个MEMS整体市场10个百分点左右。如前文所叙述,MEMS传感器占比最大的细分类为压力传感器,而汽车应用是最能直观昭示该市场变化的观测窗口。

集微咨询(JW insights)依然按照固有的统计模式,算出压力传感器在不同应用场景中的占比,如下:

从中得知,汽车应用占了MEMS压力传感器总市场的半壁江山,可以得出结论,该领域的技术演化趋势,将直接关乎压力传感器的未来市场命运。

当下的全球汽车市场正经历着剧烈的由传统燃油车(ICE)向纯电动汽车EV剧烈转换期,各大汽车OEM都纷纷制定了在2030-2035年完全淘汰ICE产品线的计划,另外未来全球MEMS压力传感器市场增加了很多未知因素。

在车身的主动和被动安全???,包含车身电子稳定系统(ESP),轮胎压力监测系统(TPMS),进气压力传感器(MAP),以及监测自动变速器油位、燃油箱蒸发排放系统、EGR(汽车废气管理)等的各类压力传感器。车规级压力传感器按照不同的压力范围划分出不同的适应性,比如空调系统HVAC属于中级压力范围,而MAP,BAP和EGR是低级压力范围等等。

车用压力传感器在汽车全面向EV过渡的过程中必定命运多舛,Yole甚至判断在未来10-15年内全球将有1亿左右的MEMS压力传感器出货量的消减,原燃油动力系统包括气体排放系统的压力传感器面临被逐渐淘汰的风险,不过即便如此,车用射频、轮胎压力监测系统(TPMS)、电子稳定控制(ESC)等MEMS压力传感器依然是长久的市场刚需,且BMS(电动汽车电池管理系统)等待来的新型电池压力传感系统(如蓄电池冷却液)则会扬弃整个车用MEMS系统和相关市场前景。

结语

在经历了2019年短暂的低谷之后,全球MEMS市场未来会进一步上扬,首先得益于电子消费类产品如手机和平板电脑的不断更新换代,重力、加速度、指纹传感器逐渐向中低端史称和可穿戴设备中普及,MEMS压力传感器的车用状况将会进一步成为业内关注的焦点,燃油动力、进气管理、车内空气循环、车身稳定和轮胎气压等MEMS传感器,在未来的EV潮流将不断扬弃自身以适应技术演化方向。(校对/萨米)

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