半导体周报0204-半导体之MEMS
半导体周报-0204
一、行业新闻及动态
1、半导体设计：
《科创板日报》22日讯，在英特尔Meteor Lake芯片发布会上，其首席执行官帕特基辛格表示，定制芯片将在2025年之后成为潮流，服务器和PC（芯片）的定时发布届时可能就会变得不那么重要。公司正按计划在四年内完成五个节点，最终将在2025年达到顶峰，包括Intel 7、Intel 4、Intel 3、Intel20A和Intel 18A工艺。
《科创板日报》23日讯，AMD首批用于AI、HPC的Instinct MI300X GPU已发货。LaminiAI首席执行官Sharon Zhou表示，公司已收到Instinct MI300X，将使用该GPU运行大模型。与Instinct MI300A不同，Instinct MI300X缺少x86 CPU内核，但拥有更多CDNA 3小芯片，搭载 192 GB HBM3内存，因此计算性能更高。根据AMD数据，Instinct MI300X性能优于英伟达的H100 80GB。
2、半导体制造及封测：
财联社1月24日电，紫光国微在互动平台表示，公司新一代FPGA研发工作进展顺利。特种MCU、图像AI智能芯片用于特种领域，不是通用产品。目前公司没有特种计算显卡产品。数字钥匙解决方案已经在众多国内主机厂和Tier1供应商导入。车载控制芯片产品在继续优化迭代中。5G通信石英晶体振荡器产业化项目已基本完成建设，开始投产。
《科创板日报》24日讯，据半导体设备厂商表示，台积电CoWoS等先进封装扩产计划加速推进且上调产能目标，来自英伟达、AMD等客户的“超级急件”（super hot run）只增不减。据估算，台积电2024年底CoWoS月产能将达3.2万片，2025年底再增至4.4万片，随着CoWoS终挤出翻倍产能，各家分配量将扩增，包括广达、超微电脑、华硕、技嘉与华擎等承接多时的订单终可生产出货。
3、其他：
《科创板日报》24日讯，DRAM价格连2个月上涨，2023年12月指标性产品DDR4 8Gb批发价（大宗交易价格）为每个1.70美元左右，环比上涨3%；4Gb产品价格为每个1.30美元左右，环比上涨4%，价格皆为连续第2个月上涨。主要原因为各家存储芯片厂商减产，市场过剩情况缓解，客户端接受存储芯片厂商的涨价要求。
财联社1月20日电，多位知情人士称，OpenAI首席执行官Sam Altman的目标是，募资资金建立一个工厂网络来生产半导体。Altman一直致力于向全球投资者筹集百亿级美元以建立芯片合资企业。了解其计划的知情人士称，Altman已与几家大型潜在投资者进行了讨论，希望能筹集到芯片制造厂建设所需的巨额资金。知情人士称，谈判仍处于早期阶段，参与该项目的合作伙伴和出资者完整名单尚未确定。部分知情人士称，Altman的筹资行动反映出，他担心随着人工智能(AI)的普及，大范围部署会缺少足够的芯片。目前一些对AI相关芯片生产的预测跟不上预期需求。
MEMS 压力传感器，全称微机电系统（Microelectro Mechanical Systems）压力传感器，是一种融合了尖端微电子技术和精密微机械加工技术的高精度传感器。它们通过微型机械结构与电子电路的结合，实现对压力变化的敏感监测和精确转换。这些传感器主要包括压阻式、电容式和压电式，通过检测物理形变或电荷累积来测量压力，进而转化为电信号进行处理。其核心优势在于微型化设计，让 MEMS 压力传感器在精度、尺寸、响应速度和能耗方面均具有卓越表现。
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。利用集成电路（IC）的设计技术和制造工艺，MEMS 压力传感器实现了高精度、低成本的大规模生产，为消费电子和工业过程控制领域的广泛应用提供了成本效益。
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。
MEMS传感器工作原理
资料来源：数字化企业网，华安证券研究所整理
MEMS传感器主要分类
（一）、MEMS 压力传感器：
MEMS 压力传感器是基于微机电系统技术的精密传感器，它们能够将物理压力转换为电信号，这一过程依赖于传感器内部的微型机械结构的物理变形。在工业和科研领域中，这些传感器因其高精度和小型化特性而被广泛采用。目前，市面上常见的 MEMS 压力传感器主要分为硅压阻式和硅电容式两大类，它们都是在硅基底上制造的微型传感器，但工作原理各有差异。
1) 硅压阻式压力传感器
硅压阻式压力传感器利用半导体材料的压阻效应，通过在硅片上集成的惠斯顿电桥来实现压力至电信号的转换。这种传感器的敏感元件是一种微加工的硅薄膜或梁，其上集成有压阻元件。当外部压力作用于上方的硅薄膜时，压阻元件的电阻值会因为材料的机械应力而发生改变，进而导致惠斯顿电桥产生差动电压输出。该输出电压与施加压力成正比，允许对压力进行量化测量。微加工技术使得这些压阻元件可以在微米尺度上精确放置于硅薄膜的应力集中区，从而提高传感器的灵敏度和测量精度。这些硅压阻式压力传感器通常配备有温度补偿机制，以减少环境温度变化对测量准确性的影响，确保长期稳定性和
可靠性。
硅压阻式压力传感器结构图，及实物
资料来源：《MEMS 压力传感器及其应用》李宽，民生证券研究院
2） 硅电容式压力传感器
硅电容式压力传感器则采用了不同的检测机制。它们使用一对平行的硅基电容板，这些电容板通过微机电系统技术在硅片上构建。当外部压力作用于移动电容板时，板间距离发生变化，从而导致电容值的变化。这种板间距离与电容值之间的直接关系使得硅电容式压力传感器在压力检测方面具有极高的灵敏度和非线性极小。
电容式传感器由于其结构的简单性，在尺寸和功耗方面具有独特的优势。它们特别适用于那些要求长期稳定无需频繁校准的应用场景。此外，电容式传感器由于其固有的电气特性，对电磁干扰具有较高的抵抗力，这在复杂的工业环境中尤为重要。
硅电容式压力传感器结构图，及实物
资料来源：艾邦半导网，民生证券研究院
MEMS压力传感器分类：
MEMS 压力传感器根据其独特的工作原理被划分为几种主要类型：压阻式、电容式、光纤式、谐振式和压电式。
压阻式传感器通过半导体材料的压阻效应来检测压力变化，其优势在于高灵敏度和快速响应，但可能受温度漂移影响。
电容式传感器依赖于导电板间距的变化来改变电容值，提供优异的精度和稳定性，但在粉尘或液体环境下性能可能下降。
光纤式传感器使用 Fabry-Perot 干涉仪原理来测量压力，具有高精度和免疫电磁干扰的优点，但成本较高。
谐振式传感器通过压力引起的谐振元件振动频率变化进行测量，拥有极高的精度和稳定性，但设计复杂。
压电式传感器基于压电效应，适用于瞬态压力监测，其结构简单易于集成，但响应可能非线性。每种传感器都有其独特的性能特点和应用场景，选择合适的传感器需要考虑具体的测量要求和环境条件。
主要零部件：
以 MEMS 电容式压力传感器为例，MEMS 压力传感器主要有以下结构：
典型 MEMS 电容式压力传感器结构拆解图
资料来源：麦姆斯咨询，民生证券研究院
1）MEMS 芯片
MEMS 芯片，即微电机系统（MEMS）芯片，是一种集成了微机电系统技术的芯片，常用于传感和控制应用。该芯片包含微小的机械、电气和传感器元件，其工作原理基于微型化制造和利用物理效应的特性。MEMS 芯片的制造过程采用微纳加工技术，通常使用硅材料。该技术使得能够在芯片上制造微小的结构，如微机械致动器、传感器元件和微型通道。这些微结构可以在芯片上执行机械和电气功能。在 MEMS 芯片中，微小机械结构通常用于执行特定的机械任务，比如振动、位移或变形。传感器元件则用于感知周围环境的物理量，并将物理变化转换为电信号，通过芯片上的电子元件进行处理。
2）ASIC 芯片
全称 Application Specific Integrated Circuit，即专用集成电路，MEMS 传感器中的 ASIC 芯片主要负责为 MEMS 芯片供应能量，并将 MEMS 芯片转换的电容、电阻、电荷等信号的变化转换为电信号，电信号经过处理后再传输给下一级电路。
3）PCB 板
全称 Printed Circuit Board，印制电路板，重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体。
制造流程：
MEMS 压力传感器生产工艺流程及环节图
资料来源：安培龙招股说明书，民生证券研究院
MEMS 压力传感器的生产流程主要包括芯片设计与制作、封装、标定等步骤，标定过程可细分为测试和校准两个步骤。其中芯片的设计与制作以及标定是MEMS 传感器生产过程中技术和价值含量最高的部分。
1）生产：MEMS 芯片和 ASIC 芯片的生产是传感器生产难点。目前最广泛应用的 MEMS 器件制作加工方式就是集成电路技术，不同的是，MEMS 芯片包含了机械机构，需要实现机械与电子之间的互动，且微电机设备大小通常在微米级，因此 MEMS 芯片制作的工艺难度较高。
2）标定检测：MEMS 传感器产品种类多样，各种产品的功能和应用领域也不尽相同，使得各种 MEMS 传感器的生产工艺和封装工艺均需要根据产品设计进行调试，调试过程是 MEMS 压力传感器生产过程中的难点之一。
应用领域：
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。
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。
（二）、MEMS惯性传感器：
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。
1、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。
MEMS螺旋仪内部结构示意图
资料来源：电子发烧友，华安证券研究所整理
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、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加速度计应用
资料来源：电子发烧友，华安证券研究所整理
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。产品主要包含加速度计敏感结构和ASIC芯片，ASIC芯片由电容/电压变换电路和数字部分组成。
3、 MEMS惯性测量单元（IMU）：IMU是基于MEMS技术的新型惯性测量器件，用来测量物体的三轴加速度和三轴角速度信息。MEMS IMU的发展早期主要受军工需求推动，后续逐步推广至民用，现已于消费电子、汽车、工业自动化等领域中实现广泛应用。
IMU按实现途径分为组装式和单片式两类。组装式是将三个单轴加速度传感器和三个单轴陀螺仪通过立体组装到一起分别实现三个方向加速度信号和角速度信号的测量。主要的厂家包括BOSCH，ST及TDK等。单片式是将多个MEMS敏感结构制作在一个芯片上，MEMS芯片和ASIC电路芯片通过引线键合连接达到多轴测量的目的，并且可以做到更高的集成度和更小的体积。
MEMS惯性传感器应用
资料来源：共研网，华安证券研究所整理
3、MEMS其他传感器：按物理参数分，可分为力（加速度/压力/声）、热（热电偶/热阻）、光（光电类）、电磁（磁强计）、化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）。
智能手机中的传感器
资料来源：行行查，华安证券研究所整理
光学传感器：原理：电子吸收光子，从而向高能级跃迁，当入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功时，就有光电子发射，称为外光电效应。当物体受到光照射后，其内部原子释放出电子，但这些电子并不逸出物体表面仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电导效应。前者称为光电导效应，后者称为伏打效应。利用半导体光电导效应可制成光敏电阻。
热学传感器：热电偶是最常用的传感器，依靠两个不同金属线的末端产生的电动势，电动势在两个导线的节点被加热的情况下产生。但有一个严重缺点就是，输出信号随着线和节点的尺寸的减小而降低。
MEMS传感器的典型应用
资料来源：广州工控传感科技公司，华安证券研究所整理
行业现状：
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%。
MEMS传感器全球市场规模
MEMS传感器中国市场规模
资料来源： Yole Intelligence ，华安证券研究所整理
MEMS压力传感器：
根据Yole Intelligence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。
MEMS压力传感器全球市场规模
资料来源：Yole Intelligence，华安证券研究所整理
根据 ReportLinker 数据 2023 年 MEMS 压力传感器市场规模估计为 23.6亿美元，预计到 2028 年将达到 31.9 亿美元，在预测期间（2023-2028 年）以6.20% 的复合年增长率增长。工业自动化和各地区对小型化消费设备的需求，如可穿戴设备和物联网连接设备，是推动 MEMS 压力传感器市场的重要因素之一。
竞争格局：
Yole 按照各企业全年 MEMS 产品营收情况，列出全球 MEMS 企业实力排名。在 MEMS 前 10 强中，美国有 5 家企业，德国 2 家，瑞士、日本、中国各一家，其中博世稳居世界第一。
国外知名 MEMS 传感器企业
资料来源：各公司官网，民生证券研究院
从主要上市企业有关 MEMS 压力传感器的研发项目来看，各企业积极布局高精度等高端 MEMS 压力传感器，我国 MEMS 压力传感器芯片设计国产化以及行业产业化可期。目前，MEMS 压力传感器已成为 MEMS 传感器市场规模最大的细分市场之一，在汽车、工业、医疗和和航天航空领域均有广泛的应用。2020年我国 MEMS 压力传感器市场规模约为 135 亿元。结合国内 MEMS 压力传感器国产化进程加快，以及市场历年增长趋势，预测到 2025 年约接近 300 亿元。
MEMS惯性传感器：
根据 Yole Intelligence 的统计，全球MEMS惯性传感器的市场规模从2018年的28.31亿美元、31.21亿颗增长至2021年的 35.09 亿美元、39.39亿颗，预计该市场将于 2027年增长至49.43亿美元、60.60亿颗，2018年至 2027年销售额及销售量的 复合增长率分别为 6.39% 和 7.65%。 其中，全球 MEMS加速度计的市场规模从 2018 年的 9.14 亿美元、10.23 亿颗增长至 2021 年的12.19亿美元、15.37亿颗， 预计该市场将于2027年增长至16.41亿美元、24.28亿颗，2018年至2027年销售额及销售量的复合增长率分别为6.72% 和 10.08%。
MEMS惯性传感器全球市场规模（亿元）
MEMS惯性传感器全球市场规模（亿颗）
资料来源：Yole Intelligence，华安证券研究所整理
大陆相关企业：
纳芯微：
公司立足信号链技术，自传感器信号调理 ASIC 芯片起家，持续丰富产品矩阵，陆续推出集成式传感器芯片、隔离与接口芯片以及驱动与采样芯片，产品料号超 1,200 款，产品广泛应用于信息通讯、工业控制、汽车电子和消费电子等领域，客户涵盖中兴、宁德、比亚迪等国际一线厂商。公司核心团队成员均有在 ADI、TI 等国际模拟芯片龙头厂商的工作经验，叠加国产替代机遇与公司产品品类和技术优势，未来有望持续驱动公司保持高速增长。公司现已形成信号感知、系统互联与功率驱动的产品布局，持续在泛能源和汽车等关键领域加大研发投入，如电源管理领域的车灯 LED 驱动、车载 LDO、功率路径保护相关的产品，以及信号链中的磁传感器产品，包括磁电流传感器和磁角度传感器等，同时公司也在不断加大对非隔离接口、马达驱动等非隔离类产品的研发投入。
敏芯股份：
苏州敏芯微电子技术股份有限公司创立于2007年,主导推动了中国MEMS产业链构建,被赞誉为产业拓荒者。敏芯股份是一家以 MEMS 传感器研发与销售为主的半导体芯片设计公司，目前主要产品线包括 MEMS 麦克风、MEMS 压力传感器和 MEMS 惯性传感器。公司作为国内唯一掌握多品类 MEMS芯片设计和制造工艺能力的上市公司，致力于成为行业领先的 MEMS 芯片平台型企业。2023 年前三季度，公司实现收入 2.59 亿元，同比增长 18.82%；对应3Q23 单季度，公司实现收入 1.03 亿元，同比增长 37.28%，连续 2 个季度环比增长，主要由于市场需求恢复，公司产品销量增长较多。营收结构方面，2023 年上半年公司 MEMS 声学传感器、MEMS 压力传感器、MEMS 惯性传感器分别实现营业收入 1.07/0.32/0.12 亿元，营收占比分别为 68.69%、20.61%和 7.65%。
康斯特：
北京康斯特仪表科技股份有限公司总部位于北京市海淀区,是一家集机电一体化、软件算法开发、精密制造于一体的高端校准测试仪器上市企业,主营业务为数字检测仪器设备研发、生产与销售,为全球用户提供高性能和高可靠性的压力、温湿度、过程及电学校准测试仪器与解决方案。公司技术先进、营销渠道齐全，通过布局 SaaS 和 MEMS 打造多元成长曲线。1）公司多项核心技术达到国际先进水平，通过与科研院合作、募投智造项目，多方位巩固核心技术护城河，在进口替代浪潮下核心优势逐步凸显；2）公司营销渠道完善，美国子公司 Additel 以点带面辐射国际市场；3）控股明德软件打造 SaaS 云平台，解决仪表行业痛点问题，满足用户数字化管理仪表设备的需求；4）公司延伸上下游产业链，垂直布局 MEMS 压力传感器，打破技术壁垒，弥补高端传感器国产市场空白。
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参考资料：
华安证券：智能制造前瞻布局，把握MEMS传感器国产替代机遇
民生证券：MEMS 压力传感器详解，机器人或打开新场景
