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國(guó)產(chǎn)MEMS傳感器廠商該怎么辦?探索萬億市場(chǎng)替代空間(全面分析)

傳感器專家網(wǎng) ? 來源:果殼網(wǎng) ? 作者:果殼網(wǎng) ? 2023-05-05 16:38 ? 次閱讀
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多數(shù)人可能并不知道,MEMS這種低調(diào)的工業(yè)品,不僅是科技界公認(rèn)最具發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域之一,更是衡量工業(yè)國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的指標(biāo)之一,被業(yè)界人士視為“一輩子都做不完的產(chǎn)業(yè)”。

作為無處不在的一種革命性關(guān)鍵技術(shù),MEMS已滲透到我們生活的方方面面,涵蓋幾乎所有需要微型化的產(chǎn)品。蘋果、華為、三星、小米、OPPO等各種知名品牌都離不開MEMS技術(shù)。

本文從技術(shù)到中國(guó)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀,全面介紹了中國(guó)的MEMS,本文關(guān)注MEMS國(guó)產(chǎn)替代。在本文中,你將了解到:MEMS到底是什么,MEMS的市場(chǎng)情況和國(guó)產(chǎn)化布局,國(guó)產(chǎn)MEMS及背后的思考。并試圖回答國(guó)產(chǎn)替代浪潮下,國(guó)內(nèi)的MEMS企業(yè)們?nèi)绾巫汾s的問題。國(guó)產(chǎn)MEMS替代機(jī)會(huì)在哪?

神奇的MEMS,是機(jī)械,也是微電子

1959年,物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在加州理工學(xué)院的演講《微觀世界有無垠的空間》中,曾大膽構(gòu)想原子尺度的工業(yè)世界,人們甚至可以吞下“外科醫(yī)生機(jī)器人”,清除動(dòng)脈血栓或消滅腫瘤。

如今,這種構(gòu)想不再是科幻,MEMS就是一種比人類頭發(fā)的直徑還小很多倍的微型機(jī)械,它就像細(xì)胞一樣,構(gòu)建了微觀的人工智慧世界。比如吞食MEMS診斷藥丸檢測(cè)體內(nèi)身體指標(biāo),并通過無線傳輸?shù)讲∪梭w外,再比如用MEMS為細(xì)胞做手術(shù)。可以說,我們?cè)诤暧^世界能做什么,MEMS就能幫我們?cè)谖⒂^做什么。

MEMS全稱為“微機(jī)電系統(tǒng)”(Micro-Electro-Mechanical System),又稱微系統(tǒng)技術(shù)、微機(jī)械等。是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通信接口電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在微觀尺度上單獨(dú)或批量執(zhí)行傳感、控制和驅(qū)動(dòng)操作,并在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)各類功能。

隨著技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家又提出了納機(jī)電系統(tǒng)NEMS(Nano-Electro-Mechanical System)的概念。由于二者結(jié)構(gòu)相同,且歸屬于同一領(lǐng)域,下文中MEMS均代指MEMS/NEMS。

MEMS是最先進(jìn)的機(jī)械技術(shù)與最先進(jìn)的微電子技術(shù)的結(jié)晶。它是一種結(jié)構(gòu)偏向機(jī)械,制造偏向微電子的技術(shù),兼具微型化、低成本、高效能、大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn),這也是它最有商業(yè)價(jià)值的地方:一方面,MEMS會(huì)使用諸多微觀模擬元件(類似我們??吹降暮暧^機(jī)械零件),組成體積極微小的器件,如通道、孔、懸臂、膜、腔等結(jié)構(gòu);另一方面,它能通過微納米技術(shù),在芯片上制造微型機(jī)械結(jié)構(gòu),因此可大批量生產(chǎn),且有較低的生產(chǎn)成本。用機(jī)械當(dāng)五官和四肢,當(dāng)機(jī)械學(xué)會(huì)感知和運(yùn)動(dòng) MEMS是一種能與自然界交流的器件,感知化學(xué)、電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)、輻射、磁場(chǎng)六個(gè)能量域的環(huán)境參數(shù),再做出相應(yīng)的反應(yīng)。

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MEMS傳感器關(guān)注的能量域,制表丨果殼硬科技 資料來源丨Nanoscale Research Letters 感知和運(yùn)動(dòng)是MEMS的兩大特質(zhì),以此分為兩類:MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器。二者功能均是將信號(hào)或功率,從一個(gè)能量域轉(zhuǎn)換為另一個(gè)能量域,傳感器是將環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),執(zhí)行器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng),二者相輔相成。

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MEMS傳感器和驅(qū)動(dòng)器主要種類,制表丨果殼硬科技

資料來源丨和林微納招股書

MEMS傳感器被人譽(yù)為“電五官”。若把處理器比作人腦,通信比作神經(jīng)系統(tǒng),MEMS傳感器就是五官和皮膚,感知物理、化學(xué)或生物量的存在和強(qiáng)度。其機(jī)理是沉積在設(shè)備傳感層上的聚合物吸收了特定化學(xué)物質(zhì),產(chǎn)生了應(yīng)力、質(zhì)量、電氣或機(jī)械特性變化,最終由MEMS利用壓阻式、電容式或光學(xué)式等傳感機(jī)制檢測(cè)這些變化。需要強(qiáng)調(diào)的是,MEMS傳感器是傳統(tǒng)傳感器的升級(jí)版,其尺寸更小、功耗更低、性能更好。 MEMS執(zhí)行器相當(dāng)于人的四肢,能執(zhí)行各種微操作和運(yùn)動(dòng),如微馬達(dá)、微開關(guān)、微推進(jìn)器、微泵和微閥等。其機(jī)理是采用電熱、電磁、靜電或壓電四種驅(qū)動(dòng)機(jī)制使器件產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

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MEMS驅(qū)動(dòng)和傳感技術(shù)及特點(diǎn),制表丨果殼硬科技

資料來源丨Nanoscale Research Letters

MEMS,比集成電路更難制造 MEMS工藝流程包括研發(fā)設(shè)計(jì)(芯片設(shè)計(jì)、工藝流程設(shè)計(jì)、機(jī)電和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證等)、晶圓制造(融合離子擴(kuò)散、薄膜沉積PVD/CVD、光刻、干法刻蝕、濕法腐蝕等)、封裝測(cè)試,看似與集成電路相同,實(shí)則比集成電路更難。 從集成電路到MEMS,是平面工藝到立體工藝、電路靜態(tài)結(jié)構(gòu)到機(jī)械可動(dòng)結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體到機(jī)械/化學(xué)/光學(xué)等多學(xué)科交叉融合、電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境到各種自然界或人造環(huán)境的變化。

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MEMS工藝與IC工藝對(duì)比,制表丨果殼硬科技

MEMS襯底材料(支撐材料)硅是主流,一些特殊應(yīng)用會(huì)使用玻璃、高分子聚合物、金屬等,二氧化鈦(TiO2)、二氧化錫(SnO2)和氧化鋅(ZnO)等金屬氧化物也逐漸成為有吸引力的材料。

加工技術(shù)依據(jù)材料分為硅基和非硅基兩種路線。硅基MEMS加工技術(shù)以集成電路加工技術(shù)為基礎(chǔ),具有批量化、成本低、集成度高等優(yōu)勢(shì);非硅基加工技術(shù)包括LIGA、準(zhǔn)LIGA(即X光同步輻射光刻、電鑄成型及注塑工藝)和精密加工技術(shù),非硅基加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可動(dòng)微結(jié)構(gòu)能夠擁有更大縱向尺寸,但批量能力差、重復(fù)性差、加工成本高。

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MEMS制造工藝不完全盤點(diǎn),制表丨果殼硬科技 雖然MEMS處處都好,但對(duì)研發(fā)商來說,想說愛它不容易:一方面,它擁有“一種產(chǎn)品,一種工藝”的特點(diǎn),每種器件的設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試方法均存在較大差異,市場(chǎng)很難形成標(biāo)準(zhǔn)化,成熟的產(chǎn)品才能表現(xiàn)出一定的集中度;另一方面,做MEMS要耐得住性子,極端情況下一款傳感器的研發(fā)需6年~8年,加上測(cè)試、導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)鏈的時(shí)間,成品甚至能花費(fèi)近20年;除此之外,MEMS與集成電路產(chǎn)業(yè)的通病就是價(jià)格與產(chǎn)品重要性不成正比。 有應(yīng)用才會(huì)有市場(chǎng),產(chǎn)業(yè)步入高速發(fā)展期 其實(shí),MEMS還是個(gè)90后,它的商用歷史只有三十多年,產(chǎn)業(yè)剛剛步入成熟期。從MEMS的研發(fā)歷史來看,是從結(jié)構(gòu)研究逐漸到材料的過程。

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MEMS技術(shù)歷史發(fā)展特征,制表丨果殼硬科技

MEMS會(huì)伴隨電子、機(jī)械、材料、信息、物理、化學(xué)、光學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的技術(shù)成長(zhǎng),同時(shí)當(dāng)MEMS與不同技術(shù)結(jié)合會(huì)再產(chǎn)生新的器件。在此過程中,一些器件應(yīng)用逐漸衰退,新器件應(yīng)用開始起步,往復(fù)循環(huán),生生不息。 縱覽三十多年歷史,MEMS新器件的驅(qū)動(dòng)力主要源于應(yīng)用,只有當(dāng)新產(chǎn)品要用到某些器件,才會(huì)引發(fā)大規(guī)模研究和生產(chǎn):

1990年~2000年汽車安全掀起第一次熱潮;

2000年~2010年智能手機(jī)引發(fā)第二次熱潮;

2010年~2020年智能手表、TWS耳機(jī)、可穿戴設(shè)備主導(dǎo)第三次熱潮;

2020年至今車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能醫(yī)療、智能城市以及萬物互聯(lián)等應(yīng)用讓第四次熱潮蓄勢(shì)待發(fā)。

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各MEMS器件所處應(yīng)用階段,圖源丨《科技情報(bào)參考》

前景雖好,但國(guó)內(nèi)力量分散,無領(lǐng)導(dǎo)企業(yè) 由于MEMS的生產(chǎn)過程與集成電路類似,所以主要玩家基本也是集成電路企業(yè)。相比投資火熱的集成電路,MEMS產(chǎn)業(yè)相對(duì)較小,同時(shí)高技術(shù)門檻攔住了許多初創(chuàng)玩家。 近幾年MEMS的應(yīng)用場(chǎng)景逐步增加,需求量持續(xù)攀升:主流智能手機(jī)開始將MEMS麥克風(fēng)使用量拉升至2~4顆,用于語音采集、噪音消除和改善語音識(shí)別等功能;單只TWS耳機(jī)中至少要使用2顆MEMS麥克風(fēng),用于通話、離線喚醒、音樂控制、應(yīng)用開啟和降噪模式切換等多種功能;每輛汽車的MEMS傳感器使用數(shù)量拉升至30顆甚至上百顆,用于輔助自動(dòng)駕駛、車輛檢測(cè)等功能。

應(yīng)用帶動(dòng)下,MEMS的市場(chǎng)前景樂觀。Yole預(yù)測(cè),MEMS全球市場(chǎng)份額將由2020年的121億美元升至2026年的182億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率7.17%。其中,消費(fèi)領(lǐng)域是MEMS的最大應(yīng)用市場(chǎng),約占整體收入的60%,其次分別為汽車、工業(yè)、醫(yī)療、航空航天和通信。

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以終端市場(chǎng)分類的MEMS市場(chǎng)情況,圖源丨Yole 從器件上來看,MEMS傳感器是絕對(duì)的主力,全球市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)從2020年的90億美元提升至2026年的128億美元,年均復(fù)合增長(zhǎng)率為6.1%。其中,壓力傳感器和慣性組合傳感器極具潛力,至2026年全球市場(chǎng)規(guī)模將分別達(dá)到23.6億美元和21.3億美元,其次是聲學(xué)傳感器(MEMS麥克風(fēng))、加速度傳感器、陀螺儀傳感器等。 MEMS射頻器件增長(zhǎng)勢(shì)頭猛烈,至2026年將有40.5億美元的全球市場(chǎng)空間。噴墨打印頭、微型測(cè)輻射熱儀、光學(xué)傳感器、硅基微流控器件等將持續(xù)保持增長(zhǎng)。

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以器件類型分類的MEMS市場(chǎng)情況,圖源丨歌爾微電子招股書 從領(lǐng)域上來看,消費(fèi)、汽車、工業(yè)、醫(yī)療四大領(lǐng)域均有一定市場(chǎng)前景,但增速有所區(qū)別,物聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智慧城市是MEMS主要驅(qū)動(dòng)力。

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不同領(lǐng)域分類的全球MEMS市場(chǎng)情況,制表丨果殼硬科技

資料來源丨Yole

目前MEMS市場(chǎng)以國(guó)外廠商為主,頂級(jí)的MEMS廠商包括博世、博通、Qorvo意法半導(dǎo)體、德州儀器、歌爾微、惠普、樓氏、TDK英飛凌等。國(guó)產(chǎn)MEMS企業(yè)是追趕者,歌爾微(MEMS麥克風(fēng))、瑞聲科技(MEMS麥克風(fēng))、高德紅外(紅外傳感器)三家企業(yè)上榜2020年全球市場(chǎng)銷售額排行前30。

按細(xì)分領(lǐng)域劃分,MEMS聲學(xué)傳感器領(lǐng)域樓氏、瑞聲科技、歌爾微三家公司占據(jù)全球市場(chǎng)份額的75%,MEMS壓力傳感器領(lǐng)域博世、泰科電子和英飛凌三家公司占據(jù)全球市場(chǎng)份額的57%,MEMS慣性組合傳感器領(lǐng)域博世、意法半導(dǎo)體和TDK三家廠商占據(jù)全球市場(chǎng)份額的76%。

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全球MEMS廠商TOP10,圖源丨歌爾微電子招股書 在國(guó)內(nèi),MEMS市場(chǎng)潛力巨大。據(jù)賽迪顧問預(yù)測(cè),從2020年至2030年,國(guó)內(nèi)MEMS市場(chǎng)規(guī)模將由736.7億元人民幣提升至超過1200億元人民幣。 我國(guó)MEMS起步并不比國(guó)外晚很多,但由于歷史原因?qū)е铝α糠稚ⅰl塊分割、投入嚴(yán)重不足,直到2010年前后產(chǎn)業(yè)才形成雛形,僅從MEMS傳感器來說,依然存在較大缺口,超過90%的芯片與高檔傳感器芯片需要從國(guó)外進(jìn)口,導(dǎo)致價(jià)格直線上升,且在MEMS的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布局上不足20%。 不過好在國(guó)內(nèi)已形成較好的企業(yè)資源、創(chuàng)新資源和載體平臺(tái),并已擁有至少37條MEMS產(chǎn)線,發(fā)展后勁足。

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中國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)資源分布,圖源丨賽迪顧問 從二級(jí)市場(chǎng)上來看,國(guó)產(chǎn)MEMS已擁有研發(fā)設(shè)計(jì)、設(shè)備材料、晶圓制造、封裝測(cè)試、集成應(yīng)用的完備產(chǎn)業(yè)鏈,同時(shí)擁有豐富種類器件。

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中國(guó)MEMS主要上市企業(yè)基本信息,資料來源 丨前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人 國(guó)內(nèi)MEMS投資和兼并也持續(xù)活躍,2020年相關(guān)案例達(dá)116個(gè)、金額347億。項(xiàng)目投資以A輪為主,感知技術(shù)離應(yīng)用層越近,越能吸引投資者,項(xiàng)目估值和投資金額越大。從投資項(xiàng)目來看,資本較為看好生物、機(jī)器視覺、自動(dòng)駕駛和語音交互領(lǐng)域等應(yīng)用。

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2020年國(guó)內(nèi)MEMS各領(lǐng)域投融資事件數(shù)量及投資金額占比,圖源丨賽迪顧問

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2020年國(guó)內(nèi)MEMS投融資情況及分布情況,圖源丨賽迪顧問

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未上市MEMS企業(yè)不完全統(tǒng)計(jì),制表丨果殼硬科技

參考資料丨國(guó)泰君安產(chǎn)業(yè)觀察,有刪改

國(guó)產(chǎn)傳感器廠商,怎么去追趕? 作為追趕者,國(guó)產(chǎn)廠商該怎么走?果殼硬科技團(tuán)隊(duì)認(rèn)為有如下四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn): 1. 國(guó)產(chǎn)MEMS需要注重產(chǎn)業(yè)集中化 從2020年的MEMS專利數(shù)量來看,美國(guó)占全球MEMS專利總申請(qǐng)量的32%,處于領(lǐng)先狀態(tài)。雖然中國(guó)也有13%,但申請(qǐng)人以高校和科研機(jī)構(gòu)為主,產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化有一定差距。另外,MEMS產(chǎn)業(yè)本身就較為分散,國(guó)內(nèi)不僅缺乏系統(tǒng)性,甚至過于寄予希望于短期獲利。

因此,國(guó)產(chǎn)MEMS在未來要注重產(chǎn)業(yè)化和集中化,具體包括:

產(chǎn)研結(jié)合:技術(shù)是限制MEMS企業(yè)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),通過孵化科研院所或高新技術(shù)企業(yè),對(duì)這類企業(yè)提供必要政策、資金的支持和MEMS生產(chǎn)設(shè)備的支持,通過軟件、硬件配套使技術(shù)快速轉(zhuǎn)化為成熟產(chǎn)品;

產(chǎn)業(yè)合作:市場(chǎng)是限制MEMS企業(yè)發(fā)展的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),MEMS產(chǎn)品單價(jià)低,從研發(fā)到上市周期長(zhǎng),需巨大規(guī)模才能盈利,如果能與下游客戶形成緊密的戰(zhàn)略合作,既能提供穩(wěn)定的市場(chǎng),也能充分了解下游客戶的需求;

發(fā)展路徑:先與國(guó)外企業(yè)合作,引入有市場(chǎng)前景的MEMS產(chǎn)品及技術(shù)或購(gòu)買國(guó)外MEMS自行封測(cè),再自主設(shè)計(jì)和制造低端MEMS進(jìn)行國(guó)產(chǎn)替代,積累技術(shù)和市場(chǎng),逐步突破技術(shù)進(jìn)入高端市場(chǎng),最后不斷吞并中小型企業(yè),并將這種經(jīng)驗(yàn)復(fù)制到其他MEMS產(chǎn)品上,國(guó)內(nèi)歌爾微、瑞聲兩家企業(yè)均是通過此種模式發(fā)展壯大。

2. 抓住下行周期的黃金期 現(xiàn)有市場(chǎng),消費(fèi)電子仍會(huì)是MEMS的主戰(zhàn)場(chǎng),但顯現(xiàn)在行業(yè)上的趨勢(shì)是消費(fèi)電子需求不濟(jì),整體行業(yè)正進(jìn)入下行周期,這會(huì)帶動(dòng)MEMS進(jìn)入整固期。此時(shí)對(duì)已入局MEMS并有技術(shù)積累的企業(yè)來說,將是黃金收購(gòu)期,可抓住這次機(jī)遇利用收購(gòu)快速提升競(jìng)爭(zhēng)能力。 另外,在消費(fèi)電子景氣度下降期間,汽車和醫(yī)療領(lǐng)域的新市場(chǎng)更值得被發(fā)掘。汽車方面,激光雷達(dá)、圖像識(shí)別、主動(dòng)剎車、胎壓等新傳感器短期需求將會(huì)持續(xù)增加;醫(yī)療方面,用于護(hù)理點(diǎn)的微流控MEMS、用于監(jiān)測(cè)人體溫度的微型測(cè)輻射熱儀、用于醫(yī)學(xué)成像的壓電微機(jī)械超聲換能器(PMUT)將會(huì)是MEMS的新天地。 3. 降本增效的關(guān)鍵是代工 對(duì)MEMS行業(yè)來說,一直無法解決的問題就是市場(chǎng)規(guī)模在膨脹,但單器件卻越來越便宜。對(duì)下游廠商而言,用MEMS就是為了便宜。MEMS封裝測(cè)試占總成本30%~70%,因此對(duì)國(guó)產(chǎn)MEMS廠商而言,想掙錢,就要先降低制造成本。 國(guó)外大多數(shù)MEMS企業(yè)是IDM模式(Integrated Device Manufacturer,指從設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試到銷售一體化垂直整合型公司),這些企業(yè)都擁有自主的制造能力。但國(guó)內(nèi)則是以Fabless模式(設(shè)計(jì)型公司)為主導(dǎo),雖然這些公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品越來越強(qiáng)大,但制造能力依賴外部代工廠。

更為困難的是,國(guó)內(nèi)MEMS晶圓生產(chǎn)能力與國(guó)際先進(jìn)水平差距較大。據(jù)中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院信息顯示,國(guó)內(nèi)僅華潤(rùn)上華、中芯國(guó)際、上海先進(jìn)半導(dǎo)體寥寥幾家公司的晶圓生產(chǎn)線與國(guó)際水平相近,且生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)無法達(dá)到國(guó)外規(guī)?;a(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)國(guó)內(nèi)MEMS封裝技術(shù)沒有統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品外形千差萬別。 總而言之,當(dāng)制造不再是問題,國(guó)產(chǎn)MEMS就會(huì)越來越強(qiáng)大。另外,國(guó)產(chǎn)制造商還能通過添加更多附加服務(wù),來抵消影響,如提供高度復(fù)雜的軟件支持或提供支持AI的傳感解決方案。 4. 技術(shù)和市場(chǎng)要圍繞應(yīng)用走 MEMS在市場(chǎng)的價(jià)值一定是體現(xiàn)在應(yīng)用上的,反觀應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三次進(jìn)化:2000年~2010年是離線時(shí)代,傳感和執(zhí)行的價(jià)值僅限于獨(dú)立動(dòng)作,如屏幕旋轉(zhuǎn)、計(jì)步、硬件打??;2010年~2020年是在線時(shí)代,MEMS開始與云端連接,如地理定位、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、汽車導(dǎo)航和3D打印;2020年到現(xiàn)在是生活時(shí)代,離線和在線已經(jīng)沒有差別,通過內(nèi)置機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核、微型DSP并應(yīng)用人工智能技術(shù),讓數(shù)字和真實(shí)之間無縫銜接,如零延遲反饋、預(yù)測(cè)性維護(hù)、全息圖等。 國(guó)產(chǎn)MEMS研究界和產(chǎn)業(yè)界除了要追趕新材料(如PZT、氮化鋁、氧化釩)、新封裝(如3D晶圓級(jí)封裝)技術(shù)以求進(jìn)一步降本增效外,還應(yīng)注重與下游應(yīng)用的匹配,做到感、知、聯(lián)一體化。 對(duì)MEMS來說,最重要的是能做什么。當(dāng)應(yīng)用鋪開,市場(chǎng)自然會(huì)打開。

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