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传感器及MEMS行业分析

发表时间:2017-09-01 16:00

传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

1.物联网快速发展,传感器板块率先受益

  物联网应用端的快速发展最先体现在传感器上。因为物物之所以能够连接,是因为彼此之间能够感知对方的存在,传感器恰恰就是这样的信息传导结点。如上图,在物联网产业中,以传感器作为主要支撑的感知层占整个产业比重大约21%。

  根据中投顾问《2016-2020年中国传感器行业深度调研及投资前景预测报告》指出从全球传感器区域布局状况来看,目前,美国、日本等少数经济发达国家占据了传感器市场70%以上份额,发展中国家所占份额相对较少。其中,市场规模最大的3个国家分别是美国、日本和德国,分别占据了传感器整体市场份额的29.0%、19.5%、11.3%。未来,随着中国、印度、巴西等发展中国家经济的持续增长,对传感器的需求也将大幅增加;但发达国家在传感器领域具有技术和品牌等优势,这种优势在未来几年内仍将保持,因此,全球传感器市场分布状况并不会得到明显的改变。

  从市场规模层面来分析,近年来,全球传感器市场一直保持快速增长,2009年和2010年增长速度达20%以上;2011年受全球经济下滑的影响,传感器市场增速比2010年下滑5%,市场规模为828亿美元。随着全球市场的逐步复苏,2012年全球传感器市场规模已达到952亿美元,2013年约为1055亿美元。随着经济环境的持续好转,市场对传感器的需求将不断增多,2015年市场规模约达1500亿美元。

  2011 年中国传感器市场规模为480亿元,2012年达到513亿元,2013年则超过640亿元。2015年传感器需求量可高达32亿只,市场规模可达1213亿元左右。

  预计到2020年,国产化率能达到70%以上。未来5 年,中国传感器市场平均销售增长率逾30%。作为全球物联网市场的重要组成部分,未来中国在传感器市场上的份额将会进一步扩大,相应的,本土成长性较强的传感器研发和制造企业发展空间也是巨大的。

国内传感器市场规模和增长情况

2.MEMS行业迎来新一轮发展浪潮

2.1MEMS技术简介

  MEMS全称是微型电子机械系统(Micro-Electro Mechanical System),是指可批量制作,将微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至接口、通信和电源等集为一体的微型器件或系统。MEMS是利用传统的半导体工艺和材料,通过微米技术在芯片上制造微型机械,并将其与对应电路集成为一个整体。可以理解为MEMS是以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术,目前被认为最炙手可热的半导体技术之一。

MEMS传感器工作原理

  相对于传统的机械,MEMS器件尺寸更小,最大的不超过一个厘米,甚至仅仅为几个微米。通常采用以硅为主的材料,电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。MEMS工艺可以大量利用集成电路生产中的成熟技术、工艺 ,进行大批量、低成本生产,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

  MEMS 传感器品种繁多,分类方法也很多。按其工作原理,可分为物理型、化学型和生物型三类。每种MEMS 传感器又有多种细分方法,按检测质量的运动方式划分,有角振动式和线振动式加速度计。按检测质量支承方式划分,有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式。按信号检测方式划分,有电容式、电阻式和隧道电流式。按控制方式划分有开环和闭环式。常见的MEMS传感器有压力传感器、加速度传感器、微机械陀螺仪、惯性传感器、MEMS硅麦克风等。

MEMS传感器主要种类

2.2MEMS市场及增长分析

  2014年全球MEMS传感器市场规模达到130亿美元,平均以10%的平均增长率增长,2015年将达到143亿美元,2020年预计将达到210亿美元。其中,2014年消费类应用规模达到59亿美元,而成长最快的医疗市场应用达到24.5亿美元,汽车工业应用达到28.6亿美元,工业应用达到11.3亿美元,军工及航空航天应用达到4亿美元。

  消费类传感器是其中应用规模最大的领域,而增速最快的则是医疗领域的应用,预计2019 年市场规模在72 亿美元左右,年复合增长率接近30%。对于兴起的可穿戴设备和智能家居、智能城市等领域目前的比例依旧很小不足10%,而汽车方面由于高端汽车中MEMS 传感器逐渐增多,汽车领域也是未来的潜在增长点。而对于物联网类的应用目前依旧占比很小,还需要相关应用的开发和应用的推广并需要时间来验证,才能带来相关领域器件的爆发。IHS 对MEMS 市场成长预测认为消费电子和移动电子产品依然维持着最快速率的增长,年复合增长率在14%左右,整体MEMS 市场增长率在7.6%左右。

  目前全世界MEMS 公司的销售额前30 名厂商基本都分布在美国、德国、日本。智能手机以及平板电脑仍然是MEMS 主要应用领域。今后MEMS 的应用领域将逐渐扩大,包括正在兴起的可穿戴设备、可拥有百余个MEMS 传感器的汽车电子, 和人们生活息息相关的智能家居和智能城市都是需要大力挖掘的市场。 这其中包含了MEMS上游设计、中游制造、下游封装等三大领域,从2015年MEMS产业的变革中我们可以看到六家增长速度超过20%的公司,Avago(41%), InvenSense的(33%),TSMC(29%), Qorvo(+28%)和AAC(+22%)。其中台积电是首次进入前30名,也是MEMS产业的一个新变化。博世依然稳居世界第一,并且比第二名的销售额多了接近60%。,从2014年和2015年的对比中我们看到,2014年前30名的最低销售额为6500万美元,而2015年则是7400万美元,增速达到14%。

  据Yole Development预测,全球MEMS市场规模将从2014年的111亿美元增长到2020年的220亿美元以上,年复合增长在12%以上,增速超过半导体市场。智能手机和平板电脑的巨大市场需求带动MEMS产业发展进入快车道,预计未来可穿戴和物联网市场将继续驱动MEMS发展,尤其是生物医疗、工业与通讯领域的应用增速更加可观,生物医疗MEMS增长率可达23.8%。从传感器类型上看,使用最广泛的传感器包括压力传感器、加速度计、麦克风、惯性组合、投影系统、微流控芯片等。

Yole Development 2015-2021年MEMS市场预测

  全球经济的下滑,导致了平板电脑和手机等消费电子的增速放缓,行业的竞争导致产品价格逐步下降。但MEMS 传感器如今已经渗透到各行各业中,中国的传感器市场的弹性依然很强,渗透率持续提升,市场应用广泛,前景依旧很广阔。

  作为传感器行业较为权威行业研究机构Yole Development认为,目前传感器行业已经逐渐度过了黄金时代,随着技术和工艺的成熟,传感器特别是MEMS技术的传感器产品价格不断下降。随着消费电子市场增速的放缓,未来传感器行业的竞争将会加剧,企业的盈利能力也将受限。

MEMS行业面临挑战

  同时,Yole Development在其2016年MEMS产业报告中特别指出,中国从单纯的传感器市场和加工基地逐步走向研发和生产并举的局面,中国平稳增长的传感器市场将促使本地传感器制造企业成长为国际市场上具备相当竞争力的成员。

2.3中国MEMS市场分析

  近年来,国内传感器市场持续快速增长,年均增长速度超过20%,2011年传感器市场规模为480亿元,2012年达到513亿元,2013年则超过640亿元。我国传感器的生产企业主要集中在长三角地区,并逐渐形成以北京、上海、南京、深圳、沈阳和西安等中心城市为主的区域空间布局。

国内MEMS产业分布

  在我国各类传感器产品中,流量传感器、压力传感器、温度传感器和水平传感器市场已表现出成熟市场特征,近年来一直保持稳定增长态势,其中流量传感器、压力传感器和温度传感器三者累计占据了各类传感器市场一半以上的份额,其各自所占份额分别为21%、19%和14%。

  目前,我国的传感器产业在国家政策的支持下,已经形成从技术研发、设计、生产到应用的完整产业体系,共有10大类 42小类 6000多种传感器产品,中低档产品基本满足市场需求,产品品种满足率在60%-70%左右。但从行业产品结构看,老产品比例占60%以上,新产品明显不足,其中高新技术类产品更少;同时,数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。

  从国内传感器排名和MEMS申请量来看,国外品牌厂商和国内高校是技术储备的主力,国内厂商仍然在技术方面落后较多,但同时也可以看出我国技术转换的空间较大。

  近年来国家从政策、资金和产业环境等多方面给予MEMS产业强力度的扶持。2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》明确提出要大力发展微机电系统(MEMS)等特色专用工艺生产线,增强芯片制造综合能力,以工艺能力提升带动设计水平提升,以生产线建设带动关键设备和材料配套发展。2015年在《中国制造2025》重点领域技术图中,六大领域都明确了传感器的重要意义和战略地位,MEMS产业作为其中具有战略地位的一环,地位凸显。

  我国的传感器产业在国家政策的支持下,已经形成从技术研发、设计、生产到应用的完整产业体系,中低档产品基本满足市场需求,产品品种满足率在60%-70%左右。但从行业产品结构看,老产品比例占60%以上,新产品明显不足,其中高新技术类产品更少;同时,数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。 目前国内外传感器行业差距较大,国内传感器市场仍以外资企业为主,占比达67%。国内有近2000家企事业从事传感器的研制、生产和应用,其中从事MEMS研制生产的有近百家家,但规模和应用领域都较小,工业及汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品和专用设备是我国传感器应用集中的4大领域。

  我国传感器行业整体缺乏更具竞争力产品,特别是在敏感元件核心技术及生产工艺方面差距较大,目前传感器进口约占60%,传感器芯片进口占比近80%,物联网使用的MEMS传感器几乎全部依赖进口。研发成果产业化率低于10%,国产化替代空间巨大。总的来看,中国已经成为MEMS的新战场,传统MEMS及传感器供应商包括光传感器、运动传感器等供应商均已转战中国。


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