近年來，車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、汽車智能化等成為了汽車行業(yè)的熱點(diǎn)話題，隨著人們對(duì)汽車智能化、安全化的追求日益凸顯，汽車電子的市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)，而對(duì)汽車電子起核心作用的元件當(dāng)屬傳感器。其中，MEMS憑借小型化、類型多樣、測(cè)量范圍廣等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為汽車電子的主流傳感器。

　　MEMS是Micro Electro Mechanical System的縮寫，簡(jiǎn)稱微機(jī)電系統(tǒng)，是按功能要求在芯片上把微電路和微機(jī)械集成于一體的系統(tǒng)。MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械技工技術(shù)工藝制造出來的微型傳感器，種類繁多，是使用最廣泛的MEMS產(chǎn)品，通過微傳感元件和傳輸單元把輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換并導(dǎo)出另一種可監(jiān)測(cè)信號(hào)。與傳統(tǒng)工藝制造的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。

　　MEMS傳感器工作原理 圖源 | 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

　　MEMS傳感器算得上是一個(gè)新興的行業(yè)，在中國(guó)商業(yè)化的時(shí)間不到10年，在全球也只有20余年的產(chǎn)業(yè)化歷程。隨著自動(dòng)駕駛的發(fā)展浪潮，MEMS憑借諸多優(yōu)勢(shì)，正在成為汽車傳感器的新風(fēng)向。

　　ST MEMS產(chǎn)業(yè)的布局與優(yōu)勢(shì)

　　在近日舉辦的MWC 2021活動(dòng)上，意法半導(dǎo)體（下文簡(jiǎn)稱“ST”）向媒體介紹了其在MEMS傳感器的動(dòng)態(tài)和布局。

　　ST模擬、微機(jī)電產(chǎn)品部亞太區(qū)高級(jí)市場(chǎng)部經(jīng)理許永剛

　　ST模擬、微機(jī)電產(chǎn)品部亞太區(qū)高級(jí)市場(chǎng)部經(jīng)理許永剛介紹道，ST提供了最廣泛的MEMS和傳感器，從用于增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)（AR）組件和消費(fèi)電子的設(shè)備，到工業(yè)4.0以及用于電池供電應(yīng)用的低功耗設(shè)備、精確導(dǎo)航和定位、ADAS/自動(dòng)駕駛等汽車電子設(shè)備，覆蓋了眾多應(yīng)用場(chǎng)景。

　　ST的MEMS 20年發(fā)展歷程

　　經(jīng)過20年的發(fā)展歷程，ST在MEMS市場(chǎng)取得了領(lǐng)先位置。根據(jù)Omnia “MEMS & Sensors Competitive Analysis Database - H1 2020” 報(bào)告中提到，ST Motion MEMS市場(chǎng)份額高達(dá)39%，位列第一；在MEMS壓力傳感器領(lǐng)域以28%的市場(chǎng)份額位列第二。

　　Motion MEMS （Omnia “MEMS & Sensors Competitive Analysis Database - H1 2020” report）

　　壓力傳感器 （Omnia “MEMS & Sensors Competitive Analysis Database - H1 2020” report）

　　作為獲取信息和實(shí)現(xiàn)交互的關(guān)鍵器件，MEMS對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的微型化起著重要的推動(dòng)作用。MEMS傳感器已在汽車電子、消費(fèi)電子、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。消費(fèi)電子和汽車為目前MEMS最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。從2019年全球MEMS市場(chǎng)結(jié)構(gòu)來看，消費(fèi)電子為主要應(yīng)用領(lǐng)域，占比接近60%；汽車為第二大應(yīng)用領(lǐng)域，占比約19%。

　　這一比例與ST的業(yè)務(wù)板塊也相對(duì)吻合。許永剛表示隨著汽車市場(chǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，有望迎來新的增長(zhǎng)機(jī)遇。汽車市場(chǎng)成為ST下一步發(fā)力的重點(diǎn)方向。

　　在汽車市場(chǎng)，ST提供符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的汽車傳感器產(chǎn)品組合，包括六軸慣性模塊（IMU）、三軸陀螺儀、單軸、雙軸和三軸加速度計(jì)等產(chǎn)品，全部采用數(shù)字輸出。

　　IMU（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）

　　用于導(dǎo)航平臺(tái)穩(wěn)定控制和導(dǎo)航的高性能MEMS IMU是自動(dòng)駕駛定位的最后一道防線，與GNSS定位依靠衛(wèi)星不同，MEMS IMU具有獨(dú)特的提供連續(xù)性導(dǎo)航的能力，即使進(jìn)入隧道或地庫，也能持續(xù)導(dǎo)航，且短時(shí)精度很高，長(zhǎng)期精度取決于所選MEMS IMU的等級(jí)。

　　Yole Development數(shù)據(jù)顯示，慣性傳感器2022年將達(dá)到9億美元。目前，ST、博世、ADI等廠商已推出面向智能駕駛的MEMS慣導(dǎo)方案。其中，為了在系統(tǒng)層面進(jìn)一步節(jié)電，ST設(shè)計(jì)了iNEMO 慣性模塊（內(nèi)嵌機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核）。MLC運(yùn)行一個(gè)傳感器內(nèi)置的分類引擎，分擔(dān)主處理器的負(fù)荷以運(yùn)行不同的任務(wù)，或者讓主處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)電，同時(shí)內(nèi)置的傳感器可以識(shí)別運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

　　SiP封裝方式（系統(tǒng)級(jí)封裝）在6軸單片式解決方案內(nèi)整合了加速器、陀螺儀和磁力計(jì)，提供了比分立式MEMS產(chǎn)品更小巧、穩(wěn)定且易于組裝的解決方案。同時(shí)還可以延長(zhǎng)情境感知和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器件的電池運(yùn)行時(shí)間、降低維護(hù)需求、減少尺寸和重量。

　　“相比競(jìng)品，ST IMU的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在同類最佳功耗水平，高精度時(shí)間和溫度測(cè)量，以及極強(qiáng)的抗震動(dòng)能力，保證產(chǎn)品性能和耐用性?！?許永剛說道。

　　MEMS陀螺儀

　　ST的6軸陀螺儀提供了在時(shí)間和溫度變化時(shí)卓越的穩(wěn)定性，角速率傳感器確保滿足嵌入航位推算功能的最先進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度要求。

　　這些汽車級(jí)陀螺儀采用一種獨(dú)立傳感架構(gòu)來測(cè)量3個(gè)正交軸上的運(yùn)動(dòng)，而市面上的其它解決方案則采用2或3種獨(dú)立架構(gòu)。ST的解決方案可以避免軸之間的干涉，避免降低輸出信號(hào)的質(zhì)量，提高運(yùn)動(dòng)受控功能的精度和可靠性。

　　加速度計(jì)

　　加速度計(jì)測(cè)量線性加速度，也可用于特定目的，例如：傾斜度和振動(dòng)測(cè)量。MEMS加速度計(jì)嵌入了一些用于運(yùn)動(dòng)和加速度檢測(cè)的有用功能，包括自由落體、喚醒、單次/兩次輕擊識(shí)別、活動(dòng)/不活動(dòng)檢測(cè)以及6D / 4D方向。

　　ST的加速度計(jì)傳感器（如AIS2IH, AIS2DW12系列）具有先進(jìn)的節(jié)電特性，具有擴(kuò)展的溫度范圍并符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，適用于超低功耗應(yīng)用。這些特性包括低功耗模式、自動(dòng)喚醒功能和可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的FIFO緩存，從而降低了主處理器負(fù)載和系統(tǒng)功耗。

　　“此外，MEMS在激光雷達(dá)傳感器方面也大有可為，MEMS激光雷達(dá)具有低成本、小型化優(yōu)勢(shì)，可以解決可靠性問題，是被看好的量產(chǎn)車激光雷達(dá)方案之一?！痹S永剛補(bǔ)充道。

　　總結(jié)來看，MEMS傳感器的應(yīng)用方向和市場(chǎng)需求包括車輛的防抱死系統(tǒng)、電子車身穩(wěn)定程序、電控懸掛、電動(dòng)手剎、斜坡起動(dòng)輔助、胎壓監(jiān)控、引擎防抖、主動(dòng)降噪、智能車鑰匙、車輛傾角計(jì)量和安全氣囊觸發(fā)監(jiān)測(cè)等汽車的各個(gè)部分，可滿足汽車環(huán)境苛刻、可靠性高、精度準(zhǔn)確、成本低的要求。

　　隨著新能源車滲透率進(jìn)一步提升與車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來汽車電子占據(jù)MEMS市場(chǎng)應(yīng)用半數(shù)以上的份額，隨著5G、智能網(wǎng)聯(lián)的落地，MEMS的滲透率將繼續(xù)提升，上述領(lǐng)域的市場(chǎng)空間有望進(jìn)一步打開。

　　產(chǎn)業(yè)格局下，本土廠商挑戰(zhàn)猶在

　　汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品的大量應(yīng)用也造就了汽車半導(dǎo)體全球市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。

　　從產(chǎn)業(yè)規(guī)模上看，市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Gartner數(shù)據(jù)顯示，全球汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)2019年銷售規(guī)模達(dá)410.13億美元，預(yù)計(jì)2022年有望達(dá)到651億美元，占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模的比例有望達(dá)到12%，并成為半導(dǎo)體細(xì)分領(lǐng)域中增速最快的部分。

　　從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，汽車功率半導(dǎo)體以及計(jì)算、控制類芯片市場(chǎng)規(guī)模最大，兩者合計(jì)規(guī)模達(dá)到229億美元，占到了全部汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)的55%以上。車用傳感器需求規(guī)模位于第三位，達(dá)到為76.7億美元。

　　從產(chǎn)業(yè)格局來看，目前全球汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)由國(guó)際巨頭企業(yè)占據(jù)壟斷地位，雖然目前全球頭部汽車半導(dǎo)體廠商對(duì)于芯片的布局基本涉及全部的汽車模塊分類，但是由于汽車半導(dǎo)體較長(zhǎng)的開發(fā)周期和較高的技術(shù)壁壘，ST、恩智浦，英飛凌，瑞薩電子，德州儀器等供應(yīng)商憑借各自積累和優(yōu)勢(shì)，相對(duì)地專注于不同的產(chǎn)品和細(xì)分市場(chǎng)。在全球消費(fèi)類傳感器（IMU+加速度計(jì)+陀螺儀）市場(chǎng)，ST處于市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者的地位。

　　看回國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，根據(jù)賽迪智庫的統(tǒng)計(jì)，2019年中國(guó)MEMS市場(chǎng)規(guī)模約600億元，占全球市場(chǎng)比例約54%，且國(guó)內(nèi)市場(chǎng)增速持續(xù)高于全球，預(yù)計(jì)2022年市場(chǎng)規(guī)模將超過1000億元人民幣。此外，從應(yīng)用市場(chǎng)來看，我國(guó)作為全球最大的汽車生產(chǎn)和消費(fèi)市場(chǎng)，汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)也正在獲得快速的發(fā)展機(jī)遇。2019年全球汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過400億美元，而我國(guó)汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)總收入規(guī)模僅為10億美元左右，全球占比不到3%，也低于我國(guó)整體半導(dǎo)體行業(yè)的自主率水平。

　　中國(guó)MEMS市場(chǎng)規(guī)模 圖源 | 賽迪顧問

　　巨大的市場(chǎng)規(guī)模和本土產(chǎn)業(yè)薄弱的現(xiàn)狀對(duì)比之下，凸顯出我國(guó)汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域的差距和國(guó)產(chǎn)化的替代空間。然而，面對(duì)差距和挑戰(zhàn)，追趕之路困難重重。

　　對(duì)于汽車半導(dǎo)體或者M(jìn)EMS產(chǎn)業(yè)的技術(shù)壁壘，許永剛向筆者指出，由于車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體極其嚴(yán)苛的可靠性一致性、安全穩(wěn)定性和產(chǎn)品長(zhǎng)效性等要求，大大提高了進(jìn)入這個(gè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)與門檻。

　　標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證體系缺乏：為滿足車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體對(duì)可靠性、一致性、安全性的高要求，企業(yè)要通過一系列車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。國(guó)內(nèi)目前還沒有適用的車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外雖有AEC-Q和AQG324等標(biāo)準(zhǔn)，但不能完全支持中國(guó)的新能源汽車技術(shù)發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體性能和可靠性的要求。在車規(guī)測(cè)試平臺(tái)方面，國(guó)內(nèi)雖有部分測(cè)試機(jī)構(gòu)和資源，但是大多不具備完整的車規(guī)測(cè)試能力，且極少做過車規(guī)測(cè)試。

　　缺乏驗(yàn)證機(jī)會(huì)：國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體企業(yè)大多是做消費(fèi)類電子和工業(yè)電子，對(duì)汽車行業(yè)的技術(shù)要求和質(zhì)量控制要求不清楚，對(duì)于汽車行業(yè)的通用要求和規(guī)范比較陌生。在質(zhì)量控制，特別是一致性保證能力方面較為薄弱，因此國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)的產(chǎn)品很難得到上車驗(yàn)證的機(jī)會(huì)和試錯(cuò)機(jī)會(huì)，且缺乏對(duì)錯(cuò)誤的承擔(dān)能力。

　　基礎(chǔ)環(huán)節(jié)差距大，產(chǎn)業(yè)配套環(huán)節(jié)能力弱：在很多通用和基礎(chǔ)產(chǎn)品領(lǐng)域，國(guó)外巨頭企業(yè)長(zhǎng)期占據(jù)壟斷優(yōu)勢(shì)，這種差距也延伸到車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。例如半導(dǎo)體制造技術(shù)差距明顯，核心高端半導(dǎo)體嚴(yán)重依賴進(jìn)口等。目前國(guó)內(nèi)代工制造和封裝企業(yè)布局專用車規(guī)線的推進(jìn)較為緩慢，此外在車規(guī)級(jí)芯片質(zhì)量管控體系、可靠性驗(yàn)證測(cè)試環(huán)境、專業(yè)車規(guī)級(jí)芯片人才培育等車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈配套環(huán)節(jié)建設(shè)方面都相對(duì)滯后。

　　不難看到，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)亟待完善，MEMS產(chǎn)業(yè)的國(guó)產(chǎn)替代尚處于成長(zhǎng)初期。無論從供應(yīng)安全性，還是基于汽車半導(dǎo)體快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，實(shí)現(xiàn)車規(guī)級(jí)芯片的國(guó)產(chǎn)化，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義及經(jīng)濟(jì)效益。

　　近年來，我國(guó)企業(yè)通過收購，將海外優(yōu)質(zhì)汽車半導(dǎo)體資產(chǎn)進(jìn)行整合，為國(guó)產(chǎn)替代打開成長(zhǎng)空間，成為我國(guó)汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，部分國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)汽車廠商也開始注重產(chǎn)業(yè)鏈上下游延拓，積極布局汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。另外在ADAS、智能網(wǎng)聯(lián)等汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)汽車半導(dǎo)體初創(chuàng)企業(yè)不斷涌現(xiàn)。外部收購、成熟企業(yè)布局車規(guī)半導(dǎo)體業(yè)務(wù)、以及新興領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)，成為目前支撐我國(guó)汽車半導(dǎo)體發(fā)展的主要路徑。

　　寫在最后

　　在自動(dòng)駕駛走向更高級(jí)別自動(dòng)駕駛的過程中，MEMS技術(shù)正在迎來新的發(fā)展契機(jī)，在孕育一場(chǎng)深刻的技術(shù)變革并對(duì)汽車領(lǐng)域產(chǎn)生新一輪的影響。

　　包括ST在內(nèi)的行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)在MEMS方面積極布局與探索，從單一器件、單一技術(shù)的進(jìn)步，走向整體解決方案的優(yōu)化，提升產(chǎn)品安全等級(jí)，提升供應(yīng)鏈上下游的協(xié)同能力，全方位提升產(chǎn)品性能和安全性。