MEMS (Mikroelektromechanische Systeme) bezeichnet mikro- oder nanoskalige Geräte oder Systeme, die in Serienproduktion hergestellt werden können und Mikrosensoren, Aktoren, mechanische Strukturen, Energiequellen, Signalverarbeitung, Steuerschaltungen, leistungsstarke elektronische integrierte Bauelemente, Schnittstellen und Kommunikationssysteme integrieren.

MEMS-Sensoren sind ein multidisziplinäres, zukunftsweisendes Forschungsgebiet, das auf der Basis mikroelektronischer Technologien entwickelt wurde. Es handelt sich um neuartige Sensoren, die mithilfe von Mikroelektronik und Mikrobearbeitungstechnologien hergestellt werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren zeichnet es sich durch geringe Größe, geringes Gewicht, niedrige Kosten, geringen Stromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit, Eignung für die Massenproduktion sowie einfache Integration und Automatisierung aus.

Gleichzeitig ermöglicht die Strukturgröße im Mikrometerbereich die Ausführung bestimmter Funktionen, die mit herkömmlichen mechanischen Sensoren nicht realisierbar sind.

Die MEMS-Technologie zählt zu den revolutionären Spitzentechnologien des 21. Jahrhunderts.

Die Erfindung des Transistors durch die Bell Labs in den USA im Jahr 1947 war der Ausgangspunkt für die Entwicklung der gesamten Branche; 1987 erfand die University of California, Berkeley, den Mikromotor, der als Beginn der MEMS-Technologie gilt; 1993 wurden die Mikro-Beschleunigungsmesserprodukte von ADI in großen Mengen in Antikollisions-Airbags von Automobilen eingesetzt, und MEMS trat offiziell in die Industrialisierungsphase ein.

Seit 2016 haben sich die heimische Sensortechnologie und -industrie rasant entwickelt. Gleichzeitig wurden Sensoren, angetrieben durch das heimische Internet der Dinge, 5G, künstliche Intelligenz und andere Technologien, kontinuierlich in Richtung MEMS, Intelligenz, Vernetzung und Systematisierung weiterentwickelt.

MEMS-Industriekette: umfasst vier Hauptglieder

Die MEMS-Industriekette umfasst im Wesentlichen vier Hauptglieder: Design und Forschung & Entwicklung, Produktion und Fertigung, Verpackung und Prüfung sowie Systemanwendung.

Die vorgelagerte Wertschöpfungskette der MEMS-Industrie umfasst die Forschung und Entwicklung sowie die Lieferung von MEMS-Bauelementen, Materialien und Produktionsanlagen, die mittlere Wertschöpfungskette umfasst die Herstellung, Verarbeitung, Verpackung und Prüfung von MEMS-Bauelementen, und die nachgelagerte Wertschöpfungskette verwendet MEMS-Produkte zur Integration von elektronischen Endgeräten.

Laut Statistiken wird die Produktionskapazität der MEMS- und Sensorfertigung von 3.9 Millionen Stück/Monat im Jahr 2019 auf 4.7 Millionen Stück/Monat im Jahr 2023 steigen.

Wettbewerbslandschaft der MEMS-Sensorindustrie

Die beiden führenden Unternehmen auf dem globalen Markt für MEMS-Sensoren sind Bosch und die Broadcom Group, die jeweils etwa 12 % des Marktanteils halten.

China ist der größte Produktionsstandort für Elektronikprodukte und gleichzeitig der größte Konsument von Elektronikprodukten. Im Jahr 2019 entfiel mehr als die Hälfte des globalen Marktes für MEMS-Bauelemente auf China.

Der Inlandsmarkt wird jedoch weiterhin von ausländischen Herstellern dominiert; nur 6 % der zehn größten Hersteller auf dem Inlandsmarkt sind einheimische Unternehmen. Broadcom, Bosch und STMicroelectronics gehören mit Marktanteilen von 11 %, 8 % bzw. 4 % zu den drei führenden Anbietern.

Anteil der Struktur der MEMS-Sensorindustrie

Gemessen an der Zusammensetzung der globalen MEMS-Industrie im Jahr 2019 ist die Unterhaltungselektronik mit fast 60 % das wichtigste Anwendungsgebiet, gefolgt von der Automobilelektronik mit rund 19 %.

Betrachtet man die Struktur des chinesischen MEMS-Marktes im Jahr 2019, so entfielen 50 % auf Netzwerk- und Kommunikationstechnik, Computer und Unterhaltungselektronik und 29 % auf den Automobilbereich.

Dank des stetigen Wachstums der Produktion von Unterhaltungselektronikprodukten wie Smartphones und Tablets in China steigt auch die Nachfrage nach MEMS-Produkten wie Beschleunigungsmessern, Gyroskopen und Mikromikrofonen, wodurch China zur am schnellsten wachsenden Region auf dem globalen MEMS-Markt wird.

Unterhaltungselektronik

Die Unterhaltungselektronik ist derzeit der größte Anwendungsbereich der globalen MEMS-Industrie und ihr Marktanteil am gesamten MEMS-Markt wächst stetig. MEMS-Produkte wie Hochfrequenz-MEMS, Mikromikrofone, Drucksensoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope usw. finden breite Anwendung in Unterhaltungselektronikprodukten wie Smartphones und Tablets.

Bei Smartphones bieten MEMS-Sensoren ein breites Anwendungsspektrum in den Bereichen Klangwiedergabe, Szenenumschaltung, Gestenerkennung, Orientierung und Temperatur-/Druck-/Feuchtigkeitssensoren.

Im Jahr 2019 betrug das weltweite Marktvolumen für MEMS im Bereich der Unterhaltungselektronik rund 7.163 Milliarden US-Dollar, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 8.4 % von 2019 bis 2024.

Automobilelektronik

Die Automobilelektronikindustrie gilt als Treiber der ersten Anwendungswelle von MEMS-Sensoren, die die Fahrzeugleistung durch Airbag-Kollisionssensoren, Reifendruckkontrollsysteme und Fahrzeugstabilitätskontrolle verbessern.

Die Wahrnehmung von Umgebungsinformationen bildet die Grundlage für Fahrassistenzsysteme. Autonomes Fahren der Stufen L1/2 benötigt lediglich ein Kameramodul, ein bis drei Ultraschallradare und Lidarsensoren sowie null bis einen Fusionssensor. Fahrzeuge der Stufen L4/5 werden mit sieben bis dreizehn Ultraschallradaren und Lidarsensoren, sechs bis acht Kameramodulen, V2X-Modulen und Multisensorfusionslösungen ausgestattet sein. Der Wert der neuen Halbleiter liegt bei über 1,000 US-Dollar.

Medizinische Gesundheit

MEMS-Sensoren werden in großem Umfang in biologischen und medizinischen Elektronikprodukten eingesetzt, wie z. B. Herzschrittmachern, Präzisionschirurgieinstrumenten, medizinischen Geräten, intelligenten Prothesen, Blutzuckermessgeräten, digitalen Blutdruckmessgeräten, Blutgasanalysatoren, digitalen Pulsmessern, Herzfrequenzmessern, digitalen Thermometern, Schwangerschaftstests, transdermalen Arzneimittelverabreichungssystemen, Dialysesystemen und Sauerstoffkonzentratoren usw.

Drucksensoren, Mikrofluidik, Durchflussmesser und Beschleunigungsmesser nehmen einen Großteil des Marktes für medizinische MEMS ein. Der weltweite Markt für medizinische MEMS hatte 2019 ein Volumen von 844 Millionen US-Dollar und wird voraussichtlich von 2019 bis 2024 jährlich um 7.5 % wachsen.

Internet der Dinge

Die zunehmende Verbreitung des Internets der Dinge (IoT) hat die Anwendungsbereiche von MEMS erheblich erweitert. Das IoT hat zahlreiche neue Märkte hervorgebracht, darunter intelligente Lautsprecher, Smart-TVs und Wearables. Gleichzeitig verbessert sich der Grad der Intelligenz stetig, was den Einsatz von MEMS in einzelnen Geräten weiter steigert.

Anteil der Gerätetypen in der MEMS-Sensorindustrie

In der globalen MEMS-Produktstruktur rangieren Hochfrequenz-MEMS mit einem Anteil von 19.2 % an erster Stelle, und unter den anderen Produkten haben Drucksensoren, Mikrofone und Beschleunigungsmesser einen Anteil von mehr als 10 %.

Chinas Marktstruktur ähnelt der weltweiten. Daten zeigen, dass der Umsatz mit RF-MEMS-Produkten im Jahr 2019 25.9 % betrug; Drucksensoren erreichten mit 19.2 % den zweiten Platz, während Mikrofone, Inertialsensoren und Beschleunigungsmesser 7.1 %, 8.9 % bzw. 6.5 % ausmachten.

MEMS-Mikrofon

MEMS-Mikrofone zählen zu den am schnellsten wachsenden Segmenten des MEMS-Marktes. Der Erfolg dieses Marktes ist vor allem auf die Entwicklung von Smartphones, Smart Speakern und True-Wireless-Headsets zurückzuführen.

MEMS-Mikrofone gehören zur Standardausstattung von Smartphones. Einige High-End-Smartphones verwenden sogar drei bis vier MEMS-Mikrofone. Smart Speaker können zwei bis acht MEMS-Mikrofone enthalten, und TWS-Kopfhörer können vier bis sechs MEMS-Mikrofone aufweisen, was dem Markt für MEMS-Mikrofone ein starkes Wachstum beschert.

Entwicklungstrends der chinesischen MEMS-Sensorindustrie

Miniaturisierung

Im Hinblick auf die zukünftige Miniaturisierung von Geräten und den geringen Energieverbrauch ist die kontinuierliche Reduzierung der Produktgröße und der Produktkosten einer der wichtigsten Entwicklungstrends der MEMS-Sensorindustrie.

Die nachgelagerten Anwendungen von MEMS-Sensorprodukten stellen höhere Anforderungen an dünnere und leichtere Produkte. Einerseits verbessern MEMS-Hersteller die Gehäusestruktur und reduzieren die Bauteilgröße bei gleichbleibender Produktleistung. Andererseits verkleinern sie auch die Chipgröße. Bei gleichbleibender Wafergröße erhöht die Verkleinerung des Chips dessen Leistung und senkt effektiv die durchschnittlichen Kosten. Mit der zukünftigen Miniaturisierung von MEMS werden sich mikroelektromechanische Systeme (MEMS) schrittweise zu nanoelektromechanischen Systemen (NEMS) weiterentwickeln und so eine kontinuierliche Reduzierung von Größe und Kosten ermöglichen.

Integration

Multisensorfusion und -kollaboration Die Anzahl der auf einem einzelnen Gerät montierten Sensoren nimmt stetig zu. Gleichzeitig werden Sensoren zur Verbesserung der Signalerkennung und -erfassung sowie des Integrationsgrades der Geräte fusioniert und kollaboriert (beispielsweise werden Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Magnetometer und IMUs zu einer Inertialsensorgruppe kombiniert).

Flexible, druckempfindliche MEMS bieten offensichtliche Vorteile

Im Vergleich zu herkömmlichen kapazitiven Lösungen stellen flexible MEMS geringere Anforderungen an die Struktur und den Innenraum der Endprodukte, können die Montagekosten effektiv senken und haben ein großes Anwendungspotenzial in Bereichen wie druckempfindliche Touchscreens von Smartphones, tragbare Produkte und industrielle/medizinische Messtechnik.

Vielfältige Anwendungsszenarien

Mit der Entwicklung von künstlicher Intelligenz und dem Internet der Dinge werden die Anwendungsszenarien von MEMS-Sensoren vielfältiger. MEMS-Sensoren gehören zu den wichtigsten Hardwarekomponenten für künstliche Intelligenz. Je umfangreicher und genauer die von den Sensoren erfassten Daten sind, desto umfassender sind die Funktionen der künstlichen Intelligenz.

Zukünftig werden neue Industriezweige wie Smart Homes, das industrielle Internet, das Internet der Fahrzeuge und Smart Cities der MEMS-Sensorindustrie einen breiten Markt eröffnen.

Haftungsausschluss: Dieser Artikel wurde aus der „Le Jing Think Tank Selection“ übernommen, die den Schutz geistigen Eigentums unterstützt. Bitte geben Sie die Originalquelle und den Autor des Nachdrucks an. Sollten Urheberrechte verletzt worden sein, kontaktieren Sie uns bitte, damit wir den entsprechenden Artikel entfernen können.

Firmentelefonnummer: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-Mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manager Li

QQ: 332496225 Manager Qiu

Adresse: Raum 809, Gebäude C, Zhantao Technology Building, Minzhi Avenue 1079, Longhua New District, Shenzhen