MEMS ist die Abkürzung für Mikroelektromechanisches System. Es handelt sich dabei um ein System, das Mikroschaltungen und Mikromaschinen gemäß den funktionalen Anforderungen auf einem Chip integriert. MEMS basiert auf traditionellen Halbleitertechnologien wie Fotolithografie und Korrosion, kombiniert mit hochpräziser Bearbeitung und dem Wissen und den technischen Grundlagen der Mechanik, Chemie, Optik und anderer Disziplinen. Dadurch weisen MEMS im Millimeter- oder Mikrometerbereich präzise und vollständige mechanische, chemische, optische und weitere charakteristische Strukturen auf. MEMS-Produkte lassen sich hauptsächlich in MEMS-Sensoren und MEMS-Aktoren unterteilen. Sensoren dienen der Erfassung und Detektion physikalischer, chemischer, biologischer und anderer Phänomene und Signale, während Aktoren Funktionen wie mechanische Bewegung, Kraft und Drehmoment realisieren.  
      Abbildung 1 MEMS-Sensor und lokale mikroskopische Vergrößerung            Quelle: Vesper       Abbildung 2 Funktionsprinzip des MEMS-Sensors            Quelle: Qianzhan Industry Research Institute      

Abbildung 3: Klassifizierung von MEMS-Sensoren

Quelle: CCID Consulting

MEMS-Sensoren sind miniaturisierte Sensoren, die mithilfe mikroelektronischer und mikromechanischer Technologie hergestellt werden. Sie sind in vielen Ausführungen erhältlich und zählen zu den am weitesten verbreiteten MEMS-Produkten. Das Eingangssignal wird mithilfe von Mikrosensorelementen und Übertragungseinheiten in ein anderes, messbares Signal umgewandelt und ausgegeben. Im Vergleich zu Sensoren, die mit herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, zeichnen sie sich durch geringe Größe, geringes Gewicht, niedrige Kosten, niedrigen Stromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit, Eignung für die Massenproduktion, einfache Integration und intelligente Funktionen aus.  
       MEMS-Sensoren haben ein breites Anwendungsgebiet.  
Als Schlüsseltechnologie zur Informationsgewinnung und Interaktion spielt MEMS eine wichtige Rolle bei der Miniaturisierung mechanischer Systeme. MEMS-Sensoren finden breite Anwendung in der Automobilelektronik, der Unterhaltungselektronik, der Luft- und Raumfahrt, der Biomedizin, der Industrie und weiteren Bereichen. Unterhaltungselektronik und Automobile sind derzeit die Hauptanwendungsgebiete von MEMS. Betrachtet man die globale Marktstruktur von MEMS im Jahr 2019, so ist die Unterhaltungselektronik mit fast 60 % der größte Anwendungsbereich; Automobile folgen mit rund 19 %. Auf dem chinesischen MEMS-Markt entfielen 2019 50 % auf Netzwerk- und Kommunikationstechnik, Computertechnik und Unterhaltungselektronik, während der Automobilsektor 29 % ausmachte. Mit der weiteren Zunahme der Marktdurchdringung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben und der Entwicklung des Internets der Dinge machten Netzwerke und Kommunikation sowie Automobilelektronik im Jahr 2019 mehr als die Hälfte der MEMS-Marktanwendungen aus. Mit der Einführung von 5G und intelligenten Netzwerkverbindungen wird die Marktdurchdringung von MEMS weiter steigen, und es wird erwartet, dass sich der Markt in den genannten Bereichen weiter öffnet.  
      Abbildung 4: Globale Marktstruktur für MEMS im Jahr 2019            Quelle: Yole Development, Guotai Junan Securities Research       Abbildung 5: Struktur des chinesischen MEMS-Marktes im Jahr 2019            Quelle: Yole Development, Guotai Junan Securities Research  
  Entwicklungsgeschichte von MEMS-Sensoren  
Die erste Phase dauerte von 1990 bis 2000. Der allmähliche Anstieg der elektronischen Ausrüstung und Anwendungen in Automobilen förderte die Implementierung von MEMS-Sensoranwendungen, wie z. B. Airbags, Bremsdrucksensoren, Reifendruckkontrollsystemen usw. Die wachsende Nachfrage nach diesen Sensoren veranlasste Unternehmen in Europa, Japan und den Vereinigten Staaten, mit der Entwicklung und Massenproduktion von MEMS-Sensorprodukten für den Einsatz in Automobilen zu beginnen.
Die zweite Phase erstreckt sich von 2000 bis 2010 und wird durch die rasante Entwicklung der Unterhaltungselektronik vorangetrieben. Unterhaltungselektronikprodukte wie Mobiltelefone, Tablets, Laptops usw. erfordern MEMS-Sensorprodukte mit geringerer Größe und niedrigerem Energieverbrauch;
 
Die dritte Phase erstreckt sich von 2010 bis 2020. Die rasante Entwicklung des Internets der Dinge (IoT) hat der MEMS-Sensorikbranche enormes Entwicklungspotenzial eröffnet. Neben Unterhaltungselektronik wie Smartphones und Tablets werden MEMS-Sensoren in AR/VR-Anwendungen, Smartwatches, autonomen Fahrzeugen, intelligenter Logistik, intelligenter Medizintechnik und weiteren Bereichen breite Anwendung finden.
 
Die vierte Phase beginnt 2020. Mit der Entwicklung des autonomen Fahrens, 5G und der zunehmenden Verbreitung des Internets der Dinge hat sich der Entwicklungsspielraum für MEMS weiter vergrößert. Durch die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von MEMS-Sensorprodukten können die Anforderungen an kleinere, energieeffizientere und leistungsfähigere Geräte erfüllt werden.  
     

Abbildung 6 Entwicklungsstadien von MEMS-Sensoren

Quelle: Aijiwei, Guotai Junan Securities Research

         

Die Branche hat gerade erst die Wachstumsphase erreicht.

Laut Statistiken und Prognosen von Yole betrug der globale MEMS-Markt im Jahr 2019 ein Volumen von 11.5 Milliarden US-Dollar. COVID-19 führte 2020 zu einem verlangsamten Marktwachstum. Ab 2021 wird das Wachstum wieder anziehen, und bis 2025 wird ein Marktvolumen von fast 17.7 Milliarden US-Dollar erwartet, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7.4 % von 2019 bis 2025 entspricht. Vor dem Hintergrund der rasanten Entwicklung der chinesischen Unterhaltungselektronik, Automobilelektronik und Industrie verzeichnete China in den letzten fünf Jahren das schnellste Wachstum im MEMS-Markt und ist gleichzeitig der weltweit größte Hersteller von Elektronikprodukten. Mobiltelefone und Tablets haben eine enorme Nachfrage nach MEMS-Produkten. China ist weltweit führend bei den Mobiltelefonlieferungen. Anbieter von MEMS-Sensoren wie Licht- und Bewegungssensoren für die Mobiltelefonindustrie betrachten China als ihren wichtigsten Markt. Laut Statistiken des CCID Think Tanks betrug der chinesische Markt im Jahr 2019 ein Volumen von rund 60 Milliarden Yuan, was etwa 54 % des Weltmarktes entsprach. Der heimische Markt wächst weiterhin schneller als der globale Markt, und es wird erwartet, dass der chinesische MEMS-Markt im Jahr 2022 die Marke von 100 Milliarden Yuan überschreiten wird.  
      Abbildung 7: Das Wachstum des globalen MEMS-Marktes beschleunigt sich           Quelle: Yole Development, CCID Consulting, Guotai Junan Securities Research      Abbildung 8: China ist das Land mit dem schnellsten Wachstum des MEMS-Marktes in den letzten fünf Jahren.            Quelle: CCID Consulting, Guotai Junan Securities Research      
Aus Sicht der Produktstruktur sind die fünf weltweit führenden MEMS-Sensorsegmente derzeit Hochfrequenz-, Druck-, Mikrofon-, Beschleunigungs- und Gyroskopsensoren, die zusammen fast 65 % des Marktes ausmachen. Auf dem chinesischen Markt entspricht die Rangfolge in etwa der globalen Markteinführung: Hochfrequenz-, Druck-, Mikrofon-, Trägheits- und Beschleunigungssensoren. Laut Prognose von Yole werden die MEMS-Sensorsegmente mit einem Marktvolumen von über einer Milliarde US-Dollar im Jahr 2024 Hochfrequenz-, Trägheits-Kombinations-, Ultraschall-Fingerabdruck-, Druck-, Mikrofon- und Tintenstrahldrucksensoren umfassen.  
      Abbildung 9: Globale Marktstruktur für MEMS im Jahr 2019 (nach Gerätetyp)            Quelle: Yole Development, Guotai Junan Securities Research       Abbildung 10: Marktgröße und durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der MEMS-Industrie von 2018 bis 2024            Quelle: Yole Development, Guotai Junan Securities Research      

Abbildung 11: Marktgröße und Prognose für MEMS in verschiedenen Anwendungsbereichen (in 100 Millionen US-Dollar)

Quelle: Yole Development, Guotai Junan Securities Research

Laut Prognosen von Yole wird der globale Markt für MEMS-Technologie im Konsumbereich, angetrieben durch das Internet der Dinge und die Verbreitung von 5G-Mobiltelefonen, voraussichtlich von 6.87 Milliarden US-Dollar im Jahr 2019 auf 11.14 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 wachsen. Der Markt für MEMS-Technologie im Automobilbereich soll, bedingt durch die zunehmende Verbreitung von Smart Cars, von 2.18 Milliarden US-Dollar im Jahr 2019 auf 2.6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 ansteigen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 3 % entspricht. Darüber hinaus steigt die Marktnachfrage in den Bereichen Industrie, Gesundheitswesen, Kommunikation, Verteidigung und Luftfahrt.  
Aus technologischer Sicht steckt die Entwicklung der heimischen MEMS-Technologie noch in den Kinderschuhen. Obwohl China weltweit den dritten Platz bei der Anzahl der Patentanmeldungen belegt, ist die Qualität der Patente im Bereich der Produktforschung und -entwicklung gering, und es gibt nur wenige Kernpatente. Zudem sind die Patentanmelder hauptsächlich Universitäten und Forschungsinstitute, der Industrialisierungsgrad ist niedrig, und die Ergebnisse müssen noch in die Praxis umgesetzt werden. Im Bereich der Verpackung und Fertigung mangelt es China an OEM-Erfahrung. Die Zuverlässigkeit und Ausbeute der von heimischen OEM-Unternehmen hergestellten MEMS-Sensoren genügen den Anforderungen der Großserienproduktion nicht vollständig, und es besteht noch eine Diskrepanz zu den Marktanforderungen. Hinsichtlich der Unternehmensgröße sind die meisten heimischen Unternehmen kleine und mittlere Unternehmen mit unzureichenden finanziellen Mitteln und geringer Attraktivität für Fachkräfte. Dies führt zu schwachen Forschungskapazitäten und erschwert die Zusammenarbeit mit Universitäten und Forschungsinstituten.
 
Hinsichtlich Geschäftsumfang und Gewinnmarge besteht weiterhin eine deutliche Lücke zwischen inländischen Halbleiterunternehmen und führenden ausländischen Konkurrenten. Broadcom, ein international führendes Unternehmen, erzielte 2019 einen Umsatz von 22.597 Milliarden US-Dollar, was einer Bruttogewinnmarge von 55.2 % entspricht. STMicroelectronics erwirtschaftete 2019 einen Umsatz von 15.416 Milliarden US-Dollar mit einer Bruttogewinnmarge von 38.7 %. Texas Instruments erzielte 2019 einen Umsatz von 14.383 Milliarden US-Dollar und konnte in den letzten Jahren eine Bruttogewinnmarge von über 50 % oder sogar über 60 % verzeichnen. Betrachtet man die inländischen Unternehmen, so erzielte Goertek, der Marktführer, 2019 einen Umsatz von rund 5.068 Milliarden US-Dollar mit einer Bruttogewinnmarge von lediglich 15.43 %. Im Vergleich zu den ausländischen Branchenriesen besteht somit weiterhin eine große Lücke hinsichtlich Umsatz und Rentabilität.   
      Abbildung 12 Historische Bruttogewinnmarge (%) einiger börsennotierter MEMS-Unternehmen            Quelle: Wind, Guotai Junan Securities Research      
Gemessen an der Anzahl der Wettbewerber gibt es viele verschiedene Arten von MEMS-Sensoren und zahlreiche Hersteller. 2019 wurde der chinesische MEMS-Markt von ausländischen Herstellern dominiert. Broadcom und Bosch lieferten sich ein Kopf-an-Kopf-Rennen. Zu den weiteren Hauptkonkurrenten zählten STMicroelectronics, Texas Instruments, Qorvo und andere. Amerikanische Hersteller stellten mehr als die Hälfte des Marktes, und europäische, amerikanische und japanische Hersteller waren in den Hauptbereichen MEMS-Chip- und mikroelektromechanische Fertigung relativ weit entwickelt. Auch die inländischen Wettbewerber schnitten gut ab. Goertek schaffte es 2019 erstmals unter die zehn größten MEMS-Hersteller weltweit, und AAC Technology belegte Platz 22. Im Foundry-Bereich erreichte Silex, die Holdinggesellschaft von Silex, den ersten Platz. Insgesamt hatten die internationalen Wettbewerber deutliche Vorteile, doch aufstrebende inländische Unternehmen holten rasant auf.  
      Abbildung 13: Die heimische MEMS-Sensorindustrie hat gerade erst die Wachstumsphase erreicht.            Quelle: Guotai Junan Securities Research      
Auf Grundlage der obigen Analyse von Marktgröße, Technologiereife, Geschäftsbedingungen, Anzahl der Wettbewerber usw. gehen wir davon aus, dass die Substitution inländischer Anbieter im Bereich der MEMS-Sensoren noch in einem frühen Wachstumsstadium ist und die heimischen MEMS-Unternehmen mit Hochdruck daran arbeiten, zu den Branchenriesen aufzuschließen. Mit der Entwicklung des Internets der Dinge, intelligenter Fahrzeuge und der 5G-Technologie wird der heimische MEMS-Sensormarkt weiter wachsen, und die Substitution inländischer Anbieter dürfte sich beschleunigen.  
         

Inländische MEMS-Hersteller haben ein enormes Entwicklungspotenzial.

1. Die nationalen Strategien unterstützen die Entwicklung der MEMS-Sensorindustrie nachdrücklich.  
MEMS-Sensoren spielen eine entscheidende Rolle in modernen Technologien wie dem Internet der Dinge, der intelligenten Fertigung und der intelligenten Logistik. China ist der weltweit größte Markt für MEMS-Sensoren. Der chinesische Markt für MEMS-Sensoren ist aufgrund seiner Größe und Bedeutung besonders bemerkenswert. Die Rahmenbedingungen für die Entwicklung der nationalen Sensorindustrie werden kontinuierlich optimiert. Mit der energischen Förderung der „Strategie zur Stärkung der Fertigungsindustrie“ und des Aktionsplans „Internet+“ wird die Bedeutung der Sensortechnologie und der Sensorindustrie weiter zunehmen. Es ist absehbar, dass die Sensortechnologie künftig eine der wichtigsten Prioritäten der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung Chinas sein wird.  
      Tabelle 1 Einige staatliche Richtlinien für die MEMS-Sensorindustrie            Quelle: Staatsrat, Nationale Entwicklungs- und Reformkommission, Ministerium für Industrie und Informationstechnologie, Guotai Junan Securities Research  
       2. Die Nachfrage aus nachgelagerten Märkten fördert das kontinuierliche Wachstum des MEMS-Industriemarktes.  
Der Bereich der Unterhaltungselektronik ist der größte Markt für MEMS, vor allem aufgrund des wachsenden Marktes für Smartphones, Wearables und Smart Homes. Als weltweit größter Produktionsstandort für Elektronikprodukte verbraucht China fast die Hälfte aller weltweit verwendeten MEMS-Bauteile. Das kontinuierliche Wachstum der Verkaufszahlen chinesischer MEMS-basierter Unterhaltungselektronikprodukte wie Smartphones und Tablets hat das Wachstum der MEMS-Industrie, beispielsweise bei Beschleunigungssensoren und Mikrofonen, beflügelt. Darüber hinaus ist der MEMS-Markt im Bereich der Automobilelektronik mit der Entwicklung von intelligentem Fahren und Elektrofahrzeugen rasant gewachsen und erreichte 2019 einen Marktanteil von 17.8 %, womit er den zweiten Platz belegte.  
Die Regierung unterstützt den 5G-Bereich nachdrücklich, und China hat einen dynamischen 5G-Industriemarkt entwickelt. Investoren setzen großes Vertrauen in den 5G-Markt und bieten damit weitreichende Entwicklungsmöglichkeiten für dessen Förderung und Anwendung. 5G bildet die Grundlage für das Internet der Dinge (IoT) und beschleunigt dessen Entwicklung. Das IoT hat sich zum nächsten Trend entwickelt, auf den alle Branchen gespannt warten, und die globale IoT-Branche wächst rasant. Chinas IoT-Markt verzeichnet weltweit das höchste Wachstum und ist der aktivste IoT-Anwendungsmarkt der Welt. CCID Consulting prognostiziert, dass Chinas 5G-Markt weiterhin stark wachsen wird.  
      Abbildung 14: Chinas 5G-Investitionsprognose von 2020 bis 2025            Quelle: CCID Consulting, Guotai Junan Securities Research      
Im Bereich des Internets der Dinge (IoT) treibt der Markt die rasante Entwicklung des MEMS-Sensormarktes voran. MEMS-Sensoren spielen eine Schlüsselrolle bei der Verbindung der analogen und digitalen Welt. Ihre Wahrnehmung und Datenerfassung der Umgebung ermöglichen ein objektives und umfassendes Verständnis des normalen Betriebs verschiedener Geräte und Systeme. Laut Statistiken der GSMA (Global System for Mobile Communications Association) ist die Anzahl der IoT-Geräte weltweit von 2 Milliarden Einheiten im Jahr 2010 auf 12 Milliarden Einheiten im Jahr 2019 gestiegen. Dank der Kommerzialisierung von 5G und der Entwicklung von Wi-Fi 6 ist das Marktpotenzial für das IoT enorm. Die GSMA prognostiziert, dass die weltweite Anzahl der IoT-Geräte bis 2025 24.6 Milliarden Einheiten erreichen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 12.7 % von 2019 bis 2025 entspricht.  
      Abbildung 15 Die Anzahl der IoT-Geräte wächst rasant (Einheit: Milliarden)            Quelle: GSMA, Guotai Junan Securities Research      
Im medizinischen Bereich hat COVID-19 weltweit verheerende Folgen gehabt, gleichzeitig aber den Markt für medizinische MEMS-Sensoren deutlich anwachsen lassen. Ob elektronische Thermometer, Diagnosegeräte oder Beatmungsgeräte – diese Medizinprodukte sind untrennbar mit MEMS-Sensoren verbunden, was zu einem rasanten Marktwachstum in diesen Bereichen geführt hat. Yole prognostiziert für 2020 ein Wachstum des Marktes für medizinische MEMS um 10.6 %. Die Pandemie hat zudem das Gesundheitsbewusstsein der Menschen gestärkt und die Entwicklung des Marktes für medizinische Konsumgüter beschleunigt. Auch tragbare medizinische Geräte, die Körperfunktionen permanent überwachen, haben sich rasant entwickelt. Die durch die Pandemiebekämpfungsmaßnahmen bedingte gestiegene Nachfrage nach kontaktlosen Dienstleistungen, robotergestützter Logistik und automatisierten Produktionsanlagen hat indirekt die rasante Entwicklung der MEMS-Industrie gefördert. Da Automatisierung immer wichtiger wird, ist davon auszugehen, dass die Menschen auch nach dem Ende der Pandemie weiterhin auf unbemannte und automatisierte Dienstleistungen auf MEMS-Basis setzen werden. Daher wird die Branche nicht schrumpfen, sondern weiter wachsen.  
 
     

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