I sistemi MEMS (Microelectron Mechanical Systems) si riferiscono a dispositivi o sistemi su scala micro o nanometrica che possono essere prodotti in serie e integrano microsensori, attuatori, strutture meccaniche, fonti di alimentazione, elaborazione del segnale, circuiti di controllo, dispositivi elettronici integrati ad alte prestazioni, interfacce e comunicazioni.

I sensori MEMS rappresentano un campo di ricerca multidisciplinare all'avanguardia, sviluppato sulla base della tecnologia microelettronica. Si tratta di nuovi sensori realizzati utilizzando tecnologie di microelettronica e micromachining.

Rispetto ai sensori tradizionali, presenta le caratteristiche di dimensioni ridotte, peso contenuto, basso costo, basso consumo energetico, elevata affidabilità, idoneità alla produzione di massa, facile integrazione e intelligenza.

Allo stesso tempo, le dimensioni delle caratteristiche, dell'ordine dei micron, consentono di svolgere determinate funzioni impossibili da realizzare con i sensori meccanici tradizionali.

La tecnologia MEMS è una delle tecnologie avanzate più rivoluzionarie del XXI secolo.

L'invenzione del transistor da parte dei Bell Labs negli Stati Uniti nel 1947 ha segnato l'inizio dello sviluppo dell'intero settore; nel 1987, l'Università della California, Berkeley, ha inventato il micromotore, considerato l'inizio della tecnologia MEMS; nel 1993, i prodotti microaccelerometri di ADI sono stati utilizzati in grandi quantità negli airbag anticollisione delle automobili, e i MEMS sono entrati ufficialmente nella fase di industrializzazione.

Dal 2016, la tecnologia e l'industria dei sensori in Cina si sono sviluppate rapidamente. Parallelamente, grazie all'Internet delle cose, al 5G, all'intelligenza artificiale e ad altre tecnologie, i sensori hanno continuato a evolversi verso i MEMS, l'intelligenza artificiale, la connettività e la sistematizzazione.

Catena industriale dei MEMS: composta da quattro anelli principali

La filiera industriale dei MEMS si articola principalmente in quattro fasi principali: progettazione e ricerca e sviluppo, produzione e fabbricazione, confezionamento e collaudo, e applicazione di sistema.

La fase a monte della catena industriale dei MEMS comprende la ricerca e sviluppo e la fornitura di progettazione di dispositivi MEMS, materiali e apparecchiature di produzione; la fase intermedia comprende la produzione, la lavorazione, l'incapsulamento e il collaudo dei dispositivi MEMS; e la fase a valle utilizza i prodotti MEMS per integrare i prodotti elettronici terminali.

Secondo le statistiche, la capacità produttiva delle fonderie di MEMS e sensori aumenterà da 3.9 milioni di pezzi al mese nel 2019 a 4.7 milioni di pezzi al mese nel 2023.

Panorama competitivo del settore dei sensori MEMS

Le due principali aziende leader nel mercato globale dei sensori MEMS sono Bosch e Broadcom Group, che detengono entrambe circa il 12% della quota di mercato.

La Cina è il più grande produttore di prodotti elettronici e il maggiore consumatore di tali prodotti. Nel 2019, la Cina rappresentava oltre la metà del mercato globale dei dispositivi MEMS.

Tuttavia, il mercato interno è ancora dominato da produttori stranieri e solo il 6% dei primi 10 produttori sul mercato interno appartiene a imprese nazionali. Tra questi, Broadcom, Bosch e STMicroelectronics si posizionano tra i primi tre con quote di mercato rispettivamente dell'11%, dell'8% e del 4%.

quota di mercato della struttura del settore dei sensori MEMS

A giudicare dalla ripartizione del mercato globale dei MEMS nel 2019, l'elettronica di consumo rappresenta il principale settore di applicazione, con quasi il 60%, mentre l'elettronica automobilistica costituisce il secondo settore per importanza, con circa il 19%.

A giudicare dalla struttura del mercato MEMS cinese nel 2019, i settori delle reti e delle comunicazioni, dei computer e dell'elettronica di consumo rappresentavano il 50%, mentre il settore automobilistico il 29%.

Grazie alla costante crescita della produzione di dispositivi elettronici di consumo come smartphone e tablet in Cina, anche la domanda di prodotti MEMS, quali accelerometri, giroscopi e microfoni, è in aumento, rendendo la Cina la regione a più rapida crescita nel mercato globale dei MEMS.

elettronica di consumo

Attualmente, l'elettronica di consumo rappresenta il mercato applicativo più importante nel settore globale dei MEMS e la sua quota di mercato nell'intero settore è in costante crescita. I prodotti MEMS, tra cui MEMS a radiofrequenza, microfoni, sensori di pressione, accelerometri, giroscopi, ecc., sono ampiamente utilizzati nei prodotti di elettronica di consumo come smartphone e tablet.

Negli smartphone, i sensori MEMS offrono un'ampia gamma di applicazioni in ambito audio, gestione delle scene, riconoscimento dei gesti, orientamento e rilevamento di temperatura, pressione e umidità.

Nel 2019, il mercato globale dei MEMS nel settore dell'elettronica di consumo aveva un valore di circa 7.163 miliardi di dollari, con un tasso di crescita annuo composto dell'8.4% dal 2019 al 2024.

Elettronica automobilistica

Si ritiene che l'industria dell'elettronica automobilistica sia stata la forza trainante della prima ondata di applicazioni dei sensori MEMS, che migliorano le prestazioni dei veicoli con sensori di collisione per airbag, sistemi di monitoraggio della pressione degli pneumatici e sistemi di controllo della stabilità del veicolo.

La percezione delle informazioni ambientali è alla base dei sistemi di assistenza alla guida. La guida autonoma di livello L1/2 richiede solo 1 modulo telecamera, 1-3 radar a ultrasuoni e lidar e 0-1 sensori di fusione. I veicoli a guida autonoma di livello L4/5 introdurranno 7-13 radar a ultrasuoni e lidar, 6-8 moduli telecamera, moduli V2X e soluzioni di fusione multisensore. Il valore dei nuovi semiconduttori supera i 1,000 dollari.

Salute medica

I sensori MEMS sono ampiamente utilizzati in prodotti elettronici biologici e medicali, come pacemaker, strumenti chirurgici di precisione, apparecchiature mediche, protesi intelligenti, glucometri, sfigmomanometri digitali, analizzatori di gas ematici, pulsossimetri digitali, cardiofrequenzimetri, termometri digitali, test di gravidanza, sistemi di somministrazione transdermica di farmaci, sistemi di dialisi e concentratori di ossigeno, ecc.

Sensori di pressione, microfluidica, flussimetri e accelerometri occupano una quota di mercato significativa nel settore medicale dei MEMS. Il mercato globale dei MEMS in ambito medicale ha raggiunto un valore di 844 milioni di dollari nel 2019, con un tasso di crescita annuo composto del 7.5% dal 2019 al 2024.

Internet delle cose

La diffusione dell'Internet delle Cose ha ampliato notevolmente gli scenari applicativi dei MEMS. L'Internet delle Cose ha generato numerosi mercati emergenti, come altoparlanti intelligenti, smart TV, dispositivi indossabili, ecc. Allo stesso tempo, il livello di intelligenza è in costante miglioramento, il che spinge verso un aumento dell'utilizzo dei MEMS nei singoli dispositivi.

Proporzione delle tipologie di dispositivi nel settore dei sensori MEMS

Nella struttura globale dei prodotti MEMS, i MEMS a radiofrequenza si classificano al primo posto con una quota del 19.2%, mentre tra gli altri prodotti, i sensori di pressione, i microfoni e gli accelerometri rappresentano oltre il 10%.

La struttura del mercato cinese è simile a quella mondiale. I dati mostrano che nel 2019 il fatturato dei prodotti RF MEMS nazionali ha rappresentato il 25.9%; i sensori di pressione si sono classificati al secondo posto con il 19.2%, mentre microfoni, combinazioni inerziali e accelerometri hanno rappresentato rispettivamente il 7.1%, l'8.9% e il 6.5%.

Microfono MEMS

I microfoni MEMS rappresentano uno dei segmenti in più rapida crescita del mercato MEMS. La prosperità di questo mercato è dovuta principalmente allo sviluppo di smartphone, altoparlanti intelligenti e auricolari TWS.

I microfoni MEMS sono una configurazione standard degli smartphone. Alcuni smartphone di fascia alta ne utilizzano addirittura da 3 a 4. Uno smart speaker può integrarne da 2 a 8, mentre un paio di cuffie TWS può averne da 4 a 6, il che contribuisce in modo significativo alla crescita del mercato dei microfoni MEMS.

Tendenze di sviluppo dell'industria cinese dei sensori MEMS

miniaturizzazione

Nell'era della miniaturizzazione delle apparecchiature e del basso consumo energetico, la continua riduzione delle dimensioni e dei costi dei prodotti rappresenta una delle principali tendenze di sviluppo del settore dei sensori MEMS.

Le applicazioni a valle dei sensori MEMS richiedono prodotti sempre più sottili e leggeri. Da un lato, i produttori di MEMS migliorano la struttura di incapsulamento e riducono le dimensioni del dispositivo, garantendo al contempo le prestazioni del prodotto. Dall'altro, riducono anche le dimensioni del chip. A parità di dimensioni del singolo wafer, la riduzione delle dimensioni del chip aumenta la produttività e riduce efficacemente il costo medio. In futuro, con la progressiva miniaturizzazione dei MEMS, questi si trasformeranno gradualmente in NEMS (sistemi nanoelettromeccanici), ottenendo un'ulteriore riduzione di dimensioni e costi.

Integrazione:

Fusione e collaborazione multisensore Il numero di sensori montati su un singolo dispositivo è in costante aumento. Allo stesso tempo, per migliorare l'efficacia del riconoscimento e della raccolta dei segnali e il grado di integrazione dei dispositivi, i sensori iniziano a realizzare fusione e collaborazione (ad esempio, accelerometri, giroscopi, magnetometri e IMU vengono combinati per formare un gruppo di sensori inerziali).

I MEMS flessibili sensibili alla pressione presentano vantaggi evidenti

Rispetto alle soluzioni capacitive tradizionali, i MEMS flessibili presentano requisiti inferiori in termini di struttura e spazio interno dei prodotti finali, possono ridurre efficacemente i costi di assemblaggio e hanno un grande potenziale applicativo in settori quali il touch screen sensibile alla pressione degli smartphone, i prodotti indossabili e la misurazione industriale/medicale.

Scenari applicativi diversificati

Con lo sviluppo dell'intelligenza artificiale e della tecnologia dell'Internet delle cose, gli scenari applicativi dei sensori MEMS diventeranno sempre più diversificati. I sensori MEMS rappresentano una componente hardware fondamentale per l'intelligenza artificiale. Quanto più ricchi e precisi saranno i dati raccolti dai sensori, tanto più complete saranno le funzionalità dell'intelligenza artificiale.

In futuro, nuovi settori industriali come le case intelligenti, l'Internet industriale, l'Internet dei veicoli e le città intelligenti offriranno un ampio spazio di mercato al settore dei sensori MEMS.

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