O sistema MEMS (Sistemas Microeletromecânicos) refere-se a dispositivos ou sistemas em micro ou nanoescala que podem ser produzidos em lotes e integrar microssensores, atuadores, estruturas mecânicas, fontes de energia, processamento de sinais, circuitos de controle, dispositivos eletrônicos integrados de alto desempenho, interfaces e comunicações.

Os sensores MEMS são um campo de pesquisa multidisciplinar de ponta, desenvolvido com base na tecnologia da microeletrônica. São sensores inovadores fabricados utilizando tecnologias de microeletrônica e micromecanização.

Em comparação com os sensores tradicionais, apresenta características como tamanho reduzido, peso leve, baixo custo, baixo consumo de energia, alta confiabilidade, sendo adequado para produção em massa, fácil integração e inteligência artificial.

Ao mesmo tempo, a dimensão das características, na ordem de micrômetros, permite que ele execute certas funções que não podem ser alcançadas por sensores mecânicos tradicionais.

A tecnologia MEMS é uma das tecnologias avançadas revolucionárias do século XXI.

A invenção do transistor pelos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos, em 1947, foi a origem do desenvolvimento de toda a indústria; em 1987, a Universidade da Califórnia, Berkeley, inventou o micromotor, considerado o início da tecnologia MEMS; em 1993, os microacelerômetros da ADI foram utilizados em larga escala em airbags anticolisão de automóveis, e a tecnologia MEMS entrou oficialmente na fase de industrialização.

Desde 2016, a tecnologia e a indústria de sensores nacionais têm se desenvolvido rapidamente. Ao mesmo tempo, impulsionadas pela Internet das Coisas (IoT), 5G, inteligência artificial e outras tecnologias nacionais, os sensores continuaram a evoluir nas áreas de MEMS (microeletromecânica), inteligência artificial, redes e sistematização.

Cadeia industrial de MEMS: envolvendo quatro elos principais

A cadeia produtiva da indústria de MEMS envolve principalmente quatro elos principais: projeto e P&D, produção e fabricação, embalagem e testes, e aplicação do sistema.

A etapa inicial da cadeia produtiva de MEMS inclui a pesquisa e o desenvolvimento (P&D) e o fornecimento de projetos de dispositivos MEMS, materiais e equipamentos de produção; a etapa intermediária (midstream) engloba a fabricação, o processamento, a embalagem e os testes de dispositivos MEMS; e a etapa final (downstream) utiliza produtos MEMS para integrar produtos eletrônicos terminais.

Segundo as estatísticas, a capacidade de produção de componentes MEMS e de sensores aumentará de 3.9 milhões de peças/mês em 2019 para 4.7 milhões de peças/mês em 2023.

Competitive landscape of MEMS sensor industry

As duas principais empresas líderes no mercado global de sensores MEMS são a Bosch e o Grupo Broadcom, cada uma com cerca de 12% da quota de mercado.

China is the largest electronic product production base and the largest consumer of electronic products. In 2019, China accounted for more than half of the global MEMS device market.

No entanto, o mercado interno ainda é dominado por fabricantes estrangeiros, e apenas 6% dos 10 maiores fabricantes do mercado interno são nacionais. Entre eles, Broadcom, Bosch e STMicroelectronics ocupam as três primeiras posições, com participações de mercado de 11%, 8% e 4%, respectivamente.

Participação na estrutura da indústria de sensores MEMS

Analisando a proporção da estrutura global da indústria de MEMS em 2019, a eletrônica de consumo é o principal campo de aplicação, representando quase 60%, e a eletrônica automotiva é o segundo maior campo de aplicação, representando cerca de 19%.

Analisando a estrutura do mercado de MEMS na China em 2019, os setores de redes e comunicações, computadores e eletrônicos de consumo representaram 50%, enquanto o setor automotivo respondeu por 29%.

Beneficiando-se do crescimento constante na produção de produtos eletrônicos de consumo, como smartphones e tablets na China, a demanda por produtos MEMS, como acelerômetros, giroscópios e micromicrofones, também está crescendo, tornando a China a região de crescimento mais rápido no mercado global de MEMS.

eletrônicos de consumo

At present, consumer electronics is the largest application market in the global MEMS industry, and its market share in the entire MEMS industry is increasing. MEMS products including radio frequency MEMS, micro microphones, pressure sensors, accelerometers, gyroscopes, etc. are widely used in consumer electronics products represented by smartphones and tablets.

On smartphones, MEMS sensors provide a wide range of applications in sound performance, scene switching, gesture recognition, orientation, and temperature/pressure/humidity sensors.

Em 2019, o tamanho do mercado global de MEMS no setor de eletrônicos de consumo foi de aproximadamente US$ 7.163 bilhões, com uma taxa de crescimento anual composta de 8.4% de 2019 a 2024.

Eletrônica automotiva

A indústria de eletrônica automotiva é considerada a impulsionadora da primeira onda de aplicações de sensores MEMS, que aprimoram o desempenho dos veículos com sensores de colisão de airbags, sistemas de monitoramento da pressão dos pneus e controle de estabilidade do veículo.

A percepção das informações ambientais é a base dos sistemas de assistência à condução. A condução autônoma de nível 1/2 requer apenas 1 módulo de câmera, 1 a 3 radares ultrassônicos e lidars, e 0 a 1 sensor de fusão. Os veículos autônomos de nível 4/5 introduzirão 7 a 13 radares ultrassônicos e lidars, 6 a 8 módulos de câmera, módulos V2X e soluções de fusão multissensor. O valor dos novos semicondutores é superior a US$ 1,000.

saúde médica

Os sensores MEMS são amplamente utilizados em produtos eletrônicos biológicos e médicos, como marca-passos, instrumentos cirúrgicos de precisão, máquinas médicas, próteses inteligentes, medidores de glicose no sangue, esfigmomanômetros digitais, analisadores de gases sanguíneos, monitores de pulso digitais, monitores de frequência cardíaca, termômetros digitais, testes de gravidez, sistemas de administração transdérmica de medicamentos, sistemas de diálise e concentradores de oxigênio, etc.

Pressure sensors, microfluidics, flow meters and accelerometers occupy a major share of the medical MEMS market. The global MEMS market size in the medical field was US$844 million in 2019, with a compound annual growth rate of 7.5% from 2019 to 2024.

Internet das coisas

The popularization of the Internet of Things has greatly expanded MEMS application scenarios. The Internet of Things has brought about many incremental markets, such as smart speakers, smart TVs, wearable devices, etc. At the same time, the level of intelligence is also constantly improving, driving the increase in the use of MEMS in single machines.

Proporção de tipos de dispositivos na indústria de sensores MEMS

Na estrutura global de produtos MEMS, os MEMS de radiofrequência ocupam o primeiro lugar com uma participação de 19.2%, e entre outros produtos, sensores de pressão, microfones e acelerômetros detêm mais de 10%.

A estrutura do mercado chinês é semelhante à do resto do mundo. Os dados mostram que a receita doméstica com produtos RF MEMS representou 25.9% em 2019; os sensores de pressão representaram 19.2%, ficando em segundo lugar, e microfones, sensores inerciais e acelerômetros representaram 7.1%, 8.9% e 6.5%, respectivamente.

Microfone MEMS

MEMS microphones are one of the fastest growing segments of the MEMS market. The prosperity of the MEMS microphone market mainly benefits from the development of smartphones, smart speakers and TWS headsets.

Os microfones MEMS são uma configuração padrão em smartphones. Alguns smartphones de última geração chegam a usar de 3 a 4 microfones MEMS. Um alto-falante inteligente pode conter de 2 a 8 microfones MEMS, e um par de fones de ouvido TWS pode ter de 4 a 6 microfones MEMS, impulsionando um forte crescimento do mercado de microfones MEMS.

Tendências de desenvolvimento da indústria de sensores MEMS na China

miniaturização

In the future of equipment miniaturization and low energy consumption, continuous reduction of product size and product cost is one of the important development trends of the MEMS sensor industry.

As aplicações subsequentes de sensores MEMS exigem produtos cada vez mais finos e leves. Por um lado, os fabricantes de MEMS aprimoram a estrutura de encapsulamento e reduzem o tamanho do dispositivo, garantindo o desempenho do produto. Por outro lado, também reduzem o tamanho do chip. Quando o tamanho do wafer individual é fixo, a redução do tamanho do chip aumenta a produção e reduz efetivamente o custo médio. No futuro, à medida que o tamanho dos MEMS diminui, os sistemas microeletromecânicos (MEMS) se transformarão gradualmente em sistemas nanoeletromecânicos (NEMS), alcançando reduções contínuas em tamanho e custo.

Integração

Fusão e colaboração multissensor: O número de sensores integrados em um único dispositivo está aumentando gradualmente. Ao mesmo tempo, para melhorar o reconhecimento e a coleta de sinais, bem como o grau de integração dos dispositivos, os sensores começam a se fundir e colaborar (por exemplo, acelerômetros, giroscópios, magnetômetros e IMUs são combinados para formar um grupo de sensores inerciais).

Os MEMS flexíveis sensíveis à pressão apresentam vantagens óbvias.

Em comparação com as soluções capacitivas tradicionais, os MEMS flexíveis têm requisitos menores em relação à estrutura e ao espaço interno dos produtos finais, podem reduzir efetivamente os custos de montagem e possuem grande potencial de aplicação em áreas como o toque sensível à pressão em smartphones, produtos vestíveis e medições industriais/médicas.

Cenários de aplicação diversificados

Com o desenvolvimento da inteligência artificial e da Internet das Coisas (IoT), os cenários de aplicação dos sensores MEMS se tornarão mais diversificados. Os sensores MEMS são um dos componentes de hardware fundamentais para a inteligência artificial. Quanto mais ricos e precisos forem os dados coletados pelos sensores, mais completas serão as funcionalidades da inteligência artificial.

No futuro, novos campos industriais como casas inteligentes, internet industrial, internet dos veículos e cidades inteligentes proporcionarão um amplo espaço de mercado para a indústria de sensores MEMS.

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