万物有眼 传感器风云录

  】人类历史，从来就没如此精灵，可以对人的行为了如指掌。手机、腕表、体重计、可穿戴设备等这一些产品的背后，都有着不起眼的智能颗粒，可以全天候、全空间地识别人的行为状态，多方位地记录着消费者习惯和逻辑内涵。这是一个看不见的小精灵，却主宰着人机交互的界面。

  这个智能颗粒，就是MEMS微机电系统，它可以看成是一种智能传感器，深刻地改变了人与大自然交互的局面。MEMS令人耳目一新的地方在于，它带来了第一款超越人类感官的传感器。智能手机中，就藏着这个奥秘。早在2012年的iPhone 5，就采用了4个MEMS传感器。三星Galaxy S4手机甚至采用了八个MEMS传感器。现在智能手机，使用数十个MEMS器件也很常见。而最近五年越来越风靡的真无线耳机TWS，背后都是MEMS的贡献。

  而这个领域供应商的江湖，基本算是波澜不惊。三十家企业，可以占据整体销售额的90%。它们基本都是榜单上的老面孔，但却有着清晰的时代印记。

  全球MEMS收入在2020年达到1000多亿元的市场。三大江湖瓜分走了一切。消费电子拿走了60%、汽车电子20%和工业占比10%。剩下10%由医疗、军工等行业去分。

  图2 MEMS封神榜的变迁(Source：以2019年为例，来自Yole)

  要了解这个行业，可以了解一下十年前和当下。HP已经从第一名跑到后面去了，而博通则异军突起。这个潜台词是意味深长的，那就是桌面计算机时代，向移动互联网的全面转身。打印机销量下降，而打印机喷墨所需要的MEMS传感器就继续下滑，而智能手机的射频传感器则急剧放大，这使得博通这样的供应商想不挣钱都不容易。

  整体而言，这是一个无聊的江湖。惊喜并不多。芯片行业，都在指向大整合。但MEMS传感器则是一个另类，它拒绝了选择寡头垄断的形态，而是维持着多元竞争的局面。它大概呈现了两个大哥带30个小弟的局面。博通和博世是双雄大战，各自以近100亿人民币的收入高于行业；紧随其后的是，腰斩一半，大概在50亿元的中级选手依次向下。他们就像钢琴的按键一样，连续而均匀地从高音区排到低音区。5亿元人民币的营收，就差不多可以在全球Top30名单上，得到封神一次。

  图4 2019年MEMS Top25 企业销售额分布图(Source：Statista 2020，南山工业书院绘制)

  MEMS传感器格局基本跟随了半导体的脚步，最强的依然是美国，占据大半壁江山。欧洲以博世、意法、恩智浦等占据一席之地，日本则以多品牌而很具有特色。韩国则意外缺席，而中国靠真无线耳机的麦克风而占据两席位置。

  要理解MEMS的英雄榜，就要理解MEMS的用途。它完全是靠应用市场的劳动，例如市场占有率最大的压力传感器，就是得益于在消费品和汽车等的应用，市场占比达到21%，其次是射频传感器，主要是智能手机的应用。这就解释了全球MEMS传感器中，博通和博世两家独大的原因。

  博世以15亿美元的收入，多年来一直几乎不离高位。它厉害的地方，就在于在应用市场能够脚踩多只船。它在消费和汽车市场的表现过于强劲，每辆新车平均包含5个博世MEMS，而全球一半的智能手机至少包含1个博世MEMS。跟其他厂家多元化的策略不同，博世在这样的领域，只提供MEMS传感器而不提供产品(例如瑞声在2020年虽然有170亿元的收入，但绝大部分都是由耳机而非传感器贡献的)。这也让博世在MEMS业务上的成功格外耀眼。

  博世MEMS传感器的麻烦，在于有一堆的骚扰者，就像是被一群小髭狗盯上的狮子。如意法半导体，在消费市场上直接竞争的是同类型的设备，即加速计、陀螺仪、压力和惯性传感器。但它在汽车市场并不活跃；恩智浦倒是拥有惯性、压力和磁性传感器，但也只是在汽车领域吃得开。而博世同时占住了消费电子和汽车领域，还没有一点一家拥有这样的实力。

  博通本是外来户。虽然它是芯片巨头，但在2016年以前，它在MEMS封神榜上啥位置都没有。2016年生产射频传感器总部在新加坡的AVAGO意外地收购了博通，并将新公司继续命名为博通(准确应该叫做新博通)。

  这种惊人的市场驱动力是来自智能手机。4G手机开始普及的移动互联网，大幅度的提升了滤波器的需求量。而射频传感器，也就悄然地重写了MEMS的产业格局。ST和TI这些Top3的神仙，就是被智能手机粗鲁地推搡到后面。而博通则快速跃迁，并在2017年成功挑战博世，获得第一名。这个传感器的奖章，其实是应该发给智能手机的。

  博通的烦恼，是孤独而犀利的。因为，它正在被一个有着更强加速度的猎豹所追逐。这个猎豹就是美国Qorvo。在RF-MEMS领域，这两家公司都是同一设备类型的强者。在2016年全球前三十名MEMS公司排名中，Qorvo就呈现了惊人的加速度。受益于射频前端市场的增长，它的出售的收益从2014年1.5亿美元，飙升至2016的6亿美元。

  十年来，最无奈的应该属于德州仪器。它的MEMS产品营收从始至终保持在8亿美元的水平。销售额增长乏力，因为数字微镜是其MEMS产品，而且微镜市场也在饱和。TI不得不苦等新市场的成熟，如光通信的光学MEMS开关。而3D手势识别、汽车平视头盔HUD或智能照明等应用，对TI的产品并没形成明显的启动。这些都是TI的尴尬之处。而它真正的翻身仗还是要靠车载市场，也就是激光雷达。如果微镜能成功用于激光雷达，那TI的MEMS业务就可以鹞子大翻身了。

  HP是苍茫夜色下的迟暮英雄。当年它将测量部分从计算机部门分拆后出售，显然是对于未来的一个误判。严格意义来讲，博通是HP的孙公司。惠普的电子部门最早开发了发光二极管LED显示器市场，后来进入光纤发射器、光学鼠标传感器和别的设备市场。2000年安捷伦Aginlent从HP分家的时候，也带走了安华高。再到2005年，安华高从安捷伦再次独立，并被私营资本以27亿美元收购，随后独立上市，并在10年后收购了博通。

  HP当年的出售，似乎是出卖了灵魂。HP高层当时以为只有一个赛道，而个人电脑与打印机家庭装是王者之道。彼时的德州仪器TI，也呈现了老态龙钟的步伐，它的数字处理器没能搭上液晶LCD平板电视的快船。在2007年，HP以8.5亿美元的年MEMS收入，挤掉德州仪器TI，成为行业老大。两个老年人交换了一下位置，但时代已经不等人了。家庭打印机的数量慢慢的变少了。人们开始使用智能手机和平板电脑，而不是打印大量文档。

  这期间，金山WPS没有在桌面市场站稳脚跟，但却在手机阅读页面大展身手。WPS的曲线崛起，就是惠普正面跌落的原因。打印机销量下降，喷墨头的需求就会受影响。而这就是HP在MEMS领域跌落的原因。同样佳能和爱普生，也有同病相怜的意思。大浪之下，波折的就是一个产业链。

  意法半导体ST的MEMS业务，曾经有着辉煌的历史。当年在东芝推出的“防撞数据保护”笔记本，一时惊艳。当笔记本处于跌落状态的时候，MEMS就自动感知和启动，关闭数据硬盘，从而有效保护数据。这是ST替东芝以及随后跟进的IBM笔记本所研制的一种场景(该故事被笔者作为“长臂灰度创新”，在《灰度创新》这本书有描述)。现在，虽然它也一直难以在汽车和工业MEMS市场有所斩获，但依然有着一个强大的后台，苹果是其最重要的客户。作为大客户，这让它长期处在警惕的状态。

  Qorvo目前排在第五位，在华为高配置手机中，必不可少的芯片名单就有这个公司。作为一家射频厂商，它真的是一只初生牛犊，这几年狂飙猛进。Qorvo是在2015 年，由两家RF解决方案供应商合并而成，也是有着强烈的国防军工背景。随后，赶上了射频传感器大发展。新鲜面孔，凌厉打法。Qorvo成立后，进行了多次并购，来扩大其产品线年收购物联网解决方案供应商Green Peak，发力智能家居、物联网等；在非射频产品线中，也在收购一家电源管理和智能电机驱动芯片Active。2019年，Qorvo则收购高性能射频供应商Cavendish，逐步扩大产品线。手机正在努力克服小空间下的天线G时代正在走向的四天线，都靠这样的RF射频传感器。Qorvo注定要给博通带来很多麻烦。

  剩下的就是兄弟混战。英飞凌、森萨塔Sensata、日本电装Denso、安费诺、和迈来芯Melexis等专注于汽车类市场，Alps以及日本旭化成AKM、索尼、村田则主要服务于消费类市场，松下重在工业领域，霍尼韦尔在工业和航天军工。而泰科TE恩智浦NXP在多个市场都有涉足，由于多次收购，泰科的多元化能力大幅度增强。

  MEMS市场在过去10多年，最大的变化是来自智能手机和关联产品如智能耳机。除此之外，还没有一点一种设备，能够真正改变MEMS的市场内格局。出乎意外的是，汽车电子虽然崛起，但并没有为这一个市场增加新的面孔。而增强现实AR等雷声大雨点小，让人不得不表示失望。

  而这是一个赛道零部件的产业。如果零部件跟错了队伍，那就是一场灾难。这其中的常青树，就是博世电子。

  没意思的股市日本电气化学公司TDK，一直就是电子原材料和元器件的先锋，昔日录音机磁带和电脑磁盘的王者。它现在专注在各种电容器以及传感器系统。旗下有多个不一样的品牌，在MEMS领域，至少涉及到到Epcos、Tronics和InvenSense。

  2015年前后TDK对于MEMS业务，能够说是用恍然大悟的信念和老房子着火的决心，一口气连续吃下三个公司。先是在2015年12月完成对磁传感器制造商Micronas的收购后，第二年吃掉了惯性传感器制造商Tronics，它灵活的代工方式(包括给霍尼韦尔的MEMS代工)，使其在众多市场非常活跃。军火商泰雷兹Thale也是其中一个重要的股东。

  到了年底，TDK进一步耗费93亿人民币，完成了运动传感器InvenSense的收购。TDK也因此一举挤进了苹果的供应链。这之前，苹果的运动传感器可是InvenSense一家独享。只是后来，向来不受供应商制约的苹果，也增加了另外一个供应商给博世。至此，TDK慢慢的变成了MEMS领域重要的存在，成为日本近十个MEMS厂家中的头牌，力压松下、电装和旭化成。

  值得关注的是TDK收购的这两家，分别是在全球第三和第四家上市的MEMS公司。另外一家上市MEMS公司美新，是华人一手创办，本是前途光明，但却成为急吼吼的资本牺牲品。2009年美国上市之后，也是风光一片。在2016年美新在全球加速度传感器市场排名在博世，意法半导体等之后，位列全球第四，而地磁传感器排名在旭化成和雅马哈之后，位列全球第三。

  然而它是苦命的好学生。2012年由于连续亏损，它被IDG资本相中，完成私有化。随后，IDG开始验证自己就是传说中的辣手摧花，MEMS主业被稀释。在一系列的拯救、传鼓接花再传鼓之后，如今的美新已经被拆成三个公司。而目标则只有一个，那就是迫不及待地上市，最后这次努力的目的地，就是科创板。急功近利的资本，让好学生本来优良的履历本加上了很多小叉叉。江山似有，容颜不再。

  可以说，股市没有给这些MEMS公司带来福音。这四家MEMS上市公司，二十年间，无一成功。模拟压力传感器MEMSCAP2001年在欧洲证券交易所上市，长期业绩徘徊不前，昔日2000万美元就是它的大限。2021年第一财季的收入只有区区2400万元人民币。

  没有油水呀，航空电子和医疗领域给它提供了勉强吃饱肚子的粮食。第二家美新选择了直接退市，命运不定。而第三家和第四家，虽长势喜人却都成了TDK的打包礼物。这充分显示了MEMS这一个市场的残酷性，只依靠MEMS的业务(不管是传感器，还是扩展到代工)的品牌，基本不具备独立存活的能力。

  异军突起的中国曲调传感器是中国制造的超级短板，令人感慨的是，这块市场至今缺乏足够的重视。但在所有的传感器类别中，MEMS传感器在局部赛道上，迎来了中国时刻。

  MEMS麦克风是近二十年来最耀眼的明星。在2002年楼氏电子量产第一颗MEMS麦克风，微硅晶片取代了振动膜。苹果在2010年开始在iPhone 4和 iPad 2上使用了MEMS麦克风，成为这一个市场发展的转折点。借助于苹果手机和耳机的强势带路， MEMS麦克风慢慢的变成了一个稳定的市场。楼氏电子居前列，中国的瑞声和歌尔也紧随其后，其他机会则留给了英飞凌、TDK、NJRC等。

  中国厂家在MEMS领域取得了令人瞩目的突破，这就是歌尔和瑞声的崛起。歌尔GoerTek受益于语音界面开始受宠的发展的新趋势，包括智能手机和可穿戴设备的麦克风，已经具备在全球市场上与楼氏竞争的潜力。

  2013年楼氏达到了30亿元人民币的收入，然后它就像被跳进了一个孙悟空的魔力圆圈，再也没有能跳出来，直到如今。也就是在这一年，楼氏电子对歌尔发起知识产权调查，就是从封装专利开始；而歌尔也迅速反击，一年之后，双方不仅握手言和，而且缔结了进一步的商务合作伙伴关系。中国低成本制造的优势，已经被证明是一种强大的核心竞争力。

  瑞声和歌尔已经证明了追赶成熟市场模式的可行性。在这个真无线亿的市场，中国第二波的挑战者慢慢的开始入场。既有去年刚刚上市的苏州敏芯，2020年收入达到了3.3亿，也有新锐力量福建西人马，后者在今年5月刚刚推出MEMS麦克风新品，作为国内采用垂直制造IDM模式经营的一家传感器企业，此公司的创新力很值得期待。而刚刚融资完毕的通用微GEMES公司，也在跃跃欲试。其设计的高端产品，将委托全球第二大MEMS代工厂赛微电子旗下的瑞典Silex，后者是中国传感器领域少见的一次并购。

  未来的神谕想弄清楚MEMS未来的格局，并不是特别容易。作为一个元器件，它无法自己发力，只能依赖智能产品的发展。

  美国TE似乎想更好地把握住自己的命运，它的方式是并购。作为传感器和连接器公司，其年收入为130亿美元，重点是在交通领域。2014年收购了美国MEAS公司、德国SMI等MEMS传感器公司。

  目前在压力传感器方面，TE已经表现了咄咄逼人的特性。虽然在汽车并不突出，但在消费的人领域却位居第三。而在工业和医疗领域等更下一点的市场，TE则排在第一位。它在2019年收购了德国FirstSensor，这是化工行业变压器最重要的传感器。这个举动，极大地刺激了中国仪表制造商。

  国内两大变送器企业，重庆川仪和北京远东罗斯蒙特，命门的钥匙都转到美国手里。

  MEMS永远是一头饥渴的野狼，它的任务就是开拓边疆。许多企业也开始行动起来。在振动检验测试领域，美国ADI公司正在加速发展，如高铁列车轴振动检测、电力设备运转，及数控机床的运作时的状态等。而它在无人机领域，结合卫星导航是一个新的兴奋点。同样道理，在智能农机也会是一个不错的战场。

  电子烟也是一个新兴市场。数字差压MEMS传感器，能轻松实现电子开关的气流检测，这一方面合肥微纳、歌尔、苏州敏芯和上海矽睿等都有布局。这一个市场，似乎更多是留给中国。

  还有MEMS时钟领域。美国SiTime公司，高达90%的市场占有率。作为一种全硅振荡器，它以高性能和低成本，全面取代传统石英振荡器产品。我们应该这样的计时来干什么？汽车已经证明了自己就是一台四轮超级计算机。而多样化的电子装置，决定了必须有步调一致的心跳系统。

  一辆汽车需要多达70个计时设备，大家耳熟能详的GPS和倒车摄像头之类的计时设备，其实都只是微不足道的刻度。无人驾驶汽车需要的精确计时，时间需要保持在十亿分之一秒。或者再想想，达芬奇手术刀在进行手术的时候，400多个传感器需要有惊人的一致性。这些，就是MEMS时钟惊心动魄的那一刻。而Sitime就在这些人类无法触及的时间刻度里，寻找着自己的市场空间。

  MEMS新品就像是田地里漫流的水流，它不断寻找着最小阻力的方向前进。既然在麦克风领域，已经有诸多公司，如TDK Invenense、英飞凌等，不断发布适用于此类语音应用的新型数字MEMS麦克风。而下一步的突破，则就是音箱。在过去的几年里，两家开发基于MEMS的微音箱(uSound，AudioPixels)，正在试图改变这项回响已久的古老技术。

  在2020年又有两家MEMS微音箱初创公司 (Arioso，xMEMS)冒出来，证明了人们对该领域的兴趣。也许老品牌博士音箱Bose也该发抖了。谁知道呢？全球音频巨头、传统四大HiFi品牌森海塞尔的消费者业务部门，就在这个月被出售。收购价格16亿元，可是它在2020年营收为20亿元。倒贴卖出去了，它就是倒在了全保真耳机TWS的刀下。现在或许要换成音箱了。

  但并不都是可以预测准确的。2002年光开光MEMS传感器，给人以巨大的希望。日本富士通和奥利巴斯，都热情洋溢地开发了取代机械开光的光开光新产品。然而十年之后，这条路走向了死胡同，它被证明意义不大。可以说，捕捉MEMS的未来，并不是一件容易的事情。但衰老的气息，却能提前闻到。而博世一定有这种危机感。

  汽车电气化给MEMS产业带来的是矛盾的消息。好消息是，电气化、无人驾驶为MEMS带来了更大的蛋糕。对于包含内燃机的混合动力汽车HEV，好消息继续，毕竟发动机需要用多个压力传感器。但是对于纯电动车，由于没内燃机，也没有了对动力传动系统传感器的需求。而汽车动力传动系统占据了MEMS压力传感器总需求量的51%。这在某种程度上预示着博世、英飞凌和日本电装，都必须提前刹车换道。

  当然还是有很多乐趣需要挖掘，例如边缘计算带来了嵌入式智能。博世今年刚发布了一款适用于可穿戴设备的传感器产品，内嵌人工智能芯片。还有更紧凑的封装需要，也许传感器另外一个类别图像传感器CMOS与MEMS的集成(CMOS-on-MEMS)也会蒸蒸日上。那占据当前全球CMOS一半市场的索尼，就可以坐收渔翁之利了。

  小记：智能的预言MEMS传感器是注定是一个被动者的角色，它的决胜空间并不能由自己决定。例如德州仪器TI的MEMS传感器由于局限在消费类投影应用，这让它多年业绩徘徊不前。它正在等待雷达平视显示器和智能前照灯这类市场的成熟，才能翻身迎来昔日曾经第一的荣光。等待，是常态。

  即使如此，MEMS传感器仍然是一种预言，万物有眼，剧透未来。MEMS厂家的一举一动，就像是一本关于未来产品的参考书，预示着各种可能的智能之路。（作者简介：林雪萍，北京联讯动力咨询公司总经理，天津大学精仪学院客座教授）

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