汽车电气化 | MEMS压力传感器走上穷途末路?

如需Yole《2021年MEMS压力传感器技术和市场趋势报告》(简版,英文,30P),请在传感器专家网公众号后台回复【MEMS压力传感器报告】获取下载链接。

导读:本文根据著名研究机构Yole Development,于4月份发布的《2021年MEMS压力传感器技术和市场趋势报告》整理所得。压力传感器作为传感器一大种类,在工业、生活中应用非常多,汽车更是少不了压力传感器。近些年,来自汽车的强劲需求推动了MEMS压力传感器的发展,并向手机、可穿戴设备等普及。

随着2021年疫情影响,消费低迷,汽车电气化普及,汽车MEMS压力传感器的发展将影响整个压力传感器行业,你做好准备了吗?

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汽车市场风险迫在眉睫


汽车市场仍在推动压力MEMS的收入增长,问题是能够持续多久?


压力传感器广泛应用于各行各业的众多应用领域。在过去几十年中,汽车行业一直是推动这些器件需求的主要行业之一,因为传统内燃机汽车及混合动力汽车中新系统的开发要求复杂的控制系统。


迄今为止,许多不同的传感技术已被用于测量汽车、工业、国防和航空航天以及其他恶劣环境中的压力。例如,金属基板上的应变计,以及使用陶瓷材料的电容式和压阻式传感器,用于感应几十或几百巴的压力。但是对于低于5-10巴的压力水平,传感元件变得相对较大且昂贵,这正是MEMS压力传感器大力渗透的领域。


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MEMS压力传感器上市时间


2019年,全球压力MEMS市场达到16.85亿美元,由于新冠疫情,预计到2020年将略微降至16.45亿美元。到2026年,整个市场预计将增长至22.14亿美元,复合年增长率为4%。


近年来,微型化、低功耗和成本效益使消费市场大幅增长,主要原因是智能手机、无人机、电子烟和白色消费品使用了压力MEMS气压计和高度表。这项技术将继续受到其他使用案例的青睐,例如911 e-call(紧急呼叫),因为现在所有美国智能手机都必须集成压力传感器,以实现精确的高度定位,提高智能手机、可穿戴应用和电子烟的连接率。


在医学应用中,压力MEMS的小型化使其可用于血压监测等侵入性应用。其他利基市场,如导管、心血管用充气设备监测,这些侵入性应用需要高精度、低成本的传感器,正在充分利用MEMS技术的优势,可能促进其在医疗市场的更广泛应用。


工业市场也值得关注。由于工业4.0和工厂自动化的推进,过程控制和智能仪表可能会带来良好的增长机会。


国防和航空航天压力MEMS占总市场的比例不到5%,增长缓慢,逐渐取代了旧技术。


最后,在汽车市场上,由于转向更环保的驾驶和更高的自主性,压力MEMS继续增加,以增强安全性级别。TPMS(轮胎压力监测系统)和中国国六排放标准将推动柴油和DPF(柴油微粒过滤器)/GPF(汽油微粒过滤器)、EVAP(蒸发排放控制系统)和EGR(废气再循环)应用在未来的增长。然而,一个风险迫在眉睫是,最近电池电动汽车(EV)的加速可能意味着传统内燃机(ICE)动力系统中压力传感器需求的减速。但新的应用可能出现,如电池中的热失控监测,有望实现显著增长。


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汽车市场充满变数


目前以及至少未来5-10年内,动力总成压力MEMS将保持适度增长。然而,最大的问题是,随着经典ICE动力总成的消亡,未来十年会发生什么?


MEMS压力传感器及其应用


MEMS(微电子机械系统)是一种半导体器件,包括微米/毫米范围内的运动部件,使用光刻工艺进行制造。MEMS压力传感器是一种将压力转换成电信号,用于测量气体或液体压力的装置。


MEMS压力传感器最早起源于汽车应用,近年来其他应用范围仍在不断扩大。绿色出行法规刺激了各种动力总成压力传感器的增长;由于e-call等新的使用案例蓬勃发展,消费类市场正在蓬勃发展;在医疗领域,压力传感器没有发生太大变化。


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MEMS压力传感器应用


目前看,胎压监测系统在中国的采用速度慢于预期,消费类压力MEMS有望上调,汽车发动机机油、自动变速器机油、EGR和HVAC需求下调;国防和航空航天市场已呈下行趋势,因为每架飞机的压力MEMS数量已经饱和。


MEMS传感器的供应链定位包括前端制造、后端制造、二级封装和系统。MEMS传感器芯片由硅制成(前端制造),通常与ASIC芯片组装,并封装在Tier 1封装中(后端制造)。二级封装增加了更多的电子元件、坚固的外壳和连接器。通常市场统计只考虑Tier 1封装的价值。


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压力传感器的供应链定位


MEMS技术的适用性和竞争者


MEMS技术的适用性主要按压力范围划分。由于低成本和小尺寸,MEMS技术无疑是低压应用的首选技术;在中压方面(<30-50巴),MEMS主要与陶瓷竞争;在高压方面与薄膜金属技术竞争,MEMS仅限于1000巴,而薄膜技术可以达到几千巴。


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主要压力传感器技术


低压应用主要有汽车(动力总成、安全)、消费者、医疗、航空电子设备空气数据,MEMS技术领先;中压应用包括汽车(动力总成、安全性、舒适性)、工业、航空电子设备;高压应用包括工业和航空电子设备。


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MEMS的适用应用


行业整合即将开始


作为一个历史上稳定的市场,除了最近的一些兼并和收购外,压力MEMS市场格局没有经历任何重大变化。过去两年中,Amphenol和TE Connectivity等大公司渴望加强其投资组合和协同效应。


当今三大压力MEMS厂商——博世、TE Connectivity和英飞凌——已经建立了良好的基础,技术先进,运营规模巨大。它们占据了16.45亿美元总市场的近一半。


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2020年按终端市场排名的头部企业


博世和英飞凌在过去一直是领导者。博世在汽车和消费市场拥有强大的影响力,英飞凌主要在汽车市场。由于收购了SMI和First Sensor,TE Connectivity在医疗和工业市场上获得了巨大的压力MEMS能力,排名上升,拥有多元化的产品组合。这些市场领导者产品因市场而异,大家都有各自的地盘。



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2020年MEMS压力传感器公司收入


此外,在过去几年中,压力MEMS公司没有获得任何新的重大资金。这是合理的,因为压力MEMS是一种传统器件,已经存在了30多年,且MEMS在资本和技术方面对新来者有很高的进入壁垒。人们不禁要问,这样一个成熟市场的整合是否会继续,规模较小的企业是否会不断被大型企业集团收购?


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压力传感器生态系统


无压力汽车世界的差异化战略


MEMS行业在未来五年内可能只会略有增长,好日子可能不过10年。然而,由于ICE动力系统中汽车压力MEMS的消失,它正处于即将下降的边缘。目前,既有ICE动力又有电力动力的混合动力汽车的激增不是威胁,而处在最佳点。由于经典ICE的存在,混合电动汽车仍然需要压力MEMS。


但10年以后,纯电动汽车将开始KO混合动力和ICE汽车,这可能成为压力传感器制造商的一个拐点。


在10-15年内,每年有超过1亿颗动力总成压力MEMS消失的风险。活跃在这一领域的制造商和主要利益相关者还有几年的时间来评估形势并作出反应。因此,必须尽快作出决定。公司的目标市场是否会远离汽车?或者会寻找新的应用和新的用例?会将战略转向其他类型的传感器?或者他们会进行收购,导致市场和能力的整合?


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MEMS压力传感器公司的未来汽车战略


电气化是否意味MEMS压力传感器的终结?


随着汽车行业电动汽车取代ICE汽车,MEMS压力传感器的主导地位可能受到威胁。电气化将减少混合动力车型中的许多“传统”应用,并在全电动汽车中完全灭掉这些应用。


如今,车辆安全和舒适系统中有多个MEMS压力传感器。在ICE中,其主要用于动力传动系的许多部分;在混合动力汽车中,由于ICE始终存在,其作用基本一样,但从长远来看,全电动系统将没有这个部分。制造商、供应商和集成商可能需要考虑多样化或替代应用,以便在长期生存。


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车辆中的MEMS压力传感器对比


MEMS压力传感器是最早开发的MEMS器件之一,现在与惯性传感器(加速度计和陀螺仪)、麦克风及RF MEMS传感器共享这一领域。2020年,MEMS压力传感器收入占全球115亿美元MEMS市场总额近15%。


如今,MEMS压力传感器被用于消费类设备(智能手机和可穿戴设备)、工业系统(HVAC、过程控制和运输)、医疗设备(血压监测器和呼吸设备)、航空航天和国防(用于高度和数据)以及汽车应用。


汽车一直是主要市场,主动和被动安全系统都在使用,如胎压监测系统、制动助力器和侧气囊及HVAC和汽车座椅中,以提高乘客舒适度。最近,其在混合动力汽车和电动汽车中发现了一种新的应用,即电池监测系统(BMS)中监测电池热失控,而大多数还是用于车辆动力传动系:用于BAP(不良行为预防)、MAP(绝对压力)、颗粒过滤器、燃油箱蒸发、EGR和监测自动变速器油位。


2020年,除医疗市场外,MEMS压力传感器所有市场都有所减少。疫情导致汽车和飞机生产减少。同样,随着制造量的收缩,消费设备生产和工业设备新订单也有所放缓。医疗设备同比增长16%,收入从2019年的2.92亿美元增至2020年的3.39亿美元。这部分是因为呼吸设备和呼吸机的产量增加,每台设备使用2到5个压力传感器。家庭医疗也在增加,以支持社交距离,导致日常检查在家中进行,如使用MEMS压力传感器的血压监测仪。这种护理点(PoC)方法是一种更广泛的医疗行业趋势,使监测更接近患者。


2019-2020年,整个MEMS压力传感器市场减少了2.4%,预计到2026年,所有市场都将反弹,2020-2026年的复合年增长率为5.1%,超过2019年16.85亿美元的总市值,达到22.14亿美元。


汽车仍将是MEMS压力传感器的最大市场,2020-2026年的复合年增长率为3.4%。在此期间,预计新车市场仍以ICE为主,占70%,领先于19%的混合动力和11%的全电动汽车。然而,长期预测是,到2030年,一半新车将是全电动汽车,另外30%是混合动力,20%是内燃机。


全电动汽车不需要配备动力传动系传感器来监测发动机压力。这杀死了许多MEMS压力传感器,尽管在电池冷却系统和BMS中还有监测电池单元热失控的应用。


2020年,ICE汽车行业占市场的92%,有2.5亿颗MEMS压力传感器单元。尽管预计2025年市场份额将下降到70%,但随着汽车产量从2020年的7700万辆增加到2025年的1.05亿辆,ICE将占据2.8亿颗MEMS压力传感器。在此期间,电动汽车的市场份额预计将从2020年的2%增加到2025年的11%,混合动力汽车将从6%增加到同期的19%。


ICE和混合动力汽车份额一直远高于电动汽车,对MEMS压力传感器的需求将持续。然而,长期预测显示,到2030年,电动汽车和混合动力汽车将各自占据30%的市场份额,分别只需要700万和1.4亿颗压力传感器单元。预计到2030年,ICE市场份额将缩减至40%,只需要2.1亿颗MEMS压力传感器。进一步预测,随着电动汽车普及速度的加快,每年可能会损失数千万颗MEMS压力传感器。到2035年,很容易失去50%市场份额(只需要2000万颗MEMS压力传感器),预计2035年市场份额为30%,需要1.4亿颗MEMS压力传感器。到ICE占20%市场份额时,只需要1亿颗MEMS压力传感器。


未来机会在哪里?


MEMS压力传感器市场很分散,前三大公司在2020年占了总市场的近一半。博世以21%的市场份额领先,并作为传感器和Tier 1模块制造商在汽车和消费品市场拥有强大的影响力。TE Connectivity也是一家模块制造商,拥有16%的市场份额,在工业和医疗市场占有重要地位。传感器制造商英飞凌的重点是汽车和消费,拥有11%的市场份额。


对于传感器制造商和汽车Tier 1模块制造商(例如Melexis、意法半导体、Sensata、电装、大陆等),向全电动汽车过渡可能会使其调查其他市场,转向多样化,因为他们会考虑电气化导致的三个可能情况。


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动力系统MEMS压力传感器的长期走势


在第一种情况下,电动汽车BMS行业将引入新的应用,例如监测热失控、蓄电池冷却液液位和车辆蓄电池中单个蓄电池单元的多个压力传感器。第二个结果可能是,压力传感器在热失控应用中使用有限,因为电池制造标准的改进提高了安全水平,且为BMS指定了其他传感器类型。最后一种最坏的情况是,随着对ICE动力系统的侵蚀,对MEMS压力传感器的需求急剧下降,且不会被替代用例所取代。


随着传统业务路线的缩减,一些公司可能采取其他行动来缓解单位销售额下降的影响。例如考虑新的应用,可能会在其产品组合中增加另一个元素,比如Sensata最近收购了BMS公司Limition Balance。


在工业部门和医疗设备中也可能有新兴应用出现,例如用于工业物联网的智能仪表和用于医疗的智能吸入器。在消费市场中,可穿戴设备中可能会进一步使用压力传感器进行定位和导航。


一些公司也可能考虑超越传感器产品,如数据服务和远程信息处理。这方面的一个例子是Sensata最近收购了数据分析公司Xirgo,以便从传感器数据中提供可操作的见解。


大型企业可以剥离零部件,或通过投资其他中继技术实现多元化。这方面的一个例子是2019年大陆集团拆分了动力总成事业部成为Vitesco Technologies,它为所有类型的车辆开发动力传动系技术。


未雨绸缪


ICE车辆的逐步淘汰将是一个渐进的过程,这将或多或少地影响MEMS压力传感器公司。长远的观点是,企业现在还有机会考虑一个没有ICE车辆的市场策略,寻求被证实的技术和新的收入流的替代用途。正如杰明·富兰克林所说:“不做好准备,就是在准备失败”,因此,现在是采取行动的时候了。

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