MEMS 这一概念在国际上尚未有统一的名称和定义,美国、欧洲和日本根据其各自的发展特点而命名。美国称之为 Micro-Electro-Mechanical System,即微机电系统,根据其在半导体集成电路工艺技术基础上延伸和拓展而来的,这是目前广为使用的名称。欧洲则更强调系统的观点,即如何将多个微型化的传感器、执行器、处理电路等元部件集成为一个智能化的有机整体,因此称之为 Microsystem,即微系统。日本则根据其在精密机械加工方面的传统优势,称之为 Micromachine,即微机械。


MEMS 是微电子与精密机械加工技术相结合的产物,涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术,而 MEMS 传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是 MEMS 系统的重要分支。

 

MEMS 传感器以其优异的性能,如体积小、重量轻、成本低、功耗低、灵敏度高、可批量化生产、易于集成和实现智能化等特点,逐步取代传统机械传感器而占据主导地位。目前 MEMS 传感器主要应用在消费电子、汽车电子、航空航天、工业控制、医疗健康等领域,未来物联网产业将是 MEMS 传感器应用的重要领域。


专利是人类科学技术成果的重要体现,反映了最新科技发明、创造和设计。通过对专利数据的分析,可以明确产业领域的技术发展现状、该领域内国内外知名企业研发重点和核心技术情况。通过专利分析,可以明确我国在某个领域内存在的技术问题,有助于政府及企业更好的布局。


目前,国内外关于对 MEMS 传感器的专利分析文章越来越多,Polesello 等以欧洲专利局的数据为基础,分析了 MEMS 相关技术的发展情况。梁琴琴等以美国科学情报研究所的德温特专利数据库为基础,分析了 2000-2014 年全球 34 个国家及地区 MEMS 传感器发展情况。张运鸿等从物联网产业角度出发,分析了 2008-2011 年间德温特专利数据库中 MEMS 传感器技术发展情况。


1 数据来源及分析方法
本文通过 Orbit 数据库,共检索全球 106 个国家、地区及世界知识产权组织专利数据。为了检索的准确性和全面性,共进行三次检索。检索式为 MEMS 传感器、MEMS Sensor、微机电系统 、Micro-Electro-Mechanical System 、Micro system 、微系统技术、Micro machine 、微机械、Micro & Nano 技术、Microsensor,通过初次检索扩查看 IPC 分类号,根据同一类的 IPC 号进行二次筛选,再由不同类的 IPC 号进行第三次筛选得出最终结果。检索时间为 2017 年 9 月 26 日,专利检索范围为 1997-2017 年。通过 Orbit 数据库共找到 2000 年至 2017 年间收录专利组有 122061 个。


2 专利态势分析
2.1 优先权年分析

1997 年至 2017 年间公开的 MEMS 传感器相关专利优先权年分布情况如下图 1 所示,可以看出全球每年申请的相关专利势态良好,尤其在 2000 年以后。根据文献报道可知 MEMS 传感器的发展分为三个阶段:


第一次 MEMS 传感器浪潮是 20 世纪 90 年代开始的,收益于汽车安全系统的驱动,MEMS 传感器迎来了飞速发展,从图 1 可以看出,从 1997 年至 2000 年 MEMS 传感器专利增长迅速。第二次浪潮是 2000 年开始,受益于消费电子,全球 MEMS 传感器专利申请量最高达到 8000 件。随着物联网产业的发展,MEMS 传感器迎来第三次浪潮。由图2、图3可以看出,前十名 MEMS 传感器专利申请国中,以美国最为突出,1997 年至 2017 年专利的申请量达到 7.5 万件,占比 24%。第二名是日本,专利量为 5 万件,占比 16%。我国占据第三位,尤其在近几年,专利申请飞速增长,占比 15%。第四名是世界知识产权组织(WO),专利量将近 3 万件,占比 9%。第五名是韩国,专利量占比 9%,第六名为欧洲,专利量占比 7%。

 

图 1 MEMS 传感器专利优先权年分布情况

 

图 2 全球主要国家(地区)MEMS 专利优先权年分布情况

 

图 3 全球主要国家(地区)MEMS 专利数量占比情况

2.2 专利权人分析
MEMS 传感器专利数量领先的前 20 名公司如图 4 所示,分别是韩国三星电子公司、日本精工爱普生公司、日本东电电子公司、日本松下电器产业株式会社、台湾积体电路制造股份有限公司(简称台积电)、美国应用材料公司、德国罗伯特·博世有限公司(Bosch)等。MEMS 专利公司主要来自日本、韩 国、美国及德国。虽然我国 MEMS 传感器的专利数量排名第三,总体上具有优势,但是除了台积电之外,在 MEMS 传感器上的专利布局的龙头公司几乎没有,说明我国在 MEMS 传感器上的发展较日本、韩国、美国及德国等还有一定差距。

 

图 4 在 MEMS 专利数量上领先的前 20 家公司


由图 5 可以看出,前 20 名公司在专利布局的趋势基本一致,1997 年至 2006 年,专利申请量呈逐年上升势态,受益于 MEMS 传感器在汽车电子中的大规模应用,在 2006 年之后其在汽车电子上的应用基本趋于饱和,因此 2006 年至 2010 年企业在 MEMS 传感器的申请量略有下降。自 2010 年后,MEMS 传感器在消费电子上的应用开始爆发,故 2010 年至 2014 年企业在 MEMS 传感器的申请量呈现小幅度上升趋势,但是在 2014 年后其在消费电子的应用也将近饱和,因此 2014 年至 2017 年呈下降趋势。这与文献报道的 MEMS 传感器的发展浪潮趋势相一 致,未来随着新型产业如物联网、智能制造、无人驾驶、智慧医疗及智能机器人等下游应用端的商业化进程,MEMS 传感器将迎来第三次浪潮。

 

图 5 前 20 名公司专利优先权年分布情况


2.3 技术领域分析
进一步分析 MEMS 传感器技术的 IPC 按小类的分布情况,表 1 列出了专利数量排在前 15 位的小类。可以看出,排在第一名是 H01L 小类,专利量共有 62718 项;第二名是 G02B,专利量为 22733 项;第三名是 B81C,专利量为 14054 项。其中属于 G 部的最多,体现了 MEMS 传感器的工作原理及测量对象。其次为 H 部,体现了 MEMS 传感器的所属领域。再次为B部,体现了 MEMS 传感器的制备方法、装置和系统。


表 1 MEMS 传感器专利 IPC 小类分析

 


3 结论
本文通过对全球范围内优先权年为 1997-2017 年期间,MEMS 传感器专利的优先权年、专利权人及技术领域的分析研究,得出如下结论:


(1)通过对专利优先权年的分析可以看出,MEMS 传感器受益于汽车电子及消费电子的发展,专利数量自 1997 年开始快速增长,2000 年后申请数量开始保持在相对平稳的状态,而近几年尤其在 2016 年后,MEMS 传感器专利数量开始明显下降,这是由于 MEMS 在汽车电子及消费电子领域的应用已趋于饱和,而新增产业如物联网的应用还没有形成规模。未来随着物联网产业的发展,MEMS 传感器将迎来新一轮的发展高峰。


(2)通过对 MEMS 专利主要国家及地区的分析可以看出,MEMS 传感器申请量主要集中在美国、日本、中国及世界知识产权组织等。虽然我国的专利数量占据全球第三的位置,但是专利质量较差,核心专利较少。建议我国企业及研发机构加大 MEMS 传感器技术领域的研发力度及国际专利的申请。


(3)通过对 MEMS 传感器专利权人的分析可以看出,规模以上的企业有韩国三星电子、日本爱普生、美国应用化学、德国博世等公司,这些公司掌握了 MEMS 传感器的核心技术,并占据全球 MEMS 传感器市场主要份额。我国仅有台积电(中国台湾)上榜,主要是因为我国 MEMS 传感器专利集中在高校、研究所等单位,产业化程度不高。同时企业自主研发能力薄弱,政府对 MEMS 传感器产业的支持力度有限,这些因素制约了 MEMS 传感器的发展。随着近几年下游应用端的发展,MEMS 传感器受到政府及企业的重视。政府以基金或项目的方式在资金或政策上基于 MEMS 传感器的支持,企业也通过收购、并购、交流合作等方式布局 MEMS 传感器,如国家集成电路产业投资基金出资 20 亿人民币助力耐威科技布局 8 英寸 MEMS 代工线。未来建议企业与高校或研究所加强产学研合作,建议政府大力支持下,加紧在 MEMS 传感器领域的布局。


未来 MEMS 传感器将是物联网、智能制造、智能机器人、智慧医疗及无人驾驶等领域实现的重要条件,随着下游应用的发展,MEMS 传感器将迎来发展高峰。