1997-2017年全球MEMS傳感器專利分析

MEMS這一概念在國際上尚未有統(tǒng)一的名稱和定義，美國、歐洲和日本根據(jù)其各自的發(fā)展特點(diǎn)而命名。美國稱之為Micro-Electro-Mechanical System，即微機(jī)電系統(tǒng)，根據(jù)其在半導(dǎo)體集成電路工藝技術(shù)基礎(chǔ)上延伸和拓展而來的，這是目前廣為使用的名稱。歐洲則更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，即如何將多個(gè)微型化的傳感器、執(zhí)行器、處理電路等元部件集成為一個(gè)智能化的有機(jī)整體，因此稱之為Microsystem，即微系統(tǒng)。日本則根據(jù)其在精密機(jī)械加工方面的傳統(tǒng)優(yōu)勢，稱之為 Micromachine，即微機(jī)械。

MEMS是微電子與精密機(jī)械加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，涉及電子、機(jī)械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，而MEMS傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器，是MEMS系統(tǒng)的重要分支。MEMS傳感器以其優(yōu)異的性能，如體積小、重量輕、成本低、功耗低、靈敏度高、可批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)，逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器而占據(jù)主導(dǎo)地位。目前MEMS傳感器主要應(yīng)用在消費(fèi)電子、汽車電子、航空航天、工業(yè)控制、醫(yī)療健康等領(lǐng)域，未來物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將是MEMS傳感器應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

專利是人類科學(xué)技術(shù)成果的重要體現(xiàn)，反映了最新科技發(fā)明、創(chuàng)造和設(shè)計(jì)。通過對(duì)專利數(shù)據(jù)的分析，可以明確產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、該領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)外知名企業(yè)研發(fā)重點(diǎn)和核心技術(shù)情況。通過專利分析，可以明確我國在某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)存在的技術(shù)問題，有助于政府及企業(yè)更好的布局。

目前，國內(nèi)外關(guān)于對(duì)MEMS傳感器的專利分析文章越來越多，Polesello等以歐洲專利局的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了MEMS相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況。梁琴琴等以美國科學(xué)情報(bào)研究所的德溫特專利數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，分析了2000-2014年全球34個(gè)國家及地區(qū)MEMS傳感器發(fā)展情況。張運(yùn)鴻等從物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)角度出發(fā)，分析了2008-2011年間德溫特專利數(shù)據(jù)庫中MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展情況。

1 數(shù)據(jù)來源及分析方法

本文通過Orbit數(shù)據(jù)庫，共檢索全球106個(gè)國家、地區(qū)及世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織專利數(shù)據(jù)。為了檢索的準(zhǔn)確性和全面性，共進(jìn)行三次檢索。檢索式為MEMS傳感器、MEMS Sensor、微機(jī)電系統(tǒng) 、Micro-Electro-Mechanical System 、Micro system 、微系統(tǒng)技術(shù)、Micro machine 、微機(jī)械、Micro & Nano技術(shù)、Microsensor，通過初次檢索擴(kuò)查看IPC分類號(hào)，根據(jù)同一類的IPC號(hào)進(jìn)行二次篩選，再由不同類的IPC號(hào)進(jìn)行第三次篩選得出最終結(jié)果。檢索時(shí)間為2017年9月26日，專利檢索范圍為1997-2017年。通過Orbit數(shù)據(jù)庫共找到2000年至2017年間收錄專利組有122061個(gè)。

2 專利態(tài)勢分析

2.1 優(yōu)先權(quán)年分析

1997年至2017年間公開的MEMS傳感器相關(guān)專利優(yōu)先權(quán)年分布情況如下圖1所示，可以看出全球每年申請的相關(guān)專利勢態(tài)良好，尤其在2000年以后。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道可知MEMS傳感器的發(fā)展分為三個(gè)階段：

第一次MEMS傳感器浪潮是20世紀(jì)90年代開始的，收益于汽車安全系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，MEMS傳感器迎來了飛速發(fā)展，從圖1可以看出，從1997年至2000年MEMS傳感器專利增長迅速。第二次浪潮是2000年開始，受益于消費(fèi)電子，全球MEMS傳感器專利申請量最高達(dá)到8000件。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，MEMS傳感器迎來第三次浪潮。由圖２、圖３可以看出，前十名MEMS傳感器專利申請國中，以美國最為突出，1997年至2017年專利的申請量達(dá)到7.5萬件，占比24%。第二名是日本，專利量為5萬件，占比16%。我國占據(jù)第三位，尤其在近幾年，專利申請飛速增長，占比15%。第四名是世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WO），專利量將近3萬件，占比9%。第五名是韓國，專利量占比9%，第六名為歐洲，專利量占比7%。

圖1 MEMS傳感器專利優(yōu)先權(quán)年分布情況

圖2 全球主要國家（地區(qū)）MEMS專利優(yōu)先權(quán)年分布情況

圖3 全球主要國家（地區(qū)）MEMS專利數(shù)量占比情況

2.2 專利權(quán)人分析

MEMS傳感器專利數(shù)量領(lǐng)先的前20名公司如圖4所示，分別是韓國三星電子公司、日本精工愛普生公司、日本東電電子公司、日本松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社、***積體電路制造股份有限公司（簡稱臺(tái)積電）、美國應(yīng)用材料公司、德國羅伯特·博世有限公司（Bosch）等。MEMS專利公司主要來自日本、韓 國、美國及德國。雖然我國MEMS傳感器的專利數(shù)量排名第三，總體上具有優(yōu)勢，但是除了臺(tái)積電之外，在MEMS傳感器上的專利布局的龍頭公司幾乎沒有，說明我國在MEMS傳感器上的發(fā)展較日本、韓國、美國及德國等還有一定差距。

圖4 在MEMS專利數(shù)量上領(lǐng)先的前20家公司

由圖5可以看出，前20名公司在專利布局的趨勢基本一致，1997年至2006年，專利申請量呈逐年上升勢態(tài)，受益于MEMS傳感器在汽車電子中的大規(guī)模應(yīng)用，在2006年之后其在汽車電子上的應(yīng)用基本趨于飽和，因此2006年至2010年企業(yè)在MEMS傳感器的申請量略有下降。自2010年后，MEMS傳感器在消費(fèi)電子上的應(yīng)用開始爆發(fā)，故2010年至2014年企業(yè)在MEMS傳感器的申請量呈現(xiàn)小幅度上升趨勢，但是在2014年后其在消費(fèi)電子的應(yīng)用也將近飽和，因此2014年至2017年呈下降趨勢。這與文獻(xiàn)報(bào)道的MEMS傳感器的發(fā)展浪潮趨勢相一 致，未來隨著新型產(chǎn)業(yè)如物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、無人駕駛、智慧醫(yī)療及智能機(jī)器人等下游應(yīng)用端的商業(yè)化進(jìn)程，MEMS傳感器將迎來第三次浪潮。

圖5 前20名公司專利優(yōu)先權(quán)年分布情況

2.3 技術(shù)領(lǐng)域分析

進(jìn)一步分析MEMS傳感器技術(shù)的IPC按小類的分布情況，表1列出了專利數(shù)量排在前15位的小類?？梢钥闯觯旁诘谝幻荋01L小類，專利量共有62718項(xiàng)；第二名是G02B，專利量為22733項(xiàng)；第三名是B81C，專利量為14054項(xiàng)。其中屬于G部的最多，體現(xiàn)了MEMS傳感器的工作原理及測量對(duì)象。其次為H部，體現(xiàn)了MEMS傳感器的所屬領(lǐng)域。再次為Ｂ部，體現(xiàn)了MEMS傳感器的制備方法、裝置和系統(tǒng)。

表1 MEMS傳感器專利IPC小類分析

3 結(jié)論

本文通過對(duì)全球范圍內(nèi)優(yōu)先權(quán)年為1997-2017年期間，MEMS傳感器專利的優(yōu)先權(quán)年、專利權(quán)人及技術(shù)領(lǐng)域的分析研究，得出如下結(jié)論：

（1）通過對(duì)專利優(yōu)先權(quán)年的分析可以看出，MEMS傳感器受益于汽車電子及消費(fèi)電子的發(fā)展，專利數(shù)量自1997年開始快速增長，2000年后申請數(shù)量開始保持在相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)，而近幾年尤其在2016年后，MEMS傳感器專利數(shù)量開始明顯下降，這是由于MEMS在汽車電子及消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用已趨于飽和，而新增產(chǎn)業(yè)如物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用還沒有形成規(guī)模。未來隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，MEMS傳感器將迎來新一輪的發(fā)展高峰。

（2）通過對(duì)MEMS專利主要國家及地區(qū)的分析可以看出，MEMS傳感器申請量主要集中在美國、日本、中國及世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織等。雖然我國的專利數(shù)量占據(jù)全球第三的位置，但是專利質(zhì)量較差，核心專利較少。建議我國企業(yè)及研發(fā)機(jī)構(gòu)加大MEMS傳感器技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)力度及國際專利的申請。

（3）通過對(duì)MEMS傳感器專利權(quán)人的分析可以看出，規(guī)模以上的企業(yè)有韓國三星電子、日本愛普生、美國應(yīng)用化學(xué)、德國博世等公司，這些公司掌握了MEMS傳感器的核心技術(shù)，并占據(jù)全球MEMS傳感器市場主要份額。我國僅有臺(tái)積電（中國***）上榜，主要是因?yàn)槲覈鳰EMS傳感器專利集中在高校、研究所等單位，產(chǎn)業(yè)化程度不高。同時(shí)企業(yè)自主研發(fā)能力薄弱，政府對(duì)MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的支持力度有限，這些因素制約了MEMS傳感器的發(fā)展。隨著近幾年下游應(yīng)用端的發(fā)展，MEMS傳感器受到政府及企業(yè)的重視。政府以基金或項(xiàng)目的方式在資金或政策上基于MEMS傳感器的支持，企業(yè)也通過收購、并購、交流合作等方式布局MEMS傳感器，如國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金出資20億人民幣助力耐威科技布局8英寸MEMS代工線。未來建議企業(yè)與高校或研究所加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，建議政府大力支持下，加緊在MEMS傳感器領(lǐng)域的布局。

未來MEMS傳感器將是物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、智能機(jī)器人、智慧醫(yī)療及無人駕駛等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的重要條件，隨著下游應(yīng)用的發(fā)展，MEMS傳感器將迎來發(fā)展高峰。