MEMS陀螺儀技術專利態勢分析

于金平 廉莉莉 / 工業和信息化部電子知識產權中心

MEMS陀螺儀技術專利態勢分析

于金平 廉莉莉 / 工業和信息化部電子知識產權中心

MEMS陀螺儀具有體積小、功耗低等多種優勢，在消費電子、生物醫療和工業領域具有廣泛應用。隨著我國在MEMS傳感器領域技術水平以及市場份額的提高，專利布局從應用向核心技術領域轉移，以歌爾聲學、瑞聲科技為代表的中國MEMS傳感器廠商崛起，知識產權風險日益突顯。本文對MEMS陀螺儀全球以及中國專利數據進行全面分析，深入研究該項技術的發展現狀和趨勢，技術研發和應用熱點，以及行業內主要競爭者的研發動態和專利策略，為我國MEMS產業政策的制定提供參考，為行業內的企業和科研機構利用專利信息進行技術研發、制定知識產權競爭策略、規劃專利布局提供支撐。

引言

MEMS陀螺儀是利用振動質量塊被基座(殼體)帶動旋轉時的哥氏效應來傳感角速度的原理制成，具有體積小、功耗低等多種優勢。MEMS陀螺儀的研究始于20世紀80年代，經過幾十年的研究國外相關技術已經比較成熟，眾多科研單位及企業如美國Draper實驗室、ADI公司、德國Bosch公司、日本Toyota公司已有商業化產品。我國MEMS技術研究正在積極開展，在基礎理論、加工技術和工程應用等方面已經取得了明顯的進步。隨著MEMS傳感器在消費電子、生物醫療和工業領域的廣泛應用，知識產權訴訟頻發。在近三年總共58起針對我國的337調查中已有2起與傳感器有關，隨著我國在MEMS傳感器領域技術水平以及市場份額的提高，專利布局從應用向核心技術領域轉移，以歌爾聲學、瑞聲科技為代表的中國MEMS傳感器廠商崛起，知識產權風險日益突顯。

圖1 1. 數據說明：全球申請指全球范圍內的專利申請；在華申請指全球申請人在中國的專利申請。數據拐點分析：1、技術因素：MEMS技術最早始于1959年，MEMS陀螺儀技術的發展與MEMS技術發展密切相關，真正的MEMS陀螺儀技術在20世紀80年代才出現；2、經濟因素：經濟危機不僅會導致股市縮水，同樣也會逼迫各個企業壓縮各項開支（包括研發投入），最近的四大危機：1990～1992年海灣戰爭導致的經濟衰退；1997～1998年亞洲金融風暴；2000～2002年美國新經濟危機；2007年～2008年美國次貸危機。經濟危機帶給專利申請量的影響會有一定時間延遲；3、世界貿易因素，2001年年底，中國正式加入WTO，從此全面實施了保護知識產權的TRIPS協議；4、中國的政治因素：中國在“十一五“規劃、“十二五”規劃、中長期科技規劃、振興裝備制造業規劃、國家知識產權戰略綱要中制定了一系列的激勵政策。全球MEMS陀螺儀專利申請趨勢

一、全球MEMS陀螺儀專利態勢

截止到2012年12月31日，全球MEMS陀螺儀領域的專利申請總量為7,329件2.由于專利申請公開存在滯后性，2013年及2014年提交的發明專利申請大部分尚未公開，本文重點研究2012年及之前公開的專利，下同。。MEMS陀螺儀領域專利申請整體呈增長態勢（圖1），最早的MEMS陀螺儀專利為HUGHES AIRCRAFT 公司申請的有關MEMS工藝的專利，此后的近20年，MEMS陀螺儀專利申請的數量緩慢增長，1995年申請量開始大幅攀升，2004—2007年出現了短期的回落，2008年以后又進入快速增長期。MEMS陀螺儀的結構設計、檢測原理、封裝技術以及工藝技術趨于成熟，器件的應用范圍不斷擴大。

圖 2 全球MEMS陀螺總體申請人排名分析（按項）

從申請量上來看（圖2），前15名申請人中美國占據了6位，且該6位申請人均為企業，其中霍尼韋爾和ADI公司的申請量遙遙領先。中國在前15名申請人中占據了4位，其中3位為大學，1位為研究機構，雖然中國地區的申請人在全球TOP15中的比例較高，但是產業化程度遠遠低于美國，研究機構在理論和實驗方面取得了顯著進步，但在商業化方面，還有很大差距。

歐洲地區在MEMS陀螺儀領域比較卓越的專利權人為法國原子能委員會，在MEMS陀螺儀領域有83件相關專利申請，突顯出法國對于MEMS陀螺儀研發的重視。在日韓地區，以三星、索尼和松下為主要專利權人，出于對電子領域全產業鏈的打造和對于消費電子的重視，三星等企業在近幾年加大了對MEMS陀螺儀的專利申請布局。

MEMS陀螺儀技術可分為原理結構、加工工藝、封裝、測試、材料及電路等六個方面（圖3）。其中以原理結構、封裝和工藝為最主要部分，所占比例達到MEMS陀螺儀技術總體的85%，材料和電路所占比例最低3.對于MEMS陀螺器件相關的材料專利本課題只限定在與MEMS陀螺結構相關的專利，有關MEMS技術相關的普通單晶硅、多晶硅等材料專利未包括在本研究范圍內。。考慮到專利申請保護范圍的因素，很多MEMS陀螺儀相關專利申請涉及原理及封裝、工藝及封裝等多種交叉技術。通過分析可知，MEMS陀螺儀交叉技術相關的專利為157件，其中以原理和工藝的交叉專利為最多，所占比例為58%，其次是原理和封裝的交叉技術專利，隨著MEMS陀螺儀技術與集成電路技術的融合發展，以后交叉技術相關專利的比例會越來越高。

圖3 全球MEMS 陀螺專利技術領域分布

二、中國MEMS陀螺儀專利態勢

截止到2012年12月31日，中國地區受理的MEMS陀螺儀領域的專利申請總量為2,456件。MEMS陀螺儀領域專利申請量整體呈增長態勢（圖4），中國最早的MEMS陀螺儀專利出現于1985年，但直到1999年，專利申請量一直很低，且實用新型專利占主要部分，目前大部分已經失效。從2000年開始，中國MEMS陀螺儀的專利申請量進入快速增長期，與全球MEMS陀螺儀專利申請平穩發展的態勢形成對比。

圖4 中國MEMS陀螺儀申請趨勢

在MEMS陀螺儀領域，中國的本土申請人申請的專利為1,786件，達到總量的72%（圖5）。國外申請人中主要以美國為主，比例達到了42%，突顯出美國企業對于中國市場的重視。其次是日本和德國，所占比例分別是16%和14%。美國的主要申請人包括高通、飛思卡爾、IBM等，德國的主要申請人是博世。

圖5 中國MEMS陀螺儀專利技術來源分析

我國在近十年非常重視MEMS陀螺儀技術的研發和應用，通過一系列政策引導產業發展，并通過建立無錫物聯網基地，為MEMS產業的發展搭建良好的基地環境。我國中電十三所、航天科技704所等軍工單位，在近幾年加大了對MEMS陀螺儀的研發、有關國防、航空航天的MEMS陀螺儀專利申請量持續上升，為我國的軍事電子、航空航天技術的發展奠定了良好的技術基礎。

同時，MEMS陀螺儀作為軍民兩用技術，在中國地區的技術分布更側重于在車輛船舶領域，相比全球MEMS陀螺儀技術廣度分布，中國地區的MEMS陀螺儀專利在消費電子和生物醫療領域還有很大的發展空間（圖6）。整體來講，中國地區MEMS陀螺儀專利分布的廣度較高，在各個產業發展中扮演著越來越重要的角色。

圖6 中國地區MEMS陀螺儀應用相關專利領域分布

MEMS陀螺儀領域中國地區前20名申請人中有14家本土申請人（圖7），主要以大學和研究機構為主，以上海交通大學、東南大學和北京大學最為突出；而企業僅有申迪半導體一家，申迪半導體成立于2008年8月，是由美國留學歸國人員創立的中國首家設計、生產商用MEMS陀螺儀系列慣性傳感器的MEMS芯片公司。在前20名申請人中，有6家為外資企業，其中以博世在中國布局的專利最多，達到了55件，其次是高通、財團法人工業技術研究院、臺積電、IBM和飛思卡爾。

圖7 中國MEMS陀螺儀主要申請人分析

三、MEMS陀螺儀可靠性專利分析

本文通過MEMS陀螺儀的可靠性參數和專利強度篩選了MEMS陀螺儀領域的重點專利。其中可靠性參數主要包括MEMS陀螺儀在惡劣環境、極端條件下工作的性能要求，包括：零溫漂、抗振動、抗粘連、壽命、耐高溫低溫、電磁屏蔽、MEMS與CMOS的集成、高性能等。專利強度的評估依據包括：專利的引用次數及被引用次數、專利同族、專利維持時間、專利權利要求的數量等。

經過篩選，獲得可靠性相關專利329項。這些重點專利主要集中在MEMS陀螺儀的原理及結構設計方面，專利數量為203件，所占比例高達62%。其次是有關MEMS封裝和工藝的相關專利，所占比例分別為11%和15%（圖8）。

圖8 MEMS陀螺儀可靠性專利技術分布

在主要競爭者方面，霍尼韋爾不論在專利數量還是專利質量上都是領先者（圖9），緊隨其后的是美國查爾斯實驗室有限公司，其是服務于美國的非營利機構，在航天系統所需的制導、導航與控制技術設備的設計、研制和技術支持方面有突出實力，并開發容錯航空電子設備、實時嵌入式軟件、電源與控制裝置和精確指向與跟蹤技術，供各類航天系統使用。BAE系統公司在MEMS陀螺儀領域專利也有著較強的影響力。在中國申請人中，西安中星測控和北京航空航天大學有一定的專利申請。

圖9 MEMS陀螺儀可靠性專利主要競爭者

從重點專利來源來看，MEMS陀螺儀領域的重點專利主要來源于美國、中國、日本、歐洲和韓國，其中以美國專利比例最高。MEMS陀螺儀重點專利技術來源國更進一步顯示出核心技術的分布情況（圖10）。從專利流向來看，美國申請人和歐洲申請人除了在本國大量申請專利外，還在日本申請了較多的MEMS陀螺儀相關專利，在韓國和中國專利布局較少，體現出高可靠MEMS陀螺儀專利權人對美國、歐洲和日本市場的重視；韓國在MEMS陀螺儀領域的專利布局特點是以本土為主，同時在美國、歐洲、日本和中國有少量專利申請；中國與其他國家和地區的專利申請特點有較大的差異，專利申請絕大部分都在本國，在美國和歐洲有極少專利申請，在日本和韓國目前還沒有相關專利申請。

圖10 MEMS陀螺儀可靠性專利技術流向

中國MEMS陀螺儀的專利申請應當支撐其市場戰略。中國MEMS產業正在快速發展，同時中國也是MEMS傳感器的重要需求市場，需求從中低端市場向高端市場轉移，對MEMS陀螺儀可靠性需求將明顯提速。中國MEMS陀螺儀的市場戰略應當是主打國內中高端市場，積極開拓國際市場，積極借鑒歐美企業的專利布局策略，對MEMS陀螺儀的消費市場及時、全面地申請專利，以保證自身的市場地位。

四、小結

從全球MEMS陀螺儀專利態勢來看，全球MEMS陀螺儀專利申請進入平穩發展期，全球MEMS陀螺儀專利技術集中在工藝、原理及封裝技術，全球主要申請人以歐美企業為主，專利集中度較低。全球MEMS陀螺儀應用專利主要分布在工業、消費電子和車輛，國防及航空航天領域的應用呈上升趨勢。國外MEMS陀螺儀封裝和結構設計有很大的借鑒空間。

從中國MEMS陀螺儀專利態勢來看，中國MEMS陀螺儀專利技術處于快速發展期，有效專利比例較高，國外申請人注重在華專利布局，專利風險應引起關注。中國MEMS陀螺儀專利主要集中在北京、上海及江蘇，主要申請人以大專院校和科研單位為主。

從MEMS陀螺儀主要競爭者來看，歐美MEMS陀螺儀競爭者重視專利的技術和地域的全面布局，構建專利質量與數量的雙重保護網，以意法半導體、應美盛和霍尼韋爾為代表。中國MEMS陀螺儀近年來發展迅速，具有一定技術儲備，國內申請人多為科研院所，以上海交通大學和北京大學為代表。

從MEMS陀螺儀可靠性專利技術來看，MEMS陀螺儀可靠性相關專利申請集中在近10年，專利來源國以美國為主，專利目標國以美國、歐洲和日本為主，流向中國和韓國的專利較少，中韓存在較大的專利布局空間，重點專利權人以軍工科研單位和企業為主。

MEMS陀螺儀市場競爭環境由“群雄逐鹿”轉變為“細分市場”的格局，歐美和日本占有技術優勢，跨國公司已在中國進行全面專利布局。中國企業近年來發展迅速，具有一定的技術儲備；中國傳感器廠商需要突破核心技術，加強國內外專利布局，提升專利質量，逐步完善專利防御網。

在消費電子、物聯網和智能電網的帶動下，MEMS傳感器的發展面臨巨大的機遇。同時，產業巨頭知識產權體系完整，知識產權布局策略成熟，對我國傳感器發展造成一定的威脅。隨著國內企業在MEMS領域技術水平和市場份額的提升，國內企業需警惕知識產權風險，做到未雨綢繆。