于金平 廉莉莉 / 工業(yè)和信息化部電子知識產(chǎn)權(quán)中心

MEMS陀螺儀技術(shù)專利態(tài)勢分析

于金平 廉莉莉 / 工業(yè)和信息化部電子知識產(chǎn)權(quán)中心

MEMS陀螺儀具有體積小、功耗低等多種優(yōu)勢，在消費電子、生物醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應用。隨著我國在MEMS傳感器領(lǐng)域技術(shù)水平以及市場份額的提高，專利布局從應用向核心技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)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(chǎn)權(quán)風險日益突顯。本文對MEMS陀螺儀全球以及中國專利數(shù)據(jù)進行全面分析，深入研究該項技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，技術(shù)研發(fā)和應用熱點，以及行業(yè)內(nèi)主要競爭者的研發(fā)動態(tài)和專利策略，為我國MEMS產(chǎn)業(yè)政策的制定提供參考，為行業(yè)內(nèi)的企業(yè)和科研機構(gòu)利用專利信息進行技術(shù)研發(fā)、制定知識產(chǎn)權(quán)競爭策略、規(guī)劃專利布局提供支撐。

引言

MEMS陀螺儀是利用振動質(zhì)量塊被基座(殼體)帶動旋轉(zhuǎn)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(yōu)勢。MEMS陀螺儀的研究始于20世紀80年代，經(jīng)過幾十年的研究國外相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，眾多科研單位及企業(yè)如美國Draper實驗室、ADI公司、德國Bosch公司、日本Toyota公司已有商業(yè)化產(chǎn)品。我國MEMS技術(shù)研究正在積極開展，在基礎(chǔ)理論、加工技術(shù)和工程應用等方面已經(jīng)取得了明顯的進步。隨著MEMS傳感器在消費電子、生物醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用，知識產(chǎn)權(quán)訴訟頻發(fā)。在近三年總共58起針對我國的337調(diào)查中已有2起與傳感器有關(guān)，隨著我國在MEMS傳感器領(lǐng)域技術(shù)水平以及市場份額的提高，專利布局從應用向核心技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)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(chǎn)權(quán)風險日益突顯。

圖1 1. 數(shù)據(jù)說明：全球申請指全球范圍內(nèi)的專利申請；在華申請指全球申請人在中國的專利申請。數(shù)據(jù)拐點分析：1、技術(shù)因素：MEMS技術(shù)最早始于1959年，MEMS陀螺儀技術(shù)的發(fā)展與MEMS技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)，真正的MEMS陀螺儀技術(shù)在20世紀80年代才出現(xiàn)；2、經(jīng)濟因素：經(jīng)濟危機不僅會導致股市縮水，同樣也會逼迫各個企業(yè)壓縮各項開支（包括研發(fā)投入），最近的四大危機：1990～1992年海灣戰(zhàn)爭導致的經(jīng)濟衰退；1997～1998年亞洲金融風暴；2000～2002年美國新經(jīng)濟危機；2007年～2008年美國次貸危機。經(jīng)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(mào)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(chǎn)權(quán)的TRIPS協(xié)議；4、中國的政治因素：中國在“十一五“規(guī)劃、“十二五”規(guī)劃、中長期科技規(guī)劃、振興裝備制造業(yè)規(guī)劃、國家知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)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(tài)勢

截止到2012年12月31日，全球MEMS陀螺儀領(lǐng)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(fā)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(lǐng)域?qū)＠暾堈w呈增長態(tài)勢（圖1），最早的MEMS陀螺儀專利為HUGHES AIRCRAFT 公司申請的有關(guān)MEMS工藝的專利，此后的近20年，MEMS陀螺儀專利申請的數(shù)量緩慢增長，1995年申請量開始大幅攀升，2004—2007年出現(xiàn)了短期的回落，2008年以后又進入快速增長期。MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)設計、檢測原理、封裝技術(shù)以及工藝技術(shù)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(jù)了6位，且該6位申請人均為企業(yè)，其中霍尼韋爾和ADI公司的申請量遙遙領(lǐng)先。中國在前15名申請人中占據(jù)了4位，其中3位為大學，1位為研究機構(gòu)，雖然中國地區(qū)的申請人在全球TOP15中的比例較高，但是產(chǎn)業(yè)化程度遠遠低于美國，研究機構(gòu)在理論和實驗方面取得了顯著進步，但在商業(yè)化方面，還有很大差距。

歐洲地區(qū)在MEMS陀螺儀領(lǐng)域比較卓越的專利權(quán)人為法國原子能委員會，在MEMS陀螺儀領(lǐng)域有83件相關(guān)專利申請，突顯出法國對于MEMS陀螺儀研發(fā)的重視。在日韓地區(qū)，以三星、索尼和松下為主要專利權(quán)人，出于對電子領(lǐng)域全產(chǎn)業(yè)鏈的打造和對于消費電子的重視，三星等企業(yè)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(shù)可分為原理結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)、封裝和工藝為最主要部分，所占比例達到MEMS陀螺儀技術(shù)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(guān)的材料專利本課題只限定在與MEMS陀螺結(jié)構(gòu)相關(guān)的專利，有關(guān)MEMS技術(shù)相關(guān)的普通單晶硅、多晶硅等材料專利未包括在本研究范圍內(nèi)。?？紤]到專利申請保護范圍的因素，很多MEMS陀螺儀相關(guān)專利申請涉及原理及封裝、工藝及封裝等多種交叉技術(shù)。通過分析可知，MEMS陀螺儀交叉技術(shù)相關(guān)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(shù)專利，隨著MEMS陀螺儀技術(shù)與集成電路技術(shù)的融合發(fā)展，以后交叉技術(shù)相關(guān)專利的比例會越來越高。

圖3 全球MEMS 陀螺專利技術(shù)領(lǐng)域分布

二、中國MEMS陀螺儀專利態(tài)勢

截止到2012年12月31日，中國地區(qū)受理的MEMS陀螺儀領(lǐng)域的專利申請總量為2,456件。MEMS陀螺儀領(lǐng)域?qū)＠暾埩空w呈增長態(tài)勢（圖4），中國最早的MEMS陀螺儀專利出現(xiàn)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(jīng)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(wěn)發(fā)展的態(tài)勢形成對比。

圖4 中國MEMS陀螺儀申請趨勢

在MEMS陀螺儀領(lǐng)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(yè)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(shù)來源分析

我國在近十年非常重視MEMS陀螺儀技術(shù)的研發(fā)和應用，通過一系列政策引導產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并通過建立無錫物聯(lián)網(wǎng)基地，為MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展搭建良好的基地環(huán)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(fā)、有關(guān)國防、航空航天的MEMS陀螺儀專利申請量持續(xù)上升，為我國的軍事電子、航空航天技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

同時，MEMS陀螺儀作為軍民兩用技術(shù)，在中國地區(qū)的技術(shù)分布更側(cè)重于在車輛船舶領(lǐng)域，相比全球MEMS陀螺儀技術(shù)廣度分布，中國地區(qū)的MEMS陀螺儀專利在消費電子和生物醫(yī)療領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間（圖6）。整體來講，中國地區(qū)MEMS陀螺儀專利分布的廣度較高，在各個產(chǎn)業(yè)發(fā)展中扮演著越來越重要的角色。

圖6 中國地區(qū)MEMS陀螺儀應用相關(guān)專利領(lǐng)域分布

MEMS陀螺儀領(lǐng)域中國地區(qū)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(gòu)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(yè)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(chuàng)立的中國首家設計、生產(chǎn)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(yè)，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(yè)技術(shù)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(shù)和專利強度篩選了MEMS陀螺儀領(lǐng)域的重點專利。其中可靠性參數(shù)主要包括MEMS陀螺儀在惡劣環(huán)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(jù)包括：專利的引用次數(shù)及被引用次數(shù)、專利同族、專利維持時間、專利權(quán)利要求的數(shù)量等。

經(jīng)過篩選，獲得可靠性相關(guān)專利329項。這些重點專利主要集中在MEMS陀螺儀的原理及結(jié)構(gòu)設計方面，專利數(shù)量為203件，所占比例高達62%。其次是有關(guān)MEMS封裝和工藝的相關(guān)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(shù)分布

在主要競爭者方面，霍尼韋爾不論在專利數(shù)量還是專利質(zhì)量上都是領(lǐng)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(gòu)，在航天系統(tǒng)所需的制導、導航與控制技術(shù)設備的設計、研制和技術(shù)支持方面有突出實力，并開發(fā)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(shù)，供各類航天系統(tǒng)使用。BAE系統(tǒng)公司在MEMS陀螺儀領(lǐng)域?qū)＠灿兄^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(lǐng)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(shù)來源國更進一步顯示出核心技術(shù)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(guān)專利，在韓國和中國專利布局較少，體現(xiàn)出高可靠MEMS陀螺儀專利權(quán)人對美國、歐洲和日本市場的重視；韓國在MEMS陀螺儀領(lǐng)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(qū)的專利申請?zhí)攸c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(guān)專利申請。

圖10 MEMS陀螺儀可靠性專利技術(shù)流向

中國MEMS陀螺儀的專利申請應當支撐其市場戰(zhàn)略。中國MEMS產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)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(zhuǎn)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(zhàn)略應當是主打國內(nèi)中高端市場，積極開拓國際市場，積極借鑒歐美企業(yè)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(jié)

從全球MEMS陀螺儀專利態(tài)勢來看，全球MEMS陀螺儀專利申請進入平穩(wěn)發(fā)展期，全球MEMS陀螺儀專利技術(shù)集中在工藝、原理及封裝技術(shù)，全球主要申請人以歐美企業(yè)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(yè)、消費電子和車輛，國防及航空航天領(lǐng)域的應用呈上升趨勢。國外MEMS陀螺儀封裝和結(jié)構(gòu)設計有很大的借鑒空間。

從中國MEMS陀螺儀專利態(tài)勢來看，中國MEMS陀螺儀專利技術(shù)處于快速發(fā)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(guān)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(shù)和地域的全面布局，構(gòu)建專利質(zhì)量與數(shù)量的雙重保護網(wǎng)，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(fā)展迅速，具有一定技術(shù)儲備，國內(nèi)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(shù)來看，MEMS陀螺儀可靠性相關(guān)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(quán)人以軍工科研單位和企業(yè)為主。

MEMS陀螺儀市場競爭環(huán)境由“群雄逐鹿”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹毞质袌觥钡母窬?，歐美和日本占有技術(shù)優(yōu)勢，跨國公司已在中國進行全面專利布局。中國企業(yè)近年來發(fā)展迅速，具有一定的技術(shù)儲備；中國傳感器廠商需要突破核心技術(shù)，加強國內(nèi)外專利布局，提升專利質(zhì)量，逐步完善專利防御網(wǎng)。

在消費電子、物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的帶動下，MEMS傳感器的發(fā)展面臨巨大的機遇。同時，產(chǎn)業(yè)巨頭知識產(chǎn)權(quán)體系完整，知識產(chǎn)權(quán)布局策略成熟，對我國傳感器發(fā)展造成一定的威脅。隨著國內(nèi)企業(yè)在MEMS領(lǐng)域技術(shù)水平和市場份額的提升，國內(nèi)企業(yè)需警惕知識產(chǎn)權(quán)風險，做到未雨綢繆。