MEMS市场量增价跌，敢问路在何方？
2017-02-25 17:16:43 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，每年这类传感器有数十亿颗的出货量，未来将持续保持增长。但所有MEMS制造商都抱怨平均销售价格（ASP）下降厉害，销量增长也无法弥补利润。近十年，智能手机逐渐取代功能手机，市场面临的价格压力成为首要问题。
据麦姆斯咨询报道，MEMS市场步入出货量快速增长的阶段，但利润反而降低。
在大多数细分市场，需要更多的自动化和标准化是一个市场向好的信号。但在MEMS世界，却不是那么简单。即使某些器件实现了自动化，但无法一直正常工作。事实上，虽说MEMS器件的设计、构建和制造是超乎想象的困难，但管理业务市场更是难上加难。
MEMS器件是电气和机械工程结合后的产物。惯性传感器，如陀螺仪和加速度计，几乎所有移动设备都要配置它们来监测用户的运动情况。谷歌的Waze（当前流行的点对点GPS应用）使用了惯性传感器，可以在用户遭遇堵车或正常驾驶时根据当前交通状况预估用户的行驶速度，以及达到目的地时间。此外，电子罗盘、振动传感器和电容式触摸传感器都应用于此以保障用户安全。
每年这类传感器有数十亿颗的出货量，未来将持续保持增长。但所有MEMS制造商都抱怨平均销售价格（ASP）下降厉害，销量增长也无法弥补利润。近十年，智能手机逐渐取代功能手机，市场面临的价格压力成为首要问题。
MEMS器件价格持续下降
同时，还有其它MEMS器件，如基于压电材料的MEMS麦克风、微型扬声器和超声波指纹传感器，虽然销量低于惯性传感器，但这些传感器的投资回报率明显高于惯性传感器，只是目前市场需求不够大，不足以形成规模经济。因此，对某些公司来说，尽管这部分市场可能是有利可图的，但可扩展性是有限的，市场竞争也正在加强（见下图）。
全球新兴MEMS细分市场预测（来源：Yole）
对于一类的产品组来说，建立更加标准化的制造工艺流程很重要。某些制造技术是不断变化，为了达到利润最大化，在标准化制造上抢到先机显得至关重要。
工艺标准化
一方面，MEMS市场缺乏标准的工艺设计包（PDK）。好主意停留在纸上，实施起来却比大多数人想象的更难。
Globalfoundries公司的MEMS高级总监Rakesh Kumar谈到，“MEMS器件多样的物理结构和工艺流程是摆在MEMS制造标准化面前的主要挑战。但是，可以在同一个传感器系列里建立一定程度的标准化。例如，惯性MEMS传感器，如加速度计和陀螺仪，可以使用一个共同的平台技术，对差异化的功能再定制部分工艺。这样的平台方将有助于降低开发成本和缩短上市时间。”
到目前为止，虽然没有哪家公司能够像制造ASIC或SoC那样利用单一的工艺设计包完成加速度计或陀螺仪的生产。但很多行业专家认为，如果说ASIC或SoC的标准化工艺清单是经过严格审核和高度提炼的“菜单”，晶圆代工厂提供的MEMS制造清单看起来更像一份调整余地更大的“菜单”。例如，这份“菜单”可能包括特殊的刻蚀工艺，沉积工艺里有失序的CVD工艺或者铝薄膜生长工艺。“菜单”内容更多是工艺步骤次序，而不是一套用来控制研发成本的规则。
UMC公司的高级区域营销经理Yan Qu说：“虽然一些晶圆代工厂已经使用标准PDK来制造惯性传感器，但对于一些设计公司来讲，要建立一套设计标准如设计规则、工艺流程、TLR（topological layout rules，拓扑布局规则）和DRC（design rule checking，设计规则检查），仍需要一段时间。对晶圆代工厂来说，建立标准化工艺有一些优点，但设计公司可能不以为然，他们认为这样会失去产品异质化的优势。”
MEMS工艺开发也很耗费时间。从制造的角度来看，MEMS技术的复杂性导致同一个产品在不同的晶圆代工厂的工艺差异也很大。Yan Qu谈到：“一颗MEMS产品从研发到量产耗时平均为四年到五年。设备的限制和变化对工艺开发影响较大。比如：陀螺仪需要特殊真空设备和共晶键合。晶圆厂必须仔细考虑这些新增设备的成本以及回报率。”
金属共晶键合（来源：IEEE）
类似ASIC或SoC的IP库，晶圆代工厂为MEMS器件提供IP库，帮助加快产品上市进程。所有晶圆代工代工厂配备有类似的设备，如深反应离子蚀刻设备和晶圆键合机，但大部分是半定制或完全定制的开发工艺。
Coventor公司的工程副总裁Stephen Breit认为：“代工厂提供的IP库，可以让你挑选到符合接口规范的传感器。这对陀螺仪和加速度计来讲是可行的。对于正在开发中的传感器来讲，某种程度上也是可行的。但这个领域仍然需要公平的专业水平。对麦克风而言，那就更平常了。但用在人造电子鼻（气体传感器）和光谱仪上，这是另一回事。”
新型的复杂MEMS器件
在MEMS市场出现了一些新产品，与已商品化的加速度计和陀螺仪差异巨大。
“现有的传感器变化很大，但也涌现了新产品，如基于超声波技术而非电容的指纹传感器”，应用材料公司的技术营销总监Mike Rosa说，“当你按下按钮时，不是进行电容测量，而是超声波读取指头表皮层上的纹理，并能读取真皮层（第二层皮肤）的纹理。这增加了附加值——高安全性。因为采用压电材料，即使你的手指表面有水分、污垢或颗粒，也能读出你的指纹。”
超声波指纹传感器结构（来源：加州大学伯克利分校）
压电材料也开始用于MEMS麦克风，得到的信噪比更高。噪声是最不受麦克风欢迎的，高信噪比是麦克风设计的关键，特别是噪声超出人类的听觉阈值。
Mike Rosa说：“麦克风遇到的第一个难点是结构，第二就是材料。压电材料很多，麦克风可能采用的是氮化铝，也可能是掺杂钪（20%~30%）的氮化铝，有企业的钪掺杂浓度高达43%，并还有继续增加钪掺杂浓度来提高信噪比的潜力。”
新产品的清单并没有就此结束。一些激光雷达芯片，出于自动驾驶车辆安全要求的考量，正在开发利用MEMS技术集成激光二极管和微镜。激光雷达使用激光束进行扫描，并基于反射回来的光束或脉冲进行图像重构。采用这种技术的移动设备最初的成本高达70000美元，而采用MEMS技术后售价预计在数百美元以内。
基于MEMS扫描镜，MEMS技术有望应用在3D扫描仪和视网膜扫描仪上。德国Fraunhofer研究所在一份报告里提到，MEMS扫描镜可以小到用在移动应用设备上。虽然不能和激光扫描检眼镜媲美，但基于MEMS的解决方案更小、更便宜，相比其他生物识别技术更安全。如同报告里谈到的，视网膜血管是“几乎不可能伪造的”。
MEMS扫描镜（来源：德国Fraunhofer研究所）
成本控制
可以肯定的说，这些都是有趣的技术，但经济效益在MEMS市场扮演着举足轻重的角色。对于那些传统的CMOS设计工程师，MEMS器件和传统器件的差异非常明显。
Coventor公司Breit谈到：“很多时候，这些做完了，还是没有得到一套真正可行的工艺流程。即使是惯性传感器和MEMS麦克风，需要复杂的膜和结构，你再做互连，所有这些都是很特殊的。PDK可以帮助流程自动化，设计压电MEMS、互连、锚以及与管芯连接的方法。但是，每个人在CMOS设计时习惯使用的DRC（设计规则检查）并不存在或不完整，而且这里没有LVS（layout versus schematic，布设对照电路图）。”
Breit认为另一个问题涉及到器件的特性描述不足，在量产阶段不能像数字电路那样完整定义参数。其后果就是会出项一些没有预期到的小变化。如果在单一设备中集成了多个MEMS芯片，这将反过来影响传感器融合设计。
“这将创造新的趋势，”星科金朋公司产品技术营销副总监Babak Jamshidi谈到，“惯性传感器可以集成压力传感器和光学传感器。你也会看到更多的MEMS器件出现在生物医学领域。这是一个非常分散的市场，平均销售价格高但用量较低，所以未来十年内将有集成的传感器出现。”
麦姆斯咨询认为工业领域的应用将是MEMS市场增长的另一个驱动力。ASE公司高级应用工程经理Christophe Zinck说道：“随着工业物联网的兴起，必将推动一些空间占用小、新功能整合设备的进程。因此基于这一点，人们正寻求将所有不同的传感器融合在一起的解决方案。对于设计团队，他们将开发一个完整的模组。”
GlobalFoundries公司的Kumar表示同意：“MEMS传感器正处于从单一分散器件转向多功能集成器件的快速转型期间，比如加速度计和陀螺仪实现晶圆级的集成，还可以和磁传感器、压力传感器和ASIC通过系统级封装在一起。MEMS产品在物联网的广泛采用将继续推动MEMS和低功耗ASIC的集成。”
结论
MEMS市场经历了爆炸性增长和急剧下降的平均销售价格。但随着MEMS技术发现新的应用领域，市场会有补充和更换高价值MEMS器件的需求，进而MEMS产业可能发生重大变化。
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