如何抓住转型中的MEMS市场机遇？
2017-10-28 10:23:01 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，多年来，MEMS市场混迹着太多公司，但无奈机会又太少。虽然有些器件逐渐商品化，但其成本无法跟上售价下降的步伐。即使是在某一更专业、利润更高的领域，如基于MEMS技术的麦克风和扬声器行业，市场规模也太小，只能支撑少数几家MEMS公司的运营。
得益于新型终端市场和不同封装方式对更先进的设计、工艺及新材料的需求，微机电系统（MEMS）行业的未来前景越来越广阔。但这一切都意味着MEMS产品的售价更高吗？
据麦姆斯咨询报道，多年来，MEMS市场混迹着太多公司，但无奈机会又太少。虽然有些器件逐渐商品化，但其成本无法跟上售价下降的步伐。即使是在某一更专业、利润更高的领域，如基于MEMS技术的麦克风和扬声器行业，市场规模也太小，只能支撑少数几家MEMS公司的运营。
但在过去一年里，整个MEMS市场格局发生了显著改变。与半导体领域的其他行业一样，MEMS行业也经历了一些引人注目的合并和收购：博通并入安华高（370亿美元），TDK收购应美盛（13亿美元），高通签署收购恩智浦/飞思卡尔的协议（470亿美元）。这样一来，可正面竞争的就剩几家大公司，这将对市场产生相当大的影响，这也是价格下降最快的原因（见下图）。尽管商品化将会继续，但供应商预计价格下降速度将会比过去慢。
图1 2016年与2015年MEMS企业营收分布图（单位：$million）
与此同时，汽车、无人机、机器人、物联网和工业物联网等市场上正出现新机遇，这些均需要更加复杂的MEMS设计。
传感器中枢（Sensor Hub）将是未来趋势
MEMS一直是两种独立市场的统称。一种是数十亿计的智能手机和平板电脑中都使用的陀螺仪、加速度计和磁力计。这些芯片很难开发、封装和测试，但需求量如此大的产品还是吸引了许多公司，并产生激烈的竞争。尽管产品需求量很高，但在2015年至2016年期间，此领域的公司几乎没有出现显著增长。
规避这一趋势的最新策略是建立传感器中枢（Sensor Hub)，MEMS供应商正在为汽车和物联网等市场开发新器件。这超出了传感器融合的范围。其目标是为传感器整合成为标准化的格式，这基本上就是一个即插即用的平台。这将降低芯片制造商在设计、制造和销售的成本，同时系统供应商将更加容易定制和集成。这增加了双方的可预测性。
意法半导体MEMS产品营销的高级经理人Jay Esfandyari认为，“如今的趋势是将这种能力应用到传感器中，使其可用于Sensor Hub中。即使确实有能力，但并不意味着你必须把它放到Sensor Hub。因此你可能想将加速度计和陀螺仪集成在Sensor Hub，你可能还想添加磁力计或者压力传感器，或者你想要所有传感器集成到一起。用户可以选择其想要的传感器，并将其连接到模组。”
这些步骤听起来非常直接，但实际情况要复杂的多。问题是如何将这些Sensor Hub集成到更大的系统中。为此在诸多市场引发了讨论，如何在这些系统中筛选数据处理。随着越来越多的传感器添加进来，会导致成本更昂贵，处理所有的数据速度也实在太慢。某些数据需要在本地处理，但具体有多少尚不清楚。
Rambus公司的杰出发明家Steven Woo表示，“其中一个大问题是，如何利用输入来决定什么更重要。该如何理解这所有数据？目前正在进行大量探索，如今已有许多工具可在一个地方就完成所有事情。”
此观点得到整个行业的认同，西门子旗下Mentor的Deep Submicron Division部门的电子设计系统的产品营销经理Jeff Miller认为，“我们看到MEMS市场上传感器的融合，尤其是当这些公司试图在系统中增加更多价值。与标准MEMS传感器相比，具有多重自由度和多路存储GPU的集成传感器可提供更大的价值。但需要更多集成来实现传感器的融合，如你拆开Amazon Echos音响，你会发现七个精心安排的MEMS麦克风，以便实现远场语音检测。这里需要多种传感器融合才能分辨出不同的的声音。与IMU（惯性测量单元）结合是一种很好的方法，可以为传感器增加价值，实现产品差异化。这通常涉及到使用处理器。”
集成问题
除了集成度越来越高外，系统供应商还需要了解这些器件之间是如何相互作用的。和大多数芯片一样，MEMS器件对热量很敏感，这很可能会影响其在汽车等极端环境中的性能。但由于MEMS器件涉及电子和机械结构，对振动及其他类型噪声也很敏感。这就需要更全面的特性描述。
泛林集团旗下Coventor公司的MEMS高级主管Stephen Breit认为，“当所有器件集成在同一颗芯片或封装在一起时，其特性描述就会变得更加困难，而且不同类型传感器表现的特性均是不同的。陀螺仪和加速度计集成在一起会出现交叉耦合效应。陀螺仪有一种驱动模式，它可在很近距离与传感器耦合。”
有些方法是可以改善这些问题的。例如，陀螺仪的振动可以像其他任何噪声一样被消除。由于此类振动的频率可以预测，因此可被过滤掉。但这种噪声也可被理解为附近其它器件的信号，因此在面对此类问题时不能只考虑单一MEMS器件。
Breit补充道，“特性描述也非常具有情境性的。例如在惯性传感器作用下，面临的大问题就是正交效应，即感应轴之间的耦合。产生这种情况的原因有许多。其中一些是制造过程产生的偏差，因此必须在每一代器件设计都要优化。”
此领域几乎没有什么历史或经验可参考。一方面是由于器件本身在不停地优化，潜在的交互作用均是未知的。另一方面是因为这些器件一直被用于如无人机和机器人等新市场，或是如汽车行业等不断发展的市场中。在所有此类领域中，并没有未来如何使用技术的路线图，也不知道最终将在同样的系统或封装中集成什么。
应用材料公司200mm设备团队的战略和技术营销总监Mike Rosa认为，“一些企业正在寻找一套整体解决方案，尤其是在封装领域。你可以看到，一些公司将MEMS与ASIC、TSV集成在一起，但他们希望整个流程都能在一次封装中实现端到端的集成，直接出货给全球外包半导体封装测试商（OSAT）。我们所面临的挑战就是如何支持这一切。”
精度至关重要
许多MEMS终端市场行业对MEMS提出了更高精度的需求。例如，在先进驾驶辅助系统（ADAS）中使用的汽车加速度计，要比智能手机中使用的加速度计更精确。虽然这可以增加其附加价值和卖出更高的价格，但工程量和工作的复杂性也显著增加。在某些情况下，则需要新的技术组合。
Coventor公司的Breit认为，“自动驾驶汽车对精确度的要求比安全气囊或防侧翻的要求高得多，一旦超过阈值就要测量到。现在，惯性传感器已在航位推算（dead reckoning）中使用了一段时间。目前企业们正在竞相努力将这些器件做到更高规格，只有获得真正的竞争优势才能确保在这场竞争中居于首位。”
这个工作量可并不轻松。意法半导体的Esfandyari认为，“设计满足需要的器件，需要考虑噪声的偏压及稳定性、温度及灵敏度。需要减少噪声，增加偏压稳定性，并提高分辨率。因此1000度/秒的陀螺仪现在需达到4000度/秒，而且本底噪声需要非常低，有些工作是在ASIC上完成的，在ASIC上对噪声进行平均处理或消除，同时也必须确保IC是低噪声的。”
为提高精确度，有些器件还需要新材料。
应用材料公司的Rosa认为，“器件的架构没有改变，但其规格越来越严格了。指纹识别传感器和麦克风正在将硅电容材料变成基于压电的材料。以前麦克风结构侧壁的斜度在±0.5度左右。而在实际加工中，晶圆中心处的器件结构侧面陡直，晶圆边缘处的器件会超出这个范围。这会产生一个正交误差，例如，可能会错误地认为手机是倾斜的。因此目前规格是倾斜度在±0.5到±0.3度之间。”
指纹识别传感器也在改变，需要在器件中增加更多安全措施。新器件可以使用激光读取手指凹槽中的指纹。Rosa补充道，“我们的客户正在为此寻找新的光学薄膜，将III-V族材料集成到硅晶圆上，以及开发新的光学涂层。”
图2 USound公司基于MEMS的扬声器
物联网/工业物联网（IoT/IIoT）
即便使用成本较低的器件，也会涉及更多相关工程技术。进入的门槛正在提高，而开发这些器件所需的基础专业水平也在提升。
Sondrel公司的销售副总裁John Tinson认为，“要实现微程序控制器（MCU）更多的智能，需要使用便宜的传感器，然后将更多精力放在处理从这些传感器传回的信号上。如果减少元器件数量，就会减少整个单位总数。这是一种方法，但设计复杂，因为天下没有免费的午餐。Sensor hubs是一个不错的设计方向，它们将会更受欢迎。”
这引发了一些问题，即Sensor Hub是否会取代其它器件，或者与其共存。ARM系统与软件组的物联网（IoT）产品经理Mike Eftimakis认为将会是后者，尤其是需要使用的传感器越来越多，以及传感器产生的所要处理的数据也会越来越多。
Eftimakis认为，“物联网（IoT），通常指的是从现场获得数据，并将其上传至云端。如果用数十亿或数万亿的器件来完成这些事情，就不可能把所有数据都传输到云端。因此需要做一些前处理。如果将所有器件集成在同一个芯片上，就是传感器融合。但是，也可以通过网关处理器或其他一些RTF（富文本格式）的过渡状态来完成，然后在传入云端。因此，在边缘处理的需求将越来越多，在本地处理越来越多的数据的需求也在增加。”
无论哪种情况，这对MEMS世界来说都是好消息，因为许多传感器都是基于机械和电子元件集成的。这些好处可从前端设计一直延伸到制造和材料。
UMC特种技术部门的助理副总裁Wenchi Ting说，“28/22nm射频（RF）节点的基础扩张和MEMS传感器工艺技术的发展是支持自动驾驶广泛应用的两大关键因素，而基于云计算的基础设施将处理大规模的机器对机器（M2M）的数据处理需求。”
结论
随着进入市场的互联器件越来越多，将物理世界与数字世界连接起来需要海量的传感器。许多都将基于MEMS技术，专用性更强、精度更高的器件使用比例会逐渐提高。对于MEMS市场而言，从新市场到高附加价值的硅片，在许多方面都很有前景。但目前的工作也更加艰难了，那些在此领域领先的公司有望攫取更大的市场份额。
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