受新的終端市場需求和需要更先進的工程開發(fā)、工藝和新材料的不同封裝選擇的推動，MEMS 行業(yè)似乎開始越來越有希望了。因為所有這些因素都會帶來更高的售價，所以這一領(lǐng)域已經(jīng)拖延很久了。

多年以來，微機電系統(tǒng)(MEMS)市場一直都有太多公司在爭奪太少的機會。當(dāng)成本沒法跟上售價的下降速度時，有些器件就從市場上消失了。而該領(lǐng)域中更專業(yè)化和利潤更高的部分(比如基于 MEMS 的麥克風(fēng)和揚聲器)則由于市場規(guī)模太小，最多也只能支撐少數(shù)幾家小公司。

但過去一年來，整個 MEMS 版圖已經(jīng)發(fā)生了重大變化。和半導(dǎo)體領(lǐng)域的其它行業(yè)一樣，這個行業(yè)也經(jīng)歷了一些引人注目的整合：博通并入安華高(370 億美元)、TDK 收購InvenSense(13 億美元)、高通也已經(jīng)簽署了收購恩智浦/飛思卡爾的協(xié)議(47 億美元)。這樣正面競爭的就只剩幾家大公司了，這會給該市場中量最大的部分產(chǎn)生可觀的影響，這也是價格下降速度最快的地方(見圖 1)。盡管產(chǎn)業(yè)化(commoditization)還會繼續(xù)，但供應(yīng)商預(yù)計價格下降的速度會比過去慢。

同時，汽車、無人機、機器人和物聯(lián)網(wǎng) 等市場也在帶來新機會，它們?nèi)夹枰訌?fù)雜的 MEMS 設(shè)計。

多傳感器集成

MEMS 一直以來都是兩個不同的市場的總稱。其中之一是陀螺儀、加速度計和磁力計，數(shù)十億臺智能手機和平板電腦中都有它們。這些芯片難以開發(fā)、封裝和測試，但需求量大，所以還是吸引了大量公司，帶來了激烈的競爭。盡管量大，但這一領(lǐng)域中僅有少數(shù)公司在 2015 年到 2016 年之間實現(xiàn)了顯著增長。

規(guī)避這一趨勢的最新策略是開發(fā) 傳感器集成，這是 MEMS 供應(yīng)商針對汽車和物聯(lián)網(wǎng)等市場開發(fā)的。這是傳感器融合(sensor fusion)的更進一步。這里的目標(biāo)是以一種更加標(biāo)準(zhǔn)化的格式將傳感器封裝在一起，基本上就是一種即插即用平臺。這可以降低芯片制造商在設(shè)計、制造和銷售這些器件上的成本，同時也讓系統(tǒng)供應(yīng)商更容易定制和集成。并且它還能增加這兩方面的可預(yù)測性。

“現(xiàn)在的趨勢就是將這種能力放入傳感器中，使其能夠用在傳感器集成 中。”意法半導(dǎo)體 MEMS 產(chǎn)品營銷高級經(jīng)理Jay Esfandyari 說，“這并不意味著你必須將其放入一個 系統(tǒng)中，但你確實有這種能力。所以你可能會希望將加速度計和陀螺儀放入 一個芯片 中，你可能還會想加入一個磁力計或壓力傳感器，或者你可能就想要它們?nèi)??？蛻艨梢赃x擇他們想要的傳感器，然后將其連接到模塊上。”

這聽起來很簡單直接，但也在變得越來越復(fù)雜。問題是如何將這些傳感器集成到更大的系統(tǒng)中。這是很多市場都正在討論的主題，即怎樣將這些系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理分開。隨著加入的傳感器越來越多，集中式地處理所有數(shù)據(jù)會帶來高昂的成本，并會導(dǎo)致處理速度變慢。某些數(shù)據(jù)需要在本地進行處理，但具體多少還不清楚。

“你該如何衡量輸入，從而確定什么更重要?這是個大問題。”Rambus 的杰出發(fā)明家 Steven Woo 說，“你將如何理解所有這些數(shù)據(jù)?現(xiàn)在有很多探索正在進行中，也有很多工具可用，可以在一個地方造出所有東西。”

行業(yè)都認(rèn)同這個觀點。“我們正在見證 MEMS 市場中的傳感器融合，尤其是現(xiàn)在這些公司正盡力將更多價值放入系統(tǒng)中。”西門子旗下 Mentor 的 Deep Submicron Division 部門的電子設(shè)計系統(tǒng)產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Jeff Miller 說，“與標(biāo)準(zhǔn) MEMS 傳感器相比，具有多個自由度和多路訪問 GPU 的集成傳感器可以提供多很多的價值。但這種傳感器融合需要很多集成。比如說，如果你拆開一臺亞馬遜 Echo，你可以發(fā)現(xiàn) 7 個精心排布的麥克風(fēng)，這是為了實現(xiàn)遠場語音檢測而設(shè)計的。要分離出正在說話的語音，需要相當(dāng)多的傳感器融合。結(jié)合 IMU (慣性測量單元)是增加價值的好方法，否則就沒有讓傳感器實現(xiàn)差異化。那通常也會涉及到一個處理器。”

集成問題

隨著集成越來越緊密，系統(tǒng)供應(yīng)商也需要了解這些器件可能會以怎樣的方式彼此交互。和大多數(shù)芯片一樣，MEMS 對熱很敏感。汽車等極端環(huán)境會影響它們的性能。但因為它們既是機械部件又是電子部件，所以它們也對振動和其它類型的噪聲敏感。這需要對它們的特性有更全面的了解。

“當(dāng)它們在同一個 芯片上或封裝在一起時，了解特性會更加困難，而且每種類型的傳感器都不一樣。”Lam Research 旗下的 Coventor 公司的 MEMS 高級總監(jiān) Stephen Breit 說，“使用陀螺儀和加速度計會出現(xiàn)交叉耦合效應(yīng)。陀螺儀有一種會與鄰近的傳感器發(fā)生耦合的驅(qū)動模式。”

有一些可以緩解這些問題的方法。就像其它任何噪聲一樣，陀螺儀中的振動也可以得到解決。它有一個可預(yù)測的頻率，所以它可以被過濾掉。但這種噪聲也可以被解讀成發(fā)給其它鄰近器件的信號，所以考慮這個問題時不能僅局限于單個 MEMS 器件。

Breit 說：“這要看具體情況。對于慣性傳感器，正交耦合誤差(quadrature effect)是一個大問題，即傳感軸之間的耦合。這種情況發(fā)生的原因有很多。有些變量是在結(jié)構(gòu)方面，所以每一代的設(shè)計都需要調(diào)整。”

這方面可以利用的歷史或經(jīng)驗很少。部分原因是這些器件本身在演化，而潛在的交互是未知的。還有部分原因是無人機和機器人等新市場也要使用這些器件，另外汽車等已有市場也在不斷演化。所有這些行業(yè)都沒有關(guān)于未來如何使用這些技術(shù)的路線規(guī)劃，也不知道最終會將什么集成到同一個封裝或系統(tǒng)中。

“公司企業(yè)正在尋找一套完整的解決方案，尤其是在封裝領(lǐng)域。”應(yīng)用材料的 200mm 設(shè)備部門的戰(zhàn)略與技術(shù)營銷總經(jīng)理 Mike Rosa 說，“你可以看到有些公司將ASIC 和 TSV技術(shù) 集成到MEMS芯片中，但它們想要一種完整的工藝流程，可以在一個封裝上實現(xiàn)端到端的集成，然后它們需要幫助以便將其委托給代工廠商。其中難題是如何解決所有這些問題。”

精度變得至關(guān)重要

很多 MEMS 終端市場行業(yè)也需要更高的精度。比如，在 ADAS 系統(tǒng)中使用的汽車加速度計需要比智能手機中使用的加速度計更準(zhǔn)確。盡管這會增加價值并導(dǎo)致價格上漲，但其開發(fā)所需的工程量和開發(fā)的復(fù)雜度也會顯著提升。某些情況下，這還需要新的技能組合。

Coventor 的 Breit 說：“自動汽車的精度需求在安全氣囊或翻車方面要高得多，它基本上就是測量什么時候超過了閾值?，F(xiàn)在，慣性傳感器已經(jīng)在導(dǎo)航推測(dead reckoning)方面使用了一段時間了。企業(yè)正在競相為這些器件實現(xiàn)更高的規(guī)格，不管哪家公司先實現(xiàn)目標(biāo)，都能獲得實實在在的競爭優(yōu)勢。”

這可需要不少的工作量。意法半導(dǎo)體的 Esfandyari 說：“你需要考慮噪聲偏差和穩(wěn)定性、溫度和敏感性。你需要降低噪音、增加偏差穩(wěn)定性并提高分辨率。所以之前是 1000 度/秒的陀螺儀現(xiàn)在要做到 4000 度/秒。而且噪聲的基礎(chǔ)也需要非常低。ASIC 方面的一些工作已經(jīng)完成，你可以在那里對噪聲求平均或移除這些噪聲。你也必須確保 IC 也是低噪聲的。”

為了提升準(zhǔn)確度，有的器件還需要新材料。

“架構(gòu)沒有變，但規(guī)格越來越嚴(yán)格。”Applied Materials 的 Rosa 說，“指紋傳感器和麥克風(fēng)正在從電容材料變成壓電材料。以前麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)側(cè)面的傾斜度 在±0.5 度之間。而實際加工中中心處結(jié)構(gòu)側(cè)面陡直而邊緣處會超出這個范圍。這會產(chǎn)生一個正交誤差，比如可能會錯誤的認(rèn)為電話是傾斜的。所以現(xiàn)在這個規(guī)格是傾斜 ±0.5 度到 ±0.3 度之間。”

指紋傳感器也在改變，需要往器件中加入更多安全措施。更新的器件可以使用激光根據(jù)手指上的溝壑讀取指紋。Rosa 說：“我們的客戶正在為此尋找新的光學(xué)薄膜、將 III-V 族材料集成到硅晶圓上以及開發(fā)新的光學(xué)涂層。”

物聯(lián)網(wǎng)即使是更加便宜的器件，也涉及到更多工程開發(fā)工作。進入門檻正在上升，開發(fā)這些器件所需的專業(yè)知識水平也在上升。

“要在 MCU 上實現(xiàn)更多智能，需要使用更加便宜的傳感器，然后在這些傳感器傳回的信號上進行更多處理。”Sondrel 公司銷售副總裁 John Tinson 說，“如果你減少組件數(shù)量，你就會減少單位的總數(shù)量。這是一條路。這確實有設(shè)計復(fù)雜度，因為沒有什么是免費的。但 sensor hub 有一個設(shè)計方向，它們將會變得更加流行。”

這就引出了一些問題：它們是否將取代其它器件，還是將與它們共存?ARM 的系統(tǒng)和軟件組的 IoT 產(chǎn)品經(jīng)理 Mike Eftimakis 認(rèn)為應(yīng)該會是后者，尤其是要使用的傳感器會越來越多，這些傳感器產(chǎn)生的所要處理的數(shù)據(jù)也越來越多。

Eftimakis 說：“想想 IoT，一般而言，它是從現(xiàn)場獲取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆?。如果你的物?lián)網(wǎng)有數(shù)十億乃至數(shù)萬億設(shè)備，將所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)皆浦惺遣豢赡艿?。所以你需要某種形式的前期處理。如果這是在同一塊芯片上，那就是傳感器融合。但這也可以使用網(wǎng)關(guān)處理器或其它一些 RTF(富文本格式)的過渡狀態(tài)完成，然后再傳輸?shù)皆?。所以對邊緣處理的需求會越來越大，越來越多的?shù)據(jù)需要在本地進行處理。”

不管哪種情況，對 MEMS 行業(yè)來說都是好消息，因為很多傳感器都是基于機械組件和電子組件的集成。這些好處會從前端設(shè)計一直擴展到制造和材料領(lǐng)域。

聯(lián)電(UMC)的特種技術(shù)部門副總裁 Wenchi Ting 說：“28/22nm RF 節(jié)點的基礎(chǔ)擴展和 MEMS 傳感器工藝技術(shù)的發(fā)展是支持自動駕駛廣泛應(yīng)用的兩大關(guān)鍵，同時基于云的基礎(chǔ)設(shè)施將處理大規(guī)模的機器對機器 (M2M)數(shù)據(jù)處理需求。”

總結(jié)

隨著進入市場的互連設(shè)備越來越多，連接物理世界與數(shù)字世界的需求將需要海量的傳感器。其中很多傳感器都基于 MEMS 技術(shù)，而且其中一部分還將需要高度針對性的高精度器件，這部分的比例也正越來越大。對于 MEMS 市場而言，從新市場到高價值的芯片市場，很多方面都看起來很有希望。但這也需要更加艱難的工作，在這方面領(lǐng)先的公司將有望取得更大的市場份額。