MEMS傳感器市場的創(chuàng)新，比你想象的要多得多！

“請創(chuàng)新而不是一味降低成本！我們寧要新功能不要低成本。” 在最近上海舉辦的第二屆MEMS傳感器盛會(huì)MIG Asia 2015上，華為傳感部門的首席技術(shù)專家丁險(xiǎn)峰的呼吁引起了MEMS產(chǎn)業(yè)界的極大反響。此外，來自虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品初創(chuàng)企業(yè)Virtuix董事長David Allen也強(qiáng)烈表示“需要集成度更高的MEMS傳感器產(chǎn)品”。技術(shù)創(chuàng)新與傳感器融合，在本屆會(huì)議被反復(fù)重申。

 

MEMS傳感器的一組市場數(shù)據(jù)

 

首先來看看一組數(shù)據(jù)。Yole Développement調(diào)查數(shù)據(jù)指出，從2000年到2020年間，MEMS市場將保持20年的連續(xù)增長，MEMS產(chǎn)品的市場規(guī)模將在2020年超過250億美元，是2000年的5倍。MEMS傳感器市場的爆發(fā)，將成為帶動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)市場前進(jìn)的重要因素。

 

 

MIG執(zhí)行總監(jiān)Karen Lightman介紹以器件劃分的MEMS傳感器市場

 

 

MEMS傳感器在幾大主流應(yīng)用中的市場機(jī)會(huì)

 

 

快速成長的中國MEMS應(yīng)用市場

 

 

全球MEMS產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈

 

然而物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，一直被詬病標(biāo)準(zhǔn)的缺失。好消息是IEEE已經(jīng)制定了物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)“27000”和“2413”，據(jù)IEEE SA Ravi Subramaniam解釋，“27000項(xiàng)目是制訂致力于全球IOT方面的標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)包括云計(jì)算、模擬的藥物研發(fā)和虛擬的溝通，全球的溝通，以及實(shí)際世界與互聯(lián)世界的互通等新的技術(shù)的互聯(lián)互通問題。還有一個(gè)，也是很令人振奮的項(xiàng)目叫IEEE2413，這個(gè)也是一個(gè)致力于構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際體系的計(jì)劃。”

 

在MEMS測試方面，Ravi Subramaniam表示，“有關(guān)MEMS測試方法的標(biāo)準(zhǔn)，IEEE在MEMS方面確實(shí)在著手做傳感器測試方法的標(biāo)準(zhǔn)化，我們確實(shí)看到未來對于標(biāo)準(zhǔn)化測試手段有實(shí)際的需求，所以未來很有可能會(huì)有相關(guān)的新項(xiàng)目。還有可能做的項(xiàng)目是傳感器的認(rèn)證，所有購買并用在終端產(chǎn)品上的傳感器都是經(jīng)過測試認(rèn)證的。”

 

 

MEMS傳感器走向融合

 

博世亞太區(qū)總裁Leopold Beer在演講中指出；“物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來對消費(fèi)類MEMS傳感器提出了新的需求。應(yīng)用日趨復(fù)雜性多樣性決定了這一產(chǎn)業(yè)將面臨更多新的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也為現(xiàn)有的和新型傳感器應(yīng)用帶來了更多機(jī)會(huì)。”

 

 

2014年消費(fèi)級(jí)MEMS細(xì)分應(yīng)用市場出貨量

 

“傳統(tǒng)應(yīng)用的邊界變得模糊，普遍面臨著CO2減排及能效、新的移動(dòng)概念、人口、城市化、連接世界、個(gè)性化產(chǎn)品等挑戰(zhàn)。” Leopold Beer指出，“現(xiàn)在智能手機(jī)定義了MEMS傳感器市場，并將動(dòng)作傳感器引入到HMI游戲機(jī)、AR/VR設(shè)備、活動(dòng)監(jiān)控、室內(nèi)導(dǎo)航的應(yīng)用，并逐漸走向環(huán)境傳感器，諸如熱量計(jì)算、高度、濕度、溫度、環(huán)境光等與人的舒適度有關(guān)的環(huán)境監(jiān)測類傳感器，突破了智能手機(jī)生態(tài)系統(tǒng)。”他提出了未來對傳感器需求的四個(gè)象限：物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所在的更高功能集成與更高的功率預(yù)算領(lǐng)域；物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽所在的較低功能集成與更高的功率預(yù)算領(lǐng)域；可穿戴設(shè)備所在的更高功能集成與較低的功率預(yù)算領(lǐng)域；智能開關(guān)所在的較低功能集成與較低的功率預(yù)算領(lǐng)域。“新的領(lǐng)域意味著整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈需要更多地思考和合作需求。哪些純器件的玩家很可能將會(huì)被逼到一個(gè)更窄的市場空間。”他強(qiáng)調(diào)。

 

至于如何更好地提升解決方案集成，Leopold Beer指出了三個(gè)關(guān)鍵因素。“首先要獲得更廣泛的技術(shù)組合，而不只是慣性傳感器，這就要求持續(xù)的制造或購買決策以及持續(xù)競爭力的延伸。其次是特殊應(yīng)用產(chǎn)品將會(huì)獲得更多的重視。已經(jīng)成熟的汽車產(chǎn)業(yè)和智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)，正在爆發(fā)的可穿戴以及將興起的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都可以考慮。最后是系統(tǒng)集成能力。這需要有應(yīng)用方面的know-how，軟件開發(fā)能力以及應(yīng)用工程等方面的優(yōu)勢。”他表示，作為唯一一家在汽車與消費(fèi)電子領(lǐng)域都占有全方位生產(chǎn)、工程和商業(yè)優(yōu)勢的MEMS公司，博世也將朝著系統(tǒng)集成優(yōu)化方向繼續(xù)研究。“過去的挑戰(zhàn)是縮小器件尺寸，而現(xiàn)在尺寸本身不再重要，更關(guān)鍵的是功能密度的提升。功能整合的概念是SIP、微控制器與固件集成、與代碼集成，甚至整個(gè)領(lǐng)域的所有know-how集成。系統(tǒng)集成時(shí)，我們看到挑戰(zhàn)在于集成第三方傳感器時(shí)效率較差，如果都是來自同一個(gè)公司比如博世的產(chǎn)品，效率、一致性會(huì)更好。在軟件方面，也需要更多的與軟件供應(yīng)商合作。此外還有新應(yīng)用的系統(tǒng)集成也是一大挑戰(zhàn)。”

 

對于MEMS傳感器領(lǐng)域的下一個(gè)大的變革技術(shù)，Leopold Beer認(rèn)為將會(huì)出現(xiàn)在環(huán)境傳感器領(lǐng)域。“但是這類器件可能是基于生物的、基于光電的，卻是Non-MEMS的。MEMS技術(shù)也有其局限性。”

 

 

MEMS傳感器玩家需要更多附加價(jià)值

 

在大家都在大談特談傳感器融合、系統(tǒng)集成，曾經(jīng)以運(yùn)動(dòng)傳感器風(fēng)光一時(shí)的InvenSense有點(diǎn)失落。“隨著MEMS傳感器應(yīng)用和出貨量的急速增長，動(dòng)作傳感器在智能手機(jī)中的地位，從最初喬布斯宣傳的頂級(jí)功能，成為了一個(gè)最普遍的技術(shù)，從游戲機(jī)、相機(jī)圖像穩(wěn)定儀，活動(dòng)監(jiān)測到導(dǎo)航……都有它的身影，傳感器讓這些設(shè)備的性能更好，而它們的下一篇章將是物聯(lián)網(wǎng)。” InvenSense先進(jìn)技術(shù)高級(jí)總監(jiān)Peter Hartwell指出，“機(jī)會(huì)將來自成本、尺寸、功耗、制造能力等方面。”

 

 

隨著集成度提升，動(dòng)作傳感器ASP（平均售價(jià)）在急速下滑（黃色）

 

“而物聯(lián)網(wǎng)的性能與功耗往往是矛盾的，提高性能的同時(shí)要降低功耗，那是不可能的?？梢钥吹诫S著集成度的提升，MEMS ASP（平均售價(jià)）卻在急速下滑。要提升ASP，就要增加更多附加價(jià)值。” Peter Hartwell表示，“過去我們是內(nèi)建到美光、FAIRCHILD、NS等OEM芯片規(guī)格中，未來則是轉(zhuǎn)向以智能傳感器提高更多附加價(jià)值，與諸如GOPRO、fitbit、Nest等系統(tǒng)廠商直接合作。”

 

Peter Hartwell表示，構(gòu)建智能傳感器，需要以擴(kuò)大的技能組合來提升價(jià)值，包括傳感器知識(shí)、系統(tǒng)知識(shí)以及大數(shù)據(jù)知識(shí)。

 

 

傳感器中數(shù)據(jù)的價(jià)值正在凸顯

 

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，傳感器及其配套互聯(lián)設(shè)備呈爆炸式增長態(tài)勢，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最佳用戶體驗(yàn)，傳感器的數(shù)據(jù)價(jià)值及其分析顯得越來越重要。飛思卡爾半導(dǎo)體傳感器解決方案部Ian Chen指出：“傳感器感測的是物理變化，傳感器所能感測的，比我們想象的要多得多?，F(xiàn)在互聯(lián)設(shè)備中平均是5顆傳感器，到2025年將提升至20顆，總共4800億顆傳感器，這么多傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是非?？捎^的。但是我們?nèi)绾问褂脗鞲衅鲾?shù)據(jù)去理解環(huán)境，了解環(huán)境的變化？數(shù)據(jù)分析的作用就日益凸顯。”

 

 

 

 

他舉了個(gè)例子，BAM Labs的無接觸生活護(hù)理系統(tǒng)利用飛思卡爾的傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對病人生物信號(hào)的追蹤，只需要在床墊下放置一個(gè)簡單的傳感器便可無間斷監(jiān)測心率、呼吸頻率狀況、睡眠狀況和睡眠質(zhì)量等生命體征信息，為用戶和醫(yī)護(hù)人員大大簡化了數(shù)據(jù)采集功能。“這類應(yīng)用案例還有很多，可以說傳感器數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)在廣泛使用中，但是數(shù)據(jù)分析并不總是精確的。有用的數(shù)據(jù)分析結(jié)果依賴于嚴(yán)格的數(shù)據(jù)采集和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，而在大多數(shù)應(yīng)用中我們剛開始收集所需的傳感器數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)。” Ian Chen表示，“但可以肯定的是，傳感器數(shù)據(jù)帶來了更多價(jià)值。需要注意的幾點(diǎn)是，傳感器在物理環(huán)境中得漂移，計(jì)算資源的部署，隱私/安全問題以及需要開放數(shù)據(jù)。”

 

無獨(dú)有偶，通用電氣（GE）也正在將傳感器嵌入傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)手機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期通過減少產(chǎn)品開發(fā)周期來縮減成本。全球研發(fā)中心技術(shù)總監(jiān)Penju Kang提出了機(jī)器搜索引擎的概念，未來通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，人們可以利用搜索引擎查找到任何一臺(tái)機(jī)器的狀態(tài)，從而決定是否需要設(shè)備維護(hù)，更可以發(fā)現(xiàn)空閑的設(shè)備加以利用，提高效率。“充分發(fā)揮智能感測、云計(jì)算、先進(jìn)數(shù)據(jù)分析能力和新的互聯(lián)技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在塑造并重新定義傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的界限。智能設(shè)備正在大大增強(qiáng)人類的工作能力，設(shè)備互連所帶來的生產(chǎn)效率、靈活性和反應(yīng)能力的持續(xù)提高已是被認(rèn)可的普遍現(xiàn)象。”可以預(yù)見這也將顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)的商業(yè)模式。

 

 

 

MEMS傳感器來自工藝與制造的創(chuàng)新

 

過去幾十年，電子技術(shù)和移動(dòng)計(jì)算的快速發(fā)展在為我們帶來新的便捷生活方式的同時(shí)，也極大的提高了生產(chǎn)效率。當(dāng)我們進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，MEMS和傳感器的創(chuàng)新應(yīng)用在我們與他人、與周邊環(huán)境的互聯(lián)和信息交互中的作用越發(fā)明顯和重要。新興的MEMS產(chǎn)品與應(yīng)用不斷出現(xiàn)，來自工藝和制造領(lǐng)域的創(chuàng)新功不可沒。

 

作為大陸最大的晶圓代工廠，中芯國際（SMIC）在2007年進(jìn)入MEMS領(lǐng)域，時(shí)值SMIC成立15周年，該公司執(zhí)行副總裁Shiuh-Wuu Lee（李序武）博士介紹了進(jìn)軍MEMS領(lǐng)域以來取得的一系列成績： MEMS振蕩器在2013年投入量產(chǎn)；背照式圖像傳感器也于2013年左右量產(chǎn)；SMIC還提供TSV-CSP封裝及測試在內(nèi)的一站式服務(wù)；2015年更是連續(xù)量產(chǎn)了MEMS麥克風(fēng)、加速度傳感器和陀螺儀，與敏芯聯(lián)合發(fā)布的3軸加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)了世界同類產(chǎn)品的最小尺寸。此外，李序武透露2016年壓力傳感器也將進(jìn)入試生產(chǎn)階段。

 

 

MEMS技術(shù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)因素

 

關(guān)于MEMS工藝及制造領(lǐng)域的技術(shù)演進(jìn)，李序武指出，未來的趨勢是TSV和WLCSP將成為智能傳感器制造的關(guān)鍵技術(shù)。“MEMS需要不斷降低成本，同時(shí)不同的MEMS要與CMOS融合以及無縫集成制造以實(shí)現(xiàn)多樣功能及智能化。CMOS-MEMS集成的優(yōu)勢在于SoC式的設(shè)計(jì)和制造，批量生產(chǎn)式更低的成本，更高的性能例如寄生參數(shù)、EMI性能等。目前已經(jīng)有一些廠商在使用這類工藝，例如Sandia，英飛凌，ADI、TI等。”他補(bǔ)充說，“不論如何，與IC及系統(tǒng)級(jí)客戶的合作創(chuàng)新探尋新應(yīng)用，將會(huì)捕獲更多中國市場的機(jī)會(huì)。”

 

TSMC資深業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)George Liu表達(dá)了類似觀點(diǎn)，他認(rèn)為“傳感器結(jié)合CMOS邏輯電路實(shí)現(xiàn)智能化才是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代需要的器件，因此，幫助實(shí)現(xiàn)傳感器融合的3D IC、TSV、WLCSP工藝會(huì)成為未來十幾年帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。”然而博世的Leopold Beer則持不同觀點(diǎn)。他認(rèn)為，CMOS-MEMS集成工藝對成本沒有帶來減少，甚至比分開來做更高。“因?yàn)镸EMS工藝不需要用到CMOS那么低的工藝節(jié)點(diǎn)。”

 

產(chǎn)業(yè)鏈各方都強(qiáng)烈表達(dá)了加強(qiáng)合作創(chuàng)新的需求，雖然MEMS近年來增長速度很快且前景廣闊，但某些成熟的器件增速已經(jīng)開始放緩，因而MEMS研發(fā)必須有新的創(chuàng)新點(diǎn)，重復(fù)之前的工作不會(huì)有太好的前景——尤其對MEMS初創(chuàng)企業(yè)更是如此，因?yàn)樗鼈冊诔鲐浟亢唾Y金上都處于劣勢。

 

對于300mm晶圓制造，George Liu提出，“MEMS產(chǎn)品對工藝的要求需要更先進(jìn)的設(shè)備，而未來隨著MEMS出貨量的擴(kuò)大，300mm晶圓MEMS可能投入量產(chǎn)，這對半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)既是巨大的機(jī)遇，也是不小的挑戰(zhàn)。”對此Applied Material 200mm設(shè)備產(chǎn)品副總裁和總經(jīng)理Zheng Yuan解釋說：“從客戶角度來看，在MEMS、FLASH、MCU、模擬IC、RF領(lǐng)域的設(shè)備選擇上看，無論是200mm還是300mm都不是技術(shù)問題，更多是基于成本考慮。一般來看，200mm設(shè)備的工藝節(jié)點(diǎn)在0.18um~0.13um，最多到90nm，300mm一般40nm～50nm的工藝更劃算。”

 

在Applied Material看來，現(xiàn)有市場200mm仍然是生產(chǎn)傳感器、MCU、集成有模擬器件的MEMS產(chǎn)品的為主，還將持續(xù)保持增長，MEMS市場的爆發(fā)將創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對于300mm設(shè)備，技術(shù)上已經(jīng)開始了準(zhǔn)備，下一步的關(guān)鍵要看上游廠商最終對于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)投入的權(quán)衡。”