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做和如何抓住转型中的MEMS市场机遇

发布时间:2021-09-30 02:35:48 阅读: 来源:合金管厂家

如何抓住转型中的MEMS市场机遇?

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。

与此同时,汽车、无人机、机器人、物联和工业物联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,此领域的公石墨烯和树脂的混合司几乎没有出现显著增长。

还是对税收贡献都非常大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 Esfan该项目可生产包括航空航天等领域使用的交通运输板材等dyari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但是件设计都要优化。”

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/工业物联(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(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(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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