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未来已来,高端MEMS惯性传感器挑战传统惯性技术
2020-03-12 15:50:50   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询介绍,随着MEMS陀螺仪进入工业应用,结合不断提高的性能,不难预见它们将对FOG、环形激光陀螺仪(RLG)等传统技术构成不小的威胁。MEMS惯性传感器已经开始在某些工业和战术应用中取代基于FOG的解决方案。

微访谈:Silicon Sensing Systems业务发展经理Darioosh Naderi

高性能运动传感对于军事、商业航空航天、海事以及工业等许多行业都非常重要。根据Yole近期发布的《高端惯性传感器技术及市场-2020版》报告,2019年全球高端惯性传感器市场规模约达32.4亿美元,预计2019年~2025年期间的复合年增长率(CAGR)将超过4.7%,市场规模到2025年将增长至42.6亿美元。

2019~2025年高端惯性传感器主要细分领域的市场预测

2019~2025年高端惯性传感器主要细分领域的市场预测

数据来源:《高端惯性传感器技术及市场-2020版》

其中,国防和军事、商业航空航天以及海事应用,预计将在未来五年内以3~4%的复合年增长率增长,相比之下,工业应用领域最具前景,预计复合年增长率将超过10%。过去几年来,主要得益于中低价MEMS陀螺仪和光纤陀螺仪(FOG)技术的最新发展,以低成本和高性能集成的新功能性驱动了惯性系统在工业应用领域的兴起。

据麦姆斯咨询介绍,随着MEMS陀螺仪进入工业应用,结合不断提高的性能,不难预见它们将对FOG、环形激光陀螺仪(RLG)等传统技术构成不小的威胁。MEMS惯性传感器已经开始在某些工业和战术应用中取代基于FOG的解决方案,不过,这场战斗才刚刚开始,因为FOG技术也在持续改进。

为了明晰MEMS在高端惯性系统市场日益重要的地位,Yole技术与市场分析师Dimitrios Damianos近日采访了日本Silicon Sensing Systems业务发展经理Darioosh Naderi。

Dimitrios Damianos(以下简称DD):Silicon Sensing Systems是高端MEMS惯性传感器领域的先锋厂商,请您简述一下公司的发展历史以及供应的产品组合。

Darioosh Naderi(以下简称DN):我们开发并制造高精度MEMS陀螺仪、MEMS加速度计和MEMS惯性测量单元(IMU),以支持船舶、汽车、工业、农业和航空航天领域中的精确测量、制导、稳定、导航和控制应用。Silicon Sensing Systems是日本住友精密产品(Sumitomo Precision Products)公司和美国柯林斯宇航(Collins Aerospace)公司的合资企业。Silicon Sensing Systems已成立20年,不过,通过我们的前身来说,我们在陀螺仪技术领域的传承已有100多年历史了。

我们是第一家大批量生产硅基MEMS陀螺仪的厂商,现在我们已经为商业和工业市场提供了超过4000万颗MEMS惯性传感器。自2017年初以来,我们的业务已大幅增长了80%,我们的产品组合也将扩展至完整的惯性传感解决方案。

DD:你们目前主攻的市场或应用主要有哪些?

DN:我们的MEMS惯性传感器通常用于要求高性能和低漂移的应用,例如测量测绘以及海事和铁路领域。对于既要求性能,又对空间、重量有严格限制的应用,我们也有涉足,例如自动驾驶汽车和先进的机器人技术。我们的产品在最极端的环境中运行可靠,因此,也应用于井下钻探、太空运载和小型卫星等领域。

对于精度要求相对较低的应用,我们经过市场验证的器件(例如我们的微型PinPoint®陀螺仪)的需求获得了显著增长。单独或多颗使用,这款陀螺仪可为广泛的应用提供极其可靠的运动感知。

DD:与竞争对手相比,你们有哪些差异化优势?

DN:我们的产品基于独特的谐振环硅基MEMS传感器专利设计。这种环形谐振器结构克服了安装灵敏度问题,相比其它振动结构型陀螺仪,我们的产品天生免受高水平的冲击和振动,并消除了锁定和静摩擦问题。

与其它竞争厂商不同,我们在日本有自己的晶圆厂,有能力制造自己所有的传感器。这使我们可以完全控制器件设计和制造的各个环节。

Silicon Sensing Systems惯性组合传感器CMS300

Silicon Sensing Systems惯性组合传感器CMS300(左)和MEMS芯片(右),包括一颗ASIC芯片,一颗MEMS陀螺仪芯片和一颗加速度计芯片,采用陶瓷基板和引线键合。陀螺仪芯片采用其独有专利技术的环状结构(通过DRIE工艺制造)和压电薄膜执行器/换能器。加速度计芯片采用共振硅基MEMS结构,与玻璃基底采用阳极键合,并通过玻璃通孔(TGV)实现电气连接。资料来源:《Silicon Sensing组合传感器(Z轴陀螺仪和2轴加速度计):CMS300》

DD:据悉Silicon Sensing Systems正在扩建位于日本的晶圆厂,背后的驱动因素是什么?

DN:我们的晶圆厂目前正在扩建,最近一期工程预计将在2020年底完成。这包括搬迁到新的厂房以及引入新的机台和制造能力。扩建的驱动因素有很多,具体如下:

首先,这是为了支持我们MEMS惯性传感器不断增长的需求;其次,满足代工服务不断增长的需求,以及溅射PZT(锆钛酸铅)薄膜MEMS器件的显著增长需求。我们在2010年推出首款溅射PZT薄膜MEMS传感器:PinPoint®陀螺仪。从那时候起,PinPoint®陀螺仪累计生产已超过1000万颗,广泛应用于汽车、工业和商业领域。基于PinPoint®的优势,Silicon Sensing Systems的薄膜材料溅射技术已达到了领先水平。最后,新的晶圆厂也可以帮助我们抵抗未来可能的地震,以免造成损坏或制造中断。

DD:你们目前在亚洲的业务表现如何,目前已经解决了哪些市场和应用,将来又将拓展哪些其他市场?

DN:作为一家由美国和日本公司50/50合资成立的企业,我们在亚洲拥有强大的布局,对这个市场有深入的理解。不过,我们的产品是可以满足所有市场需求的全球化商品,不会有任何地理差异。当然,我们在亚太地区拥有一支销售团队,致力于为该地区的客户提供支持,以确保我们与客户建立高效的紧密合作关系。

DD:你们有没有注意到来自亚洲本土厂商的竞争威胁?

DN:我们将自己视为一家在亚洲地区有深入布局的本土企业,并且,该地区对我们产品的需求非常旺盛。我们的团队一直在关注并拓展不断变化的市场需求。目前,我们还没有看到来自亚洲地区的有力威胁。

DD:许多自动驾驶项目都采用了Silicon Sensing Systems的惯性传感器。您能详细介绍一下这个市场应用吗?客户在这个领域有什么特殊要求?成本、性能、车规认证等。

DN:迅速发展的自动驾驶市场推动了对精确三轴运动感测的需求增长,尤其是高精度偏航轴(yaw axis)传感,因为这无法通过整合的加速度测量来消除陀螺仪偏置误差。我们的产品提供了基于MEMS技术的有效解决方案,可以满足这些需求。

对于这个快速发展的市场,很关键的一点是客户需要的是合作伙伴,而不是简单的现货供应商。我们凭借自身内部拥有的专家资源、专有技术和财务实力,可以作为合作伙伴为客户打造具有成本效益的特定解决方案。

随着自动驾驶项目已经开始从开发阶段逐渐过渡到中、大批量生产,可以预见该领域存在着需要降低功耗、减小尺寸、减轻重量、降低成本的同时保持或扩展性能的压力。我们的设计专业能力、制造资源和财务实力,意味着我们可以随着需求的发展和成熟而迅速有效地做出响应。

Silicon Sensing Systems 推出的新型高性能全MEMS惯性测量单元AMU30

Silicon Sensing Systems 推出的新型高性能全MEMS惯性测量单元AMU30。AMU30由带有三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、压力传感器和复杂AHRS算法的十自由度运动传感器组成。其独特的多MEMS架构融合了来自每个轴上的双独立MEMS传感元件的输入,以提供精确的3轴角速度与加速度输出,以及横滚、俯仰和航向角、高度和压力输出。

DD:工业应用在低价格和高性能方面处于很好的平衡,在您看来,这个市场有哪些机会?在不久的将来还有哪些其他应用将快速发展?

DN:当前及未来,制造自动化和机器人技术的日益应用带来了很多机遇。我们已经看到客户使用我们的基础款传感器(例如PinPoint®),以低成本获得了真正的性能优势。我们也注意到该领域对成熟的完整集成解决方案(例如DMU11)的需求不断增长,这类解决方案在整个温度范围内进行了校准,并且,所需要的集成成本和投入最小。

DD:工业级传感器的生命周期比航空航天和海事应用要短得多,你们产品的典型生命周期是多少?是否需要针对设计和细分市场应用采取不同的方案?

DN:我们的经验是,产品的生命周期是由产品执行的任务和变化的程度决定的,各个细分市场不尽相同。我们有几种产品已经投放市场数年了,它们属于上架现货,非常可靠,在许多市场仍然有需求。对于客户需要升级性能的情况,我们的最新器件完全可以满足它们的需求。

DD:请您介绍一下Silicon Sensing Systems的产品(和技术)路线图。

DN:我们的目标是在增加更多功能和性能的同时,不断降低产品尺寸和重量。这对我们来说是永恒的追求。我们使用一系列构建模块来推动新产品开发,帮助我们拓展和改进性能。目前,我们已经完成了第五代MEMS设计,并且还有两代产品正在开发和原型化。

DD:硅基MEMS技术与传统技术的竞争越来越激烈。您是否认为硅基MEMS技术将来会以相近的性能威胁到FOG甚至RLG技术?

DN:您所说的“未来”可能已经来了。我们正在销售的多款产品,它们以更小、更轻、更坚固且更具成本效益的器件达到了FOG的性能。举个例子,我们的DMU30已经投放市场多年,它的表现已经使一些客户决定从FOG转向这种硅基MEMS技术。

硅基MEMS器件提供的FOG级性能已经在改变传统惯性传感市场,我们希望这些器件能够在水文测量、海上导航、机载监视、地形测绘、机器控制、惯性导航和GPS脱机辅助以及自动驾驶领域占据一席之地。今年9月,两颗FOG级硅基MEMS惯性单元将助力“五月花号(Mayflower)”无人驾驶轮船(MAS400)重走400年前第一艘“五月花号”横跨大西洋航行的壮举,为其提供关键的导航数据,不同的是,这次的MAS400无需船长和船员。

DD:未来几年,我们可以对Silicon Sensing Systems有何期待?

DN:这是一个充满活力的市场,我们将继续增强我们的产品,以提高性能、扩展功能并减小尺寸和重量。从而有潜力为之前无法实现的市场和应用提供高效的精密运动传感,同时也为现有市场提供更高水平的性能和新机遇。我们的工程团队也将继续为客户提供专业技术支持,并与客户密切合作提供高效的运营解决方案。

DD:您还有什么需要补充的吗?

DN:独立试验已经证明了我们DMU30高性能IMU的领先性能。我们为此感到自豪,并决心保持这一市场领先地位。我们的产品开发路线图以及强大而专注的产品研发,将确保我们在新的市场需求出现时,提供高效的解决方案。

延伸阅读:

《高端惯性传感器技术及市场-2020版》

《Silicon Sensing组合传感器(Z轴陀螺仪和2轴加速度计):CMS300》

《霍尼韦尔9轴MEMS惯性传感器:HG1120CA50》

《霍尼韦尔6轴MEMS惯性传感器:HG4930CA51》

《ADI精密6轴MEMS惯性传感器:ADIS16460》

《苹果iPhone X中的博世6轴IMU》

《InvenSense高性能7轴运动组合传感器:ICM-20789》 

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