惯性传感器市场转向组合传感器和传感器中枢
2013-12-07 11:49:55   来源：微迷   评论：0   点击：

中国微纳技术俱乐部 王懿/译

虽然市场对低成本、高性能的MEMS传感器需求不变，但是随着产业不断成熟，满足这些需求的方法正在改变。由于目前的工艺技术接近极限，减少传感器尺寸和成本显得并不容易。所以，“集成”，包括组合传感器（硬件）和传感器融合算法（软件），正在成为下一项技术驱动因素。这意味着MEMS传感器厂商需要将各种技术、合作伙伴和商业模式放在一起才具有竞争优势。

惯性传感器价格将持续下滑，虽然下滑的速度正在放缓。由于强烈的竞争和来自客户的强大压力，我们预计未来5年惯性传感器的平均销售价格将再下滑40%~60%。到2018年，3轴加速度计将下降到0.19美金，3轴陀螺仪将下降到0.31美金，3轴磁力计将下降到0.18美金。

虽然通过减小芯片尺寸来降低成本仍有一些空间，但是很多简单方法已经使用。现在主流的惯性传感器已经很小了，从磁力计的1.4 x 1.4mm到陀螺仪的2 x 2mm。减小键合线的尺寸一直是主要的减小芯片尺寸的方法。EVGroup公司报告指出2009年的键合区域面积大约占芯片面积的25%~30%，然而金-金键合可将键合区域降低到5%（相同的MEMS设计）。另外一个减小芯片尺寸的方式是减小键合焊线的焊盘面积，但是这种技术本身会增加成本。其它工艺技术，如更加精确的刻蚀、晶圆级封装，也可以减小芯片尺寸和降低成本，但是已经接近极限。

消费市场的出货量也带动领先的MEMS传感器供应商和他们的设备供应商在大批量生产的品质控制方面大幅提升，从而使得产量提高、良率改善、成本降低，但这些是大批量生产的MEMS传感器供应商所具备的优势，创业型企业望尘莫及。

这项成熟的生产技术需要一些不同的方法来进一步改善产品性能、降低成本，也许是一个破坏性的方法。然而，在智能手机中推出一项新技术是非常具有挑战性的，主要是成本和体积的考量。CEA-Leti的压电电阻传感器平台似乎是一个不错的选择，尤其是他们可将包括磁力计在内的9轴惯性传感器集成在一个芯片上。现在，Qualtré低噪声压电陀螺仪平台也可以提供样片了，这也是另一种可能的选择。

“集成”——成本和性能的下一个驱动因素

近期最大的成本和性能驱动因素是集成——将两个分立的传感器组合成模块，并将传感器数据“解析”为有用的高阶功能。这需要MEMS传感器供应商增强自身实力、补充新的技术能力，同时这也打开了各种机遇，包括新技术和新商业模式。

图1 2010-2018年组合惯性传感器市场营收预测（消费类+汽车类）

在同一个芯片上或封装中集成多个传感器，并共用一个ASIC，是一条明确的可降低成本之路。在汽车领域，例如，今年分立的加速度计和分立的陀螺仪合计为13美金，而这两种集成的组合传感器为11美金，我们认为这类组合传感器成本还有更多的下降空间，预计未来5年会下降15%~20%。随后越来越多的传感器将集成。明年，6轴组合传感器在手机中的应用将变得普遍，而9轴惯性测量单元（IMU）也会在2015年实现飞跃。再接下来，压力传感器、微控制器、射频器件以及温湿度传感器将进一步集成。组合传感器的低成本和供应链的简化需求推动市场发展，然而风险来自于有限的供应商数量。

除了传感器硬件集成，市场对传感器数据的采集与管理也有强烈需求。一般来说，越小的MEMS器件，其电容信号越小，尤其是这些组合传感器，需要更复杂的信号处理电路；同时更多的传感器融合应用也增加了ASIC复杂性。因此，即使是一些IDM大厂也正在将ASIC设计工作外包。如博世公司正在与瑞士EM微电子合作设计ASIC，而意法半导体开始与ICSense合作开发ASIC。

图2 意法半导体6轴惯性测量单元：LSM330

优秀的传感器处理算法可以使惯性传感器表现出更好的性能、更多的功能。例如，Kionix公司通过软件算法利用加速度计和磁力计来模拟陀螺仪功能，当然这种虚拟陀螺仪的性能比真实的陀螺仪要差几度，但是可以应用到手势识别领域。此外，由于采用软件方式的成本更低、功耗更低，所以可以始终处于工作状态以提供情景感知功能。

越来越多的传感器融合算法正从传感器ASIC转移到传感器中枢（Sensor Hub）。主要的应用处理器供应商已经开始将传感器中枢放入CPU产品线中，将传感器管理工作从操作系统软件转移到硬件“硅”中。此外，博通推出根据应用定制的商业导航芯片，高通发布集成导航功能的应用处理器，并且这两款芯片中都具有惯性传感器融合功能。三星和苹果最近面世的智能手机都采用传感器中枢来处理运动识别、健身等应用，我们预计未来这些传感器中枢还将提供室内导航和情景感知功能。通过苹果、谷歌和微软的努力，软件和系统厂商也涉及传感器管理及应用市场，他们可以很方便地实现各种传感器创新应用。

我们需要根据不同市场需求，选择一些基本能力，实现不同的组合传感器功能。基本能力包括：MEMS器件、磁力计、ASIC、封装技术、传感器中枢和软件。这意味着广泛的新型MEMS商业模式，因为企业选择什么样的能力，如何与其他企业合作，如何外购一些能力尽快推向市场，都将影响产品成功与否。即使是大型MEMS供应商也正寻找购买工艺平台技术、裸片或传感器融合软件等。但是，我们认为这种价值链分裂只是一个短期现象，从长远来看，如果一家公司在企业内部控制所有关键环节将具有巨大优势。因此，预计惯性传感器厂商将设法拥有自己的磁力计技术。

细分的利基市场也有机会

实际上MEMS器件最早应用于工业和汽车领域，然而很多初创企业一上来就瞄准了消费市场，主要原因：不管是对创业者还是投资人，庞大的出货量和营收很有吸引力。但是，现在许多MEMS公司还依然活着，因为他们寻找到合适的利基市场。消费市场可能会误导人们以忽略手机以外的市场机遇。即使该MEMS器件将拥有很大的消费市场，也不应该忽视其他利基市场，这些市场的利润很高。举两个例子，新兴的MEMS自动对焦执行器，绝大多数人会聚焦智能手机应用，但是您不要忽略其它高端应用，如汽车的普通摄像和红外成像。微镜除了做消费类微投影仪，还有医疗成像、三维扫描、光纤通信等应用。

能提供较高性能的传感器和执行器都在寻找新兴的应用，如精细农业、工业领域的自主清洁机器人。这些不断扩大的市场目前约几万台，肯定没有消费类那么大的量，但是前景和利润是非常可观的。新型压电薄膜技术首次引入喷墨打印头，将应用于商业和工业级打印机，我们预计该项技术将扰乱市场。爱普生首次将该技术应用于商业大幅面打印机，现在扩展到所有的工业和商业印刷设备。爱普生表示，新型压电MEMS器件使其统一了喷墨打印头技术规格，不管是工业印刷机，还是办公室桌面打印机，喷墨打印头都一样。意法半导体也在开发一种应用于工业打印机的压电薄膜喷墨头——这也是其首个压电薄膜产品。