MEMS传感器市场的创新，比你想象的要多得多！
2015-09-16 20:08:50   来源：微迷   评论：0   点击：

“请创新而不是一味降低成本！我们宁要新功能不要低成本。” 在最近上海举办的第二届MEMS传感器盛会MIG Asia 2015上，华为传感部门的首席技术专家丁险峰的呼吁引起了MEMS产业界的极大反响。此外，来自虚拟现实产品初创企业Virtuix董事长David Allen也强烈表示“需要集成度更高的MEMS传感器产品”。技术创新与传感器融合，在本届会议被反复重申。

MEMS传感器的一组市场数据

首先来看看一组数据。Yole Développement调查数据指出，从2000年到2020年间，MEMS市场将保持20年的连续增长，MEMS产品的市场规模将在2020年超过250亿美元，是2000年的5倍。MEMS传感器市场的爆发，将成为带动物联网市场前进的重要因素。

然而物联网的蓬勃发展，一直被诟病标准的缺失。好消息是IEEE已经制定了物联网的相关标准“27000”和“2413”，据IEEE SA Ravi Subramaniam解释，“27000项目是制订致力于全球IOT方面的标准，促进物联网包括云计算、模拟的药物研发和虚拟的沟通，全球的沟通，以及实际世界与互联世界的互通等新的技术的互联互通问题。还有一个，也是很令人振奋的项目叫IEEE2413，这个也是一个致力于构建物联网实际体系的计划。”

在MEMS测试方面，Ravi Subramaniam表示，“有关MEMS测试方法的标准，IEEE在MEMS方面确实在着手做传感器测试方法的标准化，我们确实看到未来对于标准化测试手段有实际的需求，所以未来很有可能会有相关的新项目。还有可能做的项目是传感器的认证，所有购买并用在终端产品上的传感器都是经过测试认证的。

MEMS传感器走向融合

博世亚太区总裁Leopold Beer在演讲中指出；“物联网时代的到来对消费类MEMS传感器提出了新的需求。应用日趋复杂性多样性决定了这一产业将面临更多新的挑战，但同时也为现有的和新型传感器应用带来了更多机会。”

“传统应用的边界变得模糊，普遍面临着CO2减排及能效、新的移动概念、人口、城市化、连接世界、个性化产品等挑战。” Leopold Beer指出，“现在智能手机定义了MEMS传感器市场，并将动作传感器引入到HMI游戏机、AR/VR设备、活动监控、室内导航的应用，并逐渐走向环境传感器，诸如热量计算、高度、湿度、温度、环境光等与人的舒适度有关的环境监测类传感器，突破了智能手机生态系统。”他提出了未来对传感器需求的四个象限：物联网节点所在的更高功能集成与更高的功率预算领域；物联网标签所在的较低功能集成与更高的功率预算领域；可穿戴设备所在的更高功能集成与较低的功率预算领域；智能开关所在的较低功能集成与较低的功率预算领域。“新的领域意味着整个产业链需要更多地思考和合作需求。哪些纯器件的玩家很可能将会被逼到一个更窄的市场空间。”他强调。

至于如何更好地提升解决方案集成，Leopold Beer指出了三个关键因素。“首先要获得更广泛的技术组合，而不只是惯性传感器，这就要求持续的制造或购买决策以及持续竞争力的延伸。其次是特殊应用产品将会获得更多的重视。已经成熟的汽车产业和智能手机产业，正在爆发的可穿戴以及将兴起的物联网设备都可以考虑。最后是系统集成能力。这需要有应用方面的know-how，软件开发能力以及应用工程等方面的优势。”他表示，作为唯一一家在汽车与消费电子领域都占有全方位生产、工程和商业优势的MEMS公司，博世也将朝着系统集成优化方向继续研究。“过去的挑战是缩小器件尺寸，而现在尺寸本身不再重要，更关键的是功能密度的提升。功能整合的概念是SIP、微控制器与固件集成、与代码集成，甚至整个领域的所有know-how集成。系统集成时，我们看到挑战在于集成第三方传感器时效率较差，如果都是来自同一个公司比如博世的产品，效率、一致性会更好。在软件方面，也需要更多的与软件供应商合作。此外还有新应用的系统集成也是一大挑战。”

对于MEMS传感器领域的下一个大的变革技术，Leopold Beer认为将会出现在环境传感器领域。“但是这类器件可能是基于生物的、基于光电的，却是Non-MEMS的。MEMS技术也有其局限性。”

MEMS传感器玩家需要更多附加价值

在大家都在大谈特谈传感器融合、系统集成，曾经以运动传感器风光一时的InvenSense有点失落。“随着MEMS传感器应用和出货量的急速增长，动作传感器在智能手机中的地位，从最初乔布斯宣传的顶级功能，成为了一个最普遍的技术，从游戏机、相机图像稳定仪，活动监测到导航……都有它的身影，传感器让这些设备的性能更好，而它们的下一篇章将是物联网。” InvenSense先进技术高级总监Peter Hartwell指出，“机会将来自成本、尺寸、功耗、制造能力等方面。”

“而物联网的性能与功耗往往是矛盾的，提高性能的同时要降低功耗，那是不可能的。可以看到随着集成度的提升，MEMS ASP（平均售价）却在急速下滑。要提升ASP，就要增加更多附加价值。” Peter Hartwell表示，“过去我们是内建到美光、FAIRCHILD、NS等OEM芯片规格中，未来则是转向以智能传感器提高更多附加价值，与诸如GOPRO、fitbit、Nest等系统厂商直接合作。”

Peter Hartwell表示，构建智能传感器，需要以扩大的技能组合来提升价值，包括传感器知识、系统知识以及大数据知识。

传感器中数据的价值正在凸显

随着物联网的兴起，传感器及其配套互联设备呈爆炸式增长态势，要实现产品的最佳用户体验，传感器的数据价值及其分析显得越来越重要。飞思卡尔半导体传感器解决方案部Ian Chen指出：“传感器感测的是物理变化，传感器所能感测的，比我们想象的要多得多。现在互联设备中平均是5颗传感器，到2025年将提升至20颗，总共4800亿颗传感器，这么多传感器所产生的数据是非常可观的。但是我们如何使用传感器数据去理解环境，了解环境的变化？数据分析的作用就日益凸显。”

他举了个例子，BAM Labs的无接触生活护理系统利用飞思卡尔的传感器技术实现对病人生物信号的追踪，只需要在床垫下放置一个简单的传感器便可无间断监测心率、呼吸频率状况、睡眠状况和睡眠质量等生命体征信息，为用户和医护人员大大简化了数据采集功能。“这类应用案例还有很多，可以说传感器数据分析和机器学习技术已经在广泛使用中，但是数据分析并不总是精确的。有用的数据分析结果依赖于严格的数据采集和机器学习方法，而在大多数应用中我们刚开始收集所需的传感器数据分析数据。” Ian Chen表示，“但可以肯定的是，传感器数据带来了更多价值。需要注意的几点是，传感器在物理环境中得漂移，计算资源的部署，隐私/安全问题以及需要开放数据。”

无独有偶，通用电气（GE）也正在将传感器嵌入传统工业设备，通过网络手机数据进行分析，以期通过减少产品开发周期来缩减成本。全球研发中心技术总监Penju Kang提出了机器搜索引擎的概念，未来通过工业物联网，人们可以利用搜索引擎查找到任何一台机器的状态，从而决定是否需要设备维护，更可以发现空闲的设备加以利用，提高效率。“充分发挥智能感测、云计算、先进数据分析能力和新的互联技术，工业互联网正在塑造并重新定义传统工业企业的界限。智能设备正在大大增强人类的工作能力，设备互连所带来的生产效率、灵活性和反应能力的持续提高已是被认可的普遍现象。”可以预见这也将颠覆传统制造业的商业模式。

MEMS传感器来自工艺与制造的创新

过去几十年，电子技术和移动计算的快速发展在为我们带来新的便捷生活方式的同时，也极大的提高了生产效率。当我们进入物联网时代，MEMS和传感器的创新应用在我们与他人、与周边环境的互联和信息交互中的作用越发明显和重要。新兴的MEMS产品与应用不断出现，来自工艺和制造领域的创新功不可没。

作为大陆最大的晶圆代工厂，中芯国际（SMIC）在2007年进入MEMS领域，时值SMIC成立15周年，该公司执行副总裁Shiuh-Wuu Lee（李序武）博士介绍了进军MEMS领域以来取得的一系列成绩： MEMS振荡器在2013年投入量产；背照式图像传感器也于2013年左右量产；SMIC还提供TSV-CSP封装及测试在内的一站式服务；2015年更是连续量产了MEMS麦克风、加速度传感器和陀螺仪，与敏芯联合发布的3轴加速度计实现了世界同类产品的最小尺寸。此外，李序武透露2016年压力传感器也将进入试生产阶段。

关于MEMS工艺及制造领域的技术演进，李序武指出，未来的趋势是TSV和WLCSP将成为智能传感器制造的关键技术。“MEMS需要不断降低成本，同时不同的MEMS要与CMOS融合以及无缝集成制造以实现多样功能及智能化。CMOS-MEMS集成的优势在于SoC式的设计和制造，批量生产式更低的成本，更高的性能例如寄生参数、EMI性能等。目前已经有一些厂商在使用这类工艺，例如Sandia，英飞凌，ADI、TI等。”他补充说，“不论如何，与IC及系统级客户的合作创新探寻新应用，将会捕获更多中国市场的机会。”

TSMC资深业务发展总监George Liu表达了类似观点，他认为“传感器结合CMOS逻辑电路实现智能化才是物联网时代需要的器件，因此，帮助实现传感器融合的3D IC、TSV、WLCSP工艺会成为未来十几年带动行业发展的关键技术。”然而博世的Leopold Beer则持不同观点。他认为，CMOS-MEMS集成工艺对成本没有带来减少，甚至比分开来做更高。“因为MEMS工艺不需要用到CMOS那么低的工艺节点。”

产业链各方都强烈表达了加强合作创新的需求，虽然MEMS近年来增长速度很快且前景广阔，但某些成熟的器件增速已经开始放缓，因而MEMS研发必须有新的创新点，重复之前的工作不会有太好的前景——尤其对MEMS初创企业更是如此，因为它们在出货量和资金上都处于劣势。

对于300mm晶圆制造，George Liu提出，“MEMS产品对工艺的要求需要更先进的设备，而未来随着MEMS出货量的扩大，300mm晶圆MEMS可能投入量产，这对半导体设备业既是巨大的机遇，也是不小的挑战。”对此Applied Material 200mm设备产品副总裁和总经理Zheng Yuan解释说：“从客户角度来看，在MEMS、FLASH、MCU、模拟IC、RF领域的设备选择上看，无论是200mm还是300mm都不是技术问题，更多是基于成本考虑。一般来看，200mm设备的工艺节点在0.18um~0.13um，最多到90nm，300mm一般40nm～50nm的工艺更划算。”

在Applied Material看来，现有市场200mm仍然是生产传感器、MCU、集成有模拟器件的MEMS产品的为主，还将持续保持增长，MEMS市场的爆发将创造更多经济价值。对于300mm设备，技术上已经开始了准备，下一步的关键要看上游厂商最终对于技术和经济投入的权衡。”