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正在改變的MEMS市場
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受新的終端市場需求和需要更先進的工程開發、工藝和新材料的不同封裝選擇的推動,MEMS 行業似乎開始越來越有希望了。因為所有這些因素都會帶來更高的售價,所以這一領域已經拖延很久了。

多年以來,微機電系統(MEMS)市場一直都有太多公司在爭奪太少的機會。當成本沒法跟上售價的下降速度時,有些器件就從市場上消失了。而該領域中更專業化和利潤更高的部分(比如基於 MEMS 的麥克風和揚聲器)則由於市場規模太小,最多也只能支撐少數幾家小公司。

但過去一年來,整個 MEMS 版圖已經發生了重大變化。和半導體領域的其它行業一樣,這個行業也經歷了一些引人注目的整合:博通併入安華高(370 億美元)、TDK 收購InvenSense(13 億美元)、高通也已經簽署了收購恩智浦/飛思卡爾的協定(47 億美元)。這樣正面競爭的就只剩幾家大公司了,這會給該市場中量最大的部分產生可觀的影響,這也是價格下降速度最快的地方(見圖 1)。儘管產業化(commoditization)還會繼續,但供應商預計價格下降的速度會比過去慢。
 
同時,汽車、無人機、機器人和物聯網 等市場也在帶來新機會,它們全都需要更加複雜的 MEMS 設計。

多感測器集成
MEMS 一直以來都是兩個不同的市場的總稱。其中之一是陀螺儀、加速度計和磁力計,數十億台智慧手機和平板電腦中都有它們。這些晶片難以開發、封裝和測試,但需求量大,所以還是吸引了大量公司,帶來了激烈的競爭。儘管量大,但這一領域中僅有少數公司在 2015 年到 2016 年之間實現了顯著增長。

規避這一趨勢的最新策略是開發 感測器集成,這是 MEMS 供應商針對汽車和物聯網等市場開發的。這是感測器融合(sensor fusion)的更進一步。這裡的目標是以一種更加標準化的格式將感測器封裝在一起,基本上就是一種隨插即用平臺。這可以降低晶片製造商在設計、製造和銷售這些器件上的成本,同時也讓系統供應商更容易定制和集成。並且它還能增加這兩方面的可預測性。

“現在的趨勢就是將這種能力放入感測器中,使其能夠用在感測器集成 中。”意法半導體 MEMS 產品行銷高級經理Jay Esfandyari 說,“這並不意味著你必須將其放入一個 系統中,但你確實有這種能力。所以你可能會希望將加速度計和陀螺儀放入 一個晶片 中,你可能還會想加入一個磁力計或壓力感測器,或者你可能就想要它們全部。客戶可以選擇他們想要的感測器,然後將其連接到模組上。”

這聽起來很簡單直接,但也在變得越來越複雜。問題是如何將這些感測器集成到更大的系統中。這是很多市場都正在討論的主題,即怎樣將這些系統中的資料處理分開。隨著加入的感測器越來越多,集中式地處理所有資料會帶來高昂的成本,並會導致處理速度變慢。某些資料需要在本地進行處理,但具體多少還不清楚。
“你該如何衡量輸入,從而確定什麼更重要?這是個大問題。”Rambus 的傑出發明家 Steven Woo 說,“你將如何理解所有這些資料?現在有很多探索正在進行中,也有很多工具可用,可以在一個地方造出所有東西。”

行業都認同這個觀點。“我們正在見證 MEMS 市場中的感測器融合,尤其是現在這些公司正盡力將更多價值放入系統中。”西門子旗下 Mentor 的 Deep Submicron Division 部門的電子設計系統產品行銷經理 Jeff Miller 說,“與標準 MEMS 感測器相比,具有多個自由度和多路訪問 GPU 的集成感測器可以提供多很多的價值。但這種感測器融合需要很多集成。比如說,如果你拆開一台亞馬遜 Echo,你可以發現 7 個精心排布的麥克風,這是為了實現遠場語音檢測而設計的。要分離出正在說話的語音,需要相當多的感測器融合。結合 IMU (慣性測量單元)是增加價值的好方法,否則就沒有讓感測器實現差異化。那通常也會涉及到一個處理器。”

集成問題
隨著集成越來越緊密,系統供應商也需要瞭解這些器件可能會以怎樣的方式彼此交互。和大多數晶片一樣,MEMS 對熱很敏感。汽車等極端環境會影響它們的性能。但因為它們既是機械部件又是電子部件,所以它們也對振動和其它類型的雜訊敏感。這需要對它們的特性有更全面的瞭解。

“當它們在同一個 晶片上或封裝在一起時,瞭解特性會更加困難,而且每種類型的感測器都不一樣。”Lam Research 旗下的 Coventor 公司的 MEMS 高級總監 Stephen Breit 說,“使用陀螺儀和加速度計會出現交叉耦合效應。陀螺儀有一種會與鄰近的感測器發生耦合的驅動模式。”

有一些可以緩解這些問題的方法。就像其它任何雜訊一樣,陀螺儀中的振動也可以得到解決。它有一個可預測的頻率,所以它可以被過濾掉。但這種雜訊也可以被解讀成發給其它鄰近器件的信號,所以考慮這個問題時不能僅局限於單個 MEMS 器件。

Breit 說:“這要看具體情況。對於慣性感測器,正交耦合誤差(quadrature effect)是一個大問題,即傳感軸之間的耦合。這種情況發生的原因有很多。有些變數是在結構方面,所以每一代的設計都需要調整。”

這方面可以利用的歷史或經驗很少。部分原因是這些器件本身在演化,而潛在的交互是未知的。還有部分原因是無人機和機器人等新市場也要使用這些器件,另外汽車等已有市場也在不斷演化。所有這些行業都沒有關於未來如何使用這些技術的路線規劃,也不知道最終會將什麼集成到同一個封裝或系統中。

“公司企業正在尋找一套完整的解決方案,尤其是在封裝領域。”應用材料的 200mm 設備部門的戰略與技術行銷總經理 Mike Rosa 說,“你可以看到有些公司將ASIC 和 TSV技術 集成到MEMS晶片中,但它們想要一種完整的工藝流程,可以在一個封裝上實現端到端的集成,然後它們需要幫助以便將其委託給代工廠商。其中難題是如何解決所有這些問題。”

精度變得至關重要
很多 MEMS 終端市場行業也需要更高的精度。比如,在 ADAS 系統中使用的汽車加速度計需要比智慧手機中使用的加速度計更準確。儘管這會增加價值並導致價格上漲,但其開發所需的工程量和開發的複雜度也會顯著提升。某些情況下,這還需要新的技能組合。

Coventor 的 Breit 說:“自動汽車的精度需求在安全氣囊或翻車方面要高得多,它基本上就是測量什麼時候超過了閾值。現在,慣性感測器已經在導航推測(dead reckoning)方面使用了一段時間了。企業正在競相為這些器件實現更高的規格,不管哪家公司先實現目標,都能獲得實實在在的競爭優勢。”

這可需要不少的工作量。意法半導體的 Esfandyari 說:“你需要考慮雜訊偏差和穩定性、溫度和敏感性。你需要降低噪音、增加偏差穩定性並提高解析度。所以之前是 1000 度/秒的陀螺儀現在要做到 4000 度/秒。而且雜訊的基礎也需要非常低。ASIC 方面的一些工作已經完成,你可以在那裡對雜訊求平均或移除這些雜訊。你也必須確保 IC 也是低雜訊的。”

為了提升準確度,有的器件還需要新材料。

“架構沒有變,但規格越來越嚴格。”Applied Materials 的 Rosa 說,“指紋感測器和麥克風正在從電容材料變成壓電材料。以前麥克風結構側面的傾斜度 在±0.5 度之間。而實際加工中中心處結構側面陡直而邊緣處會超出這個範圍。這會產生一個正交誤差,比如可能會錯誤的認為電話是傾斜的。所以現在這個規格是傾斜 ±0.5 度到 ±0.3 度之間。”

指紋感測器也在改變,需要往器件中加入更多安全措施。更新的器件可以使用鐳射根據手指上的溝壑讀取指紋。Rosa 說:“我們的客戶正在為此尋找新的光學薄膜、將 III-V 族材料集成到矽晶圓上以及開發新的光學塗層。”
 
物聯網即使是更加便宜的器件,也涉及到更多工程開發工作。進入門檻正在上升,開發這些器件所需的專業知識水準也在上升。

“要在 MCU 上實現更多智慧,需要使用更加便宜的感測器,然後在這些感測器傳回的信號上進行更多處理。”Sondrel 公司銷售副總裁 John Tinson 說,“如果你減少元件數量,你就會減少單位的總數量。這是一條路。這確實有設計複雜度,因為沒有什麼是免費的。但 sensor hub 有一個設計方向,它們將會變得更加流行。”

這就引出了一些問題:它們是否將取代其它器件,還是將與它們共存?ARM 的系統和軟體組的 IoT 產品經理 Mike Eftimakis 認為應該會是後者,尤其是要使用的感測器會越來越多,這些感測器產生的所要處理的資料也越來越多。

Eftimakis 說:“想想 IoT,一般而言,它是從現場獲取資料,然後將資料傳輸到雲。如果你的物聯網有數十億乃至數萬億設備,將所有資料都傳輸到雲中是不可能的。所以你需要某種形式的前期處理。如果這是在同一塊晶片上,那就是感測器融合。但這也可以使用閘道處理器或其它一些 RTF(富文本格式)的過渡狀態完成,然後再傳輸到雲。所以對邊緣處理的需求會越來越大,越來越多的資料需要在本地進行處理。”

不管哪種情況,對 MEMS 行業來說都是好消息,因為很多感測器都是基於機械元件和電子元件的集成。這些好處會從前端設計一直擴展到製造和材料領域。

聯電(UMC)的特種技術部門副總裁 Wenchi Ting 說:“28/22nm RF 節點的基礎擴展和 MEMS 感測器工藝技術的發展是支持自動駕駛廣泛應用的兩大關鍵,同時基於雲的基礎設施將處理大規模的機器對機器 (M2M)資料處理需求。”

總結
隨著進入市場的互連設備越來越多,連接物理世界與數位世界的需求將需要海量的感測器。其中很多感測器都基於 MEMS 技術,而且其中一部分還將需要高度針對性的高精度器件,這部分的比例也正越來越大。對於 MEMS 市場而言,從新市場到高價值的晶片市場,很多方面都看起來很有希望。但這也需要更加艱難的工作,在這方面領先的公司將有望取得更大的市場份額。
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