受新的終端市場需求和需要更先進的工程開發(fā)、工藝和新材料的不同封裝選擇的推動，MEMS 行業(yè)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(tǒng)（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(yè)化和利潤更高的部分（比如基于 MEMS 的麥克風和揚聲器）則由于市場規(guī)模太小，最多也只能支撐少數(shù)幾家小公司。

但過去一年來，整個 MEMS 版圖已經發(fā)生了重大變化。和半導體領域的其它行業(yè)一樣，這個行業(yè)也經歷了一些引人注目的整合：博通并入安華高（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(xié)議（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）。盡管產業(yè)化（commoditization）還會繼續(xù)，但供應商預計價格下降的速度會比過去慢。

圖 1：2016 年和 2015 年的 MEMS 市場，單位：百萬美元；來自 Yole Développement，2017 年 5 月

同時，汽車、無人機、機器人和物聯(lián)網 等市場也在帶來新機會，它們全都需要更加復雜的 MEMS 設計。

多傳感器集成

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(shù)十億臺智能手機和平板電腦中都有它們。這些芯片難以開發(fā)、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。盡管量大，但這一領域中僅有少數(shù)公司在 2015 年到 2016 年之間實現(xiàn)了顯著增長。

規(guī)避這一趨勢的最新策略是開發(fā) 傳感器集成，這是 MEMS 供應商針對汽車和物聯(lián)網等市場開發(fā)的。這是傳感器融合（sensor fusion）的更進一步。這里的目標是以一種更加標準化的格式將傳感器封裝在一起，基本上就是一種即插即用平臺。這可以降低芯片制造商在設計、制造和銷售這些器件上的成本，同時也讓系統(tǒng)供應商更容易定制和集成。并且它還能增加這兩方面的可預測性。

“現(xiàn)在的趨勢就是將這種能力放入傳感器中，使其能夠用在傳感器集成 中?！?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/意法半導體/" target="_blank">意法半導體 MEMS 產品營銷高級經理Jay Esfandyari 說，“這并不意味著你必須將其放入一個 系統(tǒng)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 一個芯片 中，你可能還會想加入一個磁力計或壓力傳感器，或者你可能就想要它們全部?？蛻艨梢赃x擇他們想要的傳感器，然后將其連接到模塊上?！?/p>

這聽起來很簡單直接，但也在變得越來越復雜。問題是如何將這些傳感器集成到更大的系統(tǒng)中。這是很多市場都正在討論的主題，即怎樣將這些系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理分開。隨著加入的傳感器越來越多，集中式地處理所有數(shù)據(jù)會帶來高昂的成本，并會導致處理速度變慢。某些數(shù)據(jù)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，從而確定什么更重要？這是個大問題?！?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/ram/" target="_blank">Rambus 的杰出發(fā)明家 Steven Woo 說，“你將如何理解所有這些數(shù)據(jù)？現(xiàn)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?！?/p>

行業(yè)都認同這個觀點?！拔覀冋谝娮C MEMS 市場中的傳感器融合，尤其是現(xiàn)在這些公司正盡力將更多價值放入系統(tǒng)中?！?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/西門子/" target="_blank">西門子旗下 Mentor 的 Deep Submicron Division 部門的電子設計系統(tǒng)產品營銷經理 Jeff Miller 說，“與標準 MEMS 傳感器相比，具有多個自由度和多路訪問 GPU 的集成傳感器可以提供多很多的價值。但這種傳感器融合需要很多集成。比如說，如果你拆開一臺亞馬遜 Echo，你可以發(fā)現(xiàn) 7 個精心排布的麥克風，這是為了實現(xiàn)遠場語音檢測而設計的。要分離出正在說話的語音，需要相當多的傳感器融合。結合 IMU （慣性測量單元）是增加價值的好方法，否則就沒有讓傳感器實現(xiàn)差異化。那通常也會涉及到一個處理器?！?/p>

集成問題

隨著集成越來越緊密，系統(tǒng)供應商也需要了解這些器件可能會以怎樣的方式彼此交互。和大多數(shù)芯片一樣，MEMS 對熱很敏感。汽車等極端環(huán)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噪聲敏感。這需要對它們的特性有更全面的了解。

“當它們在同一個 芯片上或封裝在一起時，了解特性會更加困難，而且每種類型的傳感器都不一樣。”Lam Research 旗下的 Coventor 公司的 MEMS 高級總監(jiān) Stephen Breit 說，“使用陀螺儀和加速度計會出現(xiàn)交叉耦合效應。陀螺儀有一種會與鄰近的傳感器發(fā)生耦合的驅動模式?！?/p>

有一些可以緩解這些問題的方法。就像其它任何噪聲一樣，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。但這種噪聲也可以被解讀成發(fā)給其它鄰近器件的信號，所以考慮這個問題時不能僅局限于單個 MEMS 器件。

Breit 說：“這要看具體情況。對于慣性傳感器，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(fā)生的原因有很多。有些變量是在結構方面，所以每一代的設計都需要調整?！?/p>

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(yè)都沒有關于未來如何使用這些技術的路線規(guī)劃，也不知道最終會將什么集成到同一個封裝或系統(tǒng)中。

“公司企業(yè)正在尋找一套完整的解決方案，尤其是在封裝領域?！睉貌牧系?200mm 設備部門的戰(zhàn)略與技術營銷總經理 Mike Rosa 說，“你可以看到有些公司將ASIC 和 TSV技術 集成到MEMS芯片中，但它們想要一種完整的工藝流程，可以在一個封裝上實現(xiàn)端到端的集成，然后它們需要幫助以便將其委托給代工廠商。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(yè)也需要更高的精度。比如，在 ADAS 系統(tǒng)中使用的汽車加速度計需要比智能手機中使用的加速度計更準確。盡管這會增加價值并導致價格上漲，但其開發(fā)所需的工程量和開發(fā)的復雜度也會顯著提升。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么時候超過了閾值。現(xiàn)在，慣性傳感器已經在導航推測（dead reckoning）方面使用了一段時間了。企業(yè)正在競相為這些器件實現(xiàn)更高的規(guī)格，不管哪家公司先實現(xiàn)目標，都能獲得實實在在的競爭優(yōu)勢?！?/p>

這可需要不少的工作量。意法半導體的 Esfandyari 說：“你需要考慮噪聲偏差和穩(wěn)定性、溫度和敏感性。你需要降低噪音、增加偏差穩(wěn)定性并提高分辨率。所以之前是 1000 度/秒的陀螺儀現(xiàn)在要做到 4000 度/秒。而且噪聲的基礎也需要非常低。ASIC 方面的一些工作已經完成，你可以在那里對噪聲求平均或移除這些噪聲。你也必須確保 IC 也是低噪聲的。”

為了提升準確度，有的器件還需要新材料。

“架構沒有變，但規(guī)格越來越嚴格。”Applied Materials 的 Rosa 說，“指紋傳感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范圍。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(xiàn)在這個規(guī)格是傾斜 ±0.5 度到 ±0.3 度之間?！?/p>

指紋傳感器也在改變，需要往器件中加入更多安全措施。更新的器件可以使用激光根據(jù)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 族材料集成到硅晶圓上以及開發(fā)新的光學涂層?！?/p>

圖 2：USound 的基于 MEMS 的揚聲器

物聯(lián)網即使是更加便宜的器件，也涉及到更多工程開發(fā)工作。進入門檻正在上升，開發(fā)這些器件所需的專業(yè)知識水平也在上升。

“要在 MCU 上實現(xiàn)更多智能，需要使用更加便宜的傳感器，然后在這些傳感器傳回的信號上進行更多處理?！盨ondrel 公司銷售副總裁 John Tinson 說，“如果你減少組件數(shù)量，你就會減少單位的總數(shù)量。這是一條路。這確實有設計復雜度，因為沒有什么是免費的。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(tǒng)和軟件組的 IoT 產品經理 Mike Eftimakis 認為應該會是后者，尤其是要使用的傳感器會越來越多，這些傳感器產生的所要處理的數(shù)據(jù)也越來越多。

Eftimakis 說：“想想 IoT，一般而言，它是從現(xiàn)場獲取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆?。如果你的物?lián)網有數(shù)十億乃至數(shù)萬億設備，將所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)皆浦惺遣豢赡艿?。所以你需要某種形式的前期處理。如果這是在同一塊芯片上，那就是傳感器融合。但這也可以使用網關處理器或其它一些 RTF（富文本格式）的過渡狀態(tài)完成，然后再傳輸?shù)皆啤Ｋ詫吘壧幚淼男枨髸絹碓酱?，越來越多的?shù)據(jù)需要在本地進行處理?！?/p>

不管哪種情況，對 MEMS 行業(yè)來說都是好消息，因為很多傳感器都是基于機械組件和電子組件的集成。這些好處會從前端設計一直擴展到制造和材料領域。

聯(lián)電（UMC）的特種技術部門副總裁 Wenchi Ting 說：“28/22nm RF 節(jié)點的基礎擴展和 MEMS 傳感器工藝技術的發(fā)展是支持自動駕駛廣泛應用的兩大關鍵，同時基于云的基礎設施將處理大規(guī)模的機器對機器 （M2M）數(shù)據(jù)處理需求?！?/p>

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(shù)字世界的需求將需要海量的傳感器。其中很多傳感器都基于 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。對于 MEMS 市場而言，從新市場到高價值的芯片市場，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。