物联网要发展？MEMS传感器要先行！

平安万岁

[导读]

根据业界分析师表示，如果期望利用物联网驱动下一轮的电子产业成长，在很大程度上必须依赖MEMS和传感器技术，才能使所有的智能对象与现实世界进行互动。

电子产业迫切需要新的微机电系统（MEMS）来推动传感器和物联网（IoT）的发展。根据业界分析师表示，如果期望利用物联网驱动下一轮的电子产业成长，在很大程度上必须依赖MEMS和传感器技术，才能使所有的智能对象与现实世界进行互动。但从实现新的MEMS设计到量产，可能要花很长的时间以及高昂的代价，才能满足物联网市场的期待——除非电子产业能够找到加速MEMS开发之路。采用现有MEMS组件的新应用正以12%的年成长率推动MEMS市场进展。然而，Yole Doveloppement执行长兼总裁Jean-Christophe Eloy表示，除非业界能够找到如何顺利将机械组件转换为硅晶的方法，否则要加速突破性新产品量产的困难度，可能减缓未来的MEMS市场成长。
　　MEMS完全创新产品缺席逾十年
　　透过在更多应用中更广泛地采纳成熟的MEMS组件，可望让这种更小体积、更高性能且更低成本的渐进式组件创新，持续刺激传感器及其所实现的系统迈向强劲成长。去年在MEMS领域实现最快速成长的要算是安华高科技（Avago Technologies）和Qorvo（原Triquint），这是因为LTE的广泛普及对于多模手机所用的体声波（BAW）滤波器带来了很大的需求。同样地，更多应用对于MEMS麦克风和惯性传感器的强劲需求，有助于推动更多的传感器供货商进军2-3亿年营收范围的行列。“这真的很重要，因为现在有多家公司都有潜力发展成为10亿美元的公司”Eloy指出。然而，仅采用现有组件类型的新应用要维持110亿美元业务的两位数成长，在时间上可能无法长久。“挑战之一在于最近完全创新的产品还是2003年时楼氏电子 （Knowles）开发的MEMS麦克风。”Eloy表示，“从那以后，都只是在整合度、更好的封装等方面带来渐进式创新。虽然这些也是非常重要的创新，但不是突破性的新产品。我们仍在等待MEMS开关、自动对焦和扬声器等产品完全过渡到大量生产阶段。”

　　根据Yole的数据显示，2014年全球MEMS营收达111亿美元

　　半导体产业已经找到可在竞争前的研究领域展开合作的方式了，而且已经有了发展良好的商用基础架构来支持持续的成长，他表示。“MEMS产业需要一些变革发生，以便简化与加速设计过程，并尽快投入量产。”“随着到处都需要传感器来实现物联网、情境感知，尤其是对于新型生化与生医传感器的新兴需求，我认为MEMS产业的发展的确才刚刚开始，”硅谷投资业者 Band of Angels SIG委员会主席Kurt Petersen表示。“价格将继续下滑，但目前开发中的新型感测机制将大幅提高精度，”对于发展中的压电麦克风、超音波手势辨识以及新的惯性技术带来巨大的潜在影响——以更高10倍的精确度大幅改善导航信息。Peterson认为真正有用的穿戴设备尚未被开发出来，但对于其未来的发展表示乐观。最有发展前景的是现正开发中的新一类生化传感器，例如新创公司Profusa的可植入式葡萄糖传感器，外部光学设备读取，它利用一种可调式传感器平台，在人体内侦测化学药物。除了更好的生化和生医传感器以外，能量采集器是另一个机会。“能量采集器将会变得日趋重要，因为物联网将为其提供一个巨大的市场，”他说。
　　MEMS新平台推动成长
　　为了能以市场要求的最快上市时间与低成本，将这些新式的MEMS组件投入量产，推动半导体业开发出一些新的方法。“过去客户求助于我们时通常要求采用他们自己的独特工艺，但现在有越来越多的客户要求我们尽可能使用标准平台，只需少量修改即可，”Teledyne Dalsa公司MEMS代工厂执行副总裁兼总经理Claude Jean表示。“一款产品采用一种工艺的传统做法还没有被完全淘汰，但越来越多的客户倾向于利用成熟的平台来开发产品，”他补充道。Dalsa公司正为惯性传感器、微测辐射热计、光学MEMS和压电组件提供更广泛的不同平台，并尽可能地扩展自家的设计和测试支持业务。新平台技术也来自研发实验室。法国原子能署电子暨信息技术实验室（CEA-Leti）的目标在于与代工厂合作，将其压阻式MEMS平台投入生产以提供给更多客户。这种技术在移动的物质利用》10？m的厚层，而将《500nm的超薄层用于边缘的压阻式组件，然后透过压缩或拉紧改变电阻来检测其运动。
　　“这种技术为紧密地整合多个传感器提供了替代性方法，可以协助像系统或CMOS制造商等缺少自有技术的新公司很快地开发出产品来。”CEA-Leti北美策略合作伙伴副总裁Hughes Metras并指出，CEA-Leti已经与首家取得授权的业者Tronics迅速地将其六自由度惯性传感器推向市场了。如今，这些基本技术的成熟还意味着MEMS市场开始从一些基于共同利益的合作中寻找优势，特别是在一些设备要求或测试操作等方面。目前在测量惯性传感器性能方面还没有被广泛接受的标准，也没有像ITRS路线图那样为设备制造商定义未来需求的手段，Teledyne Dalsa的Jean指出。“目前在MEMS市场所要求的成本和可用的先进CMOS设备之间存在着巨大的差距。”他认为，“不过，相较于为先进CMOS开发的工艺，这还需要更简单且更低成本的TSV工艺等技术支持。”
　　Teledyne Dalsa目前正与Alchimer合作开发低成本的湿式铜工艺后钻孔（Via-Last） MEMS TSV途径。Teledyne DALSA的Via-Last技术采用铜钻孔，并利用Alchimer的低温电化学工艺，形成具有5微米直径x100微米深完美填充的穿孔，并利用铜再分布层和镍/金UBM连接到外部。但该工艺目前仅适用200mm(＄313.0400)晶圆，因此，“我们需要MEMS制造商和设备与材料供货商之间展开更加密切的合作，共同开发出更低成本的方法来推动创新进展。”他表示。
　　2014年全球车用MEMS传感器排名前十供应商
　　根据IHS的统计资料分析，2014年全球车用MEMS市场达到了26亿美元的市场规模，预计未来几年内将以3.4%的复合年成长率（CAGR）成长，在2021年以前达到34亿美元。驱动这一市场成长的主要来源在于压力感测器、流量感测器、陀螺仪与加速度计等4大领域。
　　IHS表示，2014年MEMS供应商藉由汽车安全市场的推动，实现了汽车领域的营收新记录。各国政府对于电子稳定控制（ESC）和胎压监测系统（TPMS）的强制性要求，持续推动汽车中使用的感测器数量增加。
　　除了压力感测器、流量感测器、陀螺仪与加速度计等4大领域的带动，FLIR 与Ulis推出的夜视型辐射热测定计，以及Sensirion针对窗户除雾用的湿度感测器也将在2021年以前加入主要的市场产品组合。此外，德州仪器（TI）开发的数位光处理（DLP）MEMS预期也将出现在未来的汽车应用中。
　　IHS的资料显示，2014年全球前十大车用MEMS供应商的销售额估计就占据整体市场的78%。值得一提的是，Sensata在2014年的销售额达到了2.68亿美元，超越飞思卡尔（Freescale）和电装（Denso）公司，首度跃居车用MEMS市场第二的位置。主要原因在该公司的产品兼具安全与动力传动压力感测器的优势，以及透过收购 Schrader Electronics使其成为市场领先的胎压监测感测器供应商。

　　

　　2014年全球前十大车用MEMS感测器供应商销售排名

　　尽管如此，Sensata的市占率仍远落后于主导市场龙头的博世公司（Robert Bosch GmbH）。博世向来在用于汽车安全气囊的高g加速度计以及几乎各领域的产品组合中均占据强劲的市场地位，2014年车用MEMS销售额更达到了7.9亿美元，毋庸置疑地仍位居这一市场龙头地位。
　　Denso在2014年的销售不错但表现下滑，主要原因在于日圆走眨。Denso在MEMS空调侦测以及针对连续变速传动系统的压力计产品领域占据主导位置，同时也是欧洲主要OEM的气体压力感测器供应来源。2015-2020年MEMS器件市场预判分析概述
　　新兴MEMS传感器、成本显著降低、软件和新技术的重要性日益增加、行业巨头和中国代工厂的崛起：2020年全球MEMS产业将超过200亿美元！
MEMS产业越来越成熟，新兴器件不断涌现
　　2014年，硅基MEMS器件的市场规模达到111亿美元。由于智能手机和平板电脑的巨大市场需求，MEMS产业发展进入快车道，后续还有增长潜力无限的可穿戴和物联网（IoT）市场驱动。同时，MEMS产业也是高度动态化的，即便是较为成熟的汽车市场，也需要新技术来挑战现有格局。一些MEMS器件的制造成本仅为几十美分，如运动传感器正成为一种廉价商品，就像几年前的温度传感器一样。成熟的工艺满足了更大的市场容量和多种传感器系统集成的需求，这也促使MEMS制造将快速向下一代晶圆尺寸转移。

　　

　　图1 2014-2020年MEMS市场预测

　　此外，我们认为新兴MEMS器件不断涌现。虽然气体和化学传感器是基于半导体技术的，但是MEMS技术可以进一步减小尺寸和降低成本，从而开辟新的机遇。我们相信基于MEMS技术的气体传感器将会获得越来越多的应用，尤其是可穿戴和消费电子设备，如智能手机和智能眼镜等。另一个例子是，MEMS微镜正吸引来自光通信市场的目光，如凯联特（Calient）实现快速增长；或者MEMS微镜应用于人机交互界面，如英特尔（Intel）收购 Lemoptix。
　　过去，我们已经看到了不同市场中的领导者，并且竞争也是很开放的。但是2014年令人记忆犹新的是：一个未来的 MEMS巨人——罗伯特•博世（Robert Bosch）的成长。去年由于消费市场的带动，该公司的MEMS营收增长20%，达到12亿美元，稳居全球第一位。意法半导体的MEMS营收现在落后博世 4亿美元。相比2013年，全球前五大MEMS公司没有改变，合计营收为38亿美元，约占全球MEMS市场的三分之一。博世的霸主地位显而易见，因为它的营收约占前五大公司合计营收的三分之一。
　　MEMS一直依赖于使用基于半导体的微加工技术来制造器件，以取代更加复杂、笨重或不敏感的传感器。我们的分析表明，未来将有四种趋势改变MEMS市场格局：
　　* 新兴器件，如气体传感器、微镜和环境组合传感器
　　* 新应用，如压力传感器应用于位置（高度）感测
　　* 颠覆性技术，包括封装、新材料（如压电薄膜和300mm/12寸晶圆）
　　* 新的设计，包括NEMS（纳机电系统）和光学集成技术
　　全球前十名MEMS厂商占据了大部分市场份额，我们将它们分为两大类：“气势汹汹的悍将”和“苦苦挣扎的巨头”。“气势汹汹的悍将”包括博世、 InvenSense、Avago和Qorvo。博世是值得特别注意的，因为它是目前排名前三十名中唯一一家双市场（汽车和消费电子）MEMS公司，并且还具有研发和量产双重设施。“苦苦挣扎的巨头”包括意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、楼氏电子、电装和松下。这些公司目前正在努力寻找一种有效的增长引擎。此外，还值得一提的是一些“小巨人”，如Qorvo和英飞凌（Infineon），将来很有潜力发展为“悍将”或“巨头”。

　　

　　图2 2014年全球前三十名MEMS厂商排名

　　本报告会分析全球前三十名MEMS厂商的MEMS业务发展情况，包括MEMS产品线和系统集成产品。MEMS公司发展方向：（1）单个MEMS产品线发展为多元化产品线；（2）MEMS产品线发展为系统集成产品线。到目前为止，博世是最为成功的案例。

　　

　　图3 2014年全球前三十名MEMS厂商的产品线定位

　　未来的机会：软件、12寸晶圆、新型检测方法和新兴传感器
　　我相信12英寸MEMS晶圆制造将在未来几年成为热门主题。12英寸晶圆制造将影响整个MEMS供应链，包括设计、材料、设备和封装等。目前看来，主要有两个原因驱动12英寸晶圆制造，（1）技术需求，如具有CMOS层的器件希望有较小的特征尺寸，而晶圆尺寸的扩大与芯片特征尺寸的缩小是相应促进和互相推动的，晶圆尺寸每提升一个等级就会伴随着芯片特征尺寸缩小一个等级；（2）经济需求：企业追求不断地降低成本、增加产量。
　　封装已经成为众多MEMS公司的焦点，但是现在软件也正成为MEMS传感器的重要组成部分。随着传感器进一步集成，越来越多的数据需要处理，软件使得多种数据融合成为可能。由于软件的重要性日益凸显，所以收购行为不断发生，如InvenSense收购Movea。
　　随着NEMS、新的封装技术和其它因素的发展，新一轮的MEMS投资周期开始。

　　

　　图4 传感器、封装和软件 – 将成为一个整体的传感解决方案

　　虽然组合传感器市场不断增长，但是分立惯性传感器市场仍有亮点
　　2015-2020年，消费类应用将继续显著增长，预计出货量的年增长率为17%。然而，价格下降压力巨大，每年下跌约5%，因此市场营收的年增长率为 13%。在消费领域，还有一个有趣的现象：尽管组合传感器获得广泛应用，但是分立的加速度计仍然保持增长势头。因为可穿戴设备和物联网还将需要大量的分立传感器。此外，智能手机iPhone 6中也使用了一颗博世的分立加速度计。
　　加速度计+磁力计的组合传感器适用于功能手机，因为他们可以采用算法来模拟陀螺仪，从而使得低端手机中的用量增加。而9轴或10轴组合传感器将受可穿戴设备驱动增长。
　　我们还发现很多其它MEMS器件的发展趋势，例如工业应用的喷墨打印头近期爆发，MEMS技术正在工业和图形市场取代压电喷墨技术，同时在办公室领域取代激光打印技术。我们也相信，2020年智能手机、平板电脑和可穿戴设备中的压力传感器市场将超过5.8亿美元。另一个飙升的市场是消费类MEMS麦克风。医疗、汽车和其它应用仍然处于起步阶段。此外，微镜也有很多工业用途，如印刷和成形、激光微加工、光刻、全息数据存储、光谱学、光疗、三维测量、显微镜检查、头戴式显示器和网络数据中心等。
　　红外微测辐射热计（microbolometer）市场继续增长，320 x 240像素分辨率的产品因其良好的“分辨率/成本”率，获得最为广泛的应用。由于汽车和监控市场的需求，它仍将占据主导地位。虽然Lepton模块的发布并未提升FLIR公司的2014年业绩，但是它和Seek Thermal（采用Raytheon红外成像仪）将开启未来全新的市场。
　　对于射频应用，未来几年，体声波（BAW）滤波器市场将受到高端智能手机的驱动。2014年第三季度Cavendish Kinetics发布了一款令人印象深刻的MEMS天线调谐开关，满足消费市场的“可靠性/成本”的规格需求。
　　最后，我们认为基于MEMS技术的化学/气体传感器将成为未来的“明星”产品，智能手机和可穿戴设备都将广泛采用。