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传感器需求海量,MEMS将做何改变?

受新的终端市场需求和需要更先进的工程开发、工艺和新材料的不同封装选择的推动,MEMS 行业似乎开始越来越有希望了。因为所有这些因素都会带来更高的售价,所以这一领域已经拖延很久了。

 

多年以来,微机电系统(MEMS)市场一直都有太多公司在争夺太少的机会。当成本没法跟上售价的下降速度时,有些器件就从市场上消失了。而该领域中更专业化和利润更高的部分(比如基于 MEMS 的麦克风和扬声器)则由于市场规模太小,最多也只能支撑少数几家小公司。

 

但过去一年来,整个 MEMS 版图已经发生了重大变化。和半导体领域的其它行业一样,这个行业也经历了一些引人注目的整合:博通并入安华高(370 亿美元)、TDK 收购InvenSense(13 亿美元)、高通也已经签署了收购恩智浦/飞思卡尔的协议(47 亿美元)。这样正面竞争的就只剩几家大公司了,这会给该市场中量最大的部分产生可观的影响,这也是价格下降速度最快的地方(见图 1)。尽管产业化(commoditization)还会继续,但供应商预计价格下降的速度会比过去慢。

 

图 1:2016 年和 2015 年的 MEMS 市场,单位:百万美元;来自 Yole Développement,2017 年 5 月

 

同时,汽车、无人机、机器人和物联网 等市场也在带来新机会,它们全都需要更加复杂的 MEMS 设计。

 

多传感器集成 

MEMS 一直以来都是两个不同的市场的总称。其中之一是陀螺仪、加速度计和磁力计,数十亿台智能手机和平板电脑中都有它们。这些芯片难以开发、封装和测试,但需求量大,所以还是吸引了大量公司,带来了激烈的竞争。尽管量大,但这一领域中仅有少数公司在 2015 年到 2016 年之间实现了显著增长。

 

规避这一趋势的最新策略是开发 传感器集成,这是 MEMS 供应商针对汽车和物联网等市场开发的。这是传感器融合(sensor fusion)的更进一步。这里的目标是以一种更加标准化的格式将传感器封装在一起,基本上就是一种即插即用平台。这可以降低芯片制造商在设计、制造和销售这些器件上的成本,同时也让系统供应商更容易定制和集成。并且它还能增加这两方面的可预测性。

 

“现在的趋势就是将这种能力放入传感器中,使其能够用在传感器集成 中。”意法半导体 MEMS 产品营销高级经理Jay Esfandyari 说,“这并不意味着你必须将其放入一个 系统中,但你确实有这种能力。所以你可能会希望将加速度计和陀螺仪放入 一个芯片 中,你可能还会想加入一个磁力计或压力传感器,或者你可能就想要它们全部。客户可以选择他们想要的传感器,然后将其连接到模块上。”

 

这听起来很简单直接,但也在变得越来越复杂。问题是如何将这些传感器集成到更大的系统中。这是很多市场都正在讨论的主题,即怎样将这些系统中的数据处理分开。随着加入的传感器越来越多,集中式地处理所有数据会带来高昂的成本,并会导致处理速度变慢。某些数据需要在本地进行处理,但具体多少还不清楚。

 

“你该如何衡量输入,从而确定什么更重要?这是个大问题。”Rambus 的杰出发明家 Steven Woo 说,“你将如何理解所有这些数据?现在有很多探索正在进行中,也有很多工具可用,可以在一个地方造出所有东西。”

 

行业都认同这个观点。“我们正在见证 MEMS 市场中的传感器融合,尤其是现在这些公司正尽力将更多价值放入系统中。”西门子旗下 Mentor 的 Deep Submicron Division 部门的电子设计系统产品营销经理 Jeff Miller 说,“与标准 MEMS 传感器相比,具有多个自由度和多路访问 GPU 的集成传感器可以提供多很多的价值。但这种传感器融合需要很多集成。比如说,如果你拆开一台亚马逊 Echo,你可以发现 7 个精心排布的麦克风,这是为了实现远场语音检测而设计的。要分离出正在说话的语音,需要相当多的传感器融合。结合 IMU (惯性测量单元)是增加价值的好方法,否则就没有让传感器实现差异化。那通常也会涉及到一个处理器。”

 

集成问题

随着集成越来越紧密,系统供应商也需要了解这些器件可能会以怎样的方式彼此交互。和大多数芯片一样,MEMS 对热很敏感。汽车等极端环境会影响它们的性能。但因为它们既是机械部件又是电子部件,所以它们也对振动和其它类型的噪声敏感。这需要对它们的特性有更全面的了解。