在大多数细分市场中,都需要更多的自动化和标准化。但在微机电系统的世界里,则不是那么简单。即使某些地方可以实现自动化,自动化也不会自始至终地工作。事实上,MEMS器件不但极难设计制造,其市场业务方面管理也很难。

MEMS器件是电子和机械工程的结合。惯性传感器就属于此类器件,如陀螺仪和加速度计,它们几乎存在于每个移动设备中以检测运动。MEMS器件的组合就是谷歌Waze(一个流行的点到点GPS应用)的工作原理,它可以告诉你交通是堵塞还是通畅,你的移动速度有多快,以及在当前的交通状态下你到达目的地所需要的时间。MEMS器件还包括罗盘、振动传感器,以及用于安防的电容式触摸传感器。

每年都会有数十亿台这种小器件售出,且数量的增加并没有停止的迹象。但是每个MEMS厂商都抱怨说,平均售价的下降比销量的上涨更快。自从智能手机开始替代功能手机以来,价格压力已经在这个市场上存在了近十年。

001mems20170301 图1:MEMS价格下降。 来源:Yole Développement MEMS工业报告,2016年5月

同时,还有销量很低的MEMS器件,例如用于麦克风的压敏膜片,微型扬声器和基于压电材料的超声波指纹传感器。这些细分市场的芯片提供了更显著的投资回报,但是它们缺乏足够的需求来实现规模经济。因此,虽然这部分市场对于一些公司来说是潜在的利润,但可扩展性有限,竞争也在加剧(如下图)。

002mems20170301 图2:未来的MEMS市场。来源:Yole Développement

对于商品集团而言,其目标是创造一个更标准的制造方法。对于后者,关键是保持在曲线之前足够远,以实现利润最大化,因为这种技术的某些方面仍在发展。

流程和标准化

MEMS市场中缺失的是标准的PDK(技术档案)。这是个好主意,但事实上这比大多数人的预期更困难。

GlobalFoundries公司MEMs高级总监Rakesh Kumar表示:“用于MEMS的物理器件结构和工艺架构的多样性确实对MEMS制造的标准化提出了挑战。但是,传感器家族可以建立起一定程度的标准化。例如,可以使用具有一定程度的定制通用平台技术来制造诸如加速度计和陀螺仪的惯性MEMS,以实现差异化的功能。这样的平台方法将有助于降低开发成本和上市时间。”

到目前为止,没有人能够像开发ASIC或SoC那样,为加速度计或陀螺仪使用单一流程开发套件。许多行业专家说,在一般情况下,这种芯片制造看起来更像项目菜单,而不是可用于ASIC和SoC那样的精心设计和高度精制的过程。该菜单可以包括:例如,违反规程的蚀刻步骤,顺序错误的CVD步骤或铝沉积。但是菜单更多地是关于改变处理步骤的顺序,而不是建立一组可用于削减开发成本的规则。

UMC高级区域营销经理Yan Qu说:“尽管将标准PDK应用于惯性传感器的概念是可能的,并且已经被一些芯片制造厂使用,但它主要是为了建立一套设计标准,如设计规则、流程、TLR(拓扑布局规则)和DRC(设计规则检查),来让无晶圆厂遵守。尽管这对于提供标准化工艺的芯片制造厂有一些优点,但是无晶圆厂的客户可能会将标准化视为产生差异化优势的消极产品”

流程开发也不迅速。从制造的观点来看,MEMS是复杂的技术,而且从一家芯片制造厂到下一家芯片制造厂,MEMS可能会发生显著变化。

UMC公司的Yan Qu说:“平均来讲,成功的大规模生产的发展需要大约四到五年。其中存在很多工具依赖,还有很多设备的限制和变化。例如,陀螺仪的工作原理需要真空、特殊工具,以及共晶键合。芯片制造厂必须慎重考虑他们可以从额外的设备成本和工具中获得多少回报。”

003mems20170301 图3:金属共晶键合,两种金属熔化并混合在一起。 来源:IEEE。

The foundries provide IP libraries for those MEMS devices, which do speed time to market the same way IP does for ASICs or SoCs. And all of the foundries utilize similar equipment, which includes deep reactive ion etch tools and wafer bonders. Beyond that, however, this is largely a semi-custom or fully custom development process.

芯片制造厂为这些MEMS器件提供IP库,这些IP像ASIC或SoC中的IP一样,缩短MEMS推向市场时间。所有芯片制造厂都使用类似的设备,包括深反应离子蚀刻工具和晶片键合机。除此之外,这主要是半定制或完全定制的开发过程。

Coventor工程副总裁Stephen Breit说:“芯片制造厂可以提供IP库,以便选择一个与接口规格匹配的传感器。这适用于陀螺仪和加速度计。即使对于仍在开发中的传感器,芯片制造厂也能在一定程度上实现这些。但这一领域仍然需要公平的专业水平。对于麦克风,这就更平常了。但是像人工鼻子和光谱仪这样的东西,则是另外一回事。”

新型复杂MEMS器件

这些新的应用领域是MEMS市场与商品化的加速度计和陀螺仪之间的尖锐分歧。Applied Materials技术营销总监Mike Rosa表示:“现有的传感器存在增量变化,但也有基于超声技术的新型指纹传感器,而不是电容传感器。因此,当你按下按钮时,它不是只进行电容测量而已,而是会采集你的超声波指纹。它可以读取表皮层上的脊状突起,还可以读取真皮(第二层皮肤)中的脊状突起。这是一种高安全性的补充。因为它是一种压电材料,所以当你试图扫描你的手指时,水分、污垢、颗粒不会对检测产生影响。这些都已经在考虑之中。”

004mems20170301 图4:超声波指纹传感器。来源:加州大学伯克利分校

压电材料也开始在麦克风中使用,这提供了更高的信噪比。麦克风的噪声历来让人备受困扰,所以高信噪比是目标,特别是当噪声超过人类听觉阈值的时候。

Rosa表示:“第一个冲击是现行的体系结构。第二个冲击则完全是材料的关系。这些是不同的压电材料。在麦克风的例子中,它可能是氮化铝。它也可以是钪掺杂在20%至30%范围内的氮化铝。公司想要将钪掺杂达到43%。你有可能通过更高剂量的钪来提高信噪比。”

表单并没有就此停止。一些激光雷达芯片被认为是自主车辆中的安全要求,它们正在使用MEMS技术开发,包括激光二极管和反射镜。激光雷达使用激光束扫描区域,然后基于该光束的反射或光束的脉冲重建图像。这项技术最初的移动版本的成本高达70,000美元,然而基于MEMS的版本预计的售价只有数百美元。

MEMS技术也正在渗透到一些基于MEMS扫描镜的3D扫描仪和视网膜扫描仪。 德国Fraunhofer研究所报告说,MEMS扫描镜可以小型化,使之足以适用于移动应用。虽然不如扫描激光检眼镜那么优秀,但基于MEMS的解决方案与其他生物识别技术相比更小、更便宜、更安全,因为研究人员称视网膜血管“几乎不可能伪造”。

005mems20170301 图5:MEMS扫描镜。来源:弗劳恩霍夫研究所

控制成本

毫无疑问,这些都是有趣的技术,但经济学在MEMS市场的这一部分也发挥了举足轻重的作用。对于从事传统CMOS设计的工程师而言,这些芯片和MEMS器件的工具之间存在明显的差异。

Coventor公司Breit说:“上述的很多例子都没有形成真正的流动。甚至对于惯性传感器和麦克风,它们需要复杂的膜片和结构,然后你需要进行连接。所有这些都是临时性的。PDK可以有助于自动化流程,因此你可以设计出压电MEMS和互连、固定,以及连接芯片裸片的方法。但是对于每个人在CMOS中都习以为常的DRC(设计规则检查)在这里却并不存在,或不完备。这里没有LVS(芯片版图和原理图)。”

Breit说,另一个问题涉及到了这些器件的不足之处,因为参数在大规模生产的数字部分没有得到很好的定义。其结果可能发生未完全预期的小变化。并且这反过来又可以对传感器融合设计产生影响,传感器融合设计可以在单个器件中包含多个MEMS芯片。

STATS ChipPAC产品技术营销副总监Babak Jamshidi表示:“这将创造新的趋势。惯性传感器可以容纳压力传感器,甚至光学传感器。你还将在生物医学领域看到更多的MEMS器件,这是一个非常零散的市场。在这个市场中,平均售价很高,销量较低,因此在十年内,该市场中会出现传感器的整合。”

工业领域是MEMs正在获得牵引力的另一个领域。ASE高级应用工程经理Christophe Zinck说:“我们开始看到具有集成运动和压力传感器的定制解决方案。有了工业物联网,在不占用更多空间的情况下集成新功能的确是一个很大的推动。因此,基于这一点,人们正在创建自己的解决方案,并看到所有不同的传感器如何协同工作。对于设计团队而言,他们正在开发一个完整的模块。”

GlobalFoundries的Kumar同意这种观点。“MEMS传感器从分立器件快速迁移到多功能集成器件,例如晶片级的加速度计和陀螺仪的组合,以及系统级封装中的磁力计,压力传感器和ASIC。MEMS产品更广泛地应用于物联网(IoT)将继续推动MEMS和低功耗ASIC的集成,以用于处理和连接。”

结论

MEMS市场经历了爆炸性增长和平均售价大跌。但随着这项技术发现新的用途,补充并更换昂贵的器件,这个市场的经济状况可能会发生重大变化。

在后续的文章,我们将详细探讨这些变化,包括如何提高产量、温度和测试问题、封装选择,以及工具链中缺少的内容——所有这一切都有助于改善这个市场中的公司的成本公式,以及它们的投资回报。

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