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[经验分享] 行业报告(三):MEMS是传感器的未来,物联网的核心

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发表于 2017-2-22 09:47:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 盖大楼 于 2017-2-22 09:56 编辑

3  MEMS简介

因为传统的基于机电工艺制成的传感器和执行器在体积、价格和产能上不能适应工业、消费电子等领域的需求,MEMS开始发展起来。可能很多人对MEMS并不熟悉,但MEMS传感器早已经应用到了我们生活中的方方面面,比如汽车、打印机、智能手机、医疗设备等。

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro Electromechanical System),利用半导体制造工艺和材料,将传感器、执行器、机械机构、信号处理和控制电路等集成于一体的微型器件或系统,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。MEMS主要包含两个部分:传感器和执行器。与传统的机械传感器相比,MEMS传感器具有体积小、集成化、智能化、低成本等优点,可以满足物联网时代对于传感器的要求。

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MEMS 传感器种类很多,也有多种分类方法。按其工作原理,大致可分为MEMS物理、化学和生物传感器,其中每一种MEMS传感器又可分为很多种小类,不同的MEMS 传感器可以测量不同的量,实现不同的功能。

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3.1  MEMS传感器的发展进入到新阶段—物联网时代

1980年,第一个MEMS传感器推出,至今已有30多年的发展史,重量、湿度、加速度计、压力、麦克风等MEMS传感器不断的出现,MEMS技术也在不断的向前演进。


MEMS传感器第一轮商业化浪潮始于20世纪80、90年代,MEMS压力和惯性传感器开始在汽车上的应用;第二轮的浪潮出现源于PC的兴起,MEMS技术在投影仪和喷墨打印头上大量使用,智能手机的流行进一步推动这波浪潮的快速发展;目前正开启一个新的时代—物联网时代。


在万物互联的时代,MEMS传感器将参与智慧城市建设的方方面面,MEMS传感器将进入新一轮的快速成长周期。

智能硬件推动MEMS传感器快速发展
  在万物互联的时代,以智能手机、可穿戴设备为代表的智能硬件将是MEMS传感器发展的主要推动力。

  智能手机是物联网的基础计算平台。
以智能家庭应用为例,智能手机是打开家门的钥匙;智能手机是智能家庭的控制中心,控制家里的门窗、家电、灯光,监控家庭安全等。在物联网时代,人们唯一不能离开的就是智能手机。

MEMS传感器在智能手机中的使用量将大幅提升,引领MEMS市场快速成长

为了增加功能和提高用户体验,高端智能手机中使用了大量的传感器。以iPhone 6 Plus为例,其中应用了陀螺仪、加速度计、电子罗盘、大气压力计、指纹传感器、距离传感器,环境光传感器和MEMS麦克风等。iphone 6s稍微多一些MEMS传感器,例如采用了4个MEMS麦克风,以实现更好的声音效果。预计未来高端智能手机将使用的MEMS传感器的数量还将提升以实现更多智能化的功能,并从高端逐步向低端渗透。


   可穿戴设备的兴起成为MEMS传感器在物联网时代新的增长点
   在万物互联时代,人体需要融入其中,人们可以借助可穿戴设备,监测自身的健康、运动情况,监测的数据可以与物联网互联互动,而MEMS传感器会在可穿戴设备中起到至关重要的作用。因为可穿戴设备最基本的功能就是通过传感器实现运动传感。以小米手环为例,就用到了ADI的MEMS加速度和心率传感器来实现运动和心率监测;Apple Watch内部除了MEMS加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风,还有使用脉搏传感器。

VR设备放量在即,将引爆MEMS传感器市场

VR被认为是PC和智能手机之后的下一个通用计算平台,市场空间极为广阔。VR设备需要足够精确测定头部转动的速度、角度和距离,采用MEMS加速度计、陀螺仪和磁力计来进行测定是重要的解决方案之一,几乎成为VR设备的标配。Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR都采用了MEMS加速度计和陀螺仪,未来VR设备也可能会使用MEMS眼球追踪技术。

  MEMS传感器在无人机上大放异彩
   当下除了火热的VR设备外,无人机的发展势头也不可小觑。而在无人机飞行姿态控制技术上,MEMS传感器又有了施展的空间。结合加速度计和陀螺仪,可以算出角度变化,并确定位置和飞行姿态。MEMS传感器能在各种恶劣条件正常工作,同时获得高精度的输出。MEMS加速度计和陀螺仪在无人机上的应用可谓是大放异彩。

在智能硬件领域,MEMS传感器的应用从智能手机开始,并将惯性传感器的应用引人到可穿戴设备、VR、无人机等,后续将逐步扩展到环境传感器等。

新的智能硬件层出不穷,推动MEMS快速增长。根据市场研究公司IHS 的数据,从MEMS应用来看,消费电子市场占比最大,在2016-2021年之间,智能硬件正以11.8%的年复合成长率引领MEMS市场的成长。



4  智能汽车和自动驾驶是驱动MEMS传感器发展的重要动力

车联网是物联网发展的重大领域,在智能汽车时代,主动安全技术成为备受关注的新兴领域,需要改进现有的主动安全系统,比如侧翻(rollover)与稳定性控制(ESC),这就需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感测车身姿态。语音将成为人与智能汽车的重要交互方式,MEMS麦克风将迎来发展新机遇。MEMS传感器在汽车领域还有很多应用,包括安全气囊、汽车发动机等。


自动驾驶技术的兴起,进一步推动了MEMS传感器进入汽车。虽然GPS接收器可以计算自身位置和速度,但在GPS信号较差的地方(地下车库、隧道)和信号受到干扰的时候,汽车的导航会受到影响,这对自动驾驶来说是致命的缺陷。利用MEMS陀螺仪和加速度计获取速度和位置(角速度和角位置)以辨别车辆任何细微的动作和倾斜姿态,即便在最快的车速状态下,MEMS的精度和反应速度也能够适应。得益于硅体微加工、晶片键合等技术的发展,精度已经上升到0.01度。


  汽车行业占据整个MEMS市场份额超过30%,2015年汽车MEMS行业营收为37.3亿美元。根据Yole的预测,未来六年,全球汽车MEMS市场预计将以4.2%的复合年增长率稳步增长。


5  MEMS传感器在智慧工业时代前景无限

传感器应用非常广泛,工业生产各个环节都需要传感器进行监测,并把数据反馈给控制中心,以便对出现异常节点进行及时干预,保证工业生产正常进行。业界普遍认为,新一代的智能传感器是智能工业的“心脏”,它让产品生产流程持续运行,并让工作人员远离生产线和设备,保证人身安全和健康。

MEMS让传感器小型化、智能化,MEMS传感器将在智慧工业时代大有可为。MEMS温度、湿度传感器可用于环境条件的检测,MEMS加速度计可以用来监测工业设备的振动和旋转速度。高精度的MEMS加速度计和陀螺仪可以为工业机器人的导航和转动提供精确的位置信息。

工业是继消费电子、汽车之后MEMS传感器应用的第三大市场。2015年MEMS在工业领域的营收为11.6亿美元。根据Yole的预测,未来六年,MEMS在工业市场预计将以7.3%的复合年增长率快速增长。



6  MEMS市场空间广阔

目前MEMS传感器的发展已进入到万物互联时代,智能硬件、智能汽车、智能工业等将大幅拉升MEMS传感器的出货量。Yole预计2015-2021年全球MEMS市场的复合年增长率(CAGR)为8.9%,将从119亿美元增长到200亿美元,市场空间广阔。


4主要的MEMS传感器

MEMS传感器种类繁多,主要的MEMS传感器包括运动传感器、压力、麦克风、环境、光传感器等。其中运动传感器可分为陀螺仪、加速度计、磁力计,环境传感器可细分为气体、温度和湿度传感器等。



6.1 MEMS运动传感器
6.1.1MEMS运动传感器简介

  MEMS运动传感器主要有加速度计、陀螺仪、磁力计三大类,其中加速度计与陀螺仪更为常见,常称为惯性传感器。加速度计和陀螺仪可以集成为六轴惯性传感器;磁力计和加速度计集成为电子罗盘(e-compass),加速度计、陀螺仪和磁力计可集成为9轴传感器。
  MEMS陀螺仪

传统的陀螺仪是一个不停转动的物体,根据角动量守恒原理,测量出陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角,并计算角速度,从而判断物体的运动状态。

MEMS陀螺仪的核心原理为科里奥利力,其内部结构主要分为梳齿结构的驱动部分和电容板形状的传感部分。在可移动电容板上加震荡电压后,可以通过科里奥利力来探测出电容变化,再从电容的变化计算出角速度。


MEMS加速度计

加速度计的结构组件主要有检测质量、弹簧、电位器、阻尼器等。通过测量在任一轴向的受力情况,可以得到该方向的加速度的大小。因此加速度计可以通过探测不同轴向的受力情况,从而感知任意方向上的加速度。

MEMS加速度计和传统的加速度计形似,主要分为压电式、容感式和热感式三种。


  MEMS磁力计

磁力计通过测试磁场强度和方向可以定位设备的方位,比如可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。以意法半导体的MEMS传感器LSM303DLH为例,该磁力计采用各向异性磁致电阻(AMR)材料,该材料对外界的磁场很敏感,其中磁场方向和电流的夹角θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化,并且呈线性关系,而AMR阻值的变化又可以通过惠斯通电桥检测得到。

在实际应用中,每个运动传感器各有优劣,所以将陀螺仪、加速度计和磁力计融合使用,有助于提升传感器的运算精度。譬如陀螺仪长时间使用会产生漂移,电子罗盘(加速度计+磁力计)可为陀螺仪提供参考系并完成校准功能;磁力计易受环境影响发生倾斜,惯性传感器(加速度计+陀螺仪)可为磁力计做倾角补偿;而加速度计、陀螺仪和磁力计集成的9轴传感器集成度高,性能强劲,适合高精度的应用场景。


6.1.2国外厂商主导MEMS运动传感器市场,高集成度的运动传感器前景广阔

在全球消费类惯性传感器(加速度计+陀螺仪)市场,意法半导体处于市场领导者的地位,2014年,占据41%的市场份额。旭化成微电子、应美盛、博世紧随其后,这四家惯性传感器厂商占据了75%的市场份额。

磁力计(3轴电子罗盘)与6轴电子罗盘(磁力计+加速度计)因为具备较强的定位功能而广泛应用于以智能手机为代表的消费类产品。其中日本旭化成微电子长期稳居龙头位置,2014年在智能手机领域的电子罗盘的市场份额高达81%。       近几年智能手机的爆发,带动了MEMS运动传感器的快速发展。随着物联网时代的开启,智能硬件、自动驾驶、智能医疗等领域将催生MEMS运动传感器市场的巨大需求,市场空间非常广阔。      

在物联网的时代,随着应用场景的丰富化以及要实现更多智能化的功能,对运动传感器的尺寸和性能的要求将继续提升,高集成度的6轴和9轴组合式运动传感器将迎来快速增长,前景无限。


2MEMS麦克风
3MEMS压力传感器
4MEMS环境传感器

7 MEMS产业链全解析
7.1 MEMS产业链简介

MEMS是多学科交叉的复杂系统,整个产业链涉及设计、制造、封装测试、软件及应用方案环节。

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MEMS产业链的上游负责MEMS器件设计、材料和生产设备供应,中游生产制造出MEMS器件,下游使用MEMS器件来制造终端电子产品。

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MEMS整个产业链复杂,涉及的厂商众多;中国的设计、制造、封装测试厂商都在积极布局MEMS,已形成完整MEMS的产业链。 QQ截图20170222094031.png


7.2 国外厂商主导MEMS传感器市场,国内厂商在细分领域仍具发展空间
   MEMS器件市场主要被欧美厂商占据,营收前三十名的只有两个中国厂商,生产MEMS麦克风的瑞声科技、歌尔股份排在20和26位,营收分别为1.4亿和0.84亿美元。但瑞声科技和歌尔股份是MEMS麦克风的主要供应商,在全球MEMS麦克风市场具有重要地位,已进入苹果供应链。因此,在某些细分市场,国内厂商具有发展空间。国内的美新半导体、深迪半导体、敏芯微电子、苏州明皜也在积极的发展MEMS传感器,有望享受万物互联时代的MEMS传感器盛宴。
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7.3 MEMS制造工艺非标准化,国内代工厂在先进工艺上落后于国际大厂
7.3.1MEMS制造工艺非标准化,不同类型器件采用不同工艺
   MEMS制造工艺主要包括微机械加工工艺、LIGA和集成工艺。微机械加工工艺又分为体微机械加工工艺、表面微机械加工工艺。每一种工艺又有很多种细分类型。MEMS产品设计者根据产品需求来选择相应的制造工艺和材料。
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MEMS加工工艺和IC加工工艺有较大的区别

MEMS技术是由集成电路技术演变而来,并且对集成电路产业研发的加工技术进行了极大地改进,在某些加工方法和加工材料上,MEMS和IC具有相同的特性,但MEMS和集成电路加工工艺又很大的不同。

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MEMS制造工艺复杂并且非标准化,不同类型MEMS传感器使用的制造工艺流程完全不同。例如9轴惯性传感器、MEMS麦克风、压力传感器、湿度传感器功能不同,有的需要与环境接触,器件内部结构完全不同,所以采用不同的制造工艺。

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同一种MEMS器件不同厂商使用的加工工艺也不相同。以惯性传感器为例, Draper采用Gyroscope工艺,Ford采用Bulk Accelerometer工艺,亚德诺半导体采用iMEMS工艺,意法半导体设计的陀螺仪、加速度计产品都是基于THELMA工艺,英美盛的陀螺仪采用NF工艺。

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7.3.2  国内MEMS代工厂在先进工艺上落后于国际大厂

由于不同的MEMS器件采用不同的加工工艺,所以工艺开发是目前MEMS代工厂面临的主要问题之一。技术领先的代工厂开发速度较快,在较短的时间内能形成稳定产能、且较高良率。

在MEMS先进工艺上,国内厂商仍落后于国际领先的代工厂。例如电子罗盘的要求是三轴磁力计、偏差要在1度以下、并且功耗要低。现在国内的代工厂将GMR做在CMOS上,国际领先的代工厂已经在采用8英寸晶圆生产TMR,TMR可以实现1度以下,甚至0.01-0.05度的精度,但TMR生产线需要巨大的投资。惯性传感器采用8寸晶圆生产3轴惯性传感器已经普及,国际领先的代工厂已经开始采用8英寸晶圆生产集成的6轴组合传感器,未来将会有12英寸3轴、12英寸6轴组合传感器。MEMS麦克风将来将拥有更高的信噪比、敏感度和更小的尺寸。压力传感器将强调灵敏度和更小的尺寸。


7.3.3  全球MEMS代工市场稳定增长,纯MEMS代工厂快速发展

2014年,全球MEMS代工市场规模为6.86亿美元,在2015-2020年间以3.7%复合增长率增长,预计到2020年可以达到8.6亿美元。全球MEMS代工市场的增长主要由Fabless商业模式的厂商驱动的,比如楼氏电子、英美盛、歌尔股份等。

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MEMS代工主要有两种类型:IDM厂商提供的MEMS代工,独立的代工厂提供的MEMS代工,其中独立的代工厂包括集成电路代工厂和纯MEMS代工厂。近几年Fabless模式的MEMS器件制造商发展迅速,独立的MEMS代工厂努力寻求标准化的工艺以提升规模经济,减少制造时间和降低成本,使得独立的MEMS代工厂快速成长,但目前IDM代工仍处于市场领导地位。

   目前提供MEMS代工的IDM厂商主要有意法半导体、索尼、德州仪器等;台积电目前是全球最大的独立的MEMS代工厂,全球领先的纯MEMS代工厂还有Silex Microsystems、Teledyne DALSA 、Asia Pacific Microsystems、X-FAB 、Innovative Micro Technology等,国内的中芯国际、华宏宏利、上海先进半导体也有生产MEMS的能力。
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国内封测厂商积极布局MEMS先进制程,已具国际竞争力。
7.4.1MEMS封装工艺复杂,3D晶圆级封装是发展趋势

在整个MEMS器件制造过程中,封装是后道工序。采用一定的材料以一定的形式将器件封装起来。MEMS封装提供多种功能,包括电源和信号通路、热管理、机械支撑以及环境和接口保护等。MEMS工艺可以与COMS工艺集成,带来SOC级的系统和架构,MEMS面临大量封装方面的挑战。


MEMS器件的封装方案基于对半导体知识体系的继承,然而,MEMS通常必须与操作环境接触,这是MEMS封装与IC封装最重要的区别。MEMS封装必须考虑可动结构以及与外部环境的接触。这对封装提出了新的要求,因为传统的集成电路中,芯片必须被完全保护起来以免受环境的影响。


MEMS器件产生了新的复杂特性,在这些复杂特性的驱使下产生了新的封装方案。常见的封装方案有包覆式封装、具空腔的封装和预制式封装。MEMS器件有多种封装类型,如LGA、QFN、COL、FC等。


随着对封装尺寸越来越严格的规范,利用硅通孔(TSV)的3D晶圆级封装绝对是一个能使MEMS传感器集成度更高和更加智能化的解决方案。3D封装可以改善MEMS器件的尺寸、速度、能耗等多方面的性能,3D晶圆级封装正在成为可穿戴设备等应用“必须具有”的技术;晶圆级、TSV、3D是MEMS先进封装的发展趋势。

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7.4.2 国内封装测试厂商MEMS先进制程布局完善,已具国际竞争力

2016年,全球封装测试市场整合并购频发,日月光与矽品强强联合、安靠并购J-Device、长电科技并购星科金朋。目前全球封测市场已形成日月光、安靠、长电科技三强鼎立的局面。

目前具备MEMS封装测试能力的国际厂商主要有日月光、安靠、矽品、力成科技等,国内有华天科技、长电科技、晶方科技等厂商。尽管国内的MEMS前端制造还落后于国际大厂,由于国内的封装技术起步较早,国内MEMS产业链后端封装较为完善。国内华天科技、长电科技、晶方科技等厂商都在积极布局MEMS先进封装生产线,并表现出强悍的实力,已经具备国际竞争力。

华天科技已掌握晶圆级封装(WLCSP)、FC、TSV以及3D封装技术,并不断扩大先进封装的产能。华天科技已为国内领先的MEMS设计厂商苏州敏芯微电子量产MEMS麦克风。长电科技一直开发自有的MEMS封测技术,且布局完善。目前,长电科技从封装的种类和技术来说,可以支持整个手机里几乎所有的产品,磁性传感器等产品也都有涉及。长电科技同样具备SiP、WLCSP、FC、TSV、3D等先进封装技术。并购星科金朋,进一步加强了封测的实力。晶方半导体也是国际上一流的MEMS晶圆级封装厂商,公司已为客户量产MEMS加速度计。

MEMS封装技术与IC封装有着诸多不同,对企业的要求很高。众所周知,MEMS器件价格下降非常之快,目前部分MEMS器件中封装成本甚至占到总价格的40%到60%。如何做到低成本封装是封测厂商面临的巨大挑战。

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