得益于新型终端市场和不同封装方式对更先进的设计、工艺及新材料的需求,微机电系统(mems)行业的未来前景越来越广阔。但这一切都意味着mems产品的售价更高吗?压力传感器是一种具有外壳、金属压力接口以及高电平信号输出的压力测量装置。
据麦姆斯咨询报道,多年来,mems市场混迹着太多,但无奈机会又太少。虽然有些器件逐渐商品化,但其成本无法跟上售价下降的步伐。即使是在某一更专业、利润更高的领域,如基于mems技术的麦克风和扬声器行业,市场规模也太小,只能支撑少数几家mems的运营。
但在过去一年里,整个mems市场格局发生了显著改变。与半导体领域的其他行业一样,mems行业也经历了一些引人注目的合并和收购:博通并入安华高(370亿美元),tdk收购应美盛(13亿美元),高通签署收购恩智浦飞思卡尔的协议(470亿美元)。这样一来,可正面竞争的就剩几家大,这将对市场产生相当大的影响,这也是价格下降最快的原因(见下图)。尽管商品化将会继续,但供应商预计价格下降速度将会比过去慢。
图1 2016年与2015年mems企业营收分布图(单位:$million)
与此同时,汽车、无人机、机器人、物联网和工业物联网等市场上正出现新机遇,这些均需要更加复杂的mems设计。
传感器中枢(sensor hub)将是未来趋势
mems一直是两种独立市场的统称。一种是数十亿计的智能手机和平板电脑中都使用的陀螺仪、加速度计和磁力计。这些芯片很难开发、封装和测试,但需求量如此大的产品还是吸引了许多,并产生激烈的竞争。尽管产品需求量很高,但在2015年至2016年期间,此领域的几乎没有出现显著增长。
规避这一趋势的最新策略是建立传感器中枢(sensor hub),mems供应商正在为汽车和物联网等市场开发新器件。这超出了传感器融合的范围。其目标是为传感器整合成为标准化的格式,这基本上就是一个即插即用的平台。这将降低芯片制造商在设计、制造和销售的成本,同时系统供应商将更加容易定制和集成。这增加了双方的可预测性。
意法半导体mems产品营销的高级经理人jay esfandyari认为,如今的趋势是将这种能力应用到传感器中,使其可用于sensor hub中。即使确实有能力,但并不意味着你必须把它放到sensor hub。因此你可能想将加速度计和陀螺仪集成在sensor hub,你可能还想添加磁力计或者压力传感器,或者你想要所有传感器集成到一起。用户可以选择其想要的传感器,并将其连接到模组。
这些步骤听起来非常直接,但实际情况要复杂的多。问题是如何将这些sensor hub集成到更大的系统中。为此在诸多市场引发了讨论,如何在这些系统中筛选数据处理。随着越来越多的传感器添加进来,会导致成本更昂贵,处理所有的数据速度也实在太慢。某些数据需要在本地处理,但具体有多少尚不清楚。
rambus的杰出发明家steven woo表示,其中一个大问题是,如何利用输入来决定什么更重要。该如何理解这所有数据?目前正在进行大量探索,如今已有许多工具可在一个地方就完成所有事情。
此观点得到整个行业的认同,西门子旗下mentor的deep submicron division部门的电子设计系统的产品营销经理jeff miller认为,我们看到mems市场上传感器的融合,尤其是当这些试图在系统中增加更多价值。与标准mems传感器相比,具有多重自由度和多路存储gpu的集成传感器可提供更大的价值。但需要更多集成来实现传感器的融合,如你拆开amazon echos音响,你会发现七个精心安排的mems麦克风,以便实现远场语音检测。这里需要多种传感器融合才能分辨出不同的的声音。与imu(惯性测量单元)结合是一种很好的方法,可以为传感器增加价值,实现产品差异化。这通常涉及到使用处理器。
集成问题
除了集成度越来越高外,系统供应商还需要了解这些器件之间是如何相互作用的。和大多数芯片一样,mems器件对热量很敏感,这很可能会影响其在汽车等极端环境中的性能。但由于mems器件涉及电子和机械结构,对振动及其他类型噪声也很敏感。这就需要更全面的特性描述。
泛林集团旗下coventor的mems高级主管stephen breit认为,当所有器件集成在同一颗芯片或封装在一起时,其特性描述就会变得更加困难,而且不同类型传感器表现的特性均是不同的。陀螺仪和加速度计集成在一起会出现交叉耦合效应。陀螺仪有一种驱动模式,它可在很近距离与传感器耦合。
有些方法是可以改善这些问题的。例如,陀螺仪的振动可以像其他任何噪声一样被消除。由于此类振动的频率可以预测,因此可被过滤掉。但这种噪声也可被理解为附近其它器件的信号,因此在面对此类问题时不能只考虑单一mems器件。
breit补充道,特性描述也非常具有情境性的。例如在惯性传感器作用下,面临的大问题就是正交效应,即感应轴之间的耦合。产生这种情况的原因有许多。其中一些是制造过程产生的偏差,因此必须在每一代器件设计都要优化。
此领域几乎没有什么历史或经验可参考。一方面是由于器件本身在不停地优化,潜在的交互作用均是未知的。另一方面是因为这些器件一直被用于如无人机和机器人等新市场,或是如汽车行业等不断发展的市场中。在所有此类领域中,并没有未来如何使用技术的路线图,也不知道最终将在同样的系统或封装中集成什么。
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