MEMS:一个故事的两个艰难的市场

MEMS市场正在迅速增长,利润并非如此。

在大多数市场,这将是一个信号,表明需要更多的自动化和标准化。但在世界微机电系统,修复并不是那么简单。甚至一些可以自动化,自动化不工作。事实上,虽然MEMS设备极其困难的设计、建造和制造、市场的业务方面甚至可以说是更严格的管理。

MEMS设备是通过电气和机械工程的结合。包括在这一类是惯性传感器、陀螺仪和加速度计等,这两个存在于几乎所有的移动设备来检测运动。MEMS器件的组合是谷歌Waze,流行的点对点的GPS应用程序中,可以告诉如果你堵车或移动,你走多快,当你到达你的目的地给当前的交通状况。也有指南针、振动传感器、安全以及电容触摸传感器。

每年数十亿的这些小单位出售,增加体积的看不到尽头。但是每个MEMS制造商抱怨asp下降速度比销售量增加了。价格下行压力占据这个市场近十年,智能手机以来取代功能手机。

图1:MEMS价格下降。来源:Yole发展MEMS行业报告,2016年5月。

与此同时,还有其他的MEMS装置在低得多的销售体积,如压敏膜片麦克风,微型扬声器、指纹和超声波传感器基于压电材料。芯片对这些细分市场提供更高的投资回报,但他们缺乏足够的需求来实现规模经济。因此,尽管这部分市场可能有利可图的一些公司,可伸缩性是有限的和竞争增长(见下表)。

图2:未来MEMS市场。来源:Yole开发署。

商品组,我们的目标是创建一个更标准的方法来制造。对于后者,关键是保持足够远领先实现利润最大化,因为其中一些技术仍在不断发展。

流程和标准化
丢失的碎片之一MEMS市场是一个标准的科索沃民主党。它在纸上是一个好主意,但它已经比大多数人的预期。

“物理设备的多样性结构和流程架构用于MEMS确实对MEMS的标准化制造,构成挑战”Rakesh Kumar说,MEMS高级主管GlobalFoundries。“然而,可以有一定程度的标准化建立在家庭的传感器。例如,惯性MEMS加速度计和陀螺仪等可以使用一个通用平台制造技术与某种程度的定制创建差异化功能。这样一个平台方法将有助于减少开发成本和上市时间。”

虽然到目前为止,还没有人能利用一个单一的过程开发工具包加速度计陀螺仪的方式对asic或出类拔萃。众多业内专家表示,一般来说,铸造产品看起来更像一个菜单项目比的那种严格的审查和高度精炼过程用于asic和出类拔萃。菜单可以包括,例如,一个蚀刻步骤的顺序,或CVD一步或铝沉积序列。但是菜单改变流程步骤的顺序比建立一套规则,可用于削减开发成本。

“虽然使用标准此后惯性传感器的概念是可能的,已经被一些铸造厂,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)和刚果民主共和国(设计规则检查)的专业公司,“瞿Yan说,高级区域销售经理联华电子。“虽然有一定道理一个铸造提供标准化的过程,制程客户可能认为标准化-提供用于创建差异化优势。”

过程开发并不快。微机电系统是复杂的技术从生产的角度来看,它可以从一个铸造不同而有明显差异。

“平均而言,开发成功的大规模生产大约需要四到五年,“联华电子的瞿说。“有很多工具依赖和设备限制或变化。例如,陀螺仪的工作原理需要真空、特殊工具和共晶键合。铸造必须仔细考虑他们能产生多少回报的增加设备成本和工具。”

图3:金属共晶键合,两种金属融化和混合在一起。来源:IEEE。

铸造厂提供IP库的MEMS装置,而上市时间相同IP对asic或出类拔萃。和所有的铸造厂使用类似的设备,其中包括深反应离子腐蚀工具和晶片粘合。然而,除此之外,这在很大程度上是一个semi-custom或完全定制的开发过程。

“铸造厂可以提供的IP库,所以,你选择一个传感器与接口规范,”斯蒂芬·布莱特说,负责工程的副总裁Coventor。“针对陀螺仪和加速度计。甚至是传感器仍处于开发阶段,铸造厂可以使那些在某种程度上。但这仍然需要相当水平的专业领域。拿着麦克风,这是一个更普遍。但由于人工鼻子和光谱仪,是另一回事了。”

新的复杂的微机电系统设备
这些新应用程序的MEMS市场大幅发散更加商品化的加速度计和陀螺仪。

“有增量改变现有的传感器,但也有新的指纹传感器基于超声波技术代替电容传感器,”Mike罗莎说,技术营销主管应用材料。“所以,而不只是做一个电容测量当你按下按钮时,它将一个超声波的手指。将阅读山脊表皮层,它可以读取山脊真皮二层皮。这是一个戒备森严的加法。,因为它是一个压电材料,你不容易湿气或灰尘或粒子,让你失望当你试图扫描你的手指,它不工作。这是工作。”

图4:超声波指纹传感器。来源:加州大学伯克利分校

压电材料是进入使用麦克风,,这提供了一个更高的信噪比。一个麦克风噪音从来都不是很好,所以高信噪比是goal-particularly如果噪音超出了人类听觉阈值。

“第一个肿块是实际的架构,”罗莎说。“第二个撞纯粹是与材料有关。这些是不同的压电材料。在麦克风的情况下,它可能是氮化铝。它还可能与钪掺杂氮化铝的20%到30%。在麦克风的情况下,公司想做钪掺杂高达43%。你有可能增加信噪比更高剂量的钪。”

列表并不止于此。一些激光芯片,这被认为是一个安全要求自主车辆,正在开发利用MEMS技术,将激光二极管和一面镜子。使用激光光束激光雷达扫描一个区域,然后重建图像基于反射的光束,或脉冲光束。虽然最初的移动版本的技术成本高达70000美元,预计MEMS-based版本出售several-hundred-dollar范围。

MEMS技术也正逐渐融入一些3 d扫描仪和视网膜扫描仪,基于MEMS扫描镜。德国弗劳恩霍夫研究所报道,MEMS扫描镜可以缩小到可以用于移动应用程序。虽然不如激光扫描检眼镜,MEMS-based解决方案要小得多,比其他生物更便宜、更安全的技术,因为视网膜血管“几乎不可能假的,”根据研究的房子。

图5:MEMS扫描镜。来源:弗劳恩霍夫研究所。

控制成本
这些都是有趣的技术,可以肯定的是,但是经济学中起着举足轻重的作用在MEMS的这部分市场,。对传统CMOS设计,工程师之间有明显的差异这些芯片和MEMS的工具设备。

“很多这是没有一个真正的流,“Coventor的布莱特说。“即使惯性传感器和麦克风,需要复杂的膜结构,然后你需要使连接。这是特别的。此后可以帮助自动流可以产生压电MEMS和互联,锚,把死的方法。但是刚果民主共和国(设计规则检查),每个人都是用来在CMOS不存在或不完整的。而且没有lv(布局与示意图)。”

布莱特说,另一个问题涉及到这些设备描述不足,因为参数不是定义为在数字部分是大规模生产。其结果是,没有完全预期会发生微小的变化。反过来,会影响传感器融合的设计,它可以包括多个MEMS芯片在一个单一的设备。

“这是要创建的新趋势,”说Babak卷产品技术营销副主任新科金朋。“一个惯性传感器能够容纳一个压力传感器和光学传感器。你也会看到更多的MEMS装置在生物医学,而在这一点上是一个非常分散的市场。asp是高,成交量较低的在这个市场,所以在十年内将会有一个整合的传感器市场。”

工业部门是MEMs的另一个领域获得牵引力。“我们开始看到自定义解决方案集成运动和压力传感器,”克利斯朵夫Zinck说,高级应用工程经理日月光半导体。“工业物联网,有非常大的推动集成新功能而不需要占用更多的空间。所以在此基础上,人们正在创造自己的解决方案和看到所有不同的传感器可以一起工作。设计团队,他们正在开发一个完整的模块。”

GlobalFoundries Kumar表示同意。“有一个快速迁移的MEMS传感器从离散设备到多功能集成设备结合加速度计和陀螺仪等在晶圆级,连同磁强计,压力传感器和system-in-package ASIC。更广泛的采用MEMS产品进入物联网(物联网)将继续推动MEMS集成和低功耗处理asic和连通性。”

结论
MEMS市场经历了爆炸式增长和减少平均销售价格。但随着技术发现新用途,补充和更换更昂贵的设备,这个市场的经济会明显改变。

本系列的第二部分将详细研究这些变化,包括如何提高产量、热及测试问题,包装选项和工具都缺少什么,可以帮助改善公司成本方程在这个市场和他们的投资回报。

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