mems:传感器无处不在,执行器蓄势待发

近日,2016年中国半导体行业协会mems分年会暨产业投融资对接会在苏州国际博览中心举行,麦姆斯咨询ceo王懿作为演讲嘉宾做了题为《mems产业现状及发展趋势》的演讲报告。

近日,2016年中国半导体行业协会mems分年会暨产业投融资对接会在苏州国际博览中心举行,麦姆斯咨询ceo王懿作为演讲嘉宾做了题为《mems产业现状及发展趋势》的演讲报告。王懿先生从mems产业变迁总结出未来的发展趋势,以专业的分析为mems圈内外人士指明了方向。

麦姆斯咨询ceo王懿进行主题演讲

mems:曲折而漫长的产业化

麦姆斯咨询ceo王懿先用一句经典的话语“抛砖引玉”——他将mems产业归纳为“前景很美好,但是现实很残酷”。虽然各大市场调研机构给出的数据统计都预测mems产业将持续快速增长,加之该产业处在物联网这个万亿级市场规模的中心,圈外人士眼中的mems是绝对的朝阳产业,也是热门的高科技。但是,实际从事产品研发和真正进入mems量产时,大家才会发现有很多困难之处,即使是产业界耳熟能详的德州仪器(ti)的dlp技术也花了十多年的历程,并一直致力于该技术的应用创新。实际上,mems器件的产业化和mems公司的成长是一个曲折而漫长的过程,王懿先生将该过程归纳为五大阶段:

* 能看不能动:相比ic,mems典型特点是可动,而学术界的科研人员早期对mems的试错研究需要先实现机械结构的灵活运动,不能仅仅做一个微观领域的“摆设”。

* 能动不能用:相比ic,mems工艺特殊、结构多样,因此mems器件往往可靠性较差,在运动中很容易出现黏附、断裂等情况。那么,需要经过不断的探索和实验,解决“中看不中用”的问题,形成mems器件原型。

* 能用不能产:mems器件原型完成后,需要从实验室走出来,进入产业化环节,这时需要解决mems产品的良率问题。如果产品的可量产性差、良率较低,将大大影响产品的竞争力,甚至导致量产失败。

* 能产不能盈:mems量产化完成后,还得充分考虑盈利问题,尤其是竞争激烈的消费电子领域。中国mems企业面对着“刺刀见红”的市场,往往经受着低利润,甚至年年亏损的局面。

* 能盈不能久:如果mems企业能够降低产品成本,提升产品性能,那么将逐渐占据一定市场份额且实现盈利,但也绝不能掉以轻心。因为mems技术正在不断创新,消费类产品价格下跌急速,且新进入者也层出不穷,所以“领先一步”并不意味着“高枕无忧”,保持长久的竞争力并非易事。

mems产品的发展历程

给大家上过“开胃小菜”后,王懿的演讲进入“正餐”部分。

mems产业现状及发展趋势

何谓mems?很多圈外人认为mems等同于微型传感器。王懿先生指出,mems实际上包括传感器和执行器两大类,传感器包括运动传感器、压力传感器、声学传感器、环境传感器和光学传感器等。执行器包括光学mems、微流控、rf(射频)器件、微结构和微扬声器等。ti的微镜阵列就是典型的mems执行器。除了ti的微镜阵列,还有单颗扫描微镜,它的尺寸更小,更适合可穿戴设备。

最近mems执行器持续火热。国际大厂,如博世(bosch)、意法半导体(st)和安华高科技(avago)等,都在布局mems执行器。在光学领域,今年10月,mems执行器厂商mems drive完成了来自华登国际领投的1100万美元b轮融资,开发出全球首款应用于智能手机光学防抖的mems光学图像防抖稳定器(ois)。在微流控领域,利用mems技术制成的微泵和微针可以实现无痛的胰岛素注射。在射频领域,中电13所/美泰科技为雷达生产mems滤波器,希美微纳开发手机应用的rf mems开关等。在声学领域,全球主要有两家公司(usound和audio pixels)正在做mems扬声器。

再讲一个概念:智能传感器。智能传感器通常包括三大部分,第一部分是传感器,第二部分是处理单元,如mcu或asic,其中集成了算法,第三部分是执行器,对外界环境实现作用。例如在物联网传感器节点里面,不仅需要传感器感知信息,还要将信息处理及传送出去或作用于外部环境。那么,传送环节涉及到射频mems,而如果作用于人体环境,那么就涉及到微泵和微针了。

电子信息产业发展历程:处理→传感→执行

纵观电子信息产业的发展趋势,可以洞悉半导体元器件的产业规律。早期的“信息时代”以个人计算机、笔记本电脑为代表,主要完成信息的处理和存储功能,相应的半导体元器件以处理器和存储器为主,被称为“摩尔时代”。如今的“交互时代”以智能手机、智能硬件为代表,可以自主完成环境感知功能,相应的半导体元器件是丰富多彩的传感器,被称为“超越摩尔时代”。未来的“操控时代”则以无人驾驶汽车、智能机器人为代表,可以实现感知后的自主行动(具有人工智能),相应地催生一系列电驱动执行器,被称为“新摩尔时代”。但是,该时代的智能设备具有了类人的功能后,将取代人类的一些工作,逼迫人类进行发展转型。由此可见,mems执行器应该是未来重要的市场机遇。

目前,一波消费电子浪潮正驱动整个mems产业发展,2000至2020年期间,全球硅基mems市场规模将增长3倍,达到200亿美元规模。而2015年的市场规模为120亿美元。全球mems市场近几年都保持10%以上的复合年增长率(当然,中国mems市场增长速度更快,近期的复合年增率超过16%,主要产品包括压力传感器、mems麦克风、惯性传感器和红外探测器等)。相比ic,mems绝对是一个高速增长的领域。

再来看看2015年全球前三十mems厂商的排名。排名第一的博世前几年发展迅速,但2015年涨幅并不明显。而排名第二的意法半导体近几年一直处于下滑状态。紧随其后的厂商是ti和avago。在这份全球前三十mems厂商榜单中,增长最快的是射频mems厂商,如avago和qorvo,这主要归功于4g、5g手机对射频功能需求的增长。同时,射频mems也吸引越来越多的中国厂商投入其中,如面向国防应用的美泰科技,面向消费电子应用的诺思微系统、中科汉天下、希美微纳和赛赫信息等。此外,中国mems麦克风在国际上的竞争力越来越强,歌尔股份和瑞声科技都跻身全球前三十mems厂商榜单,他们除了购买国外厂商的芯片,也在自主芯片方面做了很多布局,如投资或收购mems企业,展现出巨大的发展潜力。另外值得一提的是,中国mems初创企业:芯奥微传感和敏芯微电子也进入高速发展轨道。

2015年全球前三十mems厂商榜单

就出货量而言,特别是消费类mems产品的拉动,将使其在6年时间内(2014~2020年)增长约2倍。虽然消费类mems出货量增长很快,但是平均销售价格(asp)快速下跌,使得整体市场增长速度放缓。例如,加速度计的平均销售价格已经小于0.14美金,mems麦克风的平均销售价格则小于0.19美金。因此,消费类mems产业形成“mems市场爆发→mems出货量增长→mems价格下跌→mems利润萎缩→mems企业难以盈利”的怪圈。

如何解决消费类mems低利润的问题?

针对上述问题,王懿先生给出一些解决方向:(1)生产设施共享:与其它应用产品共用生产线,降低制造成本,如汽车和消费类产品共享生产线;(2)改进工艺,降低成本,如采用cmos mems工艺。(3)价值创造:创造新型mems器件,如气体传感器;(4)传感器融合:形成组合传感器;(5)集成更多软件功能,改进传感器输出。其实,cmos图像传感器产业就是mems产业很好的学习案例,其通过增大像元和芯片尺寸来解决低利润问题,因为高质量成像(照片)使得客户愿意为高价格买单。

对mems市场而言,传统的产业驱动是“市场规模扩大→器件尺寸缩小→产品成本降低”。而现阶段,mems产业所面临的挑战在于创新应用,如何通过“杀手级”应用来驱动mems产品发展及创新成为时下讨论热点,新的产业驱动形成:“创新应用需求→算法/软件/功能产生→产品功耗降低”。由此产生的新产品和新算法/软件也将提升价值,获得丰厚的利润。

新的mems产业驱动体现了“算法/软件/功能”的重要性。因此,各家mems厂商也展开相关布局。“领头羊”博世和意法半导体以自我研发为主,而应美盛(invensense)则通过并购方式实现,收购了一家做运动传感器算法的公司movea和一家做室内外导航的公司trusted positioning。可以预见,未来的传感器(sensor)将越来越多地向解决方案(solution)方向发展。

智能手机中的传感器

以智能手机为例,其促使以加速度计、磁力计、陀螺仪、麦克风为代表的mems传感器进入高速发展期,而随着应用种类的丰富和功能的提高,智能手机上所需要的传感功能也越来越多。如果从iphone产品的发展路线图来看,每一步都与mems传感器密不可分。第一代iphone的屏幕自动旋转功能,使加速度计获得爆发性增长;iphone 3gs的电子罗盘功能,让磁力计找到新的应用“方向”;iphone 4的体感游戏功能,为陀螺仪创造出一个新舞台;iphone 5s的移动支付功能,将指纹传感器融入日常生活中;iphone 6的高度测量功能,把气压计送入发展快车道;iphone 6s在触控方面进行创新,增加了3d touch功能;最新的iphone 7 plus则采用了双摄像头(cmos图像传感器)技术。因此,一方面,传感器成为智能手机革新的推动力;另一方面,智能手机也成为传感器应用的试金石。

王懿先生以宠物小精灵(pokemon go)游戏为例,讲解了创新应用对传感器发展的驱动。这款游戏采用增强现实(ar) 基于地理位置服务(lbs)技术,充分利用了摄像头 惯性传感器 gps,将现实图像与虚拟图像相连接,实现在真实场景下捕捉小精灵的效果。当你拿起智能手机捕捉小精灵时,内置惯性传感器根据手机的移动情况类改变小精灵的显示位置和状态。这款游戏火爆带动了传感器技术的发展,加快2d摄像头向3d摄像头的演进和惯性传感器的性能提升,同样也促进传感器融合算法的发展。当然,最适合玩这款游戏的是可穿戴类设备——智能眼镜。

基于ar和lbs技术的宠物小精灵利用了摄像头 惯性传感器 gps

中国现已经成为智能手机生产大国,约有36%的智能手机来自于中国。因此,中国对传感器的需求量很大,华为、小米、oppo、vivo、中兴等厂商也开始在传感器创新应用方面施展拳脚,比如华为早于苹果发布双摄像头。未来,更多的传感器将集成于手机中,如红外探测器、气体传感器等。预计智能手机中的传感器数量将从2014年的12颗增长至2021年的21颗。

以红外探测器为例,其最早用于军事领域,但随着技术进步,现在已经可以集成于智能手机,如卡特彼勒在mwc2016上推出了全球首款支持红外热成像的智能手机——cat s60。麦姆斯咨询也总结了一些红外热成像的应用案例:

* 红外热像仪在家装检测中的应用:若外墙存在脱落、空鼓等粘结缺陷部位,在红外热像图上将表现为“热斑”或“冷斑”,其检测结果直观、可靠,分析外墙的红外热像特征图谱,并对其进行理论计算,即可确定外墙的粘结质量。

* 红外热像仪在建筑节能检测中的应用:检测房屋气密性,如门窗的漏缝。如果气密性差,那么造成冷空气渗透,保温效果差,能量损失严重。

* 红外热像仪在受潮检测中的应用:受潮会产生许多问题,水可能渗入一个小的裂缝,然后滞留在不透水的建筑材料中,通过红外可以快速找到墙体或天花板的受潮处。

* 红外热像仪在个人安全领域中应用:夜间在停车场或大院里听到奇怪的声音,尤其是女士,可以通过红外热像仪扫描周围环境是否有其它“不怀好意”之人或动物。

* 红外热像仪在烹饪领域中的应用:测量烧烤工具或平底锅的热分布图;即时测量食物的表面温度。

* 红外热像仪在泛舟领域的应用:即使在完全黑暗的环境中,也能看到漂浮在水中的物体或人。

无处不在的传感器

除了智能手机,各种创新的智能硬件(如可穿戴设备、智能家居等)逐渐登上大众消费市场的舞台。其中,可穿戴设备的主要应用领域包括:以血糖、血压和心率监测为代表的医疗领域,以运动监测为代表的保健领域,以信息娱乐为代表的消费领域,以数据采集和显示为代表的工业和军事领域。可穿戴设备以解放双手为主要特征,是满足人们便携性需求的回归;同时可穿戴设备与人体密切接触,也成为人机交互的新接口。

尤其是以虚拟现实(vr)和增强现实(ar)为代表的新一代人机交互技术正在掀起一轮“智能眼镜”热潮,并加强了对多功能集成的小型智能传感器需求,如九轴惯性组合传感器、多种环境感测组合传感器。例如,ar技术将真实世界信息和互联网世界的虚拟信息“无缝”连接,把原本在真实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉、听觉、味觉和触觉等),通过智能眼镜等终端载体将虚拟的信息叠加到真实世界中,从而被人类感知,达到超越现实的感官体验。

最后不得不提到物联网,从产业链上看,其分为支撑层、感知层、传输层、平台层、应用层。感知层是物联网体系对现实世界进行感知、识别和信息采集的基础性物理网络,主要功能是识别物体与采集信息,为后续信息处理和相应决策行为提供海量、精准的数据信息支撑。物联网感知层的信息采集方式主要包括mems传感器、rfid、二维码、北斗接收机等。随着物联网的推广和应用,传感器将渗透至我们生活、工作和娱乐的方方面面,形成万亿级传感器市场规模。

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