多軸陀螺儀在第三次MEMS浪潮占盡先機(jī)

從上世紀(jì)90年代早期MEMS器件開(kāi)始投入應(yīng)用，到隨后十年MEMS加速度計(jì)在消費(fèi)電子領(lǐng)域引發(fā)第二次應(yīng)用浪潮，直到今天已經(jīng)進(jìn)入的第三次MEMS應(yīng)用浪潮——多軸MEMS陀螺儀模塊將在更多領(lǐng)域發(fā)揮更廣泛的作用。MEMS傳感器供應(yīng)商已經(jīng)沖破了可靠性、成本和大規(guī)模生產(chǎn)的障礙，使用者對(duì)MEMS更高性能的需求推動(dòng)了該領(lǐng)域的快速進(jìn)步和發(fā)展。

陀螺儀手機(jī)大爆發(fā)

據(jù)法國(guó)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Development，得益于汽車銷售的強(qiáng)勁反彈與消費(fèi)便攜設(shè)備市場(chǎng)的持續(xù)需求擴(kuò)大， 2010年全球MEMS產(chǎn)業(yè)同比增長(zhǎng)25％，總銷售額高達(dá)86億美元。

繼2009年的蕭條表現(xiàn)之后，汽車MEMS市場(chǎng)在2010年出現(xiàn)強(qiáng)勁反彈，主要的推動(dòng)力來(lái)自中國(guó)等新興地區(qū)的強(qiáng)勁銷售——盡管這些地區(qū)汽車的電子化程度較低，以及美國(guó)、日本和歐洲等發(fā)達(dá)地區(qū)的旺盛需求，尤其是在安規(guī)的影響下。不過(guò)，由于市場(chǎng)旺銷主要緣于制造商補(bǔ)充庫(kù)存的需要，這一波上升勢(shì)頭極可能在今年下半年出現(xiàn)二度下滑。

因此，消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)仍將是2011年MEMS產(chǎn)業(yè)的主要增長(zhǎng)動(dòng)力。IHS iSuppli公司預(yù)計(jì)，在消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)，2011年MEMS營(yíng)業(yè)收入將從2010年的16億美元增長(zhǎng)到21億美元，同比增長(zhǎng)25%。到2014年消費(fèi)電子和手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的MEMS營(yíng)業(yè)收入將達(dá)到37億美元。


2010年全球MEMS銷售額排名Top 30
資料來(lái)源： Yole Developpment,2011年4月

作為全球最大的消費(fèi)電子和手機(jī)MEMS傳感器供應(yīng)商，意法半導(dǎo)體（ST）迄今為止已經(jīng)推出了30款陀螺儀，包括多軸感應(yīng)、30dps到6000dps量程的各種產(chǎn)品。2010年意法半導(dǎo)體MEMS傳感器銷售額（不包括面向噴墨打印機(jī)的代工業(yè)務(wù)）超過(guò)3.5億美元，同比大增60%, 主要的成長(zhǎng)動(dòng)力就是MEMS陀螺儀在便攜設(shè)備(特別是手機(jī))中的應(yīng)用。

該公司中國(guó)區(qū)技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理吳衛(wèi)東表示：“近幾年MEMS傳感器在手機(jī)中的使用比率越來(lái)越高，但是市場(chǎng)遠(yuǎn)未飽和。以陀螺儀為例，盡管它一直是業(yè)界熱議的話題，但在手機(jī)中的實(shí)際使用率不足10%，因此市場(chǎng)潛力容量非常大，也是我們未來(lái)最為看好的領(lǐng)域。此外，地磁儀、壓力傳感器也是繼加速度計(jì)之后在手機(jī)中逐漸廣泛應(yīng)用的器件?！?br>
MEMS掘金平板電腦市場(chǎng)

除了手機(jī)，平板電腦也將在未來(lái)的MEMS與傳感器市場(chǎng)中扮演非常重要的角色。實(shí)際上，在今年的消費(fèi)電子展(CES)上，摩托羅拉、宏基和其它廠商展示的平板電腦都配備了MEMS加速計(jì)、陀螺儀、BAW濾波器甚至壓力傳感器。IHS iSuppli公司預(yù)測(cè)稱， 到2014年平板電腦將成為消費(fèi)與移動(dòng)領(lǐng)域中的第二大MEMS應(yīng)用市場(chǎng)。


SiTime公司CEO Piyush Sevalia

SiTime公司CEO Piyush Sevalia則非?？春肕EMS時(shí)鐘在平板電腦以及電子書(shū)市場(chǎng)的發(fā)展?jié)摿?，他說(shuō)：“平板電腦以及電子書(shū)是目前業(yè)界成長(zhǎng)最快速的產(chǎn)品之一，預(yù)估到2014年之前，全球?qū)⑦_(dá)2億臺(tái)的出貨量。SiTime的SiT8003可編程低功耗MEMS振蕩器系列可滿足平板電腦及電子書(shū)設(shè)計(jì)中不同功能電路區(qū)塊的所有頻率需求，已成為眾多此類產(chǎn)品的優(yōu)異的參考時(shí)鐘源?！备鶕?jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Development的報(bào)告，SiTime公司目前占據(jù)了全硅MEMS時(shí)鐘市場(chǎng)的絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位，并擁有85%的市場(chǎng)占有率。

SiT8003在包括功耗、尺寸、效能等各個(gè)方面為平板電腦以及電子書(shū)設(shè)計(jì)者提供了更好的選擇。在功耗方面，該系列產(chǎn)品在工作時(shí)僅3.5毫安 (3.5mA)，而在待機(jī)時(shí)僅5微安 (5 uA)；并提供全溫 (-20℃~+70℃)工作環(huán)境達(dá)±25PPM的精準(zhǔn)度。與傳統(tǒng)石英振蕩器相比，SiT8003系列產(chǎn)品在厚度上減少了30%，頻率穩(wěn)定性更好，并在防振抗震性有１０倍的提高，在可靠性上也有２０倍提高。

并且，由于采用了全硅CMOS工藝，SiT8003可實(shí)時(shí)編程快速實(shí)現(xiàn)許多客制化的功能。譬如，SiT8003上升下降時(shí)間可根據(jù)客戶設(shè)計(jì)需要做實(shí)時(shí)調(diào)整，在無(wú)須修改PCB的情況下直接消除EMI等設(shè)計(jì)問(wèn)題，以此幫助客戶以最低成本，最快速度推出新產(chǎn)品。

多軸傳感器開(kāi)辟嶄新應(yīng)用

多軸集成化一直是MEMS產(chǎn)業(yè)的熱議話題，ST近日推出了一款能夠檢測(cè)五個(gè)自由度的多傳感器模塊LSM320DL，該新產(chǎn)品在一個(gè)器件內(nèi)整合一個(gè)三軸數(shù)字加速度計(jì)和一個(gè)雙軸數(shù)字陀螺儀，能夠檢測(cè)最高16g的加速度和最大2000dps的俯仰軸和偏航軸的角速率。

吳衛(wèi)東表示：“ 多傳感器集成化為高精度運(yùn)動(dòng)檢測(cè)在手機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、游戲機(jī)及眾多的便攜電子設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用創(chuàng)造更多的新機(jī)會(huì)，如空中鼠標(biāo)、智能遙控器、基于位置的服務(wù)等，都是未來(lái)十分看好的應(yīng)用?！?br>
ADI最近也新增了兩款高集成MEMS多軸傳感器，分別是角速率陀螺儀ADIS16135和六自由度慣性測(cè)量單元(IMU) ADIS16385。 這是ADI第四代MEMS陀螺儀器件，采用先進(jìn)的差分四傳感器設(shè)計(jì)，可在強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)狀態(tài)下精確地工作, 與市場(chǎng)上的其它高性能MEMS陀螺儀相比，新款陀螺儀功耗僅為競(jìng)爭(zhēng)性器件的十分之一，而且可以提供更高的穩(wěn)定性和抗振性能。

該公司微機(jī)電事業(yè)部市場(chǎng)經(jīng)理Stephen Wu還指出，若要更出色地服務(wù)有著廣泛客戶群的中國(guó)市場(chǎng)，則需要更為技術(shù)更為全面的陀螺儀——除了提供高品質(zhì)技術(shù)策略，還幫助降低成本并提高績(jī)效和市場(chǎng)收益——為此ADI新推出了高性價(jià)比的ADXRS652 偏航角速度陀螺儀來(lái)滿足這一市場(chǎng)需求。

ADXRS652不僅采用了表面微加工工藝，內(nèi)置低成本、功能完整的角速率傳感器，還集成了所有必要的信號(hào)調(diào)理電子器件以產(chǎn)生與Z軸的角速率成比例的穩(wěn)定輸出電壓。通過(guò)外部電容建立0.01 Hz至2500 Hz的帶寬，并利用溫度輸出對(duì)傳感器執(zhí)行溫度校準(zhǔn)。這款器件的自測(cè)輸入還能提供機(jī)電激勵(lì)，測(cè)試傳感器和信號(hào)調(diào)理電路是否正常工作。ADXRS652抗沖擊能力達(dá)到2000 g，專門(mén)針對(duì)工業(yè)應(yīng)用、慣性測(cè)量單元和平臺(tái)穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)。

不過(guò)， 多傳感器集成化在現(xiàn)階段對(duì)于MEMS制造工藝依然是不小的挑戰(zhàn)?！斑@是因?yàn)榧赡K的制作工藝更難，生產(chǎn)良率也會(huì)顯著下降，只有充分掌握其中每一門(mén)技術(shù)，才能保證器件的性能穩(wěn)定性。”吳衛(wèi)東表示，“作為市場(chǎng)的先行者，意法已經(jīng)掌握了MEMS制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此才能成功推出兩款集成模塊（陀螺儀+地磁儀、陀螺儀+加速度計(jì)），但是，MEMS與其他非MEMS技術(shù)傳感器的集成依然很困難?！盵!--empirenews.page--]

發(fā)展遭遇系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

盡管如此，MEMS傳感器設(shè)計(jì)集成化的腳步已經(jīng)不可阻擋。Stephen Wu指出，企業(yè)只有做新才能獲取更多的利潤(rùn)，MEMS芯片與IC芯片整合、封裝在一起是集成電路技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，也是傳統(tǒng)IC廠商的新機(jī)遇?！拔覀冋J(rèn)為，也許在未來(lái)的10年中，MEMS傳感器設(shè)計(jì)需要被供應(yīng)商須進(jìn)一步優(yōu)化，從而能夠使其提供更加強(qiáng)大的功能，并為使用者降低整體成本做出貢獻(xiàn)。而這對(duì)于MEMS的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的發(fā)展和前進(jìn)步伐也起著至關(guān)重要的作用?！彼f(shuō)。

談到傳感器和IC芯片的進(jìn)一步集成趨勢(shì)，吳衛(wèi)東則認(rèn)為不能一概而論，要針對(duì)具體應(yīng)用具體分析：首先，傳感器和MCU集成在技術(shù)上完全可以實(shí)現(xiàn)，意法結(jié)合MCU的MEMS模塊已近在研發(fā)當(dāng)中。但是不同的應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)MCU的需求不同，在為客戶開(kāi)發(fā)帶來(lái)便利，可能欠缺了靈活性，所以集成并非絕對(duì)的好，關(guān)鍵還是看市場(chǎng)需求。例如手持設(shè)備處理器已經(jīng)足夠強(qiáng)大，就不需要額外的MCU?！彼f(shuō)。

第二，在一個(gè)模塊集成多個(gè)傳感器，可以方便用戶使用，但是需要考慮的是，模塊方案的性價(jià)比未必優(yōu)于使用單個(gè)器件的方案。 并且，盡管很多供應(yīng)商都宣布已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了模塊集成，但很多只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，只有真正商用化的量產(chǎn)方案才有實(shí)際意義。

最后，在選擇多傳感器組合方案時(shí)，還有一個(gè)不容忽視的因素是，除了提供硬件本身，軟件也是很重要的價(jià)值體現(xiàn)。ST的iNEMO評(píng)估板可以提供十個(gè)自由度（加速度、陀螺儀、地磁儀、氣壓計(jì)）利用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)物體空中姿態(tài)的識(shí)別?；谠撈脚_(tái)可以做很多二次開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)。

Stephen Wu對(duì)此表示認(rèn)同，他說(shuō)：“目前，MEMS器件發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、測(cè)試、分析、嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)、以及電源管理技術(shù)。我們認(rèn)為，要獲得MEMS市場(chǎng)的成功，供應(yīng)商不僅應(yīng)該關(guān)注基本運(yùn)動(dòng)檢測(cè)或增加新功能，必須能夠應(yīng)對(duì)更多需求和挑戰(zhàn)，新型MEMS傳感器設(shè)計(jì)必須在所有條件下，包括在各種振動(dòng)和溫度差異，巨大幅度的沖擊的環(huán)境下，保持足夠的靈敏度、噪聲等關(guān)鍵特性。此外，設(shè)計(jì)人員必須提供有價(jià)值的系統(tǒng)性能改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程的自動(dòng)化、并減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，從而降低成本。”

晶圓代工潛力巨大

市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，也帶動(dòng)了MEMS晶圓代工市場(chǎng)的興起，全球最大的幾家半導(dǎo)體代工廠如臺(tái)積電、聯(lián)電都已開(kāi)始介入MEMS產(chǎn)業(yè)，部分領(lǐng)先MEMS制造商如ST、TI等也都提供代工服務(wù)。據(jù)Yole Development統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，意法半導(dǎo)體是目前全球最大的MEMS代工廠，2010年相關(guān)營(yíng)收大約是2.04億美元。

IMT(Innovative Micro Technology) 成立于2000年，是一家純MEMS代工廠，在加州圣巴巴拉(Santa Barbara)擁有占地13萬(wàn)平方尺的廠房， 該公司業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Craig T. Trautman表示：“目前我們有近八成的客戶是Fabless設(shè)計(jì)公司，盡管目前MEMS市場(chǎng)多半仍由IDM所主導(dǎo)，但代工市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力巨大?！?br>
Piyush Sevalia也坦言，作為一家Fabless設(shè)計(jì)公司，SiTime公司的優(yōu)勢(shì)之一就是可以將其生產(chǎn)全部外包給世界第一流的IC代工廠和封裝測(cè)試代工廠，以保持最低成本?！斑@使我們可以利用半導(dǎo)體巨大并現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施以最短的供貨期來(lái)滿足我們客戶不斷變化的需求。同時(shí)，外包生產(chǎn)使我們?cè)趤喼薏煌牡貐^(qū)同時(shí)設(shè)置封裝測(cè)試生產(chǎn)伙伴，在自然災(zāi)害或其他意外情況下可更有效的保持貨源的持續(xù)性?！彼f(shuō)。


2010年全球MEMS代工業(yè)務(wù)營(yíng)收排名Top 20
資料來(lái)源： Yole Developpment,2011年4月

除此之外， 中國(guó)大陸的一些半導(dǎo)體代工大廠也已開(kāi)始進(jìn)入MEMS代工領(lǐng)域，如中芯國(guó)際、上海先進(jìn)半導(dǎo)體等，這為本地MEMS芯片制造提供了很好的生產(chǎn)平臺(tái)。上海先進(jìn)半導(dǎo)體（ASMC）是中國(guó)大陸地區(qū)唯一一家專注于模擬器件代工的企業(yè)，，專注于雙極型混合信號(hào)IC制造，年產(chǎn)能大約為80萬(wàn)片。該公司從2009年起開(kāi)始投入MEMS器件的代工服務(wù)，目前的產(chǎn)能是3000片/月，生產(chǎn)良率達(dá)到了80%。


上海先進(jìn)總裁謝志峰博士

該公司總裁謝志峰博士表示：“過(guò)去MEMS制造有很多技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決，但是現(xiàn)在，MEMS供應(yīng)商已經(jīng)成功沖破了可靠性、成本和大規(guī)模生產(chǎn)的障礙，使用者對(duì)MEMS的需求推動(dòng)了該領(lǐng)域的快速進(jìn)步和發(fā)展。我們目前和中國(guó)科學(xué)院微系統(tǒng)研究室緊密合作，加大對(duì)研發(fā)和設(shè)備的投入，未來(lái)將重點(diǎn)投入汽車、消費(fèi)電子和醫(yī)療電子領(lǐng)域的MEMS產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。”

為滿足不同客戶的需求, 除可提供從產(chǎn)品概念到量產(chǎn)的全套MEMS代工服務(wù)外，上海先進(jìn)還可以提供定制化代工服務(wù)，同客戶一起完成原型設(shè)計(jì)、制造工藝開(kāi)發(fā)等流程，謝志峰博士表示：“目前國(guó)內(nèi)有很多Fabless MEMS傳感器供應(yīng)商苦于沒(méi)有地方生產(chǎn)，上海先進(jìn)的使命就是要為本土廠商提供MEMS的設(shè)計(jì)服務(wù)幫助?！?br>
來(lái)自臺(tái)灣的Asia Pacific Microsystem（APM）同樣看到了中國(guó)公司的需求， 目前正在積極與中國(guó)大陸MEMS設(shè)計(jì)公司接觸。該公司技術(shù)市場(chǎng)項(xiàng)目經(jīng)理陳志學(xué)表示：“我們從07年開(kāi)始涉足MEMS代工，目前是全球第四大的MEMS代工廠，可以生產(chǎn)6寸晶圓，采用10道光照，月產(chǎn)能達(dá)到12，000片，擁有具備硅通孔(TSV) 和3D封裝技術(shù)，預(yù)計(jì)到2014年還將掌握 thin wafer（超薄晶圓）技術(shù)。相信憑借成熟的生產(chǎn)工藝與豐富的制造經(jīng)驗(yàn)，加上地緣優(yōu)勢(shì)，可以為中國(guó)大陸的設(shè)計(jì)公司提供理想的代工服務(wù)。”