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解讀“你的名字”——MEMS傳感器

發(fā)布時間:2017-02-22 責任編輯:wenwei

【導讀】隨著電子技術的發(fā)展,MEMS的應用領域越來越廣泛,由最早的工業(yè)、軍用航空應用走向普通的消費市場。隨著國家政策扶持,近兩年中國 MEMS 產(chǎn)線投資興起, 2014 年國內 MEMS 代工廠建設投資超過 1.5 億美元,但是技術的匱乏和人才的缺失依然是產(chǎn)業(yè)短板。根據(jù)IHS的統(tǒng)計資料分析,2014年全球車用MEMS市場達到了26億美元的市場規(guī)模,預計未來幾年內將以3.4%的復合年成長率(CAGR)成長,在2021年以前達到34億美元。
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
 
隨著“物聯(lián)網(wǎng)”、“智慧城市”、“智能交通”等概念的興起,及全球信息數(shù)據(jù)采集需求的旺盛,MEMS傳感器的應用變得無所不在。
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
 
什么是MEMS傳感器
 
微機電系統(tǒng)(MEMS),在歐洲也被稱為微系統(tǒng)技術,或在日本被稱為微機械,是一類器件,其特點是尺寸很小,制造方式特殊。MEMS器件的特征長度從1毫米到1微米——1微米可是要比人們頭發(fā)的直徑小很多。
 
MEMS往往會采用常見的機械零件和工具所對應微觀模擬元件,例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而,MEMS器件加工技術并非機械式。相反,它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術。 
 
MEMS傳感器與傳統(tǒng)傳感器的區(qū)別
 
以麥克風為例我們來更清晰地認識一下傳統(tǒng)麥克風和MEMS麥克風的區(qū)別:
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
傳統(tǒng)的駐極體麥克風
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
MEMS麥克風
 
諸如最典型的半導體發(fā)展歷史:從 20 世紀初在英國物理學家弗萊明手下發(fā)明的第一個電子管,到 1943 年擁有 17468 個電子三極管的 ENIAC 和 1954 年誕生裝有 800 個晶體管的計算機 TRADIC,到 1954 年飛兆半導體發(fā)明了平面工藝使得集成電路可以量產(chǎn),從而誕生了 1964 年具有里程碑意義的首款使用集成電路的計算機 IBM 360。模擬量到數(shù)字化、大體積到小型化以及隨之而來的高度集成化,是所有近現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展前進的永恒追求。MEMS也不例外。正因為 MEMS 擁有如此眾多跨世代的優(yōu)勢,目前來看我們認為其是替代傳統(tǒng)傳感器的唯一可能選擇,也可能是未來構筑物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器最主要的選擇之一。
 
微型化: MEMS 器件體積小,一般單個 MEMS 傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計量單位,重量輕、耗能低。同時微型化以后的機械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應時間短等優(yōu)點。 MEMS 更高的表面體積比(表面積比體積)可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭取?/div>
 
硅基加工工藝 : 可兼容傳統(tǒng) IC 生產(chǎn)工藝:硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當,密度類似鋁,熱傳導率接近鉬和鎢,同時可以很大程度上兼容硅基加工工藝。
 
批量生產(chǎn):以單個 5mm*5mm 尺寸的 MEMS 傳感器為例,用硅微加工工藝在一片 8 英寸的硅片晶元上可同時切割出大約 1000 個 MEMS 芯片,批量生產(chǎn)可**降低單個 MEMS 的生產(chǎn)成本。
 
集成化:一般來說,單顆 MEMS 往往在封裝機械傳感器的同時,還會集成ASIC 芯片,控制 MEMS 芯片以及轉換模擬量為數(shù)字量輸出。
 
多學科交叉: MEMS 涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科,并集約了當今科學技術發(fā)展的許多尖端成果。MEMS 是構筑物聯(lián)網(wǎng)的基礎物理感知層傳感器的最主要選擇之一。
 
由于物聯(lián)網(wǎng)特別是無線傳感器網(wǎng)絡對器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感,傳感器的微型化對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關重要。 MEMS 微機電系統(tǒng)結合兼容傳統(tǒng)的半導體工藝,采用微米技術在芯片上制造微型機械,并將其與對應電路集成為一個整體的技術,它是以半導體制造技術為基礎發(fā)展起來的,批量化生產(chǎn)能滿足物聯(lián)網(wǎng)對傳感器的巨大需求量和低成本要求。
 
MEMS傳感器的分類
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
 
MEMS傳感器市場規(guī)模
 
未來可以預見未來大規(guī)模下游應用主要會以新的消費電子例如 AR/VR,以及物聯(lián)網(wǎng)例如智能駕駛、智慧物流、智能家居等。而傳感器做為感知層,是不可或缺的關鍵基礎物理層部分,物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,將會給 MEMS 行業(yè)帶來巨大的發(fā)展紅利。
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
 
物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構主要包括三部分:感知層、傳輸層和應用層。
 
感知層的作用主要是獲取環(huán)境信息和物與物的交互,主要由傳感器、微處理器和 RF 無線收發(fā)器等組成;
 
傳輸層主要用于感知層之間的信息傳遞,由包括 NB IOT、ZigBee、Thread、藍牙等通訊協(xié)議組成;
 
應用層主要包括云計算、云存儲、大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘以及人機交互等軟件應用層面構成。感知層傳感器處于整個物聯(lián)網(wǎng)的最底層,是數(shù)據(jù)采集的入口,物聯(lián)網(wǎng)的“心臟”,有著巨大的發(fā)展空間。
 
隨著國內設計、制造、封測等多個環(huán)節(jié)的技術和工藝正在逐步成熟, MEMS 作為物理量連接半導體的產(chǎn)物,將恰逢其時的受益于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展, MEMS 在消費電子、汽車電子、工業(yè)控制、軍工、智能家居、智慧城市等領域將得到更為廣泛的應用,根據(jù) Yole developpement 的預測, 2016-2020 年 MEMS 傳感器市場將以 13%年復合成長率增長, 2020 年 MEMS 傳感器市場將達到 300 億美元,前景無限。
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
MEMS全球市場產(chǎn)值預測(億美元)
 
2015 年中國 MEMS 器件市場規(guī)模為 308 億元人民幣,占據(jù)全球市場的三分之一。從發(fā)展速度而言,中國 MEMS 市場增速一直快于全球市場增速。中國 MEMS 器件市場平均增速約 15 - 20%,中國集成電路市場增速約為 7 - 10%,橫向對比而言,MEMS 器件市場的增速兩倍于集成電路市場。
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
中國近年 MEMS 傳感器市場規(guī)模(億元)
 
MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)鏈
 
MEMS 沒有一個固定成型的標準化的生產(chǎn)工藝流程,每一款 MEMS 都針對下游特定的應用場合,因而有獨特的設計和對應的封裝形式,千差萬別。
 
MEMS 產(chǎn)業(yè)鏈類似于傳統(tǒng)半導體產(chǎn)業(yè),主要包括了四大部分:前端 fabless 設計環(huán)節(jié)、 ODM 代工晶圓廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)、封裝測試到下游最終應用的四大環(huán)節(jié)。
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
MEMS產(chǎn)業(yè)鏈劃分
 
全球前十名 MEMS 廠商主要包括博世、意法半導體、惠普、德州儀器、佳能、InvenSense、 Avago 和 Qorvo、樓氏電子、松下等等。其中 BOSCH 因為其在汽車電子和消費電子的雙重布局,牢牢占據(jù)著行業(yè)的第一的位置,其營收約占五大公司合計營收的三分之一。
 
大部分 MEMS 行業(yè)的主要廠商是以 Fabless 為主,例如樓氏、 HP、佳能等。同時,平行的也有 IDM 廠商垂直參與到整條產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié),比如 Bosch、 ST等都建有自己的晶元代工生產(chǎn)線。
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
全球主要 MEMS 廠商的生產(chǎn)模式定位
 
基于之前闡述的 MEMS 本身區(qū)別于傳統(tǒng) IC 產(chǎn)業(yè)特征,我們認為行業(yè)的核心門檻在于兩點:設計理念和封測工藝。
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
MEMS成本結構拆分
 
MEMS傳感器封裝形式
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
 
微機電系統(tǒng)的生產(chǎn)制造涵蓋設計、制造和封測。由于系統(tǒng)器件具有高度定制化、制程控制與材質特殊的特點,封裝與測試環(huán)節(jié)至少占到整個成本的 60%。因此,為了能夠在日益嚴峻的產(chǎn)品價格下跌趨勢下有效降低成本,多數(shù)無晶圓或輕晶圓MEMS 供應商將封裝與測試環(huán)節(jié)外包給專業(yè)封測廠商,這也將為 MEMS 器件封裝及測試廠商帶來機遇。
 
中國MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)
 
國內 MEMS 行業(yè)的 fabless 規(guī)模相對較小,但市場規(guī)模來說具備很大的發(fā)展空間。面對國內巨大的消費電子市場,自產(chǎn)自銷滿足國內部分中低端市場需求,也是國內 Fabless 司的一個捷徑。
 
中國 MEMS 設計企業(yè)主要集中于華東地區(qū),約占全國企業(yè)總數(shù)的 55%,其中,以上海、蘇州、無錫三地為產(chǎn)業(yè)集中地:
 
上海:深迪,矽睿,麗恒,芯敏,微聯(lián),銘動,文襄,天英,巨哥
 
蘇州:明皜,敏芯,雙橋,多維,能斯達,汶灝,圣賽諾爾,希美
 
無錫:美新,樂爾,康森斯克,微奧,杰德,必創(chuàng),微納,芯奧微,沃浦
 
其他:深圳瑞聲,山東歌爾,河北美泰,山西科泰,鄭州煒盛,北京水木智芯,浙江大立,武漢高德,成都國騰,西安勵德,天津微納芯等。
 
國內 MEMS 企業(yè)布局
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
 
中國MEMS傳感器產(chǎn)品結構
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
 
雖然國內主要集中在初級階段,中低端應用。但從近幾年的發(fā)展來看,中國地區(qū)已經(jīng)成為過去五年全球 MEMS 市場發(fā)展最快的地區(qū)。 2015 年,我國 MEMS 市場規(guī)模接近 300 億元,且連續(xù)兩年增幅高達 15%以上;而且從中長期來看,國內 MEMS 行業(yè)的發(fā)展增速會快于國外,到 2020 年,我國傳感器市場增幅將進一步提升,年平均增長率將達到 20%以上,繼續(xù)保持全球前列。
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
 
從國內市場來看,我國擁有全球規(guī)模最大的集成電路市場。蘋果、三星、小米、華為、中興等手機品牌在中國設廠生產(chǎn),加之汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)、無人機、智能家庭等概念產(chǎn)品的逐步興起,以及可穿戴設備的蓬勃發(fā)展,國內市場對硅麥克風、加速度計、陀螺儀、電子羅盤、射頻儀器、高精度壓力傳感器、氣體傳感器等MEMS 器件的需求快速增長。
 
根據(jù) SEMI的估計,中國市場在全球市場的占比將從2010年的 9.2%增長到 2015年占比 15.10%。
 
中國作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地,消耗了全球四分之一的MEMS器件,吸引了全球的目光。
 
解讀“你的名字”——MEMS傳感器
2015年全球MEMS企業(yè)30強
 
MEMS傳感器是屬于集成電路行業(yè),中央與地方政府開始著力扶持集成電路(芯片)產(chǎn)業(yè),無論從資金規(guī)模還是扶持思路上都是空前的。
 
1. 3月5日,國務院總理**在今年兩會上的政府工作報告中,首次提到集成電路(芯片)產(chǎn)業(yè)。
 
2. 3月4日,上海市經(jīng)信委則啟動了集成電路設計人員專項獎勵工作。此外,江蘇、深圳等省市可能都將在兩會后出臺百億產(chǎn)業(yè)基金,由政府牽頭,吸納社會資本。
 
3. 2014年6月,國務院印發(fā)《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》
 
4. 2014年4月23日國家成立了1200億元國家級芯片產(chǎn)業(yè)扶持基金。
 
本文來源于獵芯網(wǎng)。
 
 
 
 
 
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