关于MEMS的性能分析和介绍

受新的终端市场需求和需要更先进的工程开发、工艺和新材料的不同封装选择的推动，MEMS 行业似乎开始越来越有希望了。因为所有这些因素都会带来更高的售价，所以这一领域已经拖延很久了。

多年以来，微机电系统（MEMS）市场一直都有太多公司在争夺太少的机会。当成本没法跟上售价的下降速度时，有些器件就从市场上消失了。而该领域中更专业化和利润更高的部分（比如基于 MEMS 的麦克风和扬声器）则由于市场规模太小，最多也只能支撑少数几家小公司。

但过去一年来，整个 MEMS 版图已经发生了重大变化。和半导体领域的其它行业一样，这个行业也经历了一些引人注目的整合：博通并入安华高（370 亿美元）、TDK 收购InvenSense（13 亿美元）、高通也已经签署了收购恩智浦/飞思卡尔的协议（47 亿美元）。这样正面竞争的就只剩几家大公司了，这会给该市场中量最大的部分产生可观的影响，这也是价格下降速度最快的地方（见图 1）。尽管产业化（commoditization）还会继续，但供应商预计价格下降的速度会比过去慢。

图 1：2016 年和 2015 年的 MEMS 市场，单位：百万美元；来自 Yole Développement，2017 年 5 月

同时，汽车、无人机、机器人和物联网 等市场也在带来新机会，它们全都需要更加复杂的 MEMS 设计。

多传感器集成

MEMS 一直以来都是两个不同的市场的总称。其中之一是陀螺仪、加速度计和磁力计，数十亿台智能手机和平板电脑中都有它们。这些芯片难以开发、封装和测试，但需求量大，所以还是吸引了大量公司，带来了激烈的竞争。尽管量大，但这一领域中仅有少数公司在 2015 年到 2016 年之间实现了显著增长。

规避这一趋势的最新策略是开发 传感器集成，这是 MEMS 供应商针对汽车和物联网等市场开发的。这是传感器融合（sensor fusion）的更进一步。这里的目标是以一种更加标准化的格式将传感器封装在一起，基本上就是一种即插即用平台。这可以降低芯片制造商在设计、制造和销售这些器件上的成本，同时也让系统供应商更容易定制和集成。并且它还能增加这两方面的可预测性。

“现在的趋势就是将这种能力放入传感器中，使其能够用在传感器集成 中。”意法半导体 MEMS 产品营销高级经理Jay Esfandyari 说，“这并不意味着你必须将其放入一个 系统中，但你确实有这种能力。所以你可能会希望将加速度计和陀螺仪放入 一个芯片 中，你可能还会想加入一个磁力计或压力传感器，或者你可能就想要它们全部。客户可以选择他们想要的传感器，然后将其连接到模块上。”

这听起来很简单直接，但也在变得越来越复杂。问题是如何将这些传感器集成到更大的系统中。这是很多市场都正在讨论的主题，即怎样将这些系统中的数据处理分开。随着加入的传感器越来越多，集中式地处理所有数据会带来高昂的成本，并会导致处理速度变慢。某些数据需要在本地进行处理，但具体多少还不清楚。

“你该如何衡量输入，从而确定什么更重要？这是个大问题。”Rambus 的杰出发明家 Steven Woo 说，“你将如何理解所有这些数据？现在有很多探索正在进行中，也有很多工具可用，可以在一个地方造出所有东西。”

行业都认同这个观点。“我们正在见证 MEMS 市场中的传感器融合，尤其是现在这些公司正尽力将更多价值放入系统中。”西门子旗下 Mentor 的 Deep Submicron Division 部门的电子设计系统产品营销经理 Jeff Miller 说，“与标准 MEMS 传感器相比，具有多个自由度和多路访问 GPU 的集成传感器可以提供多很多的价值。但这种传感器融合需要很多集成。比如说，如果你拆开一台亚马逊 Echo，你可以发现 7 个精心排布的麦克风，这是为了实现远场语音检测而设计的。要分离出正在说话的语音，需要相当多的传感器融合。结合 IMU （惯性测量单元）是增加价值的好方法，否则就没有让传感器实现差异化。那通常也会涉及到一个处理器。”

集成问题

随着集成越来越紧密，系统供应商也需要了解这些器件可能会以怎样的方式彼此交互。和大多数芯片一样，MEMS 对热很敏感。汽车等极端环境会影响它们的性能。但因为它们既是机械部件又是电子部件，所以它们也对振动和其它类型的噪声敏感。这需要对它们的特性有更全面的了解。

“当它们在同一个 芯片上或封装在一起时，了解特性会更加困难，而且每种类型的传感器都不一样。”Lam Research 旗下的 Coventor 公司的 MEMS 高级总监 Stephen Breit 说，“使用陀螺仪和加速度计会出现交叉耦合效应。陀螺仪有一种会与邻近的传感器发生耦合的驱动模式。”

有一些可以缓解这些问题的方法。就像其它任何噪声一样，陀螺仪中的振动也可以得到解决。它有一个可预测的频率，所以它可以被过滤掉。但这种噪声也可以被解读成发给其它邻近器件的信号，所以考虑这个问题时不能仅局限于单个 MEMS 器件。

Breit 说：“这要看具体情况。对于惯性传感器，正交耦合误差（quadrature effect）是一个大问题，即传感轴之间的耦合。这种情况发生的原因有很多。有些变量是在结构方面，所以每一代的设计都需要调整。”

这方面可以利用的历史或经验很少。部分原因是这些器件本身在演化，而潜在的交互是未知的。还有部分原因是无人机和机器人等新市场也要使用这些器件，另外汽车等已有市场也在不断演化。所有这些行业都没有关于未来如何使用这些技术的路线规划，也不知道最终会将什么集成到同一个封装或系统中。

“公司企业正在寻找一套完整的解决方案，尤其是在封装领域。”应用材料的 200mm 设备部门的战略与技术营销总经理 Mike Rosa 说，“你可以看到有些公司将ASIC 和 TSV技术 集成到MEMS芯片中，但它们想要一种完整的工艺流程，可以在一个封装上实现端到端的集成，然后它们需要帮助以便将其委托给代工厂商。其中难题是如何解决所有这些问题。”

精度变得至关重要

很多 MEMS 终端市场行业也需要更高的精度。比如，在 ADAS 系统中使用的汽车加速度计需要比智能手机中使用的加速度计更准确。尽管这会增加价值并导致价格上涨，但其开发所需的工程量和开发的复杂度也会显著提升。某些情况下，这还需要新的技能组合。

Coventor 的 Breit 说：“自动汽车的精度需求在安全气囊或翻车方面要高得多，它基本上就是测量什么时候超过了阈值。现在，惯性传感器已经在导航推测（dead reckoning）方面使用了一段时间了。企业正在竞相为这些器件实现更高的规格，不管哪家公司先实现目标，都能获得实实在在的竞争优势。”

这可需要不少的工作量。意法半导体的 Esfandyari 说：“你需要考虑噪声偏差和稳定性、温度和敏感性。你需要降低噪音、增加偏差稳定性并提高分辨率。所以之前是 1000 度/秒的陀螺仪现在要做到 4000 度/秒。而且噪声的基础也需要非常低。ASIC 方面的一些工作已经完成，你可以在那里对噪声求平均或移除这些噪声。你也必须确保 IC 也是低噪声的。”

为了提升准确度，有的器件还需要新材料。

“架构没有变，但规格越来越严格。”Applied Materials 的 Rosa 说，“指纹传感器和麦克风正在从电容材料变成压电材料。以前麦克风结构侧面的倾斜度 在±0.5 度之间。而实际加工中中心处结构侧面陡直而边缘处会超出这个范围。这会产生一个正交误差，比如可能会错误的认为电话是倾斜的。所以现在这个规格是倾斜 ±0.5 度到 ±0.3 度之间。”

指纹传感器也在改变，需要往器件中加入更多安全措施。更新的器件可以使用激光根据手指上的沟壑读取指纹。Rosa 说：“我们的客户正在为此寻找新的光学薄膜、将 III-V 族材料集成到硅晶圆上以及开发新的光学涂层。”

图 2：USound 的基于 MEMS 的扬声器

物联网即使是更加便宜的器件，也涉及到更多工程开发工作。进入门槛正在上升，开发这些器件所需的专业知识水平也在上升。

“要在 MCU 上实现更多智能，需要使用更加便宜的传感器，然后在这些传感器传回的信号上进行更多处理。”Sondrel 公司销售副总裁 John Tinson 说，“如果你减少组件数量，你就会减少单位的总数量。这是一条路。这确实有设计复杂度，因为没有什么是免费的。但 sensor hub 有一个设计方向，它们将会变得更加流行。”

这就引出了一些问题：它们是否将取代其它器件，还是将与它们共存？ARM 的系统和软件组的 IoT 产品经理 Mike Eftimakis 认为应该会是后者，尤其是要使用的传感器会越来越多，这些传感器产生的所要处理的数据也越来越多。

Eftimakis 说：“想想 IoT，一般而言，它是从现场获取数据，然后将数据传输到云。如果你的物联网有数十亿乃至数万亿设备，将所有数据都传输到云中是不可能的。所以你需要某种形式的前期处理。如果这是在同一块芯片上，那就是传感器融合。但这也可以使用网关处理器或其它一些 RTF（富文本格式）的过渡状态完成，然后再传输到云。所以对边缘处理的需求会越来越大，越来越多的数据需要在本地进行处理。”

不管哪种情况，对 MEMS 行业来说都是好消息，因为很多传感器都是基于机械组件和电子组件的集成。这些好处会从前端设计一直扩展到制造和材料领域。

联电（UMC）的特种技术部门副总裁 Wenchi Ting 说：“28/22nm RF 节点的基础扩展和 MEMS 传感器工艺技术的发展是支持自动驾驶广泛应用的两大关键，同时基于云的基础设施将处理大规模的机器对机器 （M2M）数据处理需求。”

总结

随着进入市场的互连设备越来越多，连接物理世界与数字世界的需求将需要海量的传感器。其中很多传感器都基于 MEMS 技术，而且其中一部分还将需要高度针对性的高精度器件，这部分的比例也正越来越大。对于 MEMS 市场而言，从新市场到高价值的芯片市场，很多方面都看起来很有希望。但这也需要更加艰难的工作，在这方面领先的公司将有望取得更大的市场份额。