 MEMS传感器已经在我们每天使用的各类设备上数以百万计地使用着。在智能手机上，MEMS传感器提供在声音性能、场景切换、手势识别、方向定位、以及温度/压力/湿度传感器等广泛的应用;在汽车上，MEMS传感器借助气囊碰撞传感器、胎压监测系统(TPMS)和车辆稳定性控制增强车辆的性能。;医疗领域，通过MEMS传感器研成功制出微型胰岛素注射泵，并使心脏搭桥移植和人工细胞组织成为现实中可实际使用的治疗方式;在可穿戴应用中，MEMS传感器可实现运动追踪、心跳速率测量等。在城市建设领域，MEMS传感器可以协助监测基础设施建设的稳定性，营造充满活力的反馈系统……MEMS传感器已经被广泛地集成到汽车电子、智能家居、智能电网等物联网应用领域。 近日全球MEMS供应链及物联网峰会暨MEMS Industry Group(MIG)全球MEMS产业联盟峰会在上海召开。这是全球最大MEMS行业组织MIG第一次来到中国上海，携手中国科学院上海微系统与信息技术研究所(SIMIT)和上海微技术工业研究院(SITRI)举办以“MEMS供应链及物联网”为主题的MIG上海会议，会议汇集全球MEMS业界精英，聚焦全球MEMS供应链及物联网行业，展现最新国际MEMS技术，探讨中国物联网产业的发展趋势。 MEMS传感器市场发展态势 MIG首席战略官Stephen Whalley在开幕致辞中指出，作为智能感知时代的重要硬件基础，MEMS传感器产品需求近年增势迅猛，“消费类应用成为MEMS传感器市场的主要推动力。2014年MEMS传感器市场规模达到130亿美元，最大的消费类应用规模达到59亿美元，到2019年预计将超过100亿美元，年复合增长率约11.2%。而成长最快的是医疗市场，将从今年的24.5亿美元增长至2019年的72亿美元左右，年复合增长率近30%!”
MEMS和传感器的爆发为智能物联网铺平了道路。Stephen Whalley如是说。“智能制造、智能电网、智能城市、智能生活……无一不需MEMS传感器、传感器融合、无线互连、更好的节能/能量获取等技术。我们已经来到真实世界与智能物联世界的边界，而强大的MEMS/传感器的供应链是促进这一切的关键。” IHS MEMS及传感器业务总监Jérémie Bouchaud指出，在今后5到10年内，智能手机以及平板电脑仍然是MEMS主要应用领域。今后MEMS的应用领域将逐渐扩大，包括正在兴起的可穿戴设备、可拥有百余个MEMS传感器的汽车电子，和人们生活息息相关的智能家居和智能城市都是需要大力挖掘的市场。“我们认为会有可穿戴设备的应用，但是它的比例还比较小，目前还不到10%，在这段时间内还是不会超过智能手机应用。在汽车应用方面会继续看到MEMS传感器的应用，因为高端的汽车中发现会有一百多个MEMS传感器，所以汽车是今后可以发展应用的领域。还有关于物联网，我认为要等待5到10年以后才会有很好的发展，目前完全取决于量的问题。5到10年以后，如果智能家居、智能城市有了很好的发展，物联网在MEMS传感器应用方面会有很好的发展，但是在这之前不会看到在物联网方面MEMS传感器的发展。” 他表示。 在手持终端应用领域，Jérémie指出将会出现一些新兴传感器，包括指纹传感器，环境(湿度、气体、 紫外线)传感器，健康(脉搏、血氧)传感器，热成像传感器等。此外MEMS麦克风、运动传感器包括加速计、磁力计、陀螺仪、压力传感器以及不同类别的运动传感器组合等市场均有较好的成长表现。
一些主要MEMS厂商动态 在整个半导体生态体系中，MEMS正扮演着越来越重要的角色，其应用范围包含了消费电子、汽车工业、工业控制乃至生物医学、航空航天等领域，且仍在迅速扩大。MEMS在即将到来的物联网时代中将起到的核心作用，为新科技产品提供更智能、更敏锐的感观能力。国内外各大MEMS企业都将扩大对MEMS传感器研发的投入。例如Honeywell的两条MEMS生产线正火热运行中;中芯国际正逐渐成为MEMS传感器领域的制造厂商，把业务从CMOS扩展到MEMS;美新半导体以自家设计的三轴加速度计为例，介绍了目前在传感器设计中遇到的难点和重大突破。 Honeywell电子传感业务总监Michael Young点出了Honeywell目前关注的四个主要领域：“我们主要是关注一些工业方面的引用，包括： 一，随着人口老龄化会有更多医疗方面的应用; 二，随着劳动力成本不断上升我们会关注自动化方面的应用，包括和OEM方面的一些合作; 三，环境监控监测，水的质量，空气质量的一些监控; 四，随着城市化进程不断加深，很多城市居民小区需要对电进行监控，能源管理，还有安全方面我们也会关注。” 中芯国际技术研究发展资深总监黄河指出，技术的发展持续推动着MEMS传感器成本下降——这已经是不可逆的趋势。“MEMS芯片的成本降低速度远远超过了CMOS芯片，而竞争进一步加强了对更紧凑的系统封装的需求。”由于MEMS工艺的复杂度远超过CMOS工艺，在现有CMOS晶圆厂的特定产线上预先引入特别的MEMS器件工艺，黄河认为这一途径具有巨大的潜力，而中芯国际也正在通过此方法将代工业务从CMOS扩展到MEMS领域。例如中芯与Silicon Labs合作开发的CMEMS技术，把MEMS架构直接构建于标准CMOS晶圆上，从而获完全集成的高可靠“CMOS+MEMS”单晶片解决方案，以此工艺打造的Si50x系列振荡器，“这是业界首个0.13微米单片集成的CMOS-MEMS量产工艺。” 黄河强调。此后中芯又将TSV技术引入到CMOS后端制程，发布了另一项业界首个基于0.18微米 e-TSV平台的3D MEMS SiP商用工艺。“我们应该用全新的视角，以系统的方法来设计、制造、组装和测试MEMS芯片。技术进步和改进在加速，我们将同时面临前所未有的挑战和与机遇。” 1999年赵阳博士凭借自主发明的热对流加速度传感器技术在美国创建了美新公司(MEMSIC)， 同年11月在中国无锡成立公司，并开始研发生产MEMS传感器。MEMSIC(MEMS+IC)开发了独一无二的MEMS传感器组件和系统集成技术，专注于制造多种小型化和成本更低的产品，为消费电子、工业自动化以及航空等领域提供市场需要的多样产品。现在，美新已在传感器部件及系统集成方面积累了深厚的技术和经验。美新半导体总裁赵阳介绍了美新开发的世界首款3D WLP封装单芯片热加速度计。 传统的加速度计是基于电容或压电技术，用于测量微机械质量结构运动。这种技术在许多方面具有一定的局限性，如表面粘附(称为黏附)、滞后、机械振荡、电磁干扰、昂贵的制造过程，也面临一些与微机械运动结构相关问题的挑战。为了解决这些问题，美新开发出一种独特的技术，该技术解决了与传统基于MEMS的加速度计相关的问题。独有专利的热对流技术，是全球第一家使用标准CMOS工艺的单芯片集成混合信号处理电路的热对流MEMS惯性传感器。独特的单芯片硅片设计方法从根本上降低了成本和增强了芯片性能、功能和质量，“美新的这款热加速度计芯片尺寸仅1.2mmx1.7mm，检测范围包括2g、4g、8g，具有12位精度，零偏移迟滞，售价仅0.19美元起。”他强调。 “手机仍然是我们会关注的领域。在今后五年我们会看到中国手机出货量将占全球一半的数量，数量上已经超过三星以及苹果。中国手机消费也仍然将是全球第一，今后还将继续增长，这些消费者他们不会消失。”赵阳补充说，“海外市场我们主要关注工业应用，不会关注海外消费者应用。” 意法半导体执行副总裁兼模拟器件、MEMS及传感器产品事业部总经理Benedetto Vigna强调，在过去十年，运动传感器技术彻底改变了人类与电子设备的互动方式。通过研发和推广运动传感器到各种智能型消费性电子应用，意法半导体在这一技术革命中扮演了相当重要的角色。据他介绍，目前意法半导体已销售近50亿颗MEMS传感器及35亿颗MEMS执行器。完整的研发设计和制造产业链，让意法半导体成为厂商首选的一站式MEMS供应商，其丰富的产品组合涵盖微加工加速度计、陀螺仪、压力传感器、磁强传感器和麦克风，拥有整合多个传感器模块、板载信号处理器、控制功能、传感器融合算法和无线接口的能力。作为MEMS市场的重量级制造商，意法半导体的MEMS技术研发同样处于业界最前沿，拥有近1000项与MEMS相关的专利。意法半导体引领传感器技术向智能化和独立化发展，并将会在消费电子、医疗保健、环境科学等诸多领域开创新局面。 近几年MEMS市场发展迅猛，逐渐出现了多元化发展的局面。例如单位出货量增长，但平均售价也迅速下跌;传统制造厂商与新兴无晶圆MEMS厂商的竞争;新兴MEMS制造工艺和技术;多起行业并购等等。对此意法半导体也提出了“3+1”的多元化策略即多元化的产品、客户、应用以及市场。“通过不断的技术创新以及多元化发展，辅以稳健可靠的批量生产供应链和强大的合作关系，MEMS器件及传感器厂商将推动物联网市场的增长。在亚太等地区市场上，地区经济特点必须加以考虑，这样才能研发适合的产品，提供适合的支持模式。” Benedetto Vigna 指出，“意法半导体将继续引领MEMS工业发展，因为我们拥有先进的技术产品组合，覆盖物联网应用所需的全部关键要素，例如MEMS传感器和执行器，以及嵌入式处理器、电源器件和接口芯片等等。” 他所理解的物联网发展的关键要素，一是技术创新和产品多元化。这就要求按照新的应用需求改进现有技术并开发新技术，拥有广泛的产品组合。二是正确的供应链和销售模式。这需要通过一站式采购方案提供无缝服务，通过经销网络扩大市场覆盖率。三是合作伙伴与生态系统，需要开发新的设计能力，提高研发实力，缩短产品上市时间。 此外，来自德国弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所的所长Thomas Gessner博士探讨了物联网发展的挑战：传感器和驱动。他重点阐述了将MEMS传感器集成到智能系统中是当今物联网应用的基础。而来自加州大学戴维斯分校的教授、伯克利传感器和执行器中心联合主任David Horsley博士分享了在压电式MEMS传感器的材料、设备及应用中的前沿研究。David Horsley博士的团队主要有两个研究方向：利用压电式MEMS传感器的特别，实现超声波手势识别和超声波生物识别。 关于可穿戴设备，他们说…… 为什么可穿戴设备市场会异军突起?Benedetto Vigna认为，首先可穿戴设备解决了消费者现有的一些需求，它是基于智能手机的个人基础设施，基于现有的连网标准。“野心勃勃的企业家们发现，物联网入市门槛鼻复杂的电子产品要低。而微型装置大规模量产让终端产品的成本和尺寸更趋于合理。于是可穿戴设备作为物联网的第一波浪潮开始向我们涌来。” Jérémie认为，可穿戴设备目前还在它的婴儿阶段。“我们看到的现阶段的可穿戴设备主要表现为各种手镯或者是手表，谷歌眼镜等等，主要是娱乐型的，仍然停留在可穿戴设备的早期阶段。我们认为必须要进到下一步，比如除了娱乐，能够检查生命体征、心跳、脉搏以及血压等功能。”他强调，“尤其重要的是：你早晨起床去上班，其实你不需要有这样穿戴性设备给你日常生活带来的干扰，我们需要有更多透明，更加简洁方便的穿戴性设备，你不需要把它启动，或者和云联系在一起进行同步，晚上还要给它充电。如果需要做那么多繁复的工作，我认为这样的穿戴性设备在今后是不会有市场的。”他指出现在已经有了一些尝试，比如把它和衣服整合在一起，只要穿上这个衣服，穿戴性设备就在上面了，但目前成本还是比较高。必须要把成本降低下来，否则今后是不会有广泛的应用。 赵阳也表示，“可穿戴设备的真正意义在于，我们会把internet穿在我们身上，通过这种方式达到人机结合，就像中国人讲的人和天地之间的融合，是通过我们的传感器连接耳朵和鼻子与世界。现在通过人机连接和internet连接，等于internet穿在我们身上了，而不是只做一个设备。” 楼氏电子商务拓展总监Angelo Assimakopoulos表示，穿戴市场估计在2018年时将达到1.2亿部。“但是我们真正要看可穿戴设备到底给我们带来怎样的价值，如果不能够给我们带来价值，仅仅是时尚潮流，就只是昙花一现，不久就会消失。现在可以看到一些智能手表，如果能够通过它发短信或者看天气预报，这是很好的应用。但是现在可穿戴设备没有特别的类别划分出来，也没有相应的指征说明今后到底机遇在哪里。目前我们发现戴手表的人是25岁或者30岁以上的中年人戴手表，小于25岁的人群没有戴手表的习惯，所以还无法预测今后方向是怎么样的。我们今后潜在的客户现在还没有工作，所以我们无法预测他们今后是否会产生购买欲望或者购买冲动，所以还是未知数。”他强调，“对传感器制造商来说会有机遇。对健康医疗设备业界公司和相关用户界面公司来说会有一些机遇，所以可穿戴设备今后还是有机会的。” 机遇与竞争齐飞，全球厂商云集中国MEMS市场 中国作为全球最大的电子产品生产基地，消耗了全球四分之一的MEMS器件，吸引了全球的目光。同时中国MEMS传感器产业的生态环境正逐渐完善，目前正在快速的发展壮大中。 中国的手机产能世界第一，同时也是物联网的明确领导者，中国的能手机、汽车电子和物联网的应用正在广泛的普及中。中科院上海微系统所所长王曦院士在讲话中提到，当创新型企业不断涌现，MEMS传感器研发领域的生态系统日益完善，主要的MEMS产业研发中心集中在上海和江苏，全国的MEMS企业众多，积极的竞争愈发火热。今后MEMS将在消费电子、汽车工业、工业控制乃至生物医学、航空航天等领域扮演越来越重要的角色。
“苹果和三星在智能手机中的创新应用，引领了MEMS技术的潮流。现在中国本土的手机OEM厂商如小米、华为、OPPO、VIVO、魅族等等，也越来越多地采用更多的MEMS传感器芯片。” 王曦表示，“中国的MEMS产业生态系统也正逐步完善，从研发、开发、设计、代工、封测到应用，产业链已基本形成，上海、苏州、无锡都形成了研发中心。” 中国作为MEMS的新战场，已经在智能手机和平板电脑两个MEMS的主要应用领域有很强的市场能力，Jérémie分别从需求侧和供应侧分析了中国MEMS市场(主要是智能手机应用)的现状。 从需求侧，中国手机OEM的激增极大地刺激了MEMS传感器市场。以下几个图表清楚地表现出这一市场的火爆。
另外，随着新兴国家市场也逐渐转向品牌产品，中国的白牌(山寨)手机市场不断下滑，顶级OEM厂商如华为、联想、酷派等以及大多数地方小品牌将他们的低端智能手机外包给华勤、闻泰、龙旗等IDH方案商。这部分手机市场也占了一定的份额并呈增长趋势。“在大部分低端手机市场，如压力计、陀螺仪等中高端功能渗透率较低。而一些‘必备’的传感器如分立加速度计，以及便宜又易于设计诸如‘ALS+Prox+IR emitter’的组合传感器具有较大市场需求。”值得一提的是，他指出中国的所有智能手机OEM都在等待能够检测PM10, PM2.5的颗粒物传感器，然而目前还没有能够适合集成在手机中的可行的技术。
从供应侧看。中国智能手机OEM整体迅速脱颖而出，成为第三大MEMS采购力，仅次于苹果和三星。“因此那些不重视中国市场的传感器供应商将会遇到麻烦。例如光传感器供应商Capella。”Jérémie指出，“该公司将其资源全部集中在传统客户三星和HTC，错过了中国OEM爆发的时机，在2010-2012年以50%~100%速度高速成长期过后，2013年就下跌20%。” 因此总结来看，中国已经成为MEMS的新战场，各老牌MEMS及传感器供应商包括光传感器、运动传感器等供应商均已转战该市场，而新玩家、新技术包括MEMS自动对焦、投影触控显示的微型投影仪、手机用气体传感器等也将可借此作为踏脚石进入MEMS市场。与此同时不利的因素包括，中国市场加速了产品价格的下跌、谣言散播等不正当的竞争。 未来中国MEMS及传感器需求可能实现自给自足吗?Jérémie认为，就目前来看，中国大部分MEMS及传感器仍依赖进口，在2013年全球top 50 MEMS供应商中中国厂商仅有三家，AAC、Goertek和美新，而中国市场也不是这些中国顶级MEMS供应商的主要市场。“目前中国本土兴起了许多芯片设计初创企业，但是出货量仍然很低，例如Senodia, QST, Miramems (动作传感器), Memsensing (麦克风.), Goodix (指纹识别)等。代工业也正在兴起，比如中芯国际和华虹宏力，在2013年中国MEMS纯代工业务市场份额仅为2%。”他总结说，“然而如果从封装开始做起则较容易取得成功，例如MEMS麦克风供应商AAC, Goertek, Gettop等通过收购英飞凌的MEMS和ASIC芯片然后自己封装。第二阶段则是开发自己的MEMS芯片，例如AAC正在与Memstech进行MEMS技术的开发，Goertek也已经有自己的MEMS芯片技术。接下来他们就可以将这些麦克风领域的经验扩展到其他MEMS及传感器领域，并拓展国内市场。” 在闭幕主题演讲中，上海矽睿科技有限公司首席执行官谢志峰分享了矽睿科技的创业故事，以及矽睿科技“从中国制造到中国创造”的愿景。他以两个生动形象的例子来说明了矽睿科技在创业过程中遇到的主要挑战和获得的重要成功，并探讨了中国MEMS传感器产品的设计制造流程，分享他理解中的物联网对中国半导体行业所产生的影响。 |
