從市場到技術(shù)，MEMS機(jī)會展現(xiàn)美好未來

從幾十年前的第一個圖像傳感器到現(xiàn)在的氣體傳感器，傳感器的能力不斷發(fā)展。情緒感知已經(jīng)出現(xiàn)了，我們還沒有看到味覺傳感器。想象空間是無限的，消費/移動/物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的下一個維度就是增加更多的感覺，這應(yīng)該并不遙遠(yuǎn)！

文︱立厷

圖︱Yole

7月底，Yole發(fā)布2021年MEMS行業(yè)狀況報告，更新了2020年銷售數(shù)量、ASP（平均售價）和市場規(guī)模，闡述了未來MEMS增長的最佳機(jī)會，并從產(chǎn)品和資金方面探討了生態(tài)系統(tǒng)及主要利益相關(guān)者，總結(jié)了MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和應(yīng)用趨勢。

市場預(yù)期看好

Yole高級技術(shù)與市場分析師Dimitrios Damianos說：“疫情流行，全球封鎖和美中貿(mào)易戰(zhàn)對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)造成了嚴(yán)重的影響。因此，適當(dāng)?shù)拈_放戰(zhàn)略將是成功的關(guān)鍵?！?

2026年，MEMS市場將達(dá)到182億美元，復(fù)合增長率約為7%，傳統(tǒng)MEMS器件會保持增長，但其增長速度較慢。增長的主要推動力是音頻領(lǐng)域的麥克風(fēng)、微型揚聲器和慣性MEMS、光學(xué)MEMS的AR/VR（增強(qiáng)與虛擬現(xiàn)實）及其他應(yīng)用。

按終端市場劃分的 MEMS市場預(yù)測

Yole傳感與執(zhí)行團(tuán)隊首席分析師Jerome Mouly稱：“去年冠狀病毒疫情爆發(fā)時，各個行業(yè)立即感受到了巨大影響，給MEMS帶來了后遺癥。但危機(jī)并沒有以同樣的方式影響到所有終端市場?！彼a(bǔ)充道：“MEMS市場嚴(yán)重依賴于占總市場62%的消費類應(yīng)用和16%的汽車產(chǎn)業(yè)。因此，伴隨智能手機(jī)和汽車出貨量的恢復(fù)性反彈，MEMS傳感器銷售在2020年下半年得到了恢復(fù)。”

按設(shè)備劃分的 MEMS市場預(yù)測

在經(jīng)歷了疲軟的2019和2020年后，Yole的分析師預(yù)測，該市場將在2021年增長11%，達(dá)到134億美元。之后以高個位數(shù)增長，2026年將增加到開頭說的市值。

對于制造汽車壓力傳感器的MEMS廠商來說，需要警惕的一點是ICE（內(nèi)燃機(jī)）車輛的減少。

市場格局和排名變化

新冠疫情、全球封鎖和美國對華貿(mào)易戰(zhàn)嚴(yán)重影響了半導(dǎo)體行業(yè)的供應(yīng)鏈。因此，適當(dāng)?shù)陌l(fā)展戰(zhàn)略已成為成功的關(guān)鍵。一些參與者從危機(jī)中獲利，而另一些則沒有，這導(dǎo)致了全球MEMS排名的重大變化。

博世、Broadcom、Qorvo、意法半導(dǎo)體（ST）、德州儀器（TI）、歌爾微電子、惠普、Knowles、TDK和英飛凌已躋身前十，總收入至少為65億美元，占整個市場的一半以上。然而，增加收入的公司不一定是擁有最大市場份額的公司。

2020年頭部 MEMS制造商市值

去年，相關(guān)公司預(yù)防冠狀病毒疫情的技術(shù)有了大幅度成長，如熱成像和傳感或壓力傳感器。例如銷售微輻射熱測定儀的Guide IR（高德紅外）、FLIR Systems和Lynrde，賣熱電堆的Melexis也從中獲益。與此同時，因?qū)w溫升高相關(guān)量測應(yīng)用需求增加，Amphenol的壓力MEMS因呼吸機(jī)和持續(xù)正壓（CPAP）機(jī)器等呼吸系統(tǒng)需求而增長。

Broadcom和Qorvo去年業(yè)務(wù)猛增，為5G的部署提供了非常穩(wěn)定的RF MEMS濾波器，比預(yù)想的情況還要好。SiTime在繼續(xù)大力推動基于MEMS的計時產(chǎn)品取代傳統(tǒng)的石英計時解決方案。

AAC和歌爾微電子從富有成效的MEMS麥克風(fēng)需求環(huán)境中獲利。這是15年來首次MEMS麥克風(fēng)的領(lǐng)導(dǎo)者由Knowles轉(zhuǎn)變?yōu)楦锠栁㈦娮印?

博世、ST、TDK在消費和汽車領(lǐng)域都有業(yè)務(wù)的企業(yè)由于消費MEMS業(yè)務(wù)2020年下半期的需求恢復(fù)，抵消了汽車潛在的負(fù)面影響。

目前，RF MEMS公司的MEMS業(yè)務(wù)增長最多，其次是MEMS熱傳感器和麥克風(fēng)。

前30名玩家成長排名

2020年頭部 MEMS制造商同比變動

在上游供應(yīng)鏈，一些廠商還有ASIC代工業(yè)務(wù)，不過，這里的代工廠排名僅考慮MEMS代工業(yè)務(wù)。

MEMS代工廠排名

MEMS領(lǐng)域主要公司

MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

由于麥克風(fēng)、微型揚聲器和慣性MEMS、用于光學(xué)MEMS的AR/VR以及其他新興應(yīng)用在音頻領(lǐng)域的新機(jī)遇，MEMS市場將會增長。

去年，當(dāng)新冠疫情爆發(fā)時，對各個行業(yè)的影響立即顯現(xiàn)出來，這反過來又對MEMS業(yè)務(wù)產(chǎn)生了影響。但危機(jī)并沒有以同樣的方式影響所有終端市場。MEMS市場在很大程度上依賴于消費類應(yīng)用（占總市場的62%）和汽車行業(yè)（占總市場的16%）。因此，Yole曾預(yù)計去年MEMS市場將受到新冠疫情對智能手機(jī)和汽車終端系統(tǒng)發(fā)貨的負(fù)面影響。但事實并非如此。MEMS傳感器銷售在2020年下半年恢復(fù)。在關(guān)鍵終端市場出現(xiàn)穩(wěn)定和復(fù)蘇跡象后，制造商恢復(fù)補(bǔ)充庫存。事實上，消費類MEMS的強(qiáng)勁需求已經(jīng)完全抵消了汽車行業(yè)的放緩。因此，2020年MEMS市場價值接近121億美元，較上年增長近2%。

創(chuàng)新帶來商業(yè)機(jī)會

Yole深入調(diào)查了創(chuàng)新技術(shù)和相關(guān)市場，指出了最新的創(chuàng)新及商業(yè)機(jī)會。正如Yole團(tuán)隊分析的，預(yù)期增長可以通過下述幾個新興技術(shù)和機(jī)會得以提升：

麥克風(fēng)和穿戴設(shè)備中的慣性MEMS，特別是TWS（真無線立體聲）耳機(jī)，是通過使用麥克風(fēng)和VAD（語音端點檢測）實現(xiàn)的。為了更好地捕捉聲音，需要通過加速度計對語音檢測和進(jìn)行骨傳導(dǎo)降噪。2020年，蘋果為AirPods Pro增加3D空間音頻效果，安卓設(shè)備也可能跟進(jìn)，這樣IMU（慣性測量單元）的需求可能會激增。

集成在可穿戴設(shè)備或汽車內(nèi)部空氣監(jiān)控的氣體傳感器和環(huán)境組合，可以幫助使用者監(jiān)控周圍的室內(nèi)及室外空氣質(zhì)量。因為使用者非常關(guān)心其呼吸的空氣，特別是因為冠狀病毒疫情。

5年后，LiDAR（激光雷達(dá)）和AR/VR的光學(xué)MEMS的收入仍然不會太高。不過，隨著ADAS/AV（高級駕駛輔助系統(tǒng)/自動駕駛汽車）和AR/VR市場的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)會就在眼前。

PMUT（壓電式MEMS超聲波換能器）用于超聲波指紋識別，也被用作智能手機(jī)和汽車物理按鈕和觸覺替代品。電容式MUT（CMUT）在PoC（及時現(xiàn)場護(hù)理）的低成本超聲成像的消費者導(dǎo)向方面也非常有前景。

MEMS微型揚聲器首先將在TWS入耳式設(shè)計中顯示其優(yōu)勢，以替代舊的電動或平衡電樞揚聲器。

不同結(jié)構(gòu)的 MEMS微型揚聲器

基于MEMS的傳感器移位OIS（光學(xué)圖像穩(wěn)定）已在蘋果12 Pro的相機(jī)模塊中替代第一次使用的柔性PCB傳感器。它還可以進(jìn)入其他手機(jī)或消費設(shè)備中的其他攝像頭模塊。

MEMS傳感器制造商正試圖擺脫商品化循環(huán)并提升價值鏈。很明顯，一條通往將MEMS傳感器與AI（人工智能）/ML（機(jī)器學(xué)習(xí)）/DL（深度學(xué)習(xí)）相結(jié)合的應(yīng)用的路徑正在云端形成。

2020-2026年 MEMS行業(yè)收入與CAGR

挑戰(zhàn)與應(yīng)對

MEMS市場挑戰(zhàn)正在演變，從傳感器到系統(tǒng)，MEMS玩家都希望自己能夠爬上價值鏈的關(guān)鍵位置。在過去，重點是產(chǎn)品收縮、價格下降和數(shù)量增加。今天，隨著用例變得越來越重要，需求也在變化，而不同的傳感器必須與軟件融合。即使需要進(jìn)行重要的數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)級的功耗也必須降低，特別是對于音頻/語音人機(jī)界面（HMI）等常開型應(yīng)用。

通常，來自傳感器的所有數(shù)據(jù)都需要處理?，F(xiàn)在的趨勢是在更靠近傳感器的地方處理數(shù)據(jù)。這有助于實現(xiàn)低延遲、更安全和更隱私，因為不涉及云計算。但是，組件值與數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，信號鏈上的位置越高，價值就越高。我們看到供應(yīng)鏈中的能力組合正在不斷發(fā)展，從前端制造到封裝、模塊和系統(tǒng)集成。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級方法和集成不同組件，如MEMS、專用集成電路（ASIC）、天線和電源，這些組件在同一個外殼中使用不同的材料和工藝，因此需要更復(fù)雜的系統(tǒng)級封裝（SiP）技術(shù)，目標(biāo)是提高系統(tǒng)級性能并降低總體功耗。

我們看到，MEMS制造商通過內(nèi)部開發(fā)或并購，以順應(yīng)向系統(tǒng)級方法發(fā)展的各種趨勢。例如：

Knowles為谷歌Pixel手機(jī)提供獨立數(shù)字信號處理器（DSP）

ST在嵌入式MCU中有集成了一個有人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）庫的IMU；收購了Cartesiam的edge AI，以進(jìn)一步增強(qiáng)其包括AI/ML的現(xiàn)有慣性產(chǎn)品

博世發(fā)布了一個MCU，上面有edge AI加速計和用于嗅覺測量和氣味檢測AI氣體傳感器

TDK發(fā)布了微型化超低功耗MEMS氣體傳感器平臺，用于家庭、汽車、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療保健和其他應(yīng)用的二氧化碳檢測

mCube收購了Kinduct的云分析部門，為客戶提供可操作的解決方案

我們看到第一個跡象是，設(shè)備可以使用“phy-gital（實體數(shù)字化）”MetaWorld中最著名的五種感知功能，模擬和感知其所在的環(huán)境。MEMS的最后一步將是從簡單的確定性數(shù)據(jù)采集傳感器發(fā)展到更具同情心的數(shù)據(jù)解釋機(jī)器。這類設(shè)備可以識別和預(yù)測用戶的情緒和感受，對需求和意圖做出反應(yīng)，就像人有同情心一樣。

MEMS應(yīng)用無處不在

MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）是一種半導(dǎo)體器件，包括微米/毫米范圍內(nèi)的運動部件，使用光刻工藝進(jìn)行制造。MEMS傳感器將物理值（如速度、溫度等）轉(zhuǎn)換為電信號。

MEMS有著悠久的歷史，并在不斷發(fā)展。隨著MEMS傳感器變得更加智能化，發(fā)展的加速將迎來激動人心的時刻。

MEMS傳感器的進(jìn)化

MEMS傳感器的供應(yīng)鏈定位包括前端制造、后端制造、二級封裝和系統(tǒng)。MEMS傳感器芯片由硅制成（前端制造），通常與ASIC芯片組裝，并封裝在一級封裝中（后端制造）。二級封裝增加了更多的電子元件、堅固的外殼和連接器。通常市場統(tǒng)計只考慮一級封裝的價值。

MEMS定義

MEMS器件的應(yīng)用涵蓋的領(lǐng)域非常廣泛，幾乎各行各業(yè)都有MEMS的身影。

MEMS器件應(yīng)用之一

MEMS器件應(yīng)用之二

MEMS器件應(yīng)用之三

技術(shù)趨勢日漸清晰

MEMS傳感器和驅(qū)動器一直在努力縮小尺寸，降低成本和提高性能。目前的趨勢是采用更加系統(tǒng)化的方法，其中異構(gòu)集成是關(guān)鍵，旨在提升系統(tǒng)性能的同時提高精準(zhǔn)度，降低成本。在一些主要應(yīng)用的推動下，先前存在的正在趨勢加速。

已有應(yīng)用趨勢不斷加速

光學(xué)MEMS獨立反射鏡是用于激光雷達(dá)和AR/VR應(yīng)用的Bubble MEMS，可能是下一代用于獨立反射鏡的封裝。2021年3月，ST和OQmented聯(lián)合研制出先進(jìn)的MEMS微鏡激光束，在此基礎(chǔ)上OQmented將開始進(jìn)一步轉(zhuǎn)化和量產(chǎn)其Bubble MEMS 3D玻璃MEMS微鏡真空密封專利技術(shù)。使用這些獨特的氣泡狀玻璃密封反射鏡的方法可以消除環(huán)境中的致污物，實現(xiàn)更清晰的成像。

光學(xué) MEMS獨立反射鏡

用于OIS（光學(xué)穩(wěn)像）的MEMS技術(shù)比VCM（音圈馬達(dá)）OIS技術(shù)耗電更少，成像更精確。MEMS技術(shù)已成為光學(xué)圖像穩(wěn)定的新選擇，一個主要玩家是美國的MEMS Drive，它是一家創(chuàng)新型無晶圓廠半導(dǎo)體公司，主要致力于研發(fā)，制造和營銷以微機(jī)電技術(shù)為基礎(chǔ)的驅(qū)動馬達(dá)，目前產(chǎn)品主要應(yīng)用在便攜式電子移動設(shè)備攝像頭。2018年，全球唯一芯片級光學(xué)防抖技術(shù)MEMS OIS首次在媲美專業(yè)單反的手機(jī)上實現(xiàn)五軸光學(xué)防抖技術(shù)，移動拍照媲美專業(yè)級單反相機(jī)的時代真正來臨。

另一家個加拿大公司Sheba Microsystems，2019年作為世界第一款使用圖像傳感器運動的AFMEMS相機(jī)，將微型相機(jī)在超薄、高速、高精度和低能耗等性能方面提升到了一個新高度。

光學(xué)穩(wěn)像 MEMS

制造工藝方面，壓電MEMS沉積技術(shù)正迎來“黃金時代”，壓電MEMS系列產(chǎn)品包括傳感器和執(zhí)行器，如噴墨打印頭、BAW、麥克風(fēng)、微型揚聲器、光學(xué)MEMS、MEMS自動對焦等。行業(yè)壓電MEMS制造的經(jīng)驗正在增加，在PVD（物理氣相沉積）行業(yè)的一些變化中，濺射技術(shù)已成為首選的沉積技術(shù)。不少廠商都有自主研發(fā)的溶膠-凝膠法和濺射技術(shù)。

MEMS沉積技術(shù)趨勢

另一個趨勢是異構(gòu)集成，異構(gòu)集成是將信號鏈上移的關(guān)鍵。其的在于：提高傳感器性能、信號完整性和系統(tǒng)級性能，同時降低成本；在同一先進(jìn)封裝下集成使用不同材料和工藝的不同組件（MEMS、ASIC、天線、電源等），實現(xiàn)SiP類型封裝，就像其他領(lǐng)域做的那樣。

異構(gòu)集成上移信號鏈

MEMS的想象空間

從幾十年前的第一個圖像傳感器到現(xiàn)在的氣體傳感器，傳感器的能力不斷發(fā)展。情緒感知已經(jīng)出現(xiàn)了，我們還沒有看到味覺傳感器。

MEMS將無所不能

消費/移動/物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的下一個維度就是增加更多的感覺，這應(yīng)該并不遙遠(yuǎn)！