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關(guān)于MEMS的性能分析和介紹

lC49_半導(dǎo)體 ? 來(lái)源:djl ? 作者:Ed Sperling ? 2019-09-04 16:37 ? 次閱讀
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受新的終端市場(chǎng)需求和需要更先進(jìn)的工程開(kāi)發(fā)、工藝和新材料的不同封裝選擇的推動(dòng),MEMS 行業(yè)似乎開(kāi)始越來(lái)越有希望了。因?yàn)樗羞@些因素都會(huì)帶來(lái)更高的售價(jià),所以這一領(lǐng)域已經(jīng)拖延很久了。

多年以來(lái),微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)市場(chǎng)一直都有太多公司在爭(zhēng)奪太少的機(jī)會(huì)。當(dāng)成本沒(méi)法跟上售價(jià)的下降速度時(shí),有些器件就從市場(chǎng)上消失了。而該領(lǐng)域中更專(zhuān)業(yè)化和利潤(rùn)更高的部分(比如基于 MEMS 的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器)則由于市場(chǎng)規(guī)模太小,最多也只能支撐少數(shù)幾家小公司。

但過(guò)去一年來(lái),整個(gè) MEMS 版圖已經(jīng)發(fā)生了重大變化。和半導(dǎo)體領(lǐng)域的其它行業(yè)一樣,這個(gè)行業(yè)也經(jīng)歷了一些引人注目的整合:博通并入安華高(370 億美元)、TDK 收購(gòu)InvenSense(13 億美元)、高通也已經(jīng)簽署了收購(gòu)恩智浦/飛思卡爾的協(xié)議(47 億美元)。這樣正面競(jìng)爭(zhēng)的就只剩幾家大公司了,這會(huì)給該市場(chǎng)中量最大的部分產(chǎn)生可觀的影響,這也是價(jià)格下降速度最快的地方(見(jiàn)圖 1)。盡管產(chǎn)業(yè)化(commoditization)還會(huì)繼續(xù),但供應(yīng)商預(yù)計(jì)價(jià)格下降的速度會(huì)比過(guò)去慢。

圖 1:2016 年和 2015 年的 MEMS 市場(chǎng),單位:百萬(wàn)美元;來(lái)自 Yole Développement,2017 年 5 月

同時(shí),汽車(chē)、無(wú)人機(jī)機(jī)器人物聯(lián)網(wǎng) 等市場(chǎng)也在帶來(lái)新機(jī)會(huì),它們?nèi)夹枰訌?fù)雜的 MEMS 設(shè)計(jì)。

傳感器集成

MEMS 一直以來(lái)都是兩個(gè)不同的市場(chǎng)的總稱(chēng)。其中之一是陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì),數(shù)十億臺(tái)智能手機(jī)和平板電腦中都有它們。這些芯片難以開(kāi)發(fā)、封裝和測(cè)試,但需求量大,所以還是吸引了大量公司,帶來(lái)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。盡管量大,但這一領(lǐng)域中僅有少數(shù)公司在 2015 年到 2016 年之間實(shí)現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)。

規(guī)避這一趨勢(shì)的最新策略是開(kāi)發(fā) 傳感器集成,這是 MEMS 供應(yīng)商針對(duì)汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)等市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的。這是傳感器融合(sensor fusion)的更進(jìn)一步。這里的目標(biāo)是以一種更加標(biāo)準(zhǔn)化的格式將傳感器封裝在一起,基本上就是一種即插即用平臺(tái)。這可以降低芯片制造商在設(shè)計(jì)、制造和銷(xiāo)售這些器件上的成本,同時(shí)也讓系統(tǒng)供應(yīng)商更容易定制和集成。并且它還能增加這兩方面的可預(yù)測(cè)性。

“現(xiàn)在的趨勢(shì)就是將這種能力放入傳感器中,使其能夠用在傳感器集成 中?!?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/意法半導(dǎo)體/" target="_blank">意法半導(dǎo)體 MEMS 產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)經(jīng)理Jay Esfandyari 說(shuō),“這并不意味著你必須將其放入一個(gè) 系統(tǒng)中,但你確實(shí)有這種能力。所以你可能會(huì)希望將加速度計(jì)和陀螺儀放入 一個(gè)芯片 中,你可能還會(huì)想加入一個(gè)磁力計(jì)或壓力傳感器,或者你可能就想要它們?nèi)俊?蛻?hù)可以選擇他們想要的傳感器,然后將其連接到模塊上?!?/p>

這聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單直接,但也在變得越來(lái)越復(fù)雜。問(wèn)題是如何將這些傳感器集成到更大的系統(tǒng)中。這是很多市場(chǎng)都正在討論的主題,即怎樣將這些系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理分開(kāi)。隨著加入的傳感器越來(lái)越多,集中式地處理所有數(shù)據(jù)會(huì)帶來(lái)高昂的成本,并會(huì)導(dǎo)致處理速度變慢。某些數(shù)據(jù)需要在本地進(jìn)行處理,但具體多少還不清楚。

“你該如何衡量輸入,從而確定什么更重要?這是個(gè)大問(wèn)題?!?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/ram/" target="_blank">Rambus 的杰出發(fā)明家 Steven Woo 說(shuō),“你將如何理解所有這些數(shù)據(jù)?現(xiàn)在有很多探索正在進(jìn)行中,也有很多工具可用,可以在一個(gè)地方造出所有東西?!?/p>

行業(yè)都認(rèn)同這個(gè)觀點(diǎn)?!拔覀冋谝?jiàn)證 MEMS 市場(chǎng)中的傳感器融合,尤其是現(xiàn)在這些公司正盡力將更多價(jià)值放入系統(tǒng)中?!?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/西門(mén)子/" target="_blank">西門(mén)子旗下 Mentor 的 Deep Submicron Division 部門(mén)的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Jeff Miller 說(shuō),“與標(biāo)準(zhǔn) MEMS 傳感器相比,具有多個(gè)自由度和多路訪問(wèn) GPU 的集成傳感器可以提供多很多的價(jià)值。但這種傳感器融合需要很多集成。比如說(shuō),如果你拆開(kāi)一臺(tái)亞馬遜 Echo,你可以發(fā)現(xiàn) 7 個(gè)精心排布的麥克風(fēng),這是為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音檢測(cè)而設(shè)計(jì)的。要分離出正在說(shuō)話(huà)的語(yǔ)音,需要相當(dāng)多的傳感器融合。結(jié)合 IMU (慣性測(cè)量單元)是增加價(jià)值的好方法,否則就沒(méi)有讓傳感器實(shí)現(xiàn)差異化。那通常也會(huì)涉及到一個(gè)處理器?!?/p>

集成問(wèn)題

隨著集成越來(lái)越緊密,系統(tǒng)供應(yīng)商也需要了解這些器件可能會(huì)以怎樣的方式彼此交互。和大多數(shù)芯片一樣,MEMS 對(duì)熱很敏感。汽車(chē)等極端環(huán)境會(huì)影響它們的性能。但因?yàn)樗鼈兗仁?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械部件又是電子部件,所以它們也對(duì)振動(dòng)和其它類(lèi)型的噪聲敏感。這需要對(duì)它們的特性有更全面的了解。

“當(dāng)它們?cè)谕粋€(gè) 芯片上或封裝在一起時(shí),了解特性會(huì)更加困難,而且每種類(lèi)型的傳感器都不一樣。”Lam Research 旗下的 Coventor 公司的 MEMS 高級(jí)總監(jiān) Stephen Breit 說(shuō),“使用陀螺儀和加速度計(jì)會(huì)出現(xiàn)交叉耦合效應(yīng)。陀螺儀有一種會(huì)與鄰近的傳感器發(fā)生耦合的驅(qū)動(dòng)模式?!?/p>

有一些可以緩解這些問(wèn)題的方法。就像其它任何噪聲一樣,陀螺儀中的振動(dòng)也可以得到解決。它有一個(gè)可預(yù)測(cè)的頻率,所以它可以被過(guò)濾掉。但這種噪聲也可以被解讀成發(fā)給其它鄰近器件的信號(hào),所以考慮這個(gè)問(wèn)題時(shí)不能僅局限于單個(gè) MEMS 器件。

Breit 說(shuō):“這要看具體情況。對(duì)于慣性傳感器,正交耦合誤差(quadrature effect)是一個(gè)大問(wèn)題,即傳感軸之間的耦合。這種情況發(fā)生的原因有很多。有些變量是在結(jié)構(gòu)方面,所以每一代的設(shè)計(jì)都需要調(diào)整?!?/p>

這方面可以利用的歷史或經(jīng)驗(yàn)很少。部分原因是這些器件本身在演化,而潛在的交互是未知的。還有部分原因是無(wú)人機(jī)和機(jī)器人等新市場(chǎng)也要使用這些器件,另外汽車(chē)等已有市場(chǎng)也在不斷演化。所有這些行業(yè)都沒(méi)有關(guān)于未來(lái)如何使用這些技術(shù)的路線(xiàn)規(guī)劃,也不知道最終會(huì)將什么集成到同一個(gè)封裝或系統(tǒng)中。

“公司企業(yè)正在尋找一套完整的解決方案,尤其是在封裝領(lǐng)域?!睉?yīng)用材料的 200mm 設(shè)備部門(mén)的戰(zhàn)略與技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)總經(jīng)理 Mike Rosa 說(shuō),“你可以看到有些公司將ASIC 和 TSV技術(shù) 集成到MEMS芯片中,但它們想要一種完整的工藝流程,可以在一個(gè)封裝上實(shí)現(xiàn)端到端的集成,然后它們需要幫助以便將其委托給代工廠商。其中難題是如何解決所有這些問(wèn)題。”

精度變得至關(guān)重要

很多 MEMS 終端市場(chǎng)行業(yè)也需要更高的精度。比如,在 ADAS 系統(tǒng)中使用的汽車(chē)加速度計(jì)需要比智能手機(jī)中使用的加速度計(jì)更準(zhǔn)確。盡管這會(huì)增加價(jià)值并導(dǎo)致價(jià)格上漲,但其開(kāi)發(fā)所需的工程量和開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度也會(huì)顯著提升。某些情況下,這還需要新的技能組合。

Coventor 的 Breit 說(shuō):“自動(dòng)汽車(chē)的精度需求在安全氣囊或翻車(chē)方面要高得多,它基本上就是測(cè)量什么時(shí)候超過(guò)了閾值?,F(xiàn)在,慣性傳感器已經(jīng)在導(dǎo)航推測(cè)(dead reckoning)方面使用了一段時(shí)間了。企業(yè)正在競(jìng)相為這些器件實(shí)現(xiàn)更高的規(guī)格,不管哪家公司先實(shí)現(xiàn)目標(biāo),都能獲得實(shí)實(shí)在在的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?!?/p>

這可需要不少的工作量。意法半導(dǎo)體的 Esfandyari 說(shuō):“你需要考慮噪聲偏差和穩(wěn)定性、溫度和敏感性。你需要降低噪音、增加偏差穩(wěn)定性并提高分辨率。所以之前是 1000 度/秒的陀螺儀現(xiàn)在要做到 4000 度/秒。而且噪聲的基礎(chǔ)也需要非常低。ASIC 方面的一些工作已經(jīng)完成,你可以在那里對(duì)噪聲求平均或移除這些噪聲。你也必須確保 IC 也是低噪聲的?!?/p>

為了提升準(zhǔn)確度,有的器件還需要新材料。

“架構(gòu)沒(méi)有變,但規(guī)格越來(lái)越嚴(yán)格?!盇pplied Materials 的 Rosa 說(shuō),“指紋傳感器和麥克風(fēng)正在從電容材料變成壓電材料。以前麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)側(cè)面的傾斜度 在±0.5 度之間。而實(shí)際加工中中心處結(jié)構(gòu)側(cè)面陡直而邊緣處會(huì)超出這個(gè)范圍。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正交誤差,比如可能會(huì)錯(cuò)誤的認(rèn)為電話(huà)是傾斜的。所以現(xiàn)在這個(gè)規(guī)格是傾斜 ±0.5 度到 ±0.3 度之間?!?/p>

指紋傳感器也在改變,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據(jù)手指上的溝壑讀取指紋。Rosa 說(shuō):“我們的客戶(hù)正在為此尋找新的光學(xué)薄膜、將 III-V 族材料集成到硅晶圓上以及開(kāi)發(fā)新的光學(xué)涂層?!?/p>

圖 2:USound 的基于 MEMS 的揚(yáng)聲器

物聯(lián)網(wǎng)即使是更加便宜的器件,也涉及到更多工程開(kāi)發(fā)工作。進(jìn)入門(mén)檻正在上升,開(kāi)發(fā)這些器件所需的專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平也在上升。

“要在 MCU 上實(shí)現(xiàn)更多智能,需要使用更加便宜的傳感器,然后在這些傳感器傳回的信號(hào)上進(jìn)行更多處理。”Sondrel 公司銷(xiāo)售副總裁 John Tinson 說(shuō),“如果你減少組件數(shù)量,你就會(huì)減少單位的總數(shù)量。這是一條路。這確實(shí)有設(shè)計(jì)復(fù)雜度,因?yàn)闆](méi)有什么是免費(fèi)的。但 sensor hub 有一個(gè)設(shè)計(jì)方向,它們將會(huì)變得更加流行?!?/p>

這就引出了一些問(wèn)題:它們是否將取代其它器件,還是將與它們共存?ARM 的系統(tǒng)和軟件組的 IoT 產(chǎn)品經(jīng)理 Mike Eftimakis 認(rèn)為應(yīng)該會(huì)是后者,尤其是要使用的傳感器會(huì)越來(lái)越多,這些傳感器產(chǎn)生的所要處理的數(shù)據(jù)也越來(lái)越多。

Eftimakis 說(shuō):“想想 IoT,一般而言,它是從現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆?。如果你的物?lián)網(wǎng)有數(shù)十億乃至數(shù)萬(wàn)億設(shè)備,將所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)皆浦惺遣豢赡艿?。所以你需要某種形式的前期處理。如果這是在同一塊芯片上,那就是傳感器融合。但這也可以使用網(wǎng)關(guān)處理器或其它一些 RTF(富文本格式)的過(guò)渡狀態(tài)完成,然后再傳輸?shù)皆啤K詫?duì)邊緣處理的需求會(huì)越來(lái)越大,越來(lái)越多的數(shù)據(jù)需要在本地進(jìn)行處理?!?/p>

不管哪種情況,對(duì) MEMS 行業(yè)來(lái)說(shuō)都是好消息,因?yàn)楹芏鄠鞲衅鞫际腔跈C(jī)械組件和電子組件的集成。這些好處會(huì)從前端設(shè)計(jì)一直擴(kuò)展到制造和材料領(lǐng)域。

聯(lián)電(UMC)的特種技術(shù)部門(mén)副總裁 Wenchi Ting 說(shuō):“28/22nm RF 節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)擴(kuò)展和 MEMS 傳感器工藝技術(shù)的發(fā)展是支持自動(dòng)駕駛廣泛應(yīng)用的兩大關(guān)鍵,同時(shí)基于云的基礎(chǔ)設(shè)施將處理大規(guī)模的機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M)數(shù)據(jù)處理需求?!?/p>

總結(jié)

隨著進(jìn)入市場(chǎng)的互連設(shè)備越來(lái)越多,連接物理世界與數(shù)字世界的需求將需要海量的傳感器。其中很多傳感器都基于 MEMS 技術(shù),而且其中一部分還將需要高度針對(duì)性的高精度器件,這部分的比例也正越來(lái)越大。對(duì)于 MEMS 市場(chǎng)而言,從新市場(chǎng)到高價(jià)值的芯片市場(chǎng),很多方面都看起來(lái)很有希望。但這也需要更加艱難的工作,在這方面領(lǐng)先的公司將有望取得更大的市場(chǎng)份額。

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    探索高<b class='flag-5'>性能</b>:<b class='flag-5'>MEMS</b> 可編程 LVPECL/LVDS 振蕩器 SiT9122 系列(220 至 625 MHZ)

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    的頭像 發(fā)表于 08-12 16:38 ?586次閱讀
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    的頭像 發(fā)表于 07-22 09:47 ?503次閱讀

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    的頭像 發(fā)表于 07-21 16:50 ?2773次閱讀
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