在即将过去的2007年里,MEMS传感器完成了从汽车电子市场到消费电子市场的华丽转身,开始走进越来越多的消费类产品中:硅麦克风在手机中的应用呈现出快速增加的趋势,加速计和陀螺仪也在GPS导航推算系统以及手机、笔记本电脑、数码相机等便携设备的防震检测中大显身手,而各种MEMS传感器在消费电子产品中的组合应用,更将彻底颠覆从前单一的键盘操作模式,带给消费者更多的体验和人性化的操控模式。
和传统器件相比,MEMS传感器的集成度更高,输出的信号便于设计时的系统连接和使用;体积更小,适合消费电子产品的各种外形的设计;功耗更低,可以满足各种便携式产品的低功耗要求;性价比更高,有效地满足了消费电子产品的性能要求。同时,随着消费电子产品的技术日益成熟,产品的同质化将是一个严峻的课题,而MEMS器件在消费电子产品中的使用,将有助于消费电子产品的差异化发展。除此之外,随着MEMS技术的进步,MEMS器件的成本也日益降低,从而进一步给MEMS器件在消费电子中的应用创造了良好的条件。
MEMS器件在消费类产品中的创造性应用也有力地推动了MEMS市场自身的加速发展。市场调研机构Gartner认为,到2010年MEMS元器件可能成为一个100亿美元的市场,而具有MEMS技术的产品可能将增长到950亿美元。这一诱人的市场前景既吸引了飞思卡尔、ADI、意法半导体、楼氏电子等传统半导体大厂的加入,也促进了Bosch Sensortec 、美新半导体、青鸟元芯等新兴MEMS公司的出现。
多重传感器组合,打破传统单一操作模式
新一代硅麦克风可以实现更小的元件尺寸、更佳的环境可靠性,同时增强了进入其它电子产品的灵活性。Clnesmc
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从产品类型来看,目前在消费电子产品中使用最多的MEMS传感器是楼氏电子的硅麦克风(SiSonic),利用MEMS技术,它已经掀起了全球贴片式麦克风潮流。随着MEMS技术的引入,新一代硅麦克风可以实现更小的元件尺寸、更佳的环境可靠性,同时增强了进入其它电子产品的灵活性。通过把MEMS麦克风和处理电路集成在一块芯片上,可以提高手机通话质量,即使是在一个非常吵闹的环境下打电话,对方也只听到你的声音而完全听不到其它背景噪音。硅麦克风已被各种便携式消费电子产品如手机、笔记本电脑、DSC/DVC、BT耳机、便携多媒体播放器(PMP)等所广泛采用。据市场调研机构Information Network,预计到2008年麦克风市场中的MEMS产品将占据15%的市场份额,复合增长率高达240%。
除了硅麦克风之外,其他的MEMS传感器也在2007年开始大量进入消费电子产品。无论是任天堂Wii的上市,还是苹果公司iPhone的发表,这些划时代的革命性产品中都无一例外地使用了三轴加速计。据法国市场调研公司Yole Development的报告,2005~2006年惯性MEMS市场(包括陀螺仪和加速计)增长了55%,达到2.32亿美元,预计2006~2011年平均复合年增率为35%。 Yole的分析师Mathieu Potin表示:“该市场的增长动力主要来自加速计,到2011年将占总体惯性MEMS销售额的65%左右。而消费电子类应用到2011年将占总体销售额的40%。”
除了上文提到的GPS盲区导航以及硬盘防震保护功能之外,这些MEMS加速度传感器还可以帮助消费电子产品实现图形翻转(操控界面随着设备的状态进行调整以便于操控);计步器及其延伸功能;音乐及视频的播放控制;菜单的滚卷;游戏,娱乐;照相功能的防手抖及水平提示等各种功能。
与加速度传感器相比,压力传感器的增长则相对比较平稳。据北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司总经理张威介绍,目前在胎压监控等汽车电子市场中,压力传感器已经基本上完成了对传统器件的替代,成为市场主流;而在消费电子领域,青鸟元芯的压力传感器主要应用于两大类产品,一类是用于测气压、高度、天气变化,如运动手表、天气预报计等;另一类是数显模块,如手持式汽车打气泵、家用血压计等。张威表示,青鸟元芯的压力传感器基于压阻式原理,占公司总业务的80%以上,其中PS系列压力传感器市场反应良好,主要用于运动手表,量程范围可做到5psi到300psi。
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魏继烈:将来MEMS传感器的应用热点在于多种传感器的组合,打破从前单一的键盘操作模式。 |
美新半导体(无锡)有限公司高级市场经理魏继烈表示:“不同的MEMS传感器的应用将会有不同的应用,每一种MEMS传感器都是针对测量某种物理量而设计,不同的传感器的应用将由该传感器所感应的物理量的延展性来决定。从应用的角度看,不外乎是提供功能或娱乐、体验,结合这两部分,我们认为将来MEMS传感器的应用热点在于多种传感器的组合,在完成各种传感器所具备的功能的基础上,打破从前单一的操作模式(键盘操作),通过算法处理,为用户提供更加人性化的操控方式和娱乐及用户体验。”
他进一步指出:“手机作为未来的个人多媒体平台,将担负个人通讯,娱乐等功能。MEMS传感器通过从单一到多种的发展和集成,将可以给消费者更多地便利、快乐和体验。作为消费者主体的人,在解决了温饱问题之后,最大的需求就在于‘沟通’,‘娱乐’等方面上,从这个层面出发,随着MEMS传感器技术的发展,在手机中的应用前景非常广阔。”
飞思卡尔半导体公司汽车和标准产品部传感器部副总裁兼总经理Demetre Kondylis也认同这一观点,他表示:“通信和消费电子市场上每天都有新的MEMS应用面世,其中一个非常重要的机会就在手机领域,因为手机具有独特的需求,其组件封装和PCB等硬件必须非常小巧。”
从封装入手MEMS厂商积极应对成本挑战
为消费电子市场开发MEMS传感器所面临的首要挑战,即是满足消费电子产品对于成本的要求。近几年MEMS产品能够在对成本极为敏感的消费类市场得到迅速应用,这在很大程度上要归功于产品价格的逐步下降。
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Angelo Assimakopoulos:MEMS器件的制造方法非常适合消费电子市场这样存在大批量需求的领域。 |
楼氏电子新事业发展处长Angelo Assimakopoulos表示,不是所有的产品都适合采用MEMS,但是对于消费电子市场这样存在大批量需求的领域,MEMS器件的制造方法非常适合。麦克风、压力传感器、陀螺仪、加速计和高度计等传感器产品可以利用半导体制造工艺,以一致的产量大规模生产,并达到适于消费市场的成本目标。不过,由于MEMS研发与资本支出成本高昂,在可制造性设计(design for manufacturing)方面采取正确的方案非常关键。利用MEMS器件来满足消费电子市场的成本要求,需要在产品开发初期就加以考虑,不能在向市场发布产品时才考虑。这样才能确定和选择最适合商业计划的制造与供应模式。当制造商进入市场时,他们需要立即启动成本削减计划,以在消费电子市场保持增长势头。只有正确执行这些计划,MEMS产品才能实现性能优势(产品,可靠性,制造等等),并使消费电子市场中的客户实现总体成本节省。
除了前期计划,封装技术是另一个影响成本的重要因素。众所周知,封装成本在MEMS传感器的成本中占很大比重,楼氏电子表示其硅麦克风有几种不同的封装方法,不过最普遍使用的还是传统的PCB封装,因为这种方法“随时可用、具有成本效益,而且对于新产品开发来说具有灵活性”。
飞思卡尔则在继续改进其封装技术,并且考虑增加芯片级封装和晶片级封装。Kondylis还指出:“飞思卡尔的优势包括其广泛的IP产品系列。在MEMS领域,作为大批量制造商,我们可以提供供货保证。飞思卡尔的传感器产品系列包括多功能应用以及使用各种移植和安装选项以适应最终设计的高级/多样化封装。飞思卡尔与客户建立了经过广泛实践验证的良好关系,可以为使用传感器产品提供一流的支持。产品集成有助于提高产量,帮助降低多功能单一封装解决方案的生产成本。这些解决方案可以帮助客户简化他们的新产品开发,加快产品的上市速度。”他还强调说:“客户想要的是完整的交钥匙硬件和软件解决方案而不仅仅是传感器组件。飞思卡尔已经采取了很多措施来满足这一需求。例如,我们为自由落体检测提供完整的软件解决方案。为了为开发人员提供更大的设计灵活性,飞思卡尔计划在2007年推出数字输入加速计。”
与国际厂商相比,中国本地企业也在充分挖掘自己的优势所在。美新目前主要就是通过研发和使用不同的封装来降低产品成本,此外魏继烈还表示:“与国际厂商相比,美新的主要竞争优势在于服务和创新。针对消费电子市场的特色,美新跨越了单纯提供产品(Device)的阶段,我们给客户提供的不仅是器件,同时包含了各种创意及内容服务。”青鸟元芯的张威则认为,同国际MEMS巨头相比,更低的采购成本与制造成本是中国本地企业的竞争优势之一。但他同时也谨慎地指出, MEMS制造技术结合了电子、机械、化学等众多行业特性,并且与纳米技术相兼容,是一门非常复杂的综合学科,发展时间也并不算长,并且目前行业标准缺乏,各厂商各自为阵,MEMS传感器产品也尚未经过市场的长时间检验,是否存在风险隐患还为未可知,因此需要谨慎对待。
其次,更小巧的封装体积也是消费手持电子产品的一个必要条件。Kondylis表示,飞思卡尔的主要技术计划包括以创新的方式在片上系统(SoC)和System in Package(SiP)中集成批量和表面微加工MEMS、混合信号和嵌入式控制,进而开发世界级的传感解决方案。他指出,集成工作经历了这么一个过程,即从独立的器件发展到基础集成,再到技术合并和选择性的集成,最后将实现完全集成。他说:“飞思卡尔利用分技术区实现惯性和压力传感器,进而实现更大的设计灵活性并最大限度地提高产品性能。飞思卡尔的多芯片(变频器+ASIC)方法可实现封装内集成来采用更小巧的组件。所使用的一些方法都是CMOS和MEMS技术的结合。”
硅麦克风巨头Akustica不久前宣布开发出世界上最小的麦克风,在1×1mm的尺寸上集成了转换器和处理电路,据称比同类产品的尺寸小了70%。这款麦克风采用了一个微机电系统(MEMS)振膜和芯片上互补型CMOS模拟电路,无需传统封装就可以直接贴装在印刷电路板上,可以和手机等小型电子设备中的其它ASIC一起整合在一个封装中,非常适用于手机。
加速计将在GPS导航推算系统以及手机、笔记本电脑、数码相机等便携设备的防震检测中大显身手。Clnesmc
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意法半导体新的三轴运动传感器在产品小型化路线上也前进了一大步,新一代低功耗三轴线性加速计芯片LIS331采用 3×3×0.9mm的塑胶封装,能够有效地克服便携电子设备对空间和重量的限制因素,并承受高达10,000g的振动和撞击。这款动作传感器适合消费电子和工业市场上的低g应用,包括手机和游戏的用户界面、硬盘保护功能中的自由落体检测和白色家电中的震动检测和修正。特别低,单击和双击识别功能允许制造商把一个简单的敲击动作与用户的命令关联起来,如关开便携设备电源、打开一个文档、浏览一个应用程序的菜单或者直接在衣袋里把正在振铃的手机静音。
飞思卡尔也于日前推出了一款据称全球最薄的三轴数字输出加速计MMA7450L,这种加速计采用塑料矩栅阵列(LGA)封装,厚度仅0.8毫米,比以前的产品体积缩小77%,旨在满足功能丰富的便携式消费电子产品日益凸现的空间限制。MMA7450L是为了简化微处理器和微控制器(MCU)的集成而设计的,它基于需要移动、加速或倾斜传感的手部运动和设备,可用于便携式电子产品的用户界面。
Demetre表示,飞思卡尔的HARMEMS(高深宽比微电机系统)技术最近几年取得的一些令人兴奋的技术进步成果,采用该技术开发的具有超阻尼变频器的惯性传感器使设备可免受任何高频率震动的影响。飞思卡尔最近推出的MMA73x0L加速计系列具有很高的灵敏度,并且在3×5×1mm的LGA封装中包含了体积最小的变频器。为了实现进一步集成,飞思卡尔还在QFN 6×6mm封装中开发Z轴惯性卫星解决方案。
青鸟元芯的张威认为,目前半导体芯片的集成度已经很高,即减小了体积又降低了成本,随着MEMS技术的完善,未来MEMS传感器很可能也会和其他半导体芯片进一步集成,从而成为“最终的系统级芯片”,“例如,随着手机发展成综合性的移动个人多媒体终端,半导体芯片大厂未来很有可能将MEMS器件也集成到IC当中去, 替代独立的MEMS器件,从而进一步减小产品体积。”
“我们都在讲‘虚拟世界’,其实目前在消费电子市场,‘虚拟世界’和消费者的沟通非常单一(主要是通过键盘操作),MEMS传感器在消费电子产品中的应用将彻底改变这种单一的局面,通过在消费电子产品中使用多种传感器,可以让你的‘虚拟世界’能和你真正地沟通,这也正是美新的追求目标。”正如魏继烈所说,随着更多种类的MEMS传感器产品的不断涌现,更多创造性应用在消费电子产品上的开发,MEMS传感器必将帮助消费电子构建起全新的沟通模式,让消费电子产品通过使用MEMS传感器带给消费者更多的快乐和体验。
责编:Quentin