MEMS市場量增價跌，敢問路在何方？

據麥姆斯諮詢報導，MEMS市場步入出貨量快速增長的階段，但利潤反而降低。

在大多數細分市場，需要更多的自動化和標準化是一個市場向好的信號。

但在MEMS世界，卻不是那麼簡單。

即使某些器件實現了自動化，但無法一直正常工作。

事實上，雖說MEMS器件的設計、構建和製造是超乎想像的困難，但管理業務市場更是難上加難。

MEMS器件是電氣和機械工程結合後的產物。

慣性傳感器，如陀螺儀和加速度計，幾乎所有移動設備都要配置它們來監測用戶的運動情況。

谷歌的Waze（當前流行的點對點GPS應用）使用了慣性傳感器，可以在用戶遭遇堵車或正常駕駛時根據當前交通狀況預估用戶的行駛速度，以及達到目的地時間。

此外，電子羅盤、振動傳感器和電容式觸摸傳感器都應用於此以保障用戶安全。

每年這類傳感器有數十億顆的出貨量，未來將持續保持增長。

但所有MEMS製造商都抱怨平均銷售價格（ASP）下降厲害，銷量增長也無法彌補利潤。

近十年，智慧型手機逐漸取代功能手機，市場面臨的價格壓力成為首要問題。

MEMS器件價格持續下降

同時，還有其它MEMS器件，如基於壓電材料的MEMS麥克風、微型揚聲器和超聲波指紋傳感器，雖然銷量低於慣性傳感器，但這些傳感器的投資回報率明顯高於慣性傳感器，只是目前市場需求不夠大，不足以形成規模經濟。

因此，對某些公司來說，儘管這部分市場可能是有利可圖的，但可擴展性是有限的，市場競爭也正在加強（見下圖）。

全球新興MEMS細分市場預測（來源：Yole）

對於一類的產品組來說，建立更加標準化的製造工藝流程很重要。

某些製造技術是不斷變化，為了達到利潤最大化，在標準化製造上搶到先機顯得至關重要。

工藝標準化

一方面，MEMS市場缺乏標準的工藝設計包（PDK）。

好主意停留在紙上，實施起來卻比大多數人想像的更難。

Globalfoundries公司的MEMS高級總監Rakesh Kumar談到，「MEMS器件多樣的物理結構和工藝流程是擺在MEMS製造標準化面前的主要挑戰。

但是，可以在同一個傳感器系列裡建立一定程度的標準化。

例如，慣性MEMS傳感器，如加速度計和陀螺儀，可以使用一個共同的平台技術，對差異化的功能再定製部分工藝。

這樣的平台方將有助於降低開發成本和縮短上市時間。

」

到目前為止，雖然沒有哪家公司能夠像製造ASIC或SoC那樣利用單一的工藝設計包完成加速度計或陀螺儀的生產。

但很多行業專家認為，如果說ASIC或SoC的標準化工藝清單是經過嚴格審核和高度提煉的「菜單」，晶圓代工廠提供的MEMS製造清單看起來更像一份調整餘地更大的「菜單」。

例如，這份「菜單」可能包括特殊的刻蝕工藝，沉積工藝里有失序的CVD工藝或者鋁薄膜生長工藝。

「菜單」內容更多是工藝步驟次序，而不是一套用來控制研發成本的規則。

UMC公司的高級區域營銷經理Yan Qu說：「雖然一些晶圓代工廠已經使用標準PDK來製造慣性傳感器，但對於一些設計公司來講，要建立一套設計標準如設計規則、工藝流程、TLR（topological layout rules，拓撲布局規則）和DRC（design rule checking，設計規則檢查），仍需要一段時間。

對晶圓代工廠來說，建立標準化工藝有一些優點，但設計公司可能不以為然，他們認為這樣會失去產品異質化的優勢。

」

MEMS工藝開發也很耗費時間。

從製造的角度來看，MEMS技術的複雜性導致同一個產品在不同的晶圓代工廠的工藝差異也很大。

Yan Qu談到：「一顆MEMS產品從研發到量產耗時平均為四年到五年。

設備的限制和變化對工藝開發影響較大。

比如：陀螺儀需要特殊真空設備和共晶鍵合。

晶圓廠必須仔細考慮這些新增設備的成本以及回報率。

」

金屬共晶鍵合（來源：IEEE）

類似ASIC或SoC的IP庫，晶圓代工廠為MEMS器件提供IP庫，幫助加快產品上市進程。

所有晶圓代工代工廠配備有類似的設備，如深反應離子蝕刻設備和晶圓鍵合機，但大部分是半定製或完全定製的開發工藝。

Coventor公司的工程副總裁Stephen Breit認為：「代工廠提供的IP庫，可以讓你挑選到符合接口規範的傳感器。

這對陀螺儀和加速度計來講是可行的。

對於正在開發中的傳感器來講，某種程度上也是可行的。

但這個領域仍然需要公平的專業水平。

對麥克風而言，那就更平常了。

但用在人造電子鼻（氣體傳感器）和光譜儀上，這是另一回事。

」

新型的複雜MEMS器件

在MEMS市場出現了一些新產品，與已商品化的加速度計和陀螺儀差異巨大。

「現有的傳感器變化很大，但也湧現了新產品，如基於超聲波技術而非電容的指紋傳感器」，應用材料公司的技術營銷總監Mike Rosa說，「當你按下按鈕時，不是進行電容測量，而是超聲波讀取指頭表皮層上的紋理，並能讀取真皮層（第二層皮膚）的紋理。

這增加了附加值——高安全性。

因為採用壓電材料，即使你的手指表面有水分、污垢或顆粒，也能讀出你的指紋。

」

超聲波指紋傳感器結構（來源：加州大學伯克利分校）

壓電材料也開始用於MEMS麥克風，得到的信噪比更高。

噪聲是最不受麥克風歡迎的，高信噪比是麥克風設計的關鍵，特別是噪聲超出人類的聽覺閾值。

Mike Rosa說：「麥克風遇到的第一個難點是結構，第二就是材料。

壓電材料很多，麥克風可能採用的是氮化鋁，也可能是摻雜鈧（20%~30%）的氮化鋁，有企業的鈧摻雜濃度高達43%，並還有繼續增加鈧摻雜濃度來提高信噪比的潛力。

」

新產品的清單並沒有就此結束。

一些雷射雷達晶片，出於自動駕駛車輛安全要求的考量，正在開發利用MEMS技術集成雷射二極體和微鏡。

雷射雷達使用雷射束進行掃描，並基於反射回來的光束或脈衝進行圖像重構。

採用這種技術的移動設備最初的成本高達70000美元，而採用MEMS技術後售價預計在數百美元以內。

基於MEMS掃描鏡，MEMS技術有望應用在3D掃描儀和視網膜掃描儀上。

德國Fraunhofer研究所在一份報告里提到，MEMS掃描鏡可以小到用在移動應用設備上。

雖然不能和雷射掃描檢眼鏡媲美，但基於MEMS的解決方案更小、更便宜，相比其他生物識別技術更安全。

如同報告里談到的，視網膜血管是「幾乎不可能偽造的」。

MEMS掃描鏡（來源：德國Fraunhofer研究所）

成本控制

可以肯定的說，這些都是有趣的技術，但經濟效益在MEMS市場扮演著舉足輕重的角色。

對於那些傳統的CMOS設計工程師，MEMS器件和傳統器件的差異非常明顯。

Coventor公司Breit談到：「很多時候，這些做完了，還是沒有得到一套真正可行的工藝流程。

即使是慣性傳感器和MEMS麥克風，需要複雜的膜和結構，你再做互連，所有這些都是很特殊的。

PDK可以幫助流程自動化，設計壓電MEMS、互連、錨以及與管芯連接的方法。

但是，每個人在CMOS設計時習慣使用的DRC（設計規則檢查）並不存在或不完整，而且這裡沒有LVS（layout versus schematic，布設對照電路圖）。

」

Breit認為另一個問題涉及到器件的特性描述不足，在量產階段不能像數字電路那樣完整定義參數。

其後果就是會出項一些沒有預期到的小變化。

如果在單一設備中集成了多個MEMS晶片，這將反過來影響傳感器融合設計。

「這將創造新的趨勢，」星科金朋公司產品技術營銷副總監Babak Jamshidi談到，「慣性傳感器可以集成壓力傳感器和光學傳感器。

你也會看到更多的MEMS器件出現在生物醫學領域。

這是一個非常分散的市場，平均銷售價格高但用量較低，所以未來十年內將有集成的傳感器出現。

」

麥姆斯諮詢認為工業領域的應用將是MEMS市場增長的另一個驅動力。

ASE公司高級應用工程經理Christophe Zinck說道：「隨著工業物聯網的興起，必將推動一些空間占用小、新功能整合設備的進程。

因此基於這一點，人們正尋求將所有不同的傳感器融合在一起的解決方案。

對於設計團隊，他們將開發一個完整的模組。

」

GlobalFoundries公司的Kumar表示同意：「MEMS傳感器正處於從單一分散器件轉向多功能集成器件的快速轉型期間，比如加速度計和陀螺儀實現晶圓級的集成，還可以和磁傳感器、壓力傳感器和ASIC通過系統級封裝在一起。

MEMS產品在物聯網的廣泛採用將繼續推動MEMS和低功耗ASIC的集成。

」

結論

MEMS市場經歷了爆炸性增長和急劇下降的平均銷售價格。

但隨著MEMS技術發現新的應用領域，市場會有補充和更換高價值MEMS器件的需求，進而MEMS產業可能發生重大變化。

延伸閱讀：

《MEMS產業現狀-2016版》

《指紋傳感器應用和技術-2017版》

《壓電器件市場-2017版》

《傳感器融合市場-2016版》

《雷射雷達市場-2016版》

《Vesper壓電式MEMS麥克風：VM1000》

《高通驍龍Sense ID：3D超聲波指紋傳感器》

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