MEMS运动传感器继续前行

乏味 · 发表于 2010-6-17 23:09:53

7个互锁的微齿轮体现了先进的MEMS制造技术。该器件由Sandia National Labs制造。(来源: JEOL USA)

运动感应器件实际上并不是什么新事物。自从上世纪五十年代开始，运动感应器件已在宇航和军用领域广泛用于导航应用。MEMS版本的加速度计和陀螺仪则是最近开发的新产品，可以极大地降低器件的成本和尺寸。与军用的高精度器件不同，MEMS型的加速度计和陀螺仪主要用于车载和很多消费类电子产品。或者更具体地说，从上世纪九十年代开始，MEMS加速度计已被作为碰撞传感器广泛用于轻型车的安全气囊。从该应用之后，很多产品都开始采用运动传感器件。最新同时也是最引人注目的例子是任天堂的Wii游戏控制器以及苹果公司的iPhone及iPod都采用了MEMS运动传感器。

18.5亿美元的市场

MEMS惯性传感器已拥有很大市场：2008年世界范围内共生产了8.59亿枚MEMS加速度计和陀螺仪，对应的市场为18.5亿美元。主要的市场份额仍来自于汽车电子应用；然而，消费类电子产品将在2012年超过汽车应用。这不仅由于汽车行业饱受经济衰退的打击，更重要的是，除了安全气囊、制动压力（ESC）和胎压监控系统（TPMS）这些目前已有的应用，很难在汽车中继续增加运动传感器的数量。在车载电子领域，到2013年运动传感器的年增长率只有2.9%，而消费电子领域的增长率则高达16.9%。实际上，在很多消费电子产品中采用运动传感器的速度是前所未有的。

博世（包括其Sensortec分支）和STMicroelectronics在全球MEMS加速度计市场上处于领头羊的位置，两家公司共同占据了40%的市场份额。STMicroelectronics主要受惠于像苹果公司这样的大单。他们的主要竞争对手包括ADI、飞思卡尔、VTI和英飞凌，并且还有很多刚刚进入这个市场的玩家。

在陀螺仪领域，三家公司主宰了目前的市场：博世、Systron Donner和松下，平均每家公司占有20%的市场份额。然而Systron Donner在2009年初关闭了其汽车电子分支，这极大地影响了车载电子市场。

消费电子是快速成长的市场

对于运动传感器制造商来说，火热的消费类电子市场无疑非常具有吸引力。尽管在某些商品中早已采用这类器件，例如在硬盘驱动器（HDD）保护装置和游戏控制器中的加速度计，但潜在的市场规模仍令人叹为观止。

考虑到运动传感器的多种可能应用，在2008年已达到35亿枚器件的全球市场仍处于增长阶段。目前集成在产品中的加速度计和陀螺仪只占消费类电子器件总价值的7-17%。但专家预计，由于世界经济形势的影响，2009年CE器件的市场将不会出现大的增长，但仍可以看到采用运动传感器件的速度在加快。特别地，加速度计将会被广泛应用到移动电话中，目前该器件的价格已经下降到每枚芯片1美元以下。

移动电话应用对整个市场的巨大影响现在才刚刚开始显现。加速度计的其他市场还包括游戏控制器和笔记本电脑，而陀螺仪的主要市场则是数码相机（DSC）和游戏控制器。

这也解释了为什么针对消费类应用的惯性传感器制造商之间竞争如此激烈。飞思卡尔最近宣布，开发了一款用于消费类电子产品的三轴加速度计，并希望从STMicro、Bosch Sensortec、ADI、Kionix、MEMSIC和Epson Toyocom这些对手那里分到一杯羹。相对来说，陀螺仪市场还处在比较早期的阶段，STMicro和Sensordynamics想挑战像Panasonic、Invensense和Murata这些传统的陀螺仪制造商，难度相对低一些。

车载电子市场是MEMS传感器的第二大市场。政策法规的原因保证了惯性器件制造商在这一市场的光明前途。最近Systron Donner Automotive的关闭会对竞争格局产生很大影响。像Murata、ADI以及飞思卡尔或STMicroelectronics这样将要进入该市场的新来者，将有机会从博世和松下手中拼到部分机会。

此外，英飞凌最近剥离了其传感器部分，他们在TPMS模块市场居于领先位置，该类模块是低g汽车加速度传感器的重要部分。然而，我们认为由于英飞凌还会保留TPMS业务，因此这一举动对市场的影响不会很大。

关键的车载电子应用常常受惠于政策法规：到2011年底（也就是2012年的车型），美国和欧洲已经或者将要强制安装ESC和TPMS。这保证了车用传感器制造商的产品使用率。ESC则是陀螺仪在车载应用中的最大市场。陀螺仪也出现在一些新兴的应用中，但这些应用主要集中于高端的奢侈品牌。

加速度计大量地用于安全气囊系统，但增长更快的应用是TPMS，其采用率不断提升。不过需要指出的是，新的应用使用了加速度计，但这一特征仍被看作是奢侈品牌所特有的。

医疗和工业领域也在更多地使用惯性传感器，但更加分散。地质探测是运动传感器的主要应用领域，但由于油价的跌落，该市场也深受打击。然而，在未来几年很多其他应用也会开始使用MEMS惯性传感器。防御和宇航应用由于用量较低，很可能只是MEMS传感器市场的一小部分。但由于MEMS加速度计和陀螺仪性能的不断提升，已经在火箭、弹药和士兵装备等应用中崭露头角。

成本和智能化

在不断变化的经济环境中，那些能够脱颖而出的公司才能成为成功的MEMS供应商。现在某些器件需要在产品中集成MEMS传感器。在另一些例子中，MEMS的集成则主要靠法规的推动，并且最终用户似乎并不愿意为这些附加的传感器买单。

一种降低成本的方法是在200 mm晶圆上制作MEMS。很多供应商已经开始实施这种方法，这包括STMicroelectronics、Bosch Sensortec、飞思卡尔和台积电（TSMC）。其他公司则通过技术创新来降低成本。松下已经成功地将其陀螺仪产品从石英转向硅衬底。

图1. 消费类电子产品推动了MEMS加速计和陀螺仪市场的快速增长。(来源：Yole D関eloppement)

如果产量很大的话，大型的IC制造商会如鱼得水。除了可以保持较高的价格压力外，他们还可以提供较高可靠性的产品、可以更好地管理供应链，并且可以轻易地提高产能。在传感器中加入更多的功能也可以提高产品的区分度。很多厂家现在已经不仅仅提供一个元件，而是提供一整套的方案。目前通常把算法也集成在芯片层次：例如屏幕旋转、跌落探测等的。这也是为什么像Kionix这样的公司可以在HDD保护市场上如此成功的原因：可以完整地实现笔记本电脑的跌落保护。围绕传感器应用的软件和系统开发也越来越重要。这也是为什么很多公司中，越来越多的员工集中在软件方面而不是工艺方面。

由于成本的问题，陀螺仪还无法实现大规模的应用。MEMS陀螺仪可以实现非常好的动态响应，这种性能对维持系统机械稳定来说非常理想。但通过一个三轴加速度计与一个3-D磁力计协同，同样可以实现罗盘功能，而其成本却低于陀螺仪，这也是移动电话制造商越来越关注磁力计的原因。采用多轴集成大概是陀螺仪可以大幅度降低成本的唯一方法。Invensense已经成功实施了这一战略。这也解释了为什么STMicroelectronics在最近开始量产的陀螺仪中采用了单片两轴的架构。

基于类似的原因，很多惯性MEMS制造商也开始尝试多种MEMS传感器的集群化。可能会在2013年出现带有五或六个自由度的集群，同时可能与其他传感器（例如压力传感器）协同工作。总的来说挑战性在于如何处理多种类型的信号输入；并且需要高复杂度的处理算法。通过组合加速度计和陀螺仪，惯性测量单元（IMU）可以提供五到六个自由度。该器件已经广泛应用于防御和宇航系统。这种器件可以提供像推算导航和引领等新功能。现在MEMS加速度计已经相当廉价，并且集成MEMS陀螺仪的情况也日趋成熟，因此很可能会看到在移动电话中集成MEMS IMU的情况。(作者：Laurent Robin，Yole Développement, Lyon, France, www.yole.fr 　来源: 半导体国际)

MEMS运动传感器继续前行

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