多轴陀螺仪在第三次MEMS浪潮占尽先机
时间：2011-07-14 05:25:00
手机看文章
扫描二维码
随时随地手机看文章
[导读]从上世纪90年代早期MEMS器件开始投入应用，到随后十年MEMS加速度计在消费电子领域引发第二次应用浪潮，直到今天已经进入的第三次MEMS应用浪潮——多轴MEMS陀螺仪模块将在更多领域发挥更广泛的作用。MEMS传感器供应商
从上世纪90年代早期MEMS器件开始投入应用，到随后十年MEMS加速度计在消费电子领域引发第二次应用浪潮，直到今天已经进入的第三次MEMS应用浪潮——多轴MEMS陀螺仪模块将在更多领域发挥更广泛的作用。MEMS传感器供应商已经冲破了可靠性、成本和大规模生产的障碍，使用者对MEMS更高性能的需求推动了该领域的快速进步和发展。
陀螺仪手机大爆发
据法国市场调研机构Yole Development，得益于汽车销售的强劲反弹与消费便携设备市场的持续需求扩大， 2010年全球MEMS产业同比增长25％，总销售额高达86亿美元。
继2009年的萧条表现之后，汽车MEMS市场在2010年出现强劲反弹，主要的推动力来自中国等新兴地区的强劲销售——尽管这些地区汽车的电子化程度较低，以及美国、日本和欧洲等发达地区的旺盛需求，尤其是在安规的影响下。不过，由于市场旺销主要缘于制造商补充库存的需要，这一波上升势头极可能在今年下半年出现二度下滑。
因此，消费电子和手机市场仍将是2011年MEMS产业的主要增长动力。IHS iSuppli公司预计，在消费电子和手机市场，2011年MEMS营业收入将从2010年的16亿美元增长到21亿美元，同比增长25%。到2014年消费电子和手机应用领域的MEMS营业收入将达到37亿美元。
2010年全球MEMS销售额排名Top 30
资料来源： Yole Developpment,2011年4月
作为全球最大的消费电子和手机MEMS传感器供应商，意法半导体（ST）迄今为止已经推出了30款陀螺仪，包括多轴感应、30dps到6000dps量程的各种产品。2010年意法半导体MEMS传感器销售额（不包括面向喷墨打印机的代工业务）超过3.5亿美元，同比大增60%, 主要的成长动力就是MEMS陀螺仪在便携设备(特别是手机)中的应用。
该公司中国区技术市场经理吴卫东表示：“近几年MEMS传感器在手机中的使用比率越来越高，但是市场远未饱和。以陀螺仪为例，尽管它一直是业界热议的话题，但在手机中的实际使用率不足10%，因此市场潜力容量非常大，也是我们未来最为看好的领域。此外，地磁仪、压力传感器也是继加速度计之后在手机中逐渐广泛应用的器件。”
MEMS掘金平板电脑市场
除了手机，平板电脑也将在未来的MEMS与传感器市场中扮演非常重要的角色。实际上，在今年的消费电子展(CES)上，摩托罗拉、宏基和其它厂商展示的平板电脑都配备了MEMS加速计、陀螺仪、BAW滤波器甚至压力传感器。IHS iSuppli公司预测称， 到2014年平板电脑将成为消费与移动领域中的第二大MEMS应用市场。
SiTime公司CEO Piyush Sevalia
SiTime公司CEO Piyush Sevalia则非常看好MEMS时钟在平板电脑以及电子书市场的发展潜力，他说：“平板电脑以及电子书是目前业界成长最快速的产品之一，预估到2014年之前，全球将达2亿台的出货量。SiTime的SiT8003可编程低功耗MEMS振荡器系列可满足平板电脑及电子书设计中不同功能电路区块的所有频率需求，已成为众多此类产品的优异的参考时钟源。”根据市场调研机构Yole Development的报告，SiTime公司目前占据了全硅MEMS时钟市场的绝对领导地位，并拥有85%的市场占有率。
SiT8003在包括功耗、尺寸、效能等各个方面为平板电脑以及电子书设计者提供了更好的选择。在功耗方面，该系列产品在工作时仅3.5毫安 (3.5mA)，而在待机时仅5微安 (5 uA)；并提供全温 (-20℃~+70℃)工作环境达±25PPM的精准度。与传统石英振荡器相比，SiT8003系列产品在厚度上减少了30%，频率稳定性更好，并在防振抗震性有１０倍的提高，在可靠性上也有２０倍提高。
并且，由于采用了全硅CMOS工艺，SiT8003可实时编程快速实现许多客制化的功能。譬如，SiT8003上升下降时间可根据客户设计需要做实时调整，在无须修改PCB的情况下直接消除EMI等设计问题，以此帮助客户以最低成本，最快速度推出新产品。
多轴传感器开辟崭新应用
多轴集成化一直是MEMS产业的热议话题，ST近日推出了一款能够检测五个自由度的多传感器模块LSM320DL，该新产品在一个器件内整合一个三轴数字加速度计和一个双轴数字陀螺仪，能够检测最高16g的加速度和最大2000dps的俯仰轴和偏航轴的角速率。
吴卫东表示：“ 多传感器集成化为高精度运动检测在手机、导航系统、游戏机及众多的便携电子设备内的应用创造更多的新机会，如空中鼠标、智能遥控器、基于位置的服务等，都是未来十分看好的应用。”
ADI最近也新增了两款高集成MEMS多轴传感器，分别是角速率陀螺仪ADIS16135和六自由度惯性测量单元(IMU) ADIS16385。 这是ADI第四代MEMS陀螺仪器件，采用先进的差分四传感器设计，可在强烈冲击和振动状态下精确地工作, 与市场上的其它高性能MEMS陀螺仪相比，新款陀螺仪功耗仅为竞争性器件的十分之一，而且可以提供更高的稳定性和抗振性能。
该公司微机电事业部市场经理Stephen Wu还指出，若要更出色地服务有着广泛客户群的中国市场，则需要更为技术更为全面的陀螺仪——除了提供高品质技术策略，还帮助降低成本并提高绩效和市场收益——为此ADI新推出了高性价比的ADXRS652 偏航角速度陀螺仪来满足这一市场需求。
ADXRS652不仅采用了表面微加工工艺，内置低成本、功能完整的角速率传感器，还集成了所有必要的信号调理电子器件以产生与Z轴的角速率成比例的稳定输出电压。通过外部电容建立0.01 Hz至2500 Hz的带宽，并利用温度输出对传感器执行温度校准。这款器件的自测输入还能提供机电激励，测试传感器和信号调理电路是否正常工作。ADXRS652抗冲击能力达到2000 g，专门针对工业应用、惯性测量单元和平台稳定性而设计。
不过， 多传感器集成化在现阶段对于MEMS制造工艺依然是不小的挑战。“这是因为集成模块的制作工艺更难，生产良率也会显著下降，只有充分掌握其中每一门技术，才能保证器件的性能稳定性。”吴卫东表示，“作为市场的先行者，意法已经掌握了MEMS制造技术优势，因此才能成功推出两款集成模块（陀螺仪+地磁仪、陀螺仪+加速度计），但是，MEMS与其他非MEMS技术传感器的集成依然很困难。”[!--empirenews.page--]
发展遭遇系统级设计挑战
尽管如此，MEMS传感器设计集成化的脚步已经不可阻挡。Stephen Wu指出，企业只有做新才能获取更多的利润，MEMS芯片与IC芯片整合、封装在一起是集成电路技术发展的新趋势，也是传统IC厂商的新机遇。“我们认为，也许在未来的10年中，MEMS传感器设计需要被供应商须进一步优化，从而能够使其提供更加强大的功能，并为使用者降低整体成本做出贡献。而这对于MEMS的运动检测的发展和前进步伐也起着至关重要的作用。”他说。
谈到传感器和IC芯片的进一步集成趋势，吴卫东则认为不能一概而论，要针对具体应用具体分析：首先，传感器和MCU集成在技术上完全可以实现，意法结合MCU的MEMS模块已近在研发当中。但是不同的应用市场对MCU的需求不同，在为客户开发带来便利，可能欠缺了灵活性，所以集成并非绝对的好，关键还是看市场需求。例如手持设备处理器已经足够强大，就不需要额外的MCU。”他说。
第二，在一个模块集成多个传感器，可以方便用户使用，但是需要考虑的是，模块方案的性价比未必优于使用单个器件的方案。 并且，尽管很多供应商都宣布已经实现了模块集成，但很多只停留在实验室阶段，只有真正商用化的量产方案才有实际意义。
最后，在选择多传感器组合方案时，还有一个不容忽视的因素是，除了提供硬件本身，软件也是很重要的价值体现。ST的iNEMO评估板可以提供十个自由度（加速度、陀螺仪、地磁仪、气压计）利用传感器实现对物体空中姿态的识别。基于该平台可以做很多二次开发的设计。
Stephen Wu对此表示认同，他说：“目前，MEMS器件发展面临的挑战主要来自系统级设计、测试、分析、嵌入式软件的开发、以及电源管理技术。我们认为，要获得MEMS市场的成功，供应商不仅应该关注基本运动检测或增加新功能，必须能够应对更多需求和挑战，新型MEMS传感器设计必须在所有条件下，包括在各种振动和温度差异，巨大幅度的冲击的环境下，保持足够的灵敏度、噪声等关键特性。此外，设计人员必须提供有价值的系统性能改进，从而实现过程的自动化、并减少系统停机时间，从而降低成本。”
晶圆代工潜力巨大
市场需求的不断扩大，也带动了MEMS晶圆代工市场的兴起，全球最大的几家半导体代工厂如台积电、联电都已开始介入MEMS产业，部分领先MEMS制造商如ST、TI等也都提供代工服务。据Yole Development统计数据显示，意法半导体是目前全球最大的MEMS代工厂，2010年相关营收大约是2.04亿美元。
IMT(Innovative Micro Technology) 成立于2000年，是一家纯MEMS代工厂，在加州圣巴巴拉(Santa Barbara)拥有占地13万平方尺的厂房， 该公司业务发展副总裁Craig T. Trautman表示：“目前我们有近八成的客户是Fabless设计公司，尽管目前MEMS市场多半仍由IDM所主导，但代工市场增长潜力巨大。”
Piyush Sevalia也坦言，作为一家Fabless设计公司，SiTime公司的优势之一就是可以将其生产全部外包给世界第一流的IC代工厂和封装测试代工厂，以保持最低成本。“这使我们可以利用半导体巨大并现有的基础设施以最短的供货期来满足我们客户不断变化的需求。同时，外包生产使我们在亚洲不同的地区同时设置封装测试生产伙伴，在自然灾害或其他意外情况下可更有效的保持货源的持续性。”他说。
2010年全球MEMS代工业务营收排名Top 20
资料来源： Yole Developpment,2011年4月
除此之外， 中国大陆的一些半导体代工大厂也已开始进入MEMS代工领域，如中芯国际、上海先进半导体等，这为本地MEMS芯片制造提供了很好的生产平台。上海先进半导体（ASMC）是中国大陆地区唯一一家专注于模拟器件代工的企业，，专注于双极型混合信号IC制造，年产能大约为80万片。该公司从2009年起开始投入MEMS器件的代工服务，目前的产能是3000片/月，生产良率达到了80%。
上海先进总裁谢志峰博士
该公司总裁谢志峰博士表示：“过去MEMS制造有很多技术问题没有解决，但是现在，MEMS供应商已经成功冲破了可靠性、成本和大规模生产的障碍，使用者对MEMS的需求推动了该领域的快速进步和发展。我们目前和中国科学院微系统研究室紧密合作，加大对研发和设备的投入，未来将重点投入汽车、消费电子和医疗电子领域的MEMS产品开发。”
为满足不同客户的需求, 除可提供从产品概念到量产的全套MEMS代工服务外，上海先进还可以提供定制化代工服务，同客户一起完成原型设计、制造工艺开发等流程，谢志峰博士表示：“目前国内有很多Fabless MEMS传感器供应商苦于没有地方生产，上海先进的使命就是要为本土厂商提供MEMS的设计服务帮助。”
来自台湾的Asia Pacific Microsystem（APM）同样看到了中国公司的需求， 目前正在积极与中国大陆MEMS设计公司接触。该公司技术市场项目经理陈志学表示：“我们从07年开始涉足MEMS代工，目前是全球第四大的MEMS代工厂，可以生产6寸晶圆，采用10道光照，月产能达到12，000片，拥有具备硅通孔(TSV) 和3D封装技术，预计到2014年还将掌握 thin wafer（超薄晶圆）技术。相信凭借成熟的生产工艺与丰富的制造经验，加上地缘优势，可以为中国大陆的设计公司提供理想的代工服务。”
陀螺仪手机大爆发
据法国市场调研机构Yole Development，得益于汽车销售的强劲反弹与消费便携设备市场的持续需求扩大， 2010年全球MEMS产业同比增长25％，总销售额高达86亿美元。
继2009年的萧条表现之后，汽车MEMS市场在2010年出现强劲反弹，主要的推动力来自中国等新兴地区的强劲销售——尽管这些地区汽车的电子化程度较低，以及美国、日本和欧洲等发达地区的旺盛需求，尤其是在安规的影响下。不过，由于市场旺销主要缘于制造商补充库存的需要，这一波上升势头极可能在今年下半年出现二度下滑。
因此，消费电子和手机市场仍将是2011年MEMS产业的主要增长动力。IHS iSuppli公司预计，在消费电子和手机市场，2011年MEMS营业收入将从2010年的16亿美元增长到21亿美元，同比增长25%。到2014年消费电子和手机应用领域的MEMS营业收入将达到37亿美元。
2010年全球MEMS销售额排名Top 30
资料来源： Yole Developpment,2011年4月
作为全球最大的消费电子和手机MEMS传感器供应商，意法半导体（ST）迄今为止已经推出了30款陀螺仪，包括多轴感应、30dps到6000dps量程的各种产品。2010年意法半导体MEMS传感器销售额（不包括面向喷墨打印机的代工业务）超过3.5亿美元，同比大增60%, 主要的成长动力就是MEMS陀螺仪在便携设备(特别是手机)中的应用。
该公司中国区技术市场经理吴卫东表示：“近几年MEMS传感器在手机中的使用比率越来越高，但是市场远未饱和。以陀螺仪为例，尽管它一直是业界热议的话题，但在手机中的实际使用率不足10%，因此市场潜力容量非常大，也是我们未来最为看好的领域。此外，地磁仪、压力传感器也是继加速度计之后在手机中逐渐广泛应用的器件。”
MEMS掘金平板电脑市场
除了手机，平板电脑也将在未来的MEMS与传感器市场中扮演非常重要的角色。实际上，在今年的消费电子展(CES)上，摩托罗拉、宏基和其它厂商展示的平板电脑都配备了MEMS加速计、陀螺仪、BAW滤波器甚至压力传感器。IHS iSuppli公司预测称， 到2014年平板电脑将成为消费与移动领域中的第二大MEMS应用市场。
SiTime公司CEO Piyush Sevalia
SiTime公司CEO Piyush Sevalia则非常看好MEMS时钟在平板电脑以及电子书市场的发展潜力，他说：“平板电脑以及电子书是目前业界成长最快速的产品之一，预估到2014年之前，全球将达2亿台的出货量。SiTime的SiT8003可编程低功耗MEMS振荡器系列可满足平板电脑及电子书设计中不同功能电路区块的所有频率需求，已成为众多此类产品的优异的参考时钟源。”根据市场调研机构Yole Development的报告，SiTime公司目前占据了全硅MEMS时钟市场的绝对领导地位，并拥有85%的市场占有率。
SiT8003在包括功耗、尺寸、效能等各个方面为平板电脑以及电子书设计者提供了更好的选择。在功耗方面，该系列产品在工作时仅3.5毫安 (3.5mA)，而在待机时仅5微安 (5 uA)；并提供全温 (-20℃~+70℃)工作环境达±25PPM的精准度。与传统石英振荡器相比，SiT8003系列产品在厚度上减少了30%，频率稳定性更好，并在防振抗震性有１０倍的提高，在可靠性上也有２０倍提高。
并且，由于采用了全硅CMOS工艺，SiT8003可实时编程快速实现许多客制化的功能。譬如，SiT8003上升下降时间可根据客户设计需要做实时调整，在无须修改PCB的情况下直接消除EMI等设计问题，以此帮助客户以最低成本，最快速度推出新产品。
多轴传感器开辟崭新应用
多轴集成化一直是MEMS产业的热议话题，ST近日推出了一款能够检测五个自由度的多传感器模块LSM320DL，该新产品在一个器件内整合一个三轴数字加速度计和一个双轴数字陀螺仪，能够检测最高16g的加速度和最大2000dps的俯仰轴和偏航轴的角速率。
吴卫东表示：“ 多传感器集成化为高精度运动检测在手机、导航系统、游戏机及众多的便携电子设备内的应用创造更多的新机会，如空中鼠标、智能遥控器、基于位置的服务等，都是未来十分看好的应用。”
ADI最近也新增了两款高集成MEMS多轴传感器，分别是角速率陀螺仪ADIS16135和六自由度惯性测量单元(IMU) ADIS16385。 这是ADI第四代MEMS陀螺仪器件，采用先进的差分四传感器设计，可在强烈冲击和振动状态下精确地工作, 与市场上的其它高性能MEMS陀螺仪相比，新款陀螺仪功耗仅为竞争性器件的十分之一，而且可以提供更高的稳定性和抗振性能。
该公司微机电事业部市场经理Stephen Wu还指出，若要更出色地服务有着广泛客户群的中国市场，则需要更为技术更为全面的陀螺仪——除了提供高品质技术策略，还帮助降低成本并提高绩效和市场收益——为此ADI新推出了高性价比的ADXRS652 偏航角速度陀螺仪来满足这一市场需求。
ADXRS652不仅采用了表面微加工工艺，内置低成本、功能完整的角速率传感器，还集成了所有必要的信号调理电子器件以产生与Z轴的角速率成比例的稳定输出电压。通过外部电容建立0.01 Hz至2500 Hz的带宽，并利用温度输出对传感器执行温度校准。这款器件的自测输入还能提供机电激励，测试传感器和信号调理电路是否正常工作。ADXRS652抗冲击能力达到2000 g，专门针对工业应用、惯性测量单元和平台稳定性而设计。
不过， 多传感器集成化在现阶段对于MEMS制造工艺依然是不小的挑战。“这是因为集成模块的制作工艺更难，生产良率也会显著下降，只有充分掌握其中每一门技术，才能保证器件的性能稳定性。”吴卫东表示，“作为市场的先行者，意法已经掌握了MEMS制造技术优势，因此才能成功推出两款集成模块（陀螺仪+地磁仪、陀螺仪+加速度计），但是，MEMS与其他非MEMS技术传感器的集成依然很困难。”[!--empirenews.page--]
发展遭遇系统级设计挑战
尽管如此，MEMS传感器设计集成化的脚步已经不可阻挡。Stephen Wu指出，企业只有做新才能获取更多的利润，MEMS芯片与IC芯片整合、封装在一起是集成电路技术发展的新趋势，也是传统IC厂商的新机遇。“我们认为，也许在未来的10年中，MEMS传感器设计需要被供应商须进一步优化，从而能够使其提供更加强大的功能，并为使用者降低整体成本做出贡献。而这对于MEMS的运动检测的发展和前进步伐也起着至关重要的作用。”他说。
谈到传感器和IC芯片的进一步集成趋势，吴卫东则认为不能一概而论，要针对具体应用具体分析：首先，传感器和MCU集成在技术上完全可以实现，意法结合MCU的MEMS模块已近在研发当中。但是不同的应用市场对MCU的需求不同，在为客户开发带来便利，可能欠缺了灵活性，所以集成并非绝对的好，关键还是看市场需求。例如手持设备处理器已经足够强大，就不需要额外的MCU。”他说。
第二，在一个模块集成多个传感器，可以方便用户使用，但是需要考虑的是，模块方案的性价比未必优于使用单个器件的方案。 并且，尽管很多供应商都宣布已经实现了模块集成，但很多只停留在实验室阶段，只有真正商用化的量产方案才有实际意义。
最后，在选择多传感器组合方案时，还有一个不容忽视的因素是，除了提供硬件本身，软件也是很重要的价值体现。ST的iNEMO评估板可以提供十个自由度（加速度、陀螺仪、地磁仪、气压计）利用传感器实现对物体空中姿态的识别。基于该平台可以做很多二次开发的设计。
Stephen Wu对此表示认同，他说：“目前，MEMS器件发展面临的挑战主要来自系统级设计、测试、分析、嵌入式软件的开发、以及电源管理技术。我们认为，要获得MEMS市场的成功，供应商不仅应该关注基本运动检测或增加新功能，必须能够应对更多需求和挑战，新型MEMS传感器设计必须在所有条件下，包括在各种振动和温度差异，巨大幅度的冲击的环境下，保持足够的灵敏度、噪声等关键特性。此外，设计人员必须提供有价值的系统性能改进，从而实现过程的自动化、并减少系统停机时间，从而降低成本。”
晶圆代工潜力巨大
市场需求的不断扩大，也带动了MEMS晶圆代工市场的兴起，全球最大的几家半导体代工厂如台积电、联电都已开始介入MEMS产业，部分领先MEMS制造商如ST、TI等也都提供代工服务。据Yole Development统计数据显示，意法半导体是目前全球最大的MEMS代工厂，2010年相关营收大约是2.04亿美元。
IMT(Innovative Micro Technology) 成立于2000年，是一家纯MEMS代工厂，在加州圣巴巴拉(Santa Barbara)拥有占地13万平方尺的厂房， 该公司业务发展副总裁Craig T. Trautman表示：“目前我们有近八成的客户是Fabless设计公司，尽管目前MEMS市场多半仍由IDM所主导，但代工市场增长潜力巨大。”
Piyush Sevalia也坦言，作为一家Fabless设计公司，SiTime公司的优势之一就是可以将其生产全部外包给世界第一流的IC代工厂和封装测试代工厂，以保持最低成本。“这使我们可以利用半导体巨大并现有的基础设施以最短的供货期来满足我们客户不断变化的需求。同时，外包生产使我们在亚洲不同的地区同时设置封装测试生产伙伴，在自然灾害或其他意外情况下可更有效的保持货源的持续性。”他说。
2010年全球MEMS代工业务营收排名Top 20
资料来源： Yole Developpment,2011年4月
除此之外， 中国大陆的一些半导体代工大厂也已开始进入MEMS代工领域，如中芯国际、上海先进半导体等，这为本地MEMS芯片制造提供了很好的生产平台。上海先进半导体（ASMC）是中国大陆地区唯一一家专注于模拟器件代工的企业，，专注于双极型混合信号IC制造，年产能大约为80万片。该公司从2009年起开始投入MEMS器件的代工服务，目前的产能是3000片/月，生产良率达到了80%。
上海先进总裁谢志峰博士
该公司总裁谢志峰博士表示：“过去MEMS制造有很多技术问题没有解决，但是现在，MEMS供应商已经成功冲破了可靠性、成本和大规模生产的障碍，使用者对MEMS的需求推动了该领域的快速进步和发展。我们目前和中国科学院微系统研究室紧密合作，加大对研发和设备的投入，未来将重点投入汽车、消费电子和医疗电子领域的MEMS产品开发。”
为满足不同客户的需求, 除可提供从产品概念到量产的全套MEMS代工服务外，上海先进还可以提供定制化代工服务，同客户一起完成原型设计、制造工艺开发等流程，谢志峰博士表示：“目前国内有很多Fabless MEMS传感器供应商苦于没有地方生产，上海先进的使命就是要为本土厂商提供MEMS的设计服务帮助。”
来自台湾的Asia Pacific Microsystem（APM）同样看到了中国公司的需求， 目前正在积极与中国大陆MEMS设计公司接触。该公司技术市场项目经理陈志学表示：“我们从07年开始涉足MEMS代工，目前是全球第四大的MEMS代工厂，可以生产6寸晶圆，采用10道光照，月产能达到12，000片，拥有具备硅通孔(TSV) 和3D封装技术，预计到2014年还将掌握 thin wafer（超薄晶圆）技术。相信凭借成熟的生产工艺与丰富的制造经验，加上地缘优势，可以为中国大陆的设计公司提供理想的代工服务。”
下载文档
