自面世以來(lái),MEMS產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。
自90年代第一個(gè)產(chǎn)品開(kāi)始,傳感器從先測(cè)量壓力,到測(cè)量加速度(聲學(xué)/機(jī)械量),然后轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)傳感(陀螺儀)和可見(jiàn)光管理(DLP),然后再進(jìn)行可見(jiàn)光以外的光傳感(微測(cè)輻射熱計(jì),熱電堆),微流體,RF ,超聲,多光譜等。
現(xiàn)在,我們正朝著更全面的感知時(shí)代邁進(jìn),其中許多參數(shù)由許多不同的傳感器(例如傳感器集線器)進(jìn)行監(jiān)控。此外,MEMS正朝著更多處理/計(jì)算的時(shí)代邁進(jìn),因?yàn)樗鼮閿?shù)據(jù)帶來(lái)了更高的質(zhì)量。
如圖1所示,2019年,全球MEMS市場(chǎng)規(guī)模達(dá)115億美元。其中包括以下MEMS設(shè)備,其應(yīng)用廣泛,包括:噴墨頭,壓力,麥克風(fēng),慣性,IR,Si微流體,光學(xué),RF,振蕩器,環(huán)境,超聲波,微型揚(yáng)聲器等。
由于某些特定市場(chǎng)上受到COVID-19的負(fù)面影響,今年收入預(yù)計(jì)將下降5.2%:
圖1
由于疫情封鎖期間對(duì)汽車需求的急劇下降,而且由于經(jīng)濟(jì)不安全,汽車MEMS市場(chǎng)將受到影響。此外,汽車工廠長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉,加劇了負(fù)面影響。
在國(guó)防和航空航天領(lǐng)域,由于今年初航空旅行癱瘓,主要用于民航的傳統(tǒng)MEMS傳感器(壓力,慣性)將受到影響,而且新飛機(jī)訂單減少了。國(guó)防應(yīng)用中使用的MEMS不會(huì)受到太大影響,因?yàn)檎?jì)劃仍將繼續(xù),并且采購(gòu)預(yù)算不變。
在消費(fèi)類應(yīng)用中,影響取決于終端系統(tǒng)。到2020年,由于人們擔(dān)心自己的工作,移動(dòng)需求似乎仍然很低,經(jīng)濟(jì)不安全感促使許多人推遲升級(jí)。但在2020年上半年,PC /筆記本電腦/平板電腦的需求一直強(qiáng)勁,因?yàn)橛脩粢呀?jīng)購(gòu)買新系統(tǒng),以應(yīng)付逗留在家中的需求,無(wú)論是專業(yè)和教育/消遣。
來(lái)自醫(yī)療,工業(yè)和電信的收入不會(huì)受到太大影響。相反,由于其在大流行中的應(yīng)用,醫(yī)療和工業(yè)MEMS有望在2020年實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng):用于PCR診斷的微流控技術(shù),用于呼吸機(jī)的壓力和流量計(jì),可幫助處于ICU重癥呼吸道疾病的患者,溫度槍中的熱電堆也發(fā)展迅猛,因?yàn)榘l(fā)熱是COVID-19的主要癥狀之一,這就使得熱像儀中的測(cè)微輻射熱計(jì)有助于篩查發(fā)熱的人,這就帶來(lái)了相關(guān)傳感器的繁榮。
從2021年起,MEMS市場(chǎng)將恢復(fù)增長(zhǎng),預(yù)計(jì)到2025年市場(chǎng)將達(dá)到近177億美元,2019- 2025年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為7.4%。相對(duì)于市場(chǎng)規(guī)模而言,最大的增長(zhǎng)預(yù)計(jì)來(lái)自消費(fèi),工業(yè)和醫(yī)療MEMS。Yole在2019日歷中的先前分析預(yù)測(cè)到2024年將達(dá)到約180億美元,因此由于COVID-19的放緩,這一預(yù)測(cè)被推遲了一年。
價(jià)格低廉,MEMS何去何從?
在過(guò)去的幾年中,MEMS市場(chǎng)一直存在價(jià)格壓力,特別是在消費(fèi)和汽車應(yīng)用中(圖2)。
圖2
從歷史上看,各種各樣的設(shè)備ASP侵蝕浪潮已經(jīng)出現(xiàn),首先是在汽車市場(chǎng)(慣性,壓力),然后是在消費(fèi)電子產(chǎn)品(慣性,壓力,麥克風(fēng)),其次是RF連接(BAW濾波器),并在其他消費(fèi)品中被廣泛采用(用于例如可穿戴設(shè)備中的慣性MEMS和麥克風(fēng))。我們現(xiàn)在處于價(jià)格無(wú)法低得太多的價(jià)位($ 0.4- $ 0.5)。
實(shí)際上,某些MEMS(例如慣性,麥克風(fēng)等)的價(jià)格已經(jīng)低至0.1-0.2美元,但仍將需要一些有源傳感區(qū)域(Si),而這些成本將與基線成本一起出現(xiàn)。此外,除了BOM之外,即使利潤(rùn)非常低,公司仍需要一些利潤(rùn)。因此,問(wèn)題是,我們下一步要去哪里?各種方案都是可能的:
首先,由于COVID-19的供需調(diào)整,ASP可能會(huì)在供應(yīng)分配的推動(dòng)下暫時(shí)略有上升,然后回落到COVID之前的水平,并繼續(xù)緩慢下降。
由于工業(yè),醫(yī)療和消費(fèi)者物聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì),有可能出現(xiàn)新一輪更強(qiáng)的ASP侵蝕浪潮。
由于增加了與傳感器結(jié)合的功能,例如更多軟件,數(shù)據(jù)預(yù)處理,邊緣計(jì)算,邊緣AI等,ASP將再次增加。
Yole認(rèn)為玩家將嘗試通過(guò)向傳感器添加功能/處理來(lái)獲取更多價(jià)值,因此第三種情況或第一種和第三種情況的混合是最可能的。
每個(gè)MEMS器件的獨(dú)特性將驅(qū)動(dòng)其未來(lái)
在整個(gè)市場(chǎng)上,AV,EV,ADAS,AR / VR,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)工廠,醫(yī)療保健轉(zhuǎn)型和遠(yuǎn)程醫(yī)療受到了電子產(chǎn)業(yè)大趨勢(shì)中的影響。MEMS涵蓋了廣泛的領(lǐng)域,包括與不同的最終市場(chǎng)/應(yīng)用相關(guān)的多種類型的MEMS器件。
盡管2018年與頂級(jí)消費(fèi)公司提供的忠誠(chéng)度計(jì)劃有關(guān),但由于數(shù)字化,噴墨打印頭消費(fèi)市場(chǎng)正遭受家用打印機(jī)需求疲軟的困擾。與噴墨打印機(jī)競(jìng)爭(zhēng),基于噴墨的單次通過(guò)辦公室打印機(jī)的需求仍然很低。
未來(lái),由于商業(yè)和工業(yè)市場(chǎng)對(duì)大型MEMS打印頭的需求,預(yù)計(jì)會(huì)有小幅增長(zhǎng)。在工業(yè)應(yīng)用中或在墨水可能阻塞噴嘴的情況下,墨水再循環(huán)對(duì)于噴墨打印頭制造商變得越來(lái)越重要,因?yàn)檫@能提高打印質(zhì)量和打印頭壽命。
綠色機(jī)動(dòng)性趨勢(shì)將導(dǎo)致汽車中需要更多的壓力傳感器(MAP,BAP,變速箱油壓,GPF,DPF等),部分被向更多EV(無(wú)ICE動(dòng)力總成)的轉(zhuǎn)移所抵消。盡管TPMS市場(chǎng)在2019年遭受重創(chuàng),但工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用將會(huì)成為未來(lái)的成長(zhǎng)動(dòng)力,例如過(guò)程控制和HVAC以及血液監(jiān)測(cè)設(shè)備和呼吸設(shè)備。可以肯定的是,汽車系統(tǒng)和消費(fèi)品制造商對(duì)平均售價(jià)的強(qiáng)勁需求使設(shè)備制造商承受著巨大的壓力。
語(yǔ)音個(gè)人助理(VPA)的流行,例如Apple的Siri,亞馬遜的Alexa和Google Assistant,已將音頻技術(shù)推向采用VPA作為新的人機(jī)界面的新系統(tǒng)。這個(gè)界面可以看作是一個(gè)小工具,例如用于智能手機(jī),但是對(duì)于廚房/智能家居助手或智能手表則更明顯,因?yàn)樗鼈兊目稍L問(wèn)性或小巧的尺寸阻止了觸摸界面的出現(xiàn)?;蛴糜谄嚕?yàn)樵隈{駛時(shí)雙手需要避免觸摸屏。語(yǔ)音互聯(lián)網(wǎng)的普遍趨勢(shì)將推動(dòng)MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)。
慣性傳感器變得越來(lái)越智能。性能一直在不斷提高,從而允許以算法的形式在傳感器級(jí)別和許多用例(步數(shù),手勢(shì)識(shí)別,體育活動(dòng)識(shí)別)上添加功能。它們?cè)诒=『徒∩砜纱┐髟O(shè)備方面也具有很高的潛力,并且正在用于監(jiān)測(cè)患者活動(dòng)的醫(yī)療可穿戴應(yīng)用程序的場(chǎng)景中獲得支持。他們從獨(dú)立傳感器到更多組合(IMU)的趨勢(shì)仍在繼續(xù)。
光學(xué)MEMS仍在掙扎(例如投影儀和微型投影儀)。但是,用于LIDAR或其他光投影應(yīng)用的MEMS微鏡似乎很有前途,許多公司都押注這項(xiàng)技術(shù),當(dāng)中包括AEYE,Luminar,Velodyne,Robosense,Benewake,Valeo,Infineon,Innoviz。
由于COVID-19,熱感測(cè)/成像MEMS(熱電堆和測(cè)微輻射熱計(jì))的發(fā)燒檢查應(yīng)用需求激增。如果滿足技術(shù)/成本要求并且對(duì)消費(fèi)者進(jìn)行了此項(xiàng)技術(shù)的教育,那么在2020年的這種熱潮可能導(dǎo)致熱成像/傳感(集成在智能手機(jī)中)的消費(fèi)化。華為于2020年6月發(fā)布了智能手機(jī)Honor Play 4 Pro就集成了用于溫度測(cè)量的熱傳感器。
在微流體(microfluidics)領(lǐng)域,越來(lái)越多的有前途的公司正在使用硅芯片進(jìn)行即時(shí)檢驗(yàn),這將擴(kuò)大該細(xì)分市場(chǎng)的規(guī)模?;诠? CMOS芯片的新型即時(shí)醫(yī)療產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)中,并開(kāi)始投放市場(chǎng)(InSilixa,DNAe,Mobinostics,Qorvo Biotechnologies,Genalyte,Ontera),并且這種趨勢(shì)在未來(lái)幾年肯定會(huì)繼續(xù)。COVID-19也將促進(jìn)基于微流體的診斷測(cè)試市場(chǎng)。
5G將越來(lái)越多地在智能手機(jī)中采用,它將需要基于RF MEMS的4×4 MIMO濾波器。滲透速度快于預(yù)期可能會(huì)導(dǎo)致高頻BAW技術(shù)的加速發(fā)展。預(yù)計(jì)該市場(chǎng)將繼續(xù)增長(zhǎng),特別是由于專用于5G的新頻段的到來(lái)。多家制造商的電話中越來(lái)越多地采用MEMS計(jì)時(shí)(振蕩器),在部署新的5G基站時(shí)也需要它們。
包括麥克風(fēng),溫度,濕度和壓力傳感器在內(nèi)的環(huán)境(開(kāi)放式)hubs對(duì)智能家居設(shè)備/產(chǎn)品越來(lái)越感興趣。同樣,除了將氣體傳感器集成到汽車中之外,另一種可能性是例如在城市關(guān)鍵點(diǎn)的各種基礎(chǔ)設(shè)施中使用它們。然后,汽車可以通過(guò)V2X連接到這些基礎(chǔ)設(shè)施,從而以這種方式獲取本地空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)信息。
最后,對(duì)諸如微型揚(yáng)聲器之類的未來(lái)MEMS的需求將不斷增長(zhǎng),它們可以利用其潛力來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗,更小尺寸以及更高的聲音指向性,并集成到許多消費(fèi)類設(shè)備中。
傳統(tǒng)的電動(dòng)揚(yáng)聲器技術(shù)已經(jīng)超過(guò)50年沒(méi)有大的改變了,而MEMS可以為小型化提供替代方案。Butterfly Networks公司通過(guò)其cMUT為超聲民主化和醫(yī)學(xué)檢測(cè)消費(fèi)化開(kāi)辟了道路。
此外,盡管與其他技術(shù)(光學(xué)指紋或3D面部識(shí)別以解鎖手機(jī)等)一直存在競(jìng)爭(zhēng),但智能手機(jī)中用于超聲指紋傳感器的pMUT似乎很有希望。在數(shù)據(jù)充斥的世界中需要更好的隱私可能意味著,出于冗余的考慮,將有多個(gè)身份驗(yàn)證解決方案是強(qiáng)制性的。
下一步和前進(jìn)的方向?
MEMS是成熟的技術(shù),在過(guò)去的10年中,MEMS制造領(lǐng)域沒(méi)有出現(xiàn)重大突破。主要的技術(shù)趨勢(shì)正在轉(zhuǎn)變;以前,他們是要提高產(chǎn)量,降低成本,提高集成度;現(xiàn)在,MEMS設(shè)備正在向更高的精度,超低功耗和嵌入式智能轉(zhuǎn)變。
此外,MEMS市場(chǎng)正面臨一些挑戰(zhàn)。一方面,增加新一代MEMS器件的開(kāi)發(fā)成本需要更多。為此我們需要不斷地?cái)U(kuò)展的市場(chǎng),以分?jǐn)傔@些成本并最大程度地降低任何相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。另一方面,僅關(guān)注傳感器本身(在傳感器/硬件級(jí)別)及其固有性能不足以打開(kāi)新市場(chǎng)。
為了從傳感器和其他類型的數(shù)據(jù)(慣性,音頻,環(huán)境等)中獲得更多價(jià)值,需要邁向更加復(fù)雜的算法,軟件和計(jì)算級(jí)別。例如,一個(gè)目標(biāo)是使智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備變得更智能,以便它們可以預(yù)測(cè)用戶需求。因此,可以融合各種輸入,例如GPS和慣性/壓力傳感器(位置),日歷,旅行預(yù)約,運(yùn)動(dòng)傳感器(活動(dòng)水平)等。
從他們的角度來(lái)看,MEMS傳感器制造商正在尋求差異化,同時(shí)試圖提升價(jià)值鏈并同時(shí)保持成本效益。為此,他們可以遵循以下三個(gè)路徑之一(圖3):
通過(guò)開(kāi)拓新市場(chǎng)來(lái)尋找新的應(yīng)用和用例;
通過(guò)應(yīng)用于現(xiàn)有用例的改進(jìn)算法和軟件來(lái)匯總功能;
添加額外的處理并最終進(jìn)行計(jì)算,這可能會(huì)轉(zhuǎn)化為更多的Si出售給同一客戶。
圖3
當(dāng)然,這些不是唯一的選擇。有些玩家已經(jīng)在追求價(jià)值的過(guò)程中遵循不同的策略(圖4)。博世就是一個(gè)例子,它使用高通的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)針對(duì)現(xiàn)有客戶用例改進(jìn)其算法。示例包括具有改進(jìn)的角度檢測(cè)算法的汽車應(yīng)用陀螺儀以及具有改進(jìn)的傳感算法的環(huán)境傳感器。
圖4
像Knowles這樣的音頻玩家會(huì)更多地押注傳感器附近的數(shù)據(jù)處理以及邊緣的額外智能。這就是他們?cè)贕oogle Pixel Phone上實(shí)現(xiàn)的。Pixel 3合并了3個(gè)Knowles的麥克風(fēng)(每個(gè)成本0.25美元),但在Pixel 4中,他們成功贏得了應(yīng)用處理器之外的獨(dú)立音頻處理器的design-win(成本為1.5美元),最終設(shè)法提高了價(jià)值與這個(gè)客戶的比例提高了200%。
TDK與高通公司合作,開(kāi)發(fā)套件(RoboKit)結(jié)合使用融合算法和高通的AI引擎。意法半導(dǎo)體(ST)擁有一種慣性傳感器產(chǎn)品(iNemo,它是MEMS IMU),該產(chǎn)品在MCU中包含嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)核心。
最后,有一些在邊緣AI上工作的初創(chuàng)公司不一定制造傳感器,而是與MEMS玩家(英飛凌與Aspinity和Syntiant,意法半導(dǎo)體與Cartesiam)合作以利用傳感器數(shù)據(jù)。邊緣的處理和智能,尤其是針對(duì)MEMS麥克風(fēng)和慣性的智能,變得越來(lái)越重要。
先前的示例指出了一件事情:從軟件到硬件再到系統(tǒng)級(jí),生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)參與者的協(xié)作是必不可少的,因?yàn)檫@能促使該行業(yè)向前發(fā)展。最后,整體感知是關(guān)鍵,尤其是現(xiàn)在最終用戶需要更完整的解決方案,而不是獨(dú)立的組件。
為了使MEMS廠商擺脫商品化周期和傳感器價(jià)值下跌的影響,他們可以通過(guò)更改業(yè)務(wù)模型或通過(guò)并購(gòu)來(lái)重新定位自己,將價(jià)值鏈向上轉(zhuǎn)移至更多數(shù)據(jù)處理并最終進(jìn)行計(jì)算,這首先可以在云中完成并最終在邊緣(圖5)。
圖5
一個(gè)非常新鮮的例子支持了這種觀點(diǎn):mCube(一家慣性MEMS公司)最近收購(gòu)了Kinduct,這是一家主要為體育運(yùn)動(dòng)員(但不僅限于此)提供完整分析平臺(tái)解決方案的公司,它利用了在云端處理的慣性傳感器數(shù)據(jù)并可以提供對(duì)客戶可行的見(jiàn)解。Kinduct擁有豐厚的客戶名單,例如奧運(yùn)會(huì)委員會(huì),NFL和NBA的知名人物等等。mCube了解了當(dāng)前的問(wèn)題,并瞄準(zhǔn)了這一增長(zhǎng)接力點(diǎn)。與我們周圍的超靈敏可穿戴設(shè)備和其他智能產(chǎn)品相關(guān)的可行見(jiàn)解變得越來(lái)越重要。
可以肯定的是,來(lái)自MEMS(以及其他傳感器)數(shù)據(jù)的額外智能將推動(dòng)傳感器和系統(tǒng)級(jí)的更多創(chuàng)新,并為MEMS行業(yè)打開(kāi)新的機(jī)遇。