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微机电系统器件 微机电系统传感器

时间:2021-04-30 点击次数:

作为一个新接触的行业,对当前时间点和截面的观察往往是在短时间内形成的,行业内的【变化】感觉需要不断的关注和时间积累。然后感谢学物理的朋友们的技术支持!超级欢迎跟砖讨论!

传感器是物联网传感层的核心,也是各类智能设备必不可少的设备。传感器有着悠久的历史,但随着科学技术的发展,传感器的材料、形状、结构和工艺都在不断变化和演变,其中微机电系统传感器是一个重要的趋势。

微机电系统是利用传统半导体技术和材料,集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路于一体的微器件或系统。微机电系统是在半导体制造技术的基础上发展起来的,它是将微电路和微机械按功能集成在芯片上,使一个毫米或微米级的微机电系统具有准确完整的电、机械和化学特性。

微机电系统传感器是最成熟的高集成度微机电系统器件。下图中的黑点是毫米级的MEMS传感器。

传感器根据工作原理可以分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。本文讨论的惯性传感器是物理传感器中的机械传感器之一,主要测量力是力。

1.惯性传感器。

惯性传感器用于检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(DoF)运动,是导航、定向和运动载体控制的重要组成部分。惯性传感器主要包括加速度计和陀螺仪。

加速度计:通过三维确定物体的加速度方向,测量位移状态。常见的应用是手机中的计步和举手提亮屏幕。

陀螺仪:旋转极快的转轴与轴相连,外面有两个万向节和一个陀螺仪框架,允许它在三个轴的各个方向自由旋转;测量沿一个轴或几个轴的角速度,常见的应用有晃动、身体感觉、无人机等。

二、申请路径。

1.消费类和汽车电子为主,基于惯性传感;国际企业占主导,但本地厂商差距较大。

全球微机电系统传感器行业发展迅速。2018年市场规模超过1000亿元,预计到2023年将超过2000亿元,2016-2023年CAGR整体将接近13%。

作为全球最大的电子产品生产基地,中国消费了全球近一半的MEMS器件。近年来,中国微机电系统消费电子产品的稳步增长带动了加速度传感器、陀螺仪和硅麦克风等微机电系统行业需求的快速增长,中国已成为全球微机电系统市场增长最快的地区。

消费类和汽车电子应用市场占整个MEMS传感器市场的近70%,并且这个比例会随着物联网的发展而扩大。与全球相比,中国的微机电系统传感器行业仍处于起步阶段,强大的市场需求与相对薄弱的行业形成鲜明对比。本土的具有一定知名度和出货量的MEMS企业还是屈指可数,在中国市场竞争的主要竞争对手还是跨国企业。

我国约有200家微机电系统传感器设计制造企业,其中大部分属于初创型中小企业。而且公司在业务规模、技术水平、产品结构等方面与国外有明显差距。目前,国内60%到70%的设计产品集中在加速度计、压力传感器等领域。

能进入消费电子和汽车监管渠道的国内企业很少;可以大量出货,一只手都数不过来。但是,能在这两条轨道上进入主流厂商的都是值得关注的!

2.陀螺仪产品进化:基于惯性传感器的多轴系统进化。

Axis3主要用于低端消费类电子设备,axis6是目前高端手机的最高配置,axis9-10处于场景测试阶段。

3.加速度计:单一加速度计正逐渐被组合式传感器取代。

经过四代更新换代,加速度传感器更轻更小,已经从汽车和工业应用扩展到消费者。封装形式也从陶瓷封装扩展到晶圆级封装、栅格阵列封装等形式。

性能主要体现在耐冲击性、稳定性、抗干扰性四个方面。耐冲击性指标指的是承受超强冲击的能力,稳定性指标指的是对外来应力的耐受性,抗干扰指标指的是对外来高频信号的自然滤波。

技术原理上,美国的PCB传感器公司采用压电式(主要用于桥梁监测等极端领域),博世、STF、飞思卡尔主要采用电容式,热对流式主要采用AKM、美信。目前主流是电容式,热式形成了寡头格局,压电式占比相对较小。

电容测量范围广,功耗低,可以应用于很多领域,也是目前市场的主流。热敏型具有突出的抗冲击性和稳定性,但测量范围窄。目前主要用于汽车侧气囊,而功耗高,很难使用手机。然而,电容产品并没有被国内制造商做得突出。

六轴惯性模块在汽车、手机中高端市场逐渐取代了原来的纯加速度计,单加速度计市场处于缓慢下滑阶段;加速度计市场可能需要拓展新的应用(就像历史更悠久的霍尔磁感应一样,保持了技术在不断拓展的应用领域的长期生命力)。

目前所有智能手机的高端手机约50%直接搭载6轴IMU,直接包含加速度计和陀螺仪的功能;剩下的50%是单加速度计,用在低端手机上。

第三,趋势观察。

1.产能是王道,IDM是稀缺资产。

微机电系统器件领域有三种主要模式:

IDM模式,即从设计、制造到模块的能力,主要包括博世、意法半导体、TDK等。,其中博世产品份额全球第一;

无厂模式,即专注于器件设计、制造采用外包OEM模式,如娄氏电子(MEMS麦克风)、InvenSense(惯性传感器);→无晶圆厂设计公司的兴起给专业晶圆厂、封装和测试工厂带来了机遇,也加速了微机电系统各个方面的分工趋势。

代工模式,即以代工为主,全球主要企业包括TSMC、思莱克斯、X-Fab等。

由于微机电系统器件不同于传统的集成电路行业,微机电系统的生产具有很强的特殊工艺特点(一个产品,一个设计,一个封装)。从一条生产线换到另一条生产线需要长时间的重新调整、设置等。,这需要微机电系统设计制造商和代工厂之间非常紧密的结合;传统IC行业因为EDA和下游代工厂的深度绑定,非常规范,可以用图纸生产。与传统的集成电路所有标准环节都聚集在一起不同,MEMS是人的感官和神经,两者有很大的不同,没有标准单元可用。微机电系统生产需要调整很多参数和诀窍,所以对于有经验的技术人员来说是非常罕见的。

封装测试比制造更重要。由于单个微机电系统的用途、环境和目的不同,对封装有各种完全不同的要求。比如防水和不防水的硅麦是有区别的,气压传感器需要对外开放,不能密封。在整个微机电系统生产中,封装和测试成本占35%-60%以上。龙头企业一般都是把晶圆制造和封装检测控制在自己手里(比如博世的晶圆生产线和封装检测生产线都在德国,制造部分由韩国和德国的外包工厂完成)。

所以我们一直在思考,MEMS行业能否像IC行业一样形成纯无晶圆厂+代工厂的模式。目前国内有一家企业正在尝试这样做:赛微电子(奈威科技),但据了解目前进展不是很顺利。这种模式值得长期观察。

那么在无晶圆厂+代工厂的道路还没有完全完成之前,IDM模式已经成为最理想的MEMS生产模式。由于供应链的复杂性和流程差异,为了保证传感器企业发展到一定规模,他们会开始考虑建设制造生产线,即向IDM模式发展,以保证生产和供应链的各个阶段都是独立可控、稳定可靠的。国际巨头企业大多处于IDM模式,而国内只有一家IDM企业:上市公司兰斯微,主要经营低端功率器件和传感器(MEMS器件是兰斯微目前的边缘业务,占比不到10%)。

2.国内替代趋势较快,但窗口期也很短。

与全球相比,中国的微机电系统传感器行业仍处于起步阶段,市场需求强劲。

- 深圳市力准传感技术有限公司是专业生产高品质、高精度测力传感器厂家。主要产品有微型拉压力传感器、拉杆式拉压传感器、S型拉压力传感器、环形传感器、柱式传感器、轴销类传感器、称重类传感器、多轴力传感器、扭矩传感器、微型位移传感器、压力变送器(液压传感器)、变送器/放大器、控制仪表、以及手持仪等力控产品达百余种,并已获得多项国家专 利;

- 产品广泛应用于10多种新型和智能化高端领域,包括工业自动化生产线、3C、新能源、机器人、机械制造、医疗、纺织、汽车、冶金以及交通等领域;

- 产品技术持续创新、新品研发能力强。


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