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微機電系統器件 微機電系統傳感器

時間:2021-04-30 點擊次數:

作為一個新接觸的行業,對當前時間點和截面的觀察往往是在短時間內形成的,行業內的【變化】感覺需要不斷的關注和時間積累。然后感謝學物理的朋友們的技術支持!超級歡迎跟磚討論!

傳感器是物聯網傳感層的核心,也是各類智能設備必不可少的設備。傳感器有著悠久的歷史,但隨著科學技術的發展,傳感器的材料、形狀、結構和工藝都在不斷變化和演變,其中微機電系統傳感器是一個重要的趨勢。

微機電系統是利用傳統半導體技術和材料,集微傳感器、微執行器、微機械機構、信號處理和控制電路于一體的微器件或系統。微機電系統是在半導體制造技術的基礎上發展起來的,它是將微電路和微機械按功能集成在芯片上,使一個毫米或微米級的微機電系統具有準確完整的電、機械和化學特性。

微機電系統傳感器是最成熟的高集成度微機電系統器件。下圖中的黑點是毫米級的MEMS傳感器。

傳感器根據工作原理可以分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。本文討論的慣性傳感器是物理傳感器中的機械傳感器之一,主要測量力是力。

1.慣性傳感器。

慣性傳感器用于檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉和多自由度(DoF)運動,是導航、定向和運動載體控制的重要組成部分。慣性傳感器主要包括加速度計和陀螺儀。

加速度計:通過三維確定物體的加速度方向,測量位移狀態。常見的應用是手機中的計步和舉手提亮屏幕。

陀螺儀:旋轉極快的轉軸與軸相連,外面有兩個萬向節和一個陀螺儀框架,允許它在三個軸的各個方向自由旋轉;測量沿一個軸或幾個軸的角速度,常見的應用有晃動、身體感覺、無人機等。

二、申請路徑。

1.消費類和汽車電子為主,基于慣性傳感;國際企業占主導,但本地廠商差距較大。

全球微機電系統傳感器行業發展迅速。2018年市場規模超過1000億元,預計到2023年將超過2000億元,2016-2023年CAGR整體將接近13%。

作為全球最大的電子產品生產基地,中國消費了全球近一半的MEMS器件。近年來,中國微機電系統消費電子產品的穩步增長帶動了加速度傳感器、陀螺儀和硅麥克風等微機電系統行業需求的快速增長,中國已成為全球微機電系統市場增長最快的地區。

消費類和汽車電子應用市場占整個MEMS傳感器市場的近70%,并且這個比例會隨著物聯網的發展而擴大。與全球相比,中國的微機電系統傳感器行業仍處于起步階段,強大的市場需求與相對薄弱的行業形成鮮明對比。本土的具有一定知名度和出貨量的MEMS企業還是屈指可數,在中國市場競爭的主要競爭對手還是跨國企業。

我國約有200家微機電系統傳感器設計制造企業,其中大部分屬于初創型中小企業。而且公司在業務規模、技術水平、產品結構等方面與國外有明顯差距。目前,國內60%到70%的設計產品集中在加速度計、壓力傳感器等領域。

能進入消費電子和汽車監管渠道的國內企業很少;可以大量出貨,一只手都數不過來。但是,能在這兩條軌道上進入主流廠商的都是值得關注的!

2.陀螺儀產品進化:基于慣性傳感器的多軸系統進化。

Axis3主要用于低端消費類電子設備,axis6是目前高端手機的最高配置,axis9-10處于場景測試階段。

3.加速度計:單一加速度計正逐漸被組合式傳感器取代。

經過四代更新換代,加速度傳感器更輕更小,已經從汽車和工業應用擴展到消費者。封裝形式也從陶瓷封裝擴展到晶圓級封裝、柵格陣列封裝等形式。

性能主要體現在耐沖擊性、穩定性、抗干擾性四個方面。耐沖擊性指標指的是承受超強沖擊的能力,穩定性指標指的是對外來應力的耐受性,抗干擾指標指的是對外來高頻信號的自然濾波。

技術原理上,美國的PCB傳感器公司采用壓電式(主要用于橋梁監測等極端領域),博世、STF、飛思卡爾主要采用電容式,熱對流式主要采用AKM、美信。目前主流是電容式,熱式形成了寡頭格局,壓電式占比相對較小。

電容測量范圍廣,功耗低,可以應用于很多領域,也是目前市場的主流。熱敏型具有突出的抗沖擊性和穩定性,但測量范圍窄。目前主要用于汽車側氣囊,而功耗高,很難使用手機。然而,電容產品并沒有被國內制造商做得突出。

六軸慣性模塊在汽車、手機中高端市場逐漸取代了原來的純加速度計,單加速度計市場處于緩慢下滑階段;加速度計市場可能需要拓展新的應用(就像歷史更悠久的霍爾磁感應一樣,保持了技術在不斷拓展的應用領域的長期生命力)。

目前所有智能手機的高端手機約50%直接搭載6軸IMU,直接包含加速度計和陀螺儀的功能;剩下的50%是單加速度計,用在低端手機上。

第三,趨勢觀察。

1.產能是王道,IDM是稀缺資產。

微機電系統器件領域有三種主要模式:

IDM模式,即從設計、制造到模塊的能力,主要包括博世、意法半導體、TDK等。,其中博世產品份額全球第一;

無廠模式,即專注于器件設計、制造采用外包OEM模式,如婁氏電子(MEMS麥克風)、InvenSense(慣性傳感器);→無晶圓廠設計公司的興起給專業晶圓廠、封裝和測試工廠帶來了機遇,也加速了微機電系統各個方面的分工趨勢。

代工模式,即以代工為主,全球主要企業包括TSMC、思萊克斯、X-Fab等。

由于微機電系統器件不同于傳統的集成電路行業,微機電系統的生產具有很強的特殊工藝特點(一個產品,一個設計,一個封裝)。從一條生產線換到另一條生產線需要長時間的重新調整、設置等。,這需要微機電系統設計制造商和代工廠之間非常緊密的結合;傳統IC行業因為EDA和下游代工廠的深度綁定,非常規范,可以用圖紙生產。與傳統的集成電路所有標準環節都聚集在一起不同,MEMS是人的感官和神經,兩者有很大的不同,沒有標準單元可用。微機電系統生產需要調整很多參數和訣竅,所以對于有經驗的技術人員來說是非常罕見的。

封裝測試比制造更重要。由于單個微機電系統的用途、環境和目的不同,對封裝有各種完全不同的要求。比如防水和不防水的硅麥是有區別的,氣壓傳感器需要對外開放,不能密封。在整個微機電系統生產中,封裝和測試成本占35%-60%以上。龍頭企業一般都是把晶圓制造和封裝檢測控制在自己手里(比如博世的晶圓生產線和封裝檢測生產線都在德國,制造部分由韓國和德國的外包工廠完成)。

所以我們一直在思考,MEMS行業能否像IC行業一樣形成純無晶圓廠+代工廠的模式。目前國內有一家企業正在嘗試這樣做:賽微電子(奈威科技),但據了解目前進展不是很順利。這種模式值得長期觀察。

那么在無晶圓廠+代工廠的道路還沒有完全完成之前,IDM模式已經成為最理想的MEMS生產模式。由于供應鏈的復雜性和流程差異,為了保證傳感器企業發展到一定規模,他們會開始考慮建設制造生產線,即向IDM模式發展,以保證生產和供應鏈的各個階段都是獨立可控、穩定可靠的。國際巨頭企業大多處于IDM模式,而國內只有一家IDM企業:上市公司蘭斯微,主要經營低端功率器件和傳感器(MEMS器件是蘭斯微目前的邊緣業務,占比不到10%)。

2.國內替代趨勢較快,但窗口期也很短。

與全球相比,中國的微機電系統傳感器行業仍處于起步階段,市場需求強勁。

- 深圳市力準傳感技術有限公司是專業生產高品質、高精度測力傳感器廠家。主要產品有微型拉壓力傳感器、拉桿式拉壓傳感器、S型拉壓力傳感器、環形傳感器、柱式傳感器、軸銷類傳感器、稱重類傳感器、多軸力傳感器、扭矩傳感器、微型位移傳感器、壓力變送器(液壓傳感器)、變送器/放大器、控制儀表、以及手持儀等力控產品達百余種,并已獲得多項國家專 利;

- 產品廣泛應用于10多種新型和智能化高端領域,包括工業自動化生產線、3C、新能源、機器人、機械制造、醫療、紡織、汽車、冶金以及交通等領域;

- 產品技術持續創新、新品研發能力強。


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