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新型MEMS压电器件的商机在哪里? ——MSIG国际物联网论坛热点前瞻(二)
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出自:大半导体产业网

物联网爆发前夕,AR/MR,可穿戴,智能家居,AI,智能汽车等新应用层出不穷。作为智能应用基石的MEMS传感器对于不同应用的多样化需求,应接不暇。根据Yole Developpement的统计,虽然汽车电子应用的需求和增长强劲,但消费电子应用依然占据高达70%的市场份额。
 
在消费应用领域,越来越挑剔的用户体验要求,提出了对MEMS传感器器件的更高要求,包括性能,尺寸,功耗,安全可靠。

在市场需求和压电材料的制备水平提高的双重因素下,MEMS压电器件在各个单品领域都作为下一代技术及产品受到了广泛的关注和看好。以下我们针对主要的几种新型MEMS压电器件(BAW射频滤波器,MEMS麦克风,MEMS微扬声器,超声指纹识别)进行分析,对比了解压电原理与传统的技术的优缺点及各自适用场景。

1. 体声波(BAW)射频滤波器:5G是BAW发展良机

RF MEMS是未来五年增长最快的MEMS器件。具体市场分析可参考《“MSIG国际物联网论坛2018”热点前瞻(一) ——2017年全球MEMS市场总结》。

RF滤波器是射频前端的关键部分。以单个频段需要2个滤波器来计算,4G LTE的射频前端系统构架(五模十七频)就需要30多个滤波器。专家预测,未来一部智能手机将支持90多个频段,RF滤波器的市场前景可见一斑。

目前在4G LTE的平台上,SAW滤波器具有工艺成熟及成本优势,占比达到70-80%。BAW布局在高性能、高频率、高功率的高端应用,SAW则适用于对成本和性能进行妥协的中低端应用。但是,随着5G时代的到来,载波频率需要高达60GHz,同时BAW的技术发展成熟,届时将会更有优势。

表1:新型BAW滤波器vs. SAW滤波器

 

BAW(Bulk Acoustic Wave) filter

SAW(Surface Acoustic Wave) filter

结构



三明治结构:上下为金属电极,中间为压电材料

压电层不能直接沉积在Si衬底

压电材料和2Interdigital Transducers(IDT)组成

常用压电材料

氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT)等

LiTaO3LiNbO3SiO2

原理

在输入端由压电效应把无线信号转换为声信号,传播到输出端,在输出端由逆压电效应将声信号转换为无线信号。

声波在压电薄膜里震荡形成驻波

声波在介质表面传播

优点

对温度变化不敏感

可在高达20GHz的高频工作

插入损耗小,带外衰减大

制造工艺与IC制造兼容,适合系统集成

技术成熟且产品一致性高

成本低

缺点

Q值导致量产一致性挑战

成本高

对温度变化敏感

工作频段有限(2.5GHz以内)

相关技术

按结构可分为BAW-SMRFBAR

TC-BAW是为了改善温度性能,而在IDT上增加了保护涂层的技术。

适用场景

工作频段:高频20GHz(适合5G未来)

功率:接近40dBm

工作频段:低频2.5GHz以内(4G市场占主导地位)

功率:小于33dBm

代表企业

Murata

Qorvo, Avago


总结:BAW的高频适用及温度不敏感使其在5G时代会有不可替代的技术优势,随着BAW工艺成熟及成本降低,会逐渐侵蚀SAW的市场。但是SAW也发展了TC-BAW技术以补偿其温度敏感缺陷,提高性能。未来,BAW不会完全取代SAW,而是会在各自适用的场景进行优化应用。

2. MEMS压电麦克风:未来发展取决于场景应用需求及压电材料的研发制造
在上一篇《“MSIG国际物联网论坛2018”热点前瞻(一) ——2017年全球MEMS市场总结》中已经分析过智能语音交互市场对麦克风的引爆,其中MEMS麦克受益最为明显,MEMS微扬声器也蓄势待发中。

新应用的爆发不仅促进了MEMS麦克风的出货量,也提高了对其性能和一致性的要求。传统电容式麦克风的信噪比已基本优化到极限,新型压电麦克风有固有的可靠及高信噪比优势,作为下一代MEMS麦克风得到广泛关注。

表2:新型MEMS压电麦克风 vs. 电容式麦克风

 

压电麦克风

电容式麦克风

结构



结构简单:单层膜结构

由振膜和背极板上下组成

原理

声波引起气压变化,引起薄膜形变并带动压电材料产生形变,压电效应产生相应的电信号输出。

声波引起气压变化,引起振膜相对于背板间距变化,产生一定比例的电容变化。

优点

可靠:防水,防尘,防震,抗颗粒

高信噪比:>70Db

一致性高,稳定性好

无需充电泵,PSRR高,启动时间短,功耗低

灵敏度高

制造工艺成熟稳定

缺点

工艺难点:压电材料AINPZT膜的沉积制造

易受环境影响,限制了应用场景

单层薄膜信噪比极限约为65db

灵敏度公差大,出厂后易漂移

适用场景

麦克风整列应用

环境不友好的情况:耳机,助听器,机器人等

传统消费电子,手机平板等。

代表企业

Vesper

KnowlesAACGoertekMEMSensing


总结:由于压电式MEMS麦克风的高信噪比及可靠稳定优势,在物联网趋势下,复杂场景应用大大利好压电MEMS麦克风的发展。但是由于压电材料的加工局限,压电麦克风还处于发展初期。而电容式原理成熟应用于各种MEMS器件,其工艺比较成熟稳定,而且多层振膜结构可以突破单层结构的信噪比极限。Invensense开发的一款电容式麦克风使用了4个MEMS振膜,信噪比达到70Db。

压电式MEMS麦克风的发展即受终端市场需求影响,也于上游压电材料的研发生产有关,所以是否能以及何时取代传统电容式MEMS麦克风还很难预测。

3.MEMS微扬声器(MEMS microspeakers): MEMS新品类

传统的扬声器需要音圈和磁体,尺寸大功耗高。在终端器件小型化轻便化发展的时代背景下,MEMS扬声器由于具有低成本,小尺寸,高可靠,低功耗以及易于集成等优势,技术发展和市场前景受到热切的期待。

2018年1月,意法半导体(ST)与USound联合推出的首个MEMS硅微扬声器,利用压电材料特性驱动振膜,无需其他类型MEMS扬声器的复杂信号处理电路。据报道该器件已交客户测试,预计在2019年终端量产。MEMS微扬声器可应用于3D sound场景,以及对尺寸及功耗要求严格的场合,如耳塞、耳机及AR/VR等可穿戴设备。据Yole Development报道,目前微扬声器市场总值87亿美金,预计MEMS微扬声器会在2019年正式商用,市场从2019年4百万美金增长到2022年4亿美金,年复合增长率高达117.22%。

4.超声指纹识别(Ultrasonic Fingerprint Sensor):适合全屏时代的安全可靠的指纹解决方案
Yole预测2017年指纹识别的市场规模为38亿美金,其中超声指纹只有1亿美金,而随着技术成熟及全屏手机的需求爆发,预计未来五年的复合年增长率达到73%,于2022年达到16亿美金市场规模。

从技术面来说,光学指纹识别是第一代技术,传统的光学指纹识别体积较大,不适合消费电子,主要应用在打卡机等。但是通过工艺的提升改进,新型光学指纹识别已经能做到足够小的体积应用到消费电子上。而电容指纹识别是第二代技术,也是消费电子上应用最广泛成熟的技术。在手机全屏设计的趋势下,第三代技术超声指纹识别由于其高穿透性及高安全可靠性,广受期待与关注。

表3:新型超声指纹识别 vs. 光学指纹识别vs. 电容指纹识别

 

超声指纹识别

光学指纹识别

电容指纹识别

结构及原理




以压电材料作为反射端和接收端,发出超声波,扫描真皮层,指纹不同对超声波的反射不同,建立3D指纹图形

射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射角度以及反射光线明暗不同,实现指纹测定

指纹传感器与导电的皮下电解液形成电场,指纹的高低起伏会导致二者之间的压差出现不同的编号,实现指纹测定

优点

适合屏下指纹识别

具较强的穿透性

抗汗和抗油污能力好

安全性最高:3D指纹识别

适合屏下指纹识别

技术成熟

耐磨损

技术成熟

活体指纹识别

体积小,成本低,精度高,耗电小

缺点

技术还不成熟,成本高

功耗大,识别速度慢

无法进行活体指纹识别

目前比较适合AMOLED屏幕

体积大,成本高,功耗大

抗汗和抗油污能力差

只能扫描表层且无法进行活体指纹识别

需要面板打孔实现功能,不适合于屏下指纹识别

抗汗和抗油污能力差

 

代表企业

SonavationInvensense,高通

汇顶、上海箩箕、新思

FPCSynapticsAuthentec,汇顶等


总结:在全屏手机需求背景下,超声指纹和光学指纹都是可实现的方案,但是超声指纹识别的高安全性和良好的抗汗和抗油污特性,更契合物联网的安全及可靠诉求,所以在需求端更有优势。

超声指纹识别和光学指纹识别还都在前期优化阶段,各自都面临了工艺制造及性能方面的权衡取舍,很难确定哪种技术能在即将到来的全屏时代占据先发优势。

2017年iPhoneX发布了Face ID的解决方案,让大家意识到,其实指纹识别只是生物解锁及安全加密的一种方式。只要有良好的用户体验,Face ID解锁或者是虹膜解锁都有可能取代指纹识别在手机中的应用。这给了指纹识别市场带来了更多不确定性,相信也会促使指纹识别大厂加快研发屏下指纹技术。

除了应用于以上器件,压电材料还可应用于新型喷墨打印头、非制冷红外探测器、晶体振荡器、能量采集器等。

最为广泛的压电材料是氮化铝(AlN)和压电陶瓷(PZT)。AIN虽然压电常数比PZT小,但是比较稳定,内部极化损耗低,适合于高频器件,特别是薄膜体声波器件(BAW)。低频器件则用PZT较多。

现在几乎所有的MEMS代工厂都提供压电材料的服务,包括STMicroelectronics, Rohm, Silex, SONY, IBM, TI等。也有越来越多的设备材料厂商提供相关产品,包括Evatec AG,Applied Materials, ULVAC等。

终端产品的成功取决于良好的用户体验和供应链管理,良好的用户体验需要高性能及可靠的芯片及传感器,良好的供应链与上游基础材料设备及工艺的成熟度息息相关。在设备,材料,制造,封测,芯片,解决方案的产业链上,每个产业的发展都会相互影响,并决定了物联网时代真正的引爆点及时间。

想了解更多压电材料,MEMS传感器以及终端应用完整产业链,欢迎参与2018年3月16日SEMICON China 2018同期的“MSIG国际物联网论坛2018”!

与会嘉宾代表包括:终端应用平台代表Alibaba,Huawei和Haier,全球第一MEMS传感器厂商Bosch Sensortec,中国MEMS代表Goertek,MEMSensing,MiraMEMS,还有全球纯MEMS代工领导企业Silex,封装ASE,以及新型压电材料制造商Evatec AG。参与本次论坛是在2018年开年之际,了解MEMS传感器及IoT产业全局,布局发展策略的绝佳机会!

SEMI诚邀您参与本次盛会!

更多关于“MSIG国际物联网论坛2018“:http://www.semiconchina.org/zh/587
现在注册:800RMB:http://semi.expotec.com.cn/Visitor/Conference.aspx?lang=zh-chs&uid=

会议官方联络人:Hannah Zhao    hzhao@semi.org    021-60278571

会议演讲嘉宾:


议程(2018316日,星期五)

9:20 – 9:30

Welcome and Introduction

欢迎辞

9:30– 9:55

TBD

9:55 – 10:20

The IoT Dilemma

物联网的困境

Leopold Beer, Regional President Asia Pacific, Bosch Sensortec

Leopold Beer,亚太区总裁, Bosch Sensortec

10:20– 10:45

IoT: digitized physical world, strive to achieve Digital China

物联网: 数字化物理世界, 为实现数字中国而努力.

Sean Ding, CTO, IoT BU, Alibaba

丁险峰,首席技术官,物联网部门,阿里巴巴

10:45 – 11:10

Sensor applications in IoT

物联网时代的传感器应用

Chang Gang, Senior Vice President, Marketing, Goertek

常刚,市场高级副总裁,歌尔股份

11:10 – 11:35

The role of 3D sensors, Computer vision, Deep learning and AI in the future IoT solutions.

3D传感器,机器视觉,深度学习和AI在未来物联网中的作用

Shlomo Gadot, CEO, Inuitive

Shlomo Gadot, 首席执行官,INUITIVE

11:35 – 12:00

Creating a Large Scale Manufacturing Infrastructure for the Sensory Revolution and IOT

为传感器及物联网产业革命的量产建设的生产配套

Tomas Bauer, Senior Vice President, Sales & Business Development, Silex Microsystems

Tomas Bauer, 市场销售高级副总裁,Silex

12:00 – 13:30

Lunch on own

午餐(自理)

13:30 – 13:55

Sputter deposition of AlScN: from R&D to high volume manufacturing

AIScN的溅射沉积

Dr. Reinhard Benz,高级副总裁, Evatec AG

Dr. Reinhard BenzSenior Vice President, Evatec AG

13:55 – 14:20

Emerging MEMS Industry in China-Views From MEMS Startup 

MEMS初创公司眼中的中国新兴MEMS产业

Dr. Gary Li, CEO, Memsensing

李刚,首席执行官,敏芯

14:20 – 14:45

Packaging solutions for IoT

物联网的封装解决方案

Dr Chinghan Huang, Director, MEMS & Photonics Engineering, ASE Group

黃敬涵, 部长,MEMS和光电工程部,日月光集团

14:45 – 15:10

Connected, Intelligent, Secure

开放生态推动安全智能互联

Willard Jin, Director of Business Develop Strategic Alliance, ARM

金勇斌,业务发展总监,ARM

15:10 – 15:25

Break

茶歇

15:25 – 16:15

Panel “Build IoT ecosystem”

圆桌论坛“物联网生态共建”

Moderator:

TBD

Panelists:

David Wang, General Manager, MiraMEMS

Joe Wang, Senior director, Hisilicon

Jun Xie, Director, Haier

Philip Gu, Board Director &General Manager, PNI Sensor

TBD

论坛嘉宾:

汪达炜,总经理,明皜

王军,部长,战略与业务发展部产业发展部,华为

谢军,总监,智控传感,海尔

顾讯,董事总经理,上海创感传感技术有限公司

16:15 – 16:30

Session Summary

闭幕陈词

* 议程变动恕不另行通知

 

 

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文章收入时间: 2018-02-28
 
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