MEMS产业将何去何从？
本文来源：半导体行业观察
自面世以来，MEMS产业高速发展。
自90年代第一个产品开始，传感器从先测量压力，到测量加速度（声学/机械量），然后转向旋转传感（陀螺仪）和可见光管理（DLP），然后再进行可见光以外的光传感（微测辐射热计，热电堆），微流体，RF ，超声，多光谱等。
现在，我们正朝着更全面的感知时代迈进，其中许多参数由许多不同的传感器（例如传感器集线器）进行监控。此外，MEMS正朝着更多处理/计算的时代迈进，因为它为数据带来了更高的质量。
如图1所示，2019年，全球MEMS市场规模达115亿美元。其中包括以下MEMS设备，其应用广泛，包括：喷墨头，压力，麦克风，惯性，IR，Si微流体，光学，RF，振荡器，环境，超声波，微型扬声器等。
由于某些特定市场上受到COVID-19的负面影响，今年收入预计将下降5.2％：
图1
由于疫情封锁期间对汽车需求的急剧下降，而且由于经济不安全，汽车MEMS市场将受到影响。此外，汽车工厂长时间关闭，加剧了负面影响。
在国防和航空航天领域，由于今年初航空旅行瘫痪，主要用于民航的传统MEMS传感器（压力，惯性）将受到影响，而且新飞机订单减少了。国防应用中使用的MEMS不会受到太大影响，因为政府计划仍将继续，并且采购预算不变。
在消费类应用中，影响取决于终端系统。到2020年，由于人们担心自己的工作，移动需求似乎仍然很低，经济不安全感促使许多人推迟升级。但在2020年上半年，PC /笔记本电脑/平板电脑的需求一直强劲，因为用户已经购买新系统，以应付逗留在家中的需求，无论是专业和教育/消遣。
来自医疗，工业和电信的收入不会受到太大影响。相反，由于其在大流行中的应用，医疗和工业MEMS有望在2020年实现增长：用于PCR诊断的微流控技术，用于呼吸机的压力和流量计，可帮助处于ICU重症呼吸道疾病的患者，温度枪中的热电堆也发展迅猛，因为发热是COVID-19的主要症状之一，这就使得热像仪中的测微辐射热计有助于筛查发热的人，这就带来了相关传感器的繁荣。
从2021年起，MEMS市场将恢复增长，预计到2025年市场将达到近177亿美元，2019- 2025年的复合年增长率为7.4％。相对于市场规模而言，最大的增长预计来自消费，工业和医疗MEMS。Yole在2019日历中的先前分析预测到2024年将达到约180亿美元，因此由于COVID-19的放缓，这一预测被推迟了一年。
价格低廉，MEMS何去何从？
在过去的几年中，MEMS市场一直存在价格压力，特别是在消费和汽车应用中（图2）。
图2
从历史上看，各种各样的设备ASP侵蚀浪潮已经出现，首先是在汽车市场（惯性，压力），然后是在消费电子产品（惯性，压力，麦克风），其次是RF连接（BAW滤波器），并在其他消费品中被广泛采用（用于例如可穿戴设备中的惯性MEMS和麦克风）。我们现在处于价格无法低得太多的价位（$ 0.4- $ 0.5）。
实际上，某些MEMS（例如惯性，麦克风等）的价格已经低至0.1-0.2美元，但仍将需要一些有源传感区域（Si），而这些成本将与基线成本一起出现。此外，除了BOM之外，即使利润非常低，公司仍需要一些利润。因此，问题是，我们下一步要去哪里？各种方案都是可能的：
首先，由于COVID-19的供需调整，ASP可能会在供应分配的推动下暂时略有上升，然后回落到COVID之前的水平，并继续缓慢下降。
由于工业，医疗和消费者物联网的趋势，有可能出现新一轮更强的ASP侵蚀浪潮。
由于增加了与传感器结合的功能，例如更多软件，数据预处理，边缘计算，边缘AI等，ASP将再次增加。
Yole认为玩家将尝试通过向传感器添加功能/处理来获取更多价值，因此第三种情况或第一种和第三种情况的混合是最可能的。
每个MEMS器件的独特性将驱动其未来
在整个市场上，AV，EV，ADAS，AR / VR，工业物联网和互联工厂，医疗保健转型和远程医疗受到了电子产业大趋势中的影响。MEMS涵盖了广泛的领域，包括与不同的最终市场/应用相关的多种类型的MEMS器件。
尽管2018年与顶级消费公司提供的忠诚度计划有关，但由于数字化，喷墨打印头消费市场正遭受家用打印机需求疲软的困扰。与喷墨打印机竞争，基于喷墨的单次通过办公室打印机的需求仍然很低。
未来，由于商业和工业市场对大型MEMS打印头的需求，预计会有小幅增长。在工业应用中或在墨水可能阻塞喷嘴的情况下，墨水再循环对于喷墨打印头制造商变得越来越重要，因为这能提高打印质量和打印头寿命。
绿色机动性趋势将导致汽车中需要更多的压力传感器（MAP，BAP，变速箱油压，GPF，DPF等），部分被向更多EV（无ICE动力总成）的转移所抵消。尽管TPMS市场在2019年遭受重创，但工业和医疗应用将会成为未来的成长动力，例如过程控制和HVAC以及血液监测设备和呼吸设备。可以肯定的是，汽车系统和消费品制造商对平均售价的强劲需求使设备制造商承受着巨大的压力。
语音个人助理（VPA）的流行，例如Apple的Siri，亚马逊的Alexa和Google Assistant，已将音频技术推向采用VPA作为新的人机界面的新系统。这个界面可以看作是一个小工具，例如用于智能手机，但是对于厨房/智能家居助手或智能手表则更明显，因为它们的可访问性或小巧的尺寸阻止了触摸界面的出现。或用于汽车，因为在驾驶时双手需要避免触摸屏。语音互联网的普遍趋势将推动MEMS麦克风市场。
惯性传感器变得越来越智能。性能一直在不断提高，从而允许以算法的形式在传感器级别和许多用例（步数，手势识别，体育活动识别）上添加功能。它们在保健和健身可穿戴设备方面也具有很高的潜力，并且正在用于监测患者活动的医疗可穿戴应用程序的场景中获得支持。他们从独立传感器到更多组合（IMU）的趋势仍在继续。
光学MEMS仍在挣扎（例如投影仪和微型投影仪）。但是，用于LIDAR或其他光投影应用的MEMS微镜似乎很有前途，许多公司都押注这项技术，当中包括AEYE，Luminar，Velodyne，Robosense，Benewake，Valeo，Infineon，Innoviz。
由于COVID-19，热感测/成像MEMS（热电堆和测微辐射热计）的发烧检查应用需求激增。如果满足技术/成本要求并且对消费者进行了此项技术的教育，那么在2020年的这种热潮可能导致热成像/传感（集成在智能手机中）的消费化。华为于2020年6月发布了智能手机Honor Play 4 Pro就集成了用于温度测量的热传感器。
在微流体（microfluidics）领域，越来越多的有前途的公司正在使用硅芯片进行即时检验，这将扩大该细分市场的规模。基于硅/ CMOS芯片的新型即时医疗产品正在开发中，并开始投放市场（InSilixa，DNAe，Mobinostics，Qorvo Biotechnologies，Genalyte，Ontera），并且这种趋势在未来几年肯定会继续。COVID-19也将促进基于微流体的诊断测试市场。
5G将越来越多地在智能手机中采用，它将需要基于RF MEMS的4×4 MIMO滤波器。渗透速度快于预期可能会导致高频BAW技术的加速发展。预计该市场将继续增长，特别是由于专用于5G的新频段的到来。多家制造商的电话中越来越多地采用MEMS计时（振荡器），在部署新的5G基站时也需要它们。
包括麦克风，温度，湿度和压力传感器在内的环境（开放式）hubs对智能家居设备/产品越来越感兴趣。同样，除了将气体传感器集成到汽车中之外，另一种可能性是例如在城市关键点的各种基础设施中使用它们。然后，汽车可以通过V2X连接到这些基础设施，从而以这种方式获取本地空气质量的实时信息。
最后，对诸如微型扬声器之类的未来MEMS的需求将不断增长，它们可以利用其潜力来实现低功耗，更小尺寸以及更高的声音指向性，并集成到许多消费类设备中。
传统的电动扬声器技术已经超过50年没有大的改变了，而MEMS可以为小型化提供替代方案。Butterfly Networks公司通过其cMUT为超声民主化和医学检测消费化开辟了道路。
此外，尽管与其他技术（光学指纹或3D面部识别以解锁手机等）一直存在竞争，但智能手机中用于超声指纹传感器的pMUT似乎很有希望。在数据充斥的世界中需要更好的隐私可能意味着，出于冗余的考虑，将有多个身份验证解决方案是强制性的。
下一步和前进的方向？
MEMS是成熟的技术，在过去的10年中，MEMS制造领域没有出现重大突破。主要的技术趋势正在转变；以前，他们是要提高产量，降低成本，提高集成度；现在，MEMS设备正在向更高的精度，超低功耗和嵌入式智能转变。
此外，MEMS市场正面临一些挑战。一方面，增加新一代MEMS器件的开发成本需要更多。为此我们需要不断地扩展的市场，以分摊这些成本并最大程度地降低任何相关风险。另一方面，仅关注传感器本身（在传感器/硬件级别）及其固有性能不足以打开新市场。
为了从传感器和其他类型的数据（惯性，音频，环境等）中获得更多价值，需要迈向更加复杂的算法，软件和计算级别。例如，一个目标是使智能手机和可穿戴设备变得更智能，以便它们可以预测用户需求。因此，可以融合各种输入，例如GPS和惯性/压力传感器（位置），日历，旅行预约，运动传感器（活动水平）等。
从他们的角度来看，MEMS传感器制造商正在寻求差异化，同时试图提升价值链并同时保持成本效益。为此，他们可以遵循以下三个路径之一（图3）：
通过开拓新市场来寻找新的应用和用例；
通过应用于现有用例的改进算法和软件来汇总功能；
添加额外的处理并最终进行计算，这可能会转化为更多的Si出售给同一客户。
图3
当然，这些不是唯一的选择。有些玩家已经在追求价值的过程中遵循不同的策略（图4）。博世就是一个例子，它使用高通的软件开发平台来针对现有客户用例改进其算法。示例包括具有改进的角度检测算法的汽车应用陀螺仪以及具有改进的传感算法的环境传感器。
图4
像Knowles这样的音频玩家会更多地押注传感器附近的数据处理以及边缘的额外智能。这就是他们在Google Pixel Phone上实现的。Pixel 3合并了3个Knowles的麦克风（每个成本0.25美元），但在Pixel 4中，他们成功赢得了应用处理器之外的独立音频处理器的design-win（成本为1.5美元），最终设法提高了价值与这个客户的比例提高了200％。
TDK与高通公司合作，开发套件（RoboKit）结合使用融合算法和高通的AI引擎。意法半导体（ST）拥有一种惯性传感器产品（iNemo，它是MEMS IMU），该产品在MCU中包含嵌入式机器学习核心。
最后，有一些在边缘AI上工作的初创公司不一定制造传感器，而是与MEMS玩家（英飞凌与Aspinity和Syntiant，意法半导体与Cartesiam）合作以利用传感器数据。边缘的处理和智能，尤其是针对MEMS麦克风和惯性的智能，变得越来越重要。
先前的示例指出了一件事情：从软件到硬件再到系统级，生态系统中各个参与者的协作是必不可少的，因为这能促使该行业向前发展。最后，整体感知是关键，尤其是现在最终用户需要更完整的解决方案，而不是独立的组件。
为了使MEMS厂商摆脱商品化周期和传感器价值下跌的影响，他们可以通过更改业务模型或通过并购来重新定位自己，将价值链向上转移至更多数据处理并最终进行计算，这首先可以在云中完成并最终在边缘（图5）。
图5
一个非常新鲜的例子支持了这种观点：mCube（一家惯性MEMS公司）最近收购了Kinduct，这是一家主要为体育运动员（但不仅限于此）提供完整分析平台解决方案的公司，它利用了在云端处理的惯性传感器数据并可以提供对客户可行的见解。Kinduct拥有丰厚的客户名单，例如奥运会委员会，NFL和NBA的知名人物等等。mCube了解了当前的问题，并瞄准了这一增长接力点。与我们周围的超灵敏可穿戴设备和其他智能产品相关的可行见解变得越来越重要。
可以肯定的是，来自MEMS（以及其他传感器）数据的额外智能将推动传感器和系统级的更多创新，并为MEMS行业打开新的机遇。
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