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MEMS的应用趋势与市场剖析

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作者:特约撰稿人 欧敏铨(台湾)时间:2006-08-22来源:电子产品世界

微机电系统(Micro Electro-Mechanical System, MEMS)是现在备受瞩目的新兴技术之一,并已在数个领域取得一席之地。打印机喷墨头是最显著的例子,目前每年有数亿个MEMS器件销售到打印机的市场上,是出货量最大的MEMS产品,这也让HP始终居于MEMS出货量的龙头地位。

另一个成功的应用领域则是将MEMS器件用于显示设备的市场。TI无疑是此例子中的代表性厂商,该公司以微面镜(micro-mirror)数字光处理(digital light processing, DLP)生产的MEMS器件,在近三四年间出现了大幅的成长态势,据Display Search的研究报告指出,DLP技术已在投影显示市场取得85%的市占率,让DLP在2004年的MEMS销售额上领先了打印机喷墨头,销售额达8.8亿美元,也让TI比HP的口袋中赚进更多的钱。

MEMS市场剖析

就厂商的市场占有率来看,今日的MEMS市场呈现寡占的局面。In-Stat的分析显示,2004年中20家最大MEMS器件供货商就占了整体销售额的62.2%,其中HP和意法半导体(STMicroelectronics)等厂商因为喷墨打印机厂商提供微流体(Micro-fluidic)器件而主导这个市场,根据Yole Developpement的资料,若加上具有17年MEMS开发经验的厂商Bosch,上述三家厂商在2004年的MEMS销售额总计超过10亿美元。

但这并不就表示市场已被垄断,毕竟这是一个新兴的市场,仍有很多的发展可能性。以TI的DLP技术来说,至今已开发近二十年了,却在2004年时一举以9亿美元的DLP芯片销售额成为此市场的巨人。所以目前仍可见到许多公司前扑后继地投入这一市场,希望成为下一个TI。

MEMS的应用范围除了涵盖热门的IT、通信、消费类等3C市场外,也适用于汽车、军事、生物、医疗、化学等各种领域,几乎任何需要机械器件的小型化电子系统都可能用得上MEMS。不过,很多的产品仍处于研发阶段,在商言商,业界所瞩目的还是3C和汽车等大众化的市场。

以通信产业来说,虽然电信骨干的市场并未明显起色,但手机等移动终端仍是市场的杀手级应用,也是MEMS的商机所在。预料未来将有更多的手机整合RF MEMS器件和惯性传感器,光纤网络也会采用MEMS技术,这都会促成通信市场MEMS单位出货量的高度成长。EmTech公司的分析显示,在2009年以前,以手机应用为主的通信市场之MEMS的用量增幅将最大,占整体MEMS销售额的比例将成长近三倍。

此外,消费性电子产品也是MEMS抢攻的市场。In-Stat/MDR指出,加速计、回转仪、麦克风、光学MEMS(Optical MEMS或MOEMS)和RF MEMS等是在消费类电子产品中最具影响力的MEMS器件。至于最具潜力的应用则包括家庭影院、便携式摄影机、数字电视、手机和电子玩具等。

MEMS主流产品及技术现况

整体来看,根据In-Stat/MDR的报告,MEMS在未来几年的单位出货量将以19.87%的复合年增长率成长,到了2009年将接近60亿个。虽然单位出货量能维持两位数的成长,但就销货额来看,随着各种MEMS器件的竞争日趋激烈,EmTech Research预估未来五年的销售成长率将会下降至一位数。

MEMS器件的产品类型繁多,目前商业化的主要产品包括微流体器件、惯性传感器、压力传感器、RF MEMS、光学MEMS等等。In-stat/MDR指出,2004年全球MEMS市场规模约70亿美元,销售量约23.7亿颗,其中以微流体器件最多,占整体销售量的67.9%,总销售额则为23%,它主要用于打印机及照片打印用的喷墨头。但未来几年中,预估光学MEMS及RF MEMS将会有大幅的成长,因此会造成其它器件的比重下滑。请参考图1、表1。以下介绍MEMS的几个重要技术领域并对其市场做一剖析。

图1  MEMS器件销售值及销售量比例分析
资料来源:In-Stat/MDR; 工研院经资中心(2005/11) 

光学MEMS

以光学MEMS来说,其产品包括开关(switch)、交错连结器(cross-connect)、光可调衰减器(variable optical attenuator)、可调变波长激光器(tunable laser)和可调式滤波器(tunable filter),主要应用领域为电信与显示产业。在电信方面,由于光学MEMS制成的光学器件具有很好的效能,例如低插入损耗、优良的波长平坦度和极小的串扰,而且能提高整合度及器件规模(Scalability),极适用于高性能的光纤网络。显示产业方面,包括整合式可配带的携带型设备,以及条形码扫描、自适应光学系统、商用印刷等等。In-Stat/MDR认为,在未来的5年中,光学MEMS的复合年增长率将达到15.8%。非电信类光学MEMS的成长预测,请参考图2。

图2  非电信类的光学MEMS的成长预测
单位:10亿美元
资料来源:In-Stat/MDR. 2006.3
 
目前最成功的光学MEMS产品,正是由TI的DLP专利技术所制造的微面镜器件。此技术其实早在1987年TI即已提出,但一直到近几年才进入到商业化的阶段,成为前投与背投高阶显示系统的关键技术,提供极可靠的全数字化显示解决方案。其中的DLP芯片可说是目前最复杂的光源开关,它包含了最多达220万用铰链安装的微型运动镜面组成的矩形数组,每片微型镜面的大小都不超过人类头发丝厚度的五分之一,对应投影图像中的一个像素。因此,单芯片的DLP投影系统可以产生至少1670万种颜色,而专业产品与DLP影院投影系统中的三芯片系统甚至能够产生35万亿种以上的色彩。

TI在DLP技术上的地位,短期内看来无人能撼动,但在光学MEMS的市场仍有很多机会,一些新创公司已锁定计算机屏幕及DTV的市场,也有人积极研发小尺寸的DLP器件,准备打进手机、PDA及数字相机市场。Qualcomm在这方面的野心不小,这可以从该公司陆续并购了MicroVision和Iridigm两家相关技术新创公司的动作中看出。

RF MEMS

RF MEMES原锁定作为下一代的开关(swich)和继电器(relay),但研究进度并不理想,至今仍有不少瓶颈尚待突破。相较之下,MEMS共振器(resonator)的前景相当看好。安捷伦的FBAR (film bulk acoustic resonator)双工器(duplexer)就很成功,它具有为多媒体手机提供信息分流的功能,也就是让手机能同时接收双向语音电话和数据传送,因此到2004年时,85%的CDMA手机中已采用FBAR双工器,其出货量也超过数千万颗。

据WTC的调查报告指出,RF MEMS在2004年的市场规模约为1.25亿美元,然而,此市场每年有高达55%的复合增长率,使其销售额在2005年将达到2亿美元,2006年将达到3亿美元,2007年将达到4.5亿美元,2008年将达到 7.25亿美元,预计到2009年时将大幅增长到11亿美元。因此,该公司极看好此市场,认为RF MEMS可望成为主要的MEMS产品领域之一。

三轴加速计(Tri-axis Accelerometer)

三轴加速计可说是MEMS中相当实用和有趣的一项新兴产品。二轴加速计已广泛被用在车辆当中,当车子一旦发生碰撞,它就会感测到并自动触发安全气囊。新一代的加速器则能沿三轴来感知运动,因此具有更大的应用可能性。

最为实用的例子仍是作为保护加速计,但是用于计算机产品,尤其是笔记型计算机。它可作为笔记型计算机坠落时的检测装置,并在笔记型计算机碰撞地面前锁住硬盘磁头,以免造成的硬盘驱动器上数据的遗失。第二大应用则是作为状态识别装置,例如通过倾斜角度来向上或向下滚动手机、PDA及3D游乐器的屏幕,或以摇动的方式来关闭这些设备。这种通过特定动作来下达控制指令的用途,除了提供了键盘输入以外的便利途径,也为强调趣味变化与加值功能的消费性手持设备增添了许多想象空间。当然三轴加速器也适用于商业、医疗设备或安全管理等其它领域。

目前已有许多大小型的厂商投入此一市场,包括ADI、Freescale、STMicroelectronics等大厂,德国传感器供货商Robert Bosch GmbH甚至成立了一家专注于此市场业务的子公司Bosch Sensortec,其它的厂商还包括Kionix、Hitachi Metals、Oki Electric等,到2005年底,全球至少有10家公司提供这种芯片,形成兵家必争的一块桥头堡。

MEMS麦克风、扬声器

在强调多媒体应用的消费性电子产品市场中,麦克风(microphone)和扬声器(speaker)的用量相当惊人。以2005年来说,全球麦克风市场就有20亿部的销售量,到了2008年预估将成长到30亿部。由于采用MEMS制程的麦克风具有低成本、高性能和小型化等特色,在一些应用领域优于传统的ECM产品,因此也是MEMS厂商极看好的一个市场。

据Information Network的调查指出,MEMS麦克风在2005年时只能取得5%的整体市场率,但到2008年,预计在30亿支麦克风市场中MEMS产品占据15%,复合成长率达240%。在扬声器市场也有类似的情况,预估到2008年时MEMS扬声器的出货量将达5亿支。

目前投入MEMS声学器件的厂商虽然众多,但能够量产的供货商只有Knowles Acoustics,该公司几乎垄断了整个市场。我国台湾也有意急起直追,日前包括台湾“工研院电子所”、美律、亚太优势、探微、日月光、菱生、硅品、天瀚等20余家扬声器、麦克风和其它电声器件厂商,共同成立了“微电声产业联盟”,以整合上、中、下游厂商,建立从电声器件设计、器件制作/代工、器件封装至系统模块的完整产业需求为发展目标。

结语

MEMS五花八门的潜在应用范围很广,未来值得期待的全新市场,包括无线传感网络、智能型药丸、芯片上实验室(Chip-On-Lab)等等,而能广泛运用于汽车、生物医学、通信,以及消费类产品装置上。不过,虽然商机庞大,但其技术门坎也相当高,除了少不了大量的研发资金外,研发团队更需要对基础科技有深入的掌握,甚至得进行跨科技的合作,才能将产品从实验室带入到产业化的阶段。

就半导体产业来说,MEMS与生产工艺技术的整合将为系统单芯片带来极大的跃进。未来的单芯片中可望整合音讯、光线、化学分析及压力、温度感测等子系统,因而发展出人体眼睛、鼻子、耳朵、皮肤等感官功能的芯片;如果再加入对电磁、电力的感应与控制能力,那就超越人体的能力了。不过,如何让MEMS在工艺面进入到如同今日CMOS般的标准程序,将是产业链上的一大挑战。

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