MEMS传感器的2020:老牌赢家与初创企业的较量

后浪推着前浪走,谁更重要?

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后浪推着前浪走,谁更重要?

  2020年MEMS传感器市场将增长10%

  根据市场研究公司Fact.MR的数据,全球MEMS传感器市场价值280亿美元,到2020年将增长10%,届时年市场规模将超过300亿美元。到2027年,全球MEMS传感器市场将以9%的复合年增长率增长,达到500亿美元。

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  研究称到2027年MEMS传感器市场超过500亿美元

  Fact.MR指出,全球MEMS传感器市场在本质上是稳固的,一些电子和半导体跨国公司(如意法半导体,博世、恩智浦和德州仪器)获得了最大的份额。其中,意法半导体居MEMS传感器领域的营收首位,其产品范围广,市场份额约为19%。

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  Fact.MR的排名与Yole Developpement在2018年的排名有显着差异, Yole认为,Broadcom和Bosch为市场领导者,意法半导体排名第三。紧随其后的是德州仪器(TI),Qorvo和惠普(Hewlett Packard),还有恩智浦半导体和索尼等。Broadcom和Bosch的销售额都是14亿-15亿美元(约人民币95.2亿-102亿元),形成了“寡头现象”,远远超过TOP3及后续企业。

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  按2018年收入排名的前30名MEMS制造商排名。资料来源:Yole Developpement.

  但无论排名如何,可以明确的一点,在发展历程中,MEMS传感器主要由老牌厂商主导。

  老牌厂商与MEMS的发展共命运

  回顾MEMS的早期时代,即1980年代至90年代之间,MEMS完全是用于检测诸如机械运动,压力或冲击之类的基本传感器的传感器。但当时,MEMS传感器并不是很准确。

  之后,进入千禧年以来,MEMS中使用改进的电子技术和材料使得传感器足够精确,足以测量事物,包括MEMS使用旋转感应和数字光处理技术(DLP)等。到2000年代中期,声音和IR波长也被应用到MEMS技术中。

  简而言之,MEMS从物理传感器转向光处理(例如微镜),然后转向红外传感(测微辐射热计)。当中,麦克风的声音也推动了MEMS的发展。

  MEMS革命带来了首个超越人类感官的传感器。如今,MEMS和传感器的发展有望超越人类的能力,其在超声波,高光谱,射频等方面已具有传感能力。目前,移动和汽车是MEMS传感器两个最大的细分市场,复合年增长率可达13%。Yole也预测,2023年的移动细分市场将为传感器和执行器创造530亿美元的价值,而汽车将达到205亿美元。

  MEMS产品种类繁多,应用场景众多,比如智能手机中就使用到很多MEMS器件,如加速度计、陀螺仪、电子罗盘、压力传感器、硅麦克风、图像传感器、MEMS微镜、BAW滤波器和双工器、射频开关、TCXO振荡器/谐振器等。

  因此,种类多、范围广、市场大的MEMS传感器在市场力量的驱使下,MEMS供应商中的赢家和输家往往会发生变化。

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  2017年,与4G相关的复杂性(要求手机支持多个频段)引发了RF滤波器的空前需求飙升,随之而来的是对RF MEMS的需求。由于RF MEMS的销售热潮,博通(Broadcom)首次超过了MEMS行业中所有的竞争者,位居第一名。

  近几年,RF MEMS(BAW滤波器)是推动整个MEMS市场的最强大的引擎之一。Yole预测,不包括RF,MEMS市场将比2011-2023年增长9%,而使用RF MEMS的CAGR为17.5%,后续随着4G转向5G,这种趋势将会增强。

  而排名靠前的博世(Bosh)是最稳定的MEMS厂商之一。博世通过覆盖两个相对大的MEMS市场领域(消费者和汽车市场)来对冲赌注,因此Bosh在确保稳定增长方面“非常成功”。据悉, 几乎所有的新车都要搭载Bosch的5个MEMS,全球约50%的智能手机都要至少搭载Bosch的1个MEMS.据预测,今后Bosch与Broadcom的“斗争”将会愈演愈烈。

  意法半导体(ST)同样一直在汽车和工业MEMS市场上努力,因此其MEMS业务表现还可以。而且ST不仅提供车载、工业、民用等方面的MEMS产品,还一直是顶级的MEMS代工厂。

  相较之下,排名第四的德州仪器(TI)则一直在苦苦挣扎,这2年来其销售额在不断减少。因为微镜是其唯一的MEMS产品。业内人士表示,TI的成功取决于激光雷达。如果TI微镜能成功用于激光雷达,TI的MEMS业务将发生巨大变化。不过,数字微镜元件的市场趋于饱和,现在TI正在推进开拓车载等新的市场。

  而惠普虽然过去几年在消费打印机市场的表现一直走下坡路,但2017年随着喷墨头品牌的收入实现增长,如今开始恢复元气。

  MEMS麦克风巨头楼氏(Knowles)以及中国的歌尔股份也发展喜人,消费产品业务走高是原因之一,不仅限于智能手机,还包括耳机等产品等。

  初创公司推进MEMS的未来

  关于未来,任何领域都逃不过“后浪”推“前浪”的竞争规律,MEMS也不例外。

  MEMS中最热门的趋势是传感器融合。通过将多个传感器集成到一个封装中,MEMS可以捕获“全球环境感知”。随着传感器蜂拥而至,用户期望传感器套件的软件能够结合传感数据并产生一定程度的智能,因此,AI也是未来MEMS传感器的趋势之一。

  另外,按设备类别的传感器收入来看,CMOS成像在2017年的销售额高达134亿美元,其次是射频,雷达和指纹传感器。但3D传感器可能会是未来增长最快的传感器,受益于激光雷达的高需求,预估2023年 3D传感器的复合年增长率为40%。

  在各类新型MEMS传感器的需求下,专注于发明新型MEMS技术的初创公司将迎来机遇。

  比如,热门的MEMS初创公司USound公司以非常快的速度在2019年推出了MEMS微型扬声器;此外压电式麦克风公司Vesper等创企也从包括亚马逊在内的投资者那里筹集了不少资金;随着汽车行业对激光雷达连续性的渴望,诸如RoboSense和Innoviz之类的激光雷达公司也引起了很多关注;还有一家名为Mistic的法国创业公司,计划为生物相容性医疗设备制造钛MEMS.

  以下是EE Times联合Yole列出的17家值得关注的MEMS初创企业。尽管这此创企非详尽无遗,但他们一定程度上概述了MEMS的发展方向。

  1、Adasky

  AdaSky于2015年在以色列成立,该公司开发了一种可提供高分辨率图像的远红外(FIR)传感器,旨在使自动驾驶汽车在任何条件下都能看到并解读所有物体和周围环境。

  AdaSky的高级热像仪通过检测物体辐射出的热能及其体热来被动收集FIR信号,从而引导车辆感应并分析其周围环境。该热像仪体积小,重量轻,节能,没有活动部件,其价格适合大众市场。

  AdaSky还提供图像处理和计算机视觉算法。其对象检测和场景分析提供了新的信息层,并能够精确地检测200米或更远距离处的行人的能力,从而允许更多距离来对驾驶决策做出反应。

  注意到FIR技术已经在其他垂直行业中使用了数十年,AdaSky指出,它正在将这种成熟的技术专门用于自动驾驶汽车。Adasky指出,当其他传感器(包括激光雷达,雷达和标准相机)看不见时,其性能最佳。

  2、AEye

  AEye成立于2013年,致力于为自动驾驶汽车开发先进的视觉硬件,软件和算法。

  与第一代激光雷达技术相比,AEye的" iDAR"优化了数据收集。它使用与微光相机和嵌入式AI预先融合的数据。该公司声称,通过启用智能优先级排序和询问功能,该激光雷达可以比仅使用激光雷达的产品有效地瞄准和识别场景中的对象10到20倍。

  AEye在2017年6月的A轮融资中从Kleiner Perkins Caufield&Byers,空中客车创投,英特尔投资,Tyche Partners等公司筹集了1,635万美元。

  3、Block Engineering

  Block Engineering以化学检测和气体分析技术的领先地位而闻名60年。尽管不是MEMS的新手,但该公司仍在开发一种笔式,电池供电的FTIR(傅里叶变换红外光谱)传感器,称为" ChemPen",该传感器可检测基本上任何气体,液体或固体。

  Block希望将自己独特的MEMS芯片变成手持式设备内部的“引擎”,以便其ChemPen传感器可以分析传统实验室环境内外的物质。ChemPen传感器旨在在现场条件下检测和识别所有化学战剂和有毒工业化学品。其目标市场包括军事,国土安全和生命安全。

  4、Chirp Microsystems

  Chirp Microsystems成立于2013年,提供单芯片超声飞行时间(ToF)传感器。用户可以在不触摸屏幕的情况下与可穿戴设备进行交互,或者在不使用屏幕的情况下与设备进行交互。Chirp认为,利用其超声波感应技术,其3D技术可以替代现有的UI或为可穿戴设备,AR / VR,智能手机,物联网甚至汽车提供“另一种形式”。

  Chirp首席执行官Michelle Kiang认为在移动产品中使用时,其尺寸,成本,极低的功耗以及可在任何光照条件下(包括直射阳光)工作是一个巨大的优势。而 Chirp有潜力  将其片上声纳添加到  智能手机日益激烈的ToF战斗中。

  5、ELichens

  ELichens是一家研发初创公司,于2014年在法国格勒诺布尔成立,致力于为本地空气质量提供服务和传感解决方案。

  该公司的传感技术可以帮助客户检测,监测,指导和预测室内和室外应用和服务的空气质量。

  例如,为了监测空气质量并检测工业环境中有害气体的存在,eLichens拥有低功率微型气体传感器以及连接多个气体传感器的连接站。

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  eLichens的超低功率二氧化碳传感器(来源:eLinchens)

  ELichen还开发了设计HVAC通风系统所需的技术解决方案。

  在通风开发中,一个关键是要考虑一种系统,该系统不仅可以减少Co2的含量,而且不会降低Co2的浓度,以至于对用户造成不好的影响,毕竟室内空气质量是影响智力和整体健康的重要因素。为了测量室内空气质量并将此信息提供给通风系统,eLichens开发了传感器来测量多种类型的室内污染物:二氧化碳(CO2),挥发性有机化合物(VOC)和颗粒物(PM2.5和PM10)。

  ELichens的技术可以类似地应用于智能城市,燃气泄漏监测,智能家居和客舱汽车。

  6、Innoluce BV

  Inoluce是ToF LiDAR微型激光扫描模块的开发商,于2016年10月被英飞凌收购。

  它知名的产品是由硅制成的获得专利的1D MEMS反射镜。据说该技术可自由更改反射镜直径和频率,同时保持光学性能。这使谐振式1D MEMS反射镜技术能够提供不同的功能和广泛的应用范围。

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  Innoluce激光扫描模块(可根据客户特定配置进行调整)包含带有ASIC的MEMS反射镜,用于控制和驱动MEMS.(来源:Innoluce)

  7、Innoviz

  Innoviz是一家由以色列国防军技术部门前成员于2016年在以色列成立的初创公司。Innoviz专注于“以大众市场采用所需的成本和尺寸”为自动驾驶汽车开发激光雷达传感器,其产品基于固态设计。

  该初创企业与众多战略合作伙伴和顶级投资者建立了联系。他们包括Aptiv(德尔福汽车公司),Magna International,三星,韩国软银风险投资公司,360 Capital Partners,Glory Ventures和Naver.

  Innoviz的总资金已达到2亿多美元。最新的融资消息是2019年,Innoviz获得1.32亿美元C轮融资。本轮融资确保了Innoviz的生产、制造和研发的顺利推进。2021年其固态激光雷达也将能够按时交付。

  8、MEMS Drive

  MEMS Drive成立于2014年,是基于MEMS的执行器设备的开发商。其目标是设计用于移动设备的光学图像稳定(OIS)技术。

  这家初创公司开发了用于智能手机中的首个5轴OIS(光学图像稳定)技术,通过移动传感器,MEMS OIS可以针对摄像机的运动提供快速而准确的图像稳定。

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  MEMS Drive的光学图像稳定技术使成像器可以移动,而无需移动镜筒进行调整。它的优点是无论使用哪种镜筒或成像器格式,图像都将稳定下来,并且没有镜筒倾斜会降低图像质量。(来源:MEMS驱动器)

  9、Menlo Micro

  Menlo Micro成立于2016年,是一家从通用电气(General Electric,GE)独立出来的公司,致力于为磁共振成像(MRI)和其它医疗设备开发可靠、安全的功率开关。

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  Menlo Micro的6通道单刀单掷(SPST)机械开关(来源:Menlo Micro)

  Menlo Micro注意到传统的机电开关技术几乎没有创新,因此开发独特的材料,设计和加工技术,以构建增强型电子开关,该开关可以应对必须持续数十年的高温和高应力条件。

  该公司称其新开关“比典型的机械开关的运行速度快1000倍,可以处理数百瓦的功率,并且其结构比人的头发还小。” Menlo Micro计划针对其新型数字微型交换机,针对包括5G网络在内的移动基础设施和工业物联网市场。

  2019年,Menlo Micro发布了一款采用MEMS技术制造的新型功率继电器。这款继电器的FET与MEMS触点并联。FET可以消除触点的电弧,因为元件内部的控制电路会在触点断开后关闭FET.FET会在触点闭合之前导通,因此导通时间仅为10μs,与传统的MEMS开关相比速度大幅提高。

  Menlo Micro由GE Ventures支持,并由Corning Incorporated,Microsemi Corporation和Paladin Capital Group投资。该公司在2016年宣布筹集了1870万美元。

  10、Mistic SAS

  Mistic SAS是一家位于法国巴黎的初创公司,致力于为医疗设备市场和其他行业开发基于钛的MEMS技术。

  Mistic SAS成立于2016年,从2010年代初开始就利用由学术和行业合作伙伴财团领导的研究活动的成果。

  Mistic技术的核心是将半导体纳米和微制造技术转换为钛基板(“晶圆”)。据Mistic称,它能够提供多功能的钛基部件,公差低至1μm.

  机械和电气特征是通过使用各种材料的选择性沉积和蚀刻工艺来实现的。

  为了满足最严格的生物相容性要求,使用专有的生物相容性高贵材料对组件进行了微工程处理。它们包括钛,氧化钛,氮化钛,金,铂和氧化铝,并可以与客户指定的任何材料一起使用。

  11、Proteus Digital Health

  Proteus Digital Health成立于2001年,是可吸收传感器的开发商。这些被称为“数字药物”的可摄取传感器(一粒沙子的大小)旨在确保患者按处方服用药物。

  Digital Medicines内部的传感器跟踪剂量和消耗量。数据进入可穿戴的补丁,该补丁可检测药物并捕获生理反应。它被中继到患者和医生可读的移动应用程序。同时,Proteus表示,数据分析可以帮助卫生系统经理。数字药物在美国已投入商业使用。

  2017年,美国食品药品监督管理局(FDA)批准大冢制药(Otsuka Pharmaceutical)销售其抗精神病药物Abilify的一种版本,该产品中嵌入了可摄入的传感器。

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  抗精神病药Abilify装有可摄入的传感器,该传感器与患者佩戴的贴片通信。(来源:Proteus)

  到目前为止,该公司共筹集了4.223亿美元。

  12、RoboSense

  RoboSense是一家自动驾驶激光雷达的开发商,由哈尔滨工业大学的一群博士于2014年成立。

  RoboSense已推出了其首款高清固态激光雷达。新型基于MEMS的激光雷达可以实时收集3D高精度环境信息。它用微镜结构代替了机械旋转部件,简化了激光雷达的激光组件,并使产品成本具有竞争力。RoboSense声称其高精度控制技术为其LiDAR提供了“出色的扫描性能,可以以更高的数据速率提供高精度和超高分辨率的云点。”

  除了总部位于中国深圳的研发中心外,还在北京和硅谷设有研发中心。

  13、Tikitin

  Tikitin是一家MEMS Resonator公司,成立于2016年。该公司的重点是时序和频率控制等应用领域。

  Tikitin声称是第一家推出与石英晶体引脚兼容的硅MEMS谐振器的公司。因此,该公司的谐振器可以由用于石英的相同电路驱动——“无需重新设计”。

  Tikitin在Espoo生产MEMS谐振器,这是由VTT经营的试点和研究晶圆厂。

  14、USound GmbH

  USound GmbH成立于2014年,致力于开发压电MEMS技术,并提供MicroSound MEMS平台,该平台可制造具有集成感测功能的高性能硅扬声器。

  该平台允许设计人员创建MEMS微型扬声器,以设计用于智能手机和入耳式耳机。

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  USound提供了MEMS技术,可以开发“世界上最小的扬声器”。(来源:USound)

  2018年11月,USound获得2000万美元的融资,以支持其智能MEMS音频产品在全球市场快速拓展。2019年5月,USound收到额外的权益性证券(Equity Tranche),将这轮融资额增加至3000万美元。增加的资金有助于加速下一代MEMS微型扬声器的开发,助力无线耳机和其它可穿戴设备的电池续航时间延长至12小时。

  15、Vesper

  Vesper(波士顿)成立于2009年,是MEMS麦克风市场的后起之秀。它准备利用小型,坚固,低功耗MEMS麦克风芯片来利用语音计算的兴起。

  与提供电容式MEMS麦克风的竞争对手不同,Vesper已选择由密歇根大学的联合创始人Bobby Littrell和Karl Grosh开发的压电麦克风。

  这家初创公司将其压电麦克风描述为“以与所有其他MEMS和驻极体电容器式音频设备完全不同的物理原理进行操作”。压电MEMS麦克风直接将声波能量转换为电信号。Vesper称其麦克风除了具有更好的SNR之外,还特别适合智能手机,平板电脑,智能家居设备和其他连接产品中的大阵列应用。 Vesper的压电设计使用了一个单一的隔膜,可以抵抗灰尘,水,助焊剂蒸气和类似污染物的侵害。

  Vesper最近的融资消息是,2018年5月,Vesper完成了 2300万美元的B轮融资。本轮融资由American Family Ventures领投,亚马逊Alexa基金、百度等跟投。这是亚马逊Alexa基金对Vesper的第二轮投资。迄今为止,Vesper已经筹集了4000万美元。据报道,该公司将利用最新资金的一部分,将其制造能力从目前的每月“数百万”单位提高到每月1200万个单位。

  16、芬兰VTT

  VTT是北欧一家领先的研究与技术公司。

  最值得注意的是,VTT开发了高光谱成像技术,可在消费类设备中实现新的人工智能应用。光谱过滤技术利用了非常近红外(VNIR)的波长,VTT声称,即使是低成本的手机摄像机也可以检测到。VTT说:“人工智能可以用来解释图像中的环境光谱数据,肉眼看不到。”

  然后,图像对象的光谱数据可以生成“与食品安全或新鲜度有关的信息,区分真假产品,药品或安全摄像机记录。”

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  VTT的新技术可测量人眼不可见的波长(来源:VTT)

  VTT称,新的VNIR系列(600 – 900 nm)高光谱相机传感器硬件的材料清单可低至150美元。借助可大规模生产的MEMS技术,VTT的可调滤波器技术也可以与任何相机传感器集成在一起,而不会显着增加成本或尺寸。VTT估计,包括摄像头光学元件在内的传感器成本不到20美元。核心组件微光机电(MOEMS)芯片的成本不到一美元。

  17、Zebra Analytix

  Zebra Analytix成立是为了开发和商业化基于MEMS技术的微型气相色谱(GC)系统,该系统已获得弗吉尼亚理工大学的独家许可。正在申请专利的技术提供了能够进行多通道分离的微加工芯片。优势包括大大减小了仪器的尺寸,多功能性,便携性和结果速度。

  该公司声称,其微型气相色谱系统可由非专家操作,以在几秒钟内分析挥发性化合物。由于其在可穿戴和便携式检测中的潜在应用,Zebra表示其气相色谱系统正受到医疗保健,环境监测,工业,石化和汽车应用,楼宇自动化以及国土安全等领域的关注,尤其是在全球政府针对此类法规的推动下安全。

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