Układy MEMS na rynku masowym

Głównymi czynnikami rozwoju rynku MEMS było dotychczas zastosowanie tych układów w motoryzacji oraz przemyśle i urządzeniach medycznych. Miniony rok upłynął pod znakiem ich popularyzacji w urządzeniach elektroniki użytkowej, takich jak konsole do gier, aparaty cyfrowe i telefony komórkowe. Stosowane są w nich akcelerometry, żyroskopy, mikrofony czy czujniki ruchu wykonane w postaci układów MEMS i to właśnie wzrost zapotrzebowania na tego typu produkty stymuluje coraz bardziej zainteresowanie rozwiązaniami integrującymi mikroelektronikę z mechaniką. Coraz większe znaczenie ma niewielki rozmiar i waga produktu, a rosnąca liczba potencjalnych zastosowań rokuje dobre nadzieje na przyszłość omawianego rynku.

Produkty masowe

Dostępność MEMS na rynku i wolumen ich produkcji pozwala na stwierdzenie, że układy te są praktycznie wykorzystywane masowo. O ile nadal pojawiają się one zwykle w urządzeniach z wyższej półki, niedługo mogą być standardowym wyposażeniem większości urządzeń elektroniki osobistej. Przewiduje się, że rynek MEMS wzrośnie z 5 mld dolarów w 2006 roku do około 10 mld dolarów za trzy lata. Bazując na tych prognozach wielu producentów podzespołów działających na rynku półprzewodników angażuje się również w produkcję elementów mikro-elektro-mechanicznych.

Jak wynika z zeszłorocznego raportu firmy Yole Development czołowym producentem MEMS pozostają od lat Stany Zjednoczone, które kontrolują połowę rynku światowego. W Europie znajduje się ponad 70 ośrodków produkcyjnych nastawionych na wytwarzanie komponentów MEMS, a większość z nich to małe jednostki o wysokim stopniu specjalizacji. Udział firm europejskich w rynku światowym szacowany jest na 16% w ujęciu wartościowym.

Sektor MEMS charakteryzuje się jednocześnie dużą fragmentacją, z wieloma firmami operującymi w wąskim spektrum zastosowań. Największymi europejskimi producentami są Bosch Sensortec oraz STMicroelectronics. Liderem rynku światowego pozostaje z kolei niezmiennie firma Analog Devices, która przez 15 lat sprzedała ponad 250 milionów układów MEMS. Koncentruje ona swoją działalność na akcelerometrach i żyroskopach. Innym potentatem jest Texas Instruments, który od 1987 sprzedał ponad 10 milionów komponentów DMD, czyli sterowanych cyfrowo matrycach mikroluster, które wykorzystywane są w projektorach i telewizorach.

Źródła sukcesu

Sukces układów MEMS wynika w dużej mierze z rosnącej funkcjonalności tych urządzeń przy zachowaniu ich niewielkich rozmiarów oraz malejącym cenom. Prowadzone prace badawczo-rozwojowe w przypadku wielu rozwiązań ograniczyły pobór mocy i pozwoliły na pracę MEMS z niskim napięciem zasilania, co umożliwiło ich ścisłą integrację z układami scalonymi. Ponieważ wykorzystanie MEMS pozwala na usprawnienie wielu powszechnie stosowanych urządzeń, elementy tego typu są konsekwentnie stosowane w różnorodnej elektronice konsumenckiej. Pozwalają one zmniejszyć zużycie baterii w urządzeniach przenośnych, poprawić jakość uzyskiwanych zdjęć, chronić przed utratą danych czy wspomagać działanie urządzeń GPS. Wydają się być idealnym rozwiązaniem wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba detekcji ruchu, wychylenia czy wibracji.

Do produkcji MEMS wykorzystuje się znane technologie mikroelektroniczne i podłoża krzemowe. W większości przypadków elementy te mają ruchome części i można je z grubsza podzielić na dwa typy – sensory oraz elementy aktywne. Jako sensory układy MEMS doskonale sprawdzają się przy pomiarze ciśnienia, temperatury czy wykrywaniu określonych substancji chemicznych. Szczególnym typem sensorów są żyroskopy oraz akcelerometry, służące do pomiaru odpowiednio ruchu wokół osi i ruchu prostoliniowego. Elementy aktywne, w odróżnieniu od sensorów, ingerują w środowisko zewnętrzne, wykonując czynności zapewniające np. przepływ cieczy.

Czujniki ruchu MEMS

Rys. 1. Mikrofon MEMS firmy Acoustica

Wykorzystanie akcelerometrów MEMS jest idealnym rozwiązaniem wszędzie tam, gdzie zależy na wykryciu i pomiarach ruchu, wibracji czy zmian położenia obiektu. Pierwotnie głównym obszarem ich zastosowania były układy sterowania poduszek powietrznych w pojazdach. Z czasem jednak obszar zastosowań powiększył się do czego głównie przyczyniły się malejące ceny MEMS. Producenci tacy jak Analog Devices czy Motorola zdołali zmniejszyć cenę poniżej 3 dolarów za sztukę, co było głównym czynnikiem ich sukcesu rynkowego. Obecnie akcelerometry kosztują poniżej 2 dolarów za wersję trzyosiową, jednak istnieje duże prawdopodobieństwo, że spadnie ona do 1 dolara w 2008 roku.

W przypadku firmy Analog Devices tygodniowo sprzedawanych jest ponad milion akcelerometrów przeznaczonych do poduszek powietrznych, a miesięcznie około milion żyroskopów! Te ostatnie, mimo dobrych parametrów, pozostawały z powodu wyższej ceny w cieniu akcelerometrów wykonanych w tej samej technologii. Koszt żyroskopu wykonanego w technologii MEMS wykorzystywanego w motoryzacji wynosił bowiem około 20 dolarów. Największym wyzwaniem dla producentów stało się więc stworzenie rozwiązania umożliwiającego wytwarzanie dużych serii przy minimalizowaniu ceny produktu. Przełomem okazało się wprowadzenie na rynek modeli w cenie 1 dolara za oś pracy, umożliwiając tym samym ich wejście na rynek elektroniki powszechnego użytku.

Szczególne korzyści z zastosowania akceleratorów lub żyroskopów MEMS mogą być udziałem telefonii komórkowej. Producenci tych urządzeń starają się umieścić w nowych modelach jak najwięcej funkcji, przy równoczesnym zachowaniu małych rozmiarów i wagi. Przykładem są telefony Fujitsu wyposażone w licznik kroków, wykorzystujące w tym celu akcelerometr firmy Analog Devices. Trwają jednak pracę nad bardziej użytecznym wykorzystaniem elementów MEMS w aparatach komórkowych. Szczególnie ciekawe możliwości związanie są z możliwością sterowania aparatem za pomocą gestów, wykorzystując akcelerometry MEMS w systemach rozpoznawania ruchu.

Telefonia komórkowa – ważny rynek

Rys. 2. Sprzedaż żyroskopów (źródło: In-Stat/MDR)

Wzrost zainteresowania układami MEMS można prześledzić na przykładzie mikrofonów, które znajdują zastosowanie m.in. w telefonach komórkowych. Do końca zeszłego roku sprzedano ponad 100 mln sztuk takich mikrofonów, a w 2010 roku liczba ta może przekroczyć 800 mln, co oznacza, że co trzeci mikrofon będzie wykonany w tej technologii. Wartość tego segmentu rynku przekracza całkowitą wartość wszystkich innych rynków MEMS. Czołowy producent mikrofonów MEMS, Knowles Acoustics przewiduje sprzedaż 500-milionowego mikrofonu w połowie 2007 roku. W tym zastosowaniu MEMS pozwala na uzyskanie mniejszych i tańszych mikrofonów, oferujących dobrą jakość dla kamer cyfrowych czy telefonów komórkowych. Z racji rosnącej popularności VoIP obiecującym rynkiem zbytu jest również sektor produkcji laptopów.

Szczególnie istotna jest możliwość wytwarzania mikrofonu jako integralnej części układu scalonego, gdyż jest czynnikiem stanowiącym o jakości dźwięku. Dotychczas stosowane mikrofony przesyłają sygnał dźwiękowy w postaci analogowej do oddzielnego obwodu zamieniającego go na sygnał cyfrowy przez co istnieje podatność na zaburzenia elektromagnetyczne pochodzące na przykład od pracującego nadajnika w.cz. Ponieważ w przypadku mikrofonu MEMS odbiór sygnału i jego konwersja do postaci cyfrowej odbywa się w jednym układzie, zmiany zewnętrznego pola elektrycznego nie mają wpływu na jakość dźwięku.

Jedyny w pełni cyfrowy mikrofon MEMS pochodzi od firmy Akustica. Pięć lat intensywnych prac zaowocowało rodziną mikrofonów AKU2000, charakteryzujących się wyjściem cyfrowym przy zachowaniu wymiarów 4x4mm. Innym producentem mikrofonów MEMS jest Knowles Electronics, lider kontrolujący 80% tego rynku. Mikrofony tej firmy wykorzystywane są w telefonach firm Motorola, Panasonic oraz SonyEricsson. Ważnym producentem jest także Sonion (oddział produkcyjny firmy mieści się m.in. w Polsce), który rozpoczął produkcję mikrofonów MEMS pod koniec 2005 roku.

Oscylatory w natarciu

Duże oczekiwania wiązane są z zastosowaniem elementów w.cz. typu MEMS w telefonii, które oferują zazwyczaj lepsze parametry i szerszy zakres częstotliwości pracy, niż ich klasyczne odpowiedniki. Pierwszym telefonem wyposażonym w MEMS był Samsung Watch Phone wykorzystujący duplekser antenowy firmy Agilent. Obecnie najbardziej obiecujący sektor tego rynku stanowią oscylatory typu MEMS. Składają się one z rezonatora oraz sterującego układu scalonego. W 2006 roku sprzedano około miliona sztuk tych podzespołów, a prognozy przewidują wzrost zainteresowania nimi. Możliwe jest, że wartość ich sprzedaży wzrośnie do 2010 roku do poziomu około 100 mln dolarów.

Firmy takie jak Discera, Silicon Clocks czy SiTime już rozpoczęły seryjną produkcję tych układów. Zapewniają one, że produkcja MEMS tego typu pozwoli w najbliższych latach na zaspokojenie ponad połowy wartego 3,2 mld dolarów rynku oscylatorów. Małe wymiary i waga sprawiają, że oscylatory MEMS są poważną konkurencją dla tradycyjnych rozwiązań opartych na rezonatorach kwarcowych. Powszechnie stosowaną praktyką jest produkowanie oscylatorów MEMS kompatybilnych pod względem wyprowadzeń z odpowiednimi układami kwarcowymi.

Umożliwia to łatwą implementację podzespołu, a tym samym zwiększa szanse na odniesienie sukcesu na rynku. Dowodem na to, że oscylatory MEMS są poważnym kandydatem na następcę dotychczasowej technologii jest współpraca SiTime z Micro Crystal. Ostatnia z firm sprzedaje miliony układów RTC opartych na kwarcach rocznie, głównie dla zastosowań w telefonii komórkowej. Kooperacja obydwu producentów ma na celu stworzenie rezonatorów MEMS odpowiadających rosnącym potrzebom urządzeń mobilnych.

Podsumowanie

Nowoczesne urządzenia elektroniki konsumenckiej muszą być lekkie, małe i zarazem oferować coraz więcej funkcji bez podnoszenia ceny produktu. MEMS jest technologią odpowiadającą temu zapotrzebowaniu, pozwala bowiem ulepszać dotychczasowe rozwiązania, jak i dodawać całkiem nowe funkcje do powszechnie wykorzystywanych urządzeń. Chociaż wyzwaniem stojącym przed producentami MEMS jest z pewnością obniżanie cen tych elementów, pełna popularyzacja tych podzespołów na rynku masowym jest jedynie kwestią czasu.

Jacek Dębowski