Wyścig na światowym rynku MEMS trwa

MEMS-y coraz bardziej popularne

Wzrost popularności układów MEMS w ostatnich latach wynika w dużej mierze z rosnącej ich funkcjonalności przy zachowaniu niewielkich rozmiarów oraz malejących cen. Prowadzone prace badawczo-rozwojowe doprowadziły do ograniczenia poboru mocy oraz 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 stosowane w różnych urządzeniach elektroniki użytkowej. Usprawnienia polegają nie tylko na poprawie parametrów urządzeń, często dla użytkownika niewidocznych, ale na zwiększeniu ich funkcjonalności. Przykładem może być zastosowanie czujników przyspieszenia w telefonach komórkowych i odtwarzaczach MP3.

Dotychczas układy MEMS stosowano głównie w motoryzacji, urządzeniach medycznych oraz w zastosowaniach militarnych. Motoryzacja jest ciągle czynnikiem napędzającym rynek, głównie dzięki akcelerometrom MEMS wykorzystywanym w poduszkach powietrznych, ale wzrost rynku w sektorze elektroniki konsumenckiej jest szybszy, czego dowodem jest chociażby wzrost sprzedaży firm Analog Devices i STMicroelectronis dostarczających akcelerometrów do konsol do gier i telefonów komórkowych.

Kto zyskał najwięcej? 

Największy przychód ze sprzedaży MEMS w zeszłym roku osiągnęło HP, głównie dzięki zastosowaniu MEMS w głowicach produkowanych przez siebie urządzeń drukujących (tab. 1). Kolejne wysokie pozycje w rankingu zajmują inni producenci urządzeń biurowych: Lexmark, Seiko Epson oraz Canon. Potwierdza się jeszcze raz, że elektronika konsumencka staje się motorem rynku.

Najwyższy wzrost przychodów w ubiegłym roku (ponad 35%) odnotowały takie firmy jak Knowles Acoustics (22. miejsce) – producent mikrofonu opartego na technologii MEMS oraz Avago Technologies (12. miejsce) – producent rezonatora FBAR (Film Bulk Acoustic Rezonator). Mikrofony MEMS firmy Knowles Accoustic wykorzystuje wielu producentów telefonów komórkowych oraz kamer cyfrowych. Zaletami mikrofonów MEMS są małe rozmiary, niska cena i dobra jakość przekonwertowanego do postaci cyfrowej sygnału analogowego.

Nie wszyscy pną się w górę

Sprzedaż Texas Instruments spadła w roku 2007 o 10%. Tak znaczny spadek pozycji spowodowany jest wzrostem konkurencyjności systemów LCD i wyświetlaczy plazmowych. TI dostarcza opracowane przez siebie wyświetlacze obrazowe oparte na technologii MEMS zwane DLP (Digital Light Processing), stosowane w projektorach. Wykorzystują one miniaturowe lustra o powierzchni kilkunastu mikrometrów kwadratowych odbijających lub rozpraszających padający na nie strumień świetlny.

Zaletą ich jest wysoki kontrast – 2000:1, a wadą, decydującą o spadku sprzedaży, wysoka cena. Stracił również Lexmark na sprzedaży atramentowych urządzeń drukujących. Powodem tego jest silna konkurencja ze strony HP, Seiko Epson i Canona.

Czy MEMS to tylko mikrofony, głowice drukarek i czujniki?

Podsumowując, można wywnioskować, że obecnie MEMS stosowane są głównie w przemyśle elektroniki użytkowej oraz motoryzacji. Ale i tu idą zmiany. Wśród 30 największych producentów MEMS znalazła się po raz pierwszy firma FUR Systems. Firma ta jest czołowym producentem bolometrów – przyrządów do pomiaru energii przenoszonej przez promieniowanie w szerokim zakresie długości fal. Bolometry są stosowane m.in. w technice wojskowej do wykrywania i określania położenia obiektów cieplejszych od otoczenia, a w astronomii do wyznaczania jasności gwiazd.

W 2006 roku sprzedano pierwszy przełącznik w.cz. MEMS (RF MEMS). Według przewidywań w 2011 roku rynek przełączników będzie wart 390 milionów dolarów. Przełączniki znajdą zastosowanie w telefonii bezprzewodowej, przemyśle motoryzacyjnym i wojskowym i jak się przewiduje, ich pole zastosowań będzie szersze niż tylko przełączanie sygnału. Oscylatory MEMS zastępują oscylatory kwarcowe w tempie 120% rocznie, według najnowszych opracowań, a jeszcze kilka miesięcy temu prognozowano 30-procentowy wzrost tego rynku.

Zgodnie z szacunkami firmy WTC rynek oscylatorów MEMS wart obecnie 2,5 miliona dolarów wzrośnie do 140 milionów w 2012 roku, dzięki miniaturyzacji urządzeń elektroniki konsumenckiej i motoryzacyjnej. Według dalszych prognoz, po roku 2012 oscylatory MEMS zaczną penetrować wart miliard dolarów rynek układów czasowych do telefonów komórkowych. W zeszłym roku firmy Discera i Si-Time (na razie poza najlepszą 30) dostarczyły na rynek około 3 milionów oscylatorów MEMS.

Oscylatory MEMS 

Oscylatory te można nazwać jeszcze mianem "system in package". Oscylatorów MEMS w wersji SoC (System on Chip) należy spodziewać się w perspektywie roku, na kiedy to firma Silicon Clocks zapowiada pierwsze próbki oscylatorów MEMS na podłożu z arsenku galu. W tym samym czasie należy się spodziewać podobnych rozwiązań ze strony SiTime. Warto sobie przypomnieć, że ten rynek jest również całkiem młody. Dopiero dwa lata temu SiTime zaczęło produkcję oscylatorów MEMS.

Chociaż MEMS jest znane od dawna, to oscylatory MEMS o tak dobrej stabilności i precyzji jak oscylatory kwarcowe były nieosiągalne. Dopiero rozwiązanie problemu zanieczyszczeń, własności podłoża w funkcji temperatury, zastosowanie technologii SOI (silicon on insulator) oraz rozwiązanie problemów z obudową pozwoliły na realizacje oscylatorów MEMS o parametrach porównywalnych z oscylatorami kwarcowymi, o znacznie mniejszych wymiarach i niższej cenie.

Dwa lata temu nie było oscylatorów MEMS, obecnie mamy na rynku oscylatory w technologii "system in package", SiP, a już niedługo oscylatory MEMS w technologii "system on chip" SoC będziemy integrować w układzie scalonym CMOS. W wartym miliard dolarów rynku zastosowań oscylatorów skompensowanych termicznie (TCXO) używa się najczęściej jednego oscylatora i za pomocą pętli fazowych wytwarza potrzebne przebiegi czasowe.

MEMS SoC będą zamiast tego używać oddzielnych rezonatorów MEMS dla każdego sygnału czasowego. Producenci oscylatorów MEMS twierdzą, że kształt i rozmiar rezonatorów może być dowolnie dobierany do częstotliwości i współczynnika wypełnienia potrzebnego sygnału, zapewniając przy tym doskonałe szumy fazy. Cena i pobór energii mają być niższe niż w elementach kwarcowych.

Kto wejdzie do gry? 

Spodziewane zastosowania oscylatorów MEMS to elektronika konsumencka, taka jak kamery zastępujące samochodowe lusterka wsteczne, cyfrowe kamery i aparaty fotograficzne. Jak się przewiduje, na rynek oscylatorów i układów czasowych MEMS wejdą niebawem trzej wielcy gracze, producenci układów scalonych. Według prognoz będzie to NXP oraz STMicroelectronics. Ostatnia z firm dołączyć ma w 2009 roku. Wśród kandydatów wymienia się Motorolę, Freescale oraz Texas Instruments, który mógłby szukać w ten sposób możliwości umocnienia swojej pozycji.

Dariusz Pieńkowski