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    ——博世在 MEMS 领域的探索

     

    博世在MEMS方面拥有20年的技术积累和市场创新:1995年推出汽车电子领域的运动类传感器,发展最早也最为成熟;2005年在消费电子领域涉及运动类、环境类、声学类传感器,汽车和手机是其崛起的重要驱动力量;2015年推出面向物联网的联网传感器和解决方案,包括智能传感器/制动节点、嵌入式软件和算法、定制化IoT传感器和致动器解决方案。博世在MEMS方面的成功可归纳为:单项传感技术多、多种传感器一体化、软硬协同的系统集成能力。

     

    二、博世在MEMS领域的成功要素

    (一)单项MEMS传感器技术储备丰富

    1 、博世在全球MEMS行业的市场竞争格局

    博世(BOSCH)是全球MEMS领域的龙头。博世旗下有四个事业部:汽车科技、工业科技、能源与建筑科技、消费者商品。博世是全球最大的汽车电子技术供应商,2013年汽车电子业务占其销售额的 66%。自 2014 年起,凭借在汽车传感器的出货量优势,博世一举超越意法半导体,成为全球 MEMS 行业的老大。

    MEMS 领域的营业收入连续增长。2009 年博世在 MEMS 方面的营收接近 5 亿美元,2015年博世在 MEMS 方面的营业收入为 12.14 亿美元,6 年复合增长率为 15.9%,营收规模和增速远超第二名意法半导体。全球 MEMS 的领先厂商还包括意法半导体、德州仪器、惠普、楼氏、应盛美等。

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    图 2-1:2009-2014 主要 MEMS 公司 MEMS 业务销售额

    2 、博世是创新驱动的平台型企业

    博世是全球领先的MEMS传感器、致动器及解决方案供应商。博世目前拥有约 42万的研究者与产品开发人员,位于全球 89 个国家。博世在过去 10 年投资了超过 350 亿欧元在研究和产品开发上。根据 Bosch Sensortec 发布的报告显示,每个工作日,博世平均申请 19 个专利。这使得博世成为世界领先的专利应用科技公司,同时也是德国首屈一指的高科技公司。

    博世深耕MEMS领域超过20年。1995年至2005年是MEMS传感器渗透汽车电子领域的发展时期,博世在此期间研发的产品包括加速度计、角速度传感器压力传感器、质量流量传感器等;得益于智能手机的快速发展,2005 年至 2015 年是 MEMS 传感器进入消费电子领域的快速发展时期,博世在此期间研发的产品包括地磁传感器、陀螺仪、压力传感器湿度传感器、组合传感器、专用传感器、MEMS 麦克风等;2015 年博世开始进入物联网领域,推出智能传感器、嵌入式软件与算法、定制化物联网传感器等。

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    2-2 :博世公司在 MEMS 领域的创新历程

    博世MEMS技术全球领先,在研发史上创造了多个全球第一。2006年博世推出全球尺寸最小的数字压力传感器,2007年发布全球封装尺寸最小的数字压力传感器,2012年推出全球最小的封装尺寸为 3×3 mm2的陀螺仪,2015年在全球率先推出第一个室内空气质量传感器以及智能传感器组合。


    年份

    产品

    2005 年

    第一个加速度传感器面世

    2006 年

    世界最小的数字压力传感器

    2007 年

    世界最小的数字加速度计传感器

    2008 年

    加速度计和压力传感器全组合

    2009 年

    2010 年

    第一个 2×2 mm2 加速度计传感器

    2011 年

    3×3 mm2 电子罗盘

    2012 年

    世界最小的封装尺寸为 3×3 mm2 的陀螺仪

    2013 年

    带微控制器的传感器

    2014 年

    超低功耗惯性传感单元

    2015 年

    世界第一个室内空气质量传感器、智能传感器组合

     表 2-1:博世的 MEMS 产品发展历史

    博世MEMS产品线丰富,涉及四个领域:运动传感、声学、连接与解决方案、汽车电子。博世发明了针对 MEMS 产品制造工艺的 DRIE(Deep reactive-ion etching,深反应离子刻蚀)技术,该工艺奠定了博世在 MEMS 领域的产品工艺开发基础。

    MEMS领域

    产品

    应用领域

    运动传感

    加速度计、地磁传感器、陀螺仪、压力传感器

    湿度传感器、组合传感器、专用传感器

    消费电子

    声学

    MEMS麦克风

    消费电子

    连接与解决方案

    智能传感器、致动器节点、嵌入式软件与算法、

    定制化的物联网传感器器与致动器解决方案

    消费电子
    工业领域

    汽车电子

    加速度计、角速度计、压力传感器

    流体质量流量传感器

    汽车领域

                                表  2-2 :博世MEMS的四个领域

    (二)多功能组合传感器带来单品价值提升

    博世发展MEMS传感器的策略是 多样化的传感器功能集成。惯性传感器(三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁计)为例,博世将三轴加速度计和三轴地磁计组合,通过封装形成六轴电子罗盘产品,将三轴加速度计和三轴陀螺仪组合,通过封装形成六轴惯性传感单元产品,六轴电子罗盘与三轴陀螺仪组合形成9+3个自由度的惯性传感组合。

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    2-3:博世公司 MEMS 惯性传感器组合产品

    博世拥有宽广的MEMS传感器技术储备以及从低集成度到较高集成度的MEMS产品,其MEMS传感器主要分为5大系列:惯性、地磁计、环境、传感集群、麦克风。每个系列的MEMS传感器包括单一性能的传感器、多功能的传感器组合,能满足多个细分领域的客户需求。

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    2-4 :博世公司MEMS传感器5大产品系列

    MEMS累计出货量接连创新高。 1995年涉足 MEMS以来,博世公司 MEMS累计出货量接连创下新高,从 1995年到 2013年 MEMS累计出货量接近 40亿个。 

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    2-5 :1995-2013  年博世公司 MEMS  累计出货量(百万个)


    (三)系统集成能力是 MEMS 企业的核心竞争优势

    MEMS 领域的系统集成能力不仅需要知道 MEMS 制造工艺,而且还需要掌握传感器相关的知识(软硬件协同设计、传感器集成功能、传感器数据融合)以及 MEMS 传感器应用领域相关的知识(应用领域背景知识、客户需求、除了传感器数据融合之外的知识)。

    博世在MEMS 传感器领域拥有极强的系统集成能力。惯性传感器组合方面,博世具备九轴、微控制器、传感器数据融合软件的系统集成能力;在环境传感器组合方面,博世拥有大气压力传感器湿度传感器温度传感器的集成能力;在声学传感器组合方面,博世的产品为声学麦克风、麦克风阵列控制,能够提供传感数据融合软件。

     

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    2-6 :博世在 MEMS 传感器集成趋势

    以博世六轴 MEMS 惯性传感器 BMC050 为例进行分析,BNC050 采用 16 管脚的 LGA封装,尺寸为3mm×3mm×0.95mm,通过 MEMS 封装技术集成了 ASIC 专用芯片、三轴加速度计、三轴地磁计。根据 Yole developpement 的研究,其成本构成如下:专用芯片(48%)、封装测试(35%)、MEMS(13%)、地磁计(4%)。


    分类

    封装尺寸

    封装工艺说明

    成本

    MEMS 封装

    3mm×3mm×0.95mm

    LGA 封装,16 管脚

    0.165 美元(包括测试与良率损失费用)

    加速度计用
    ASIC

    裸芯片面积为

     1.38 mm2

    采用0.18微米 CMOS 工艺,2P,4M Hz

    0.098 美元

    MEMS 加速度计
    (三轴)

    1.96 mm2

    封装盖子采用体硅各项同性
    刻蚀,传感器采用外延硅片
    表面微加工,键合采用玻璃-
    玻璃键合

    0.059 美元

    Z 轴地磁计+
    专用芯片

    2.19 mm2

    单轴(Z 轴),采用0.18微米 CMOS 工艺,2P,4M Hz

    0.126 美元

    X 轴/Y 轴

    地磁计

    0.61 mm2

    单轴(X 轴或 Y 轴),
    薄膜淀积工艺

    0.009 美元

    2-3 :博世 MEMS 传感器 BMC050 的主要结构及成本分解

       

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    2-7 :博世 MEMS 惯性传感器 BMC050 的封装结构          图 2-8 :博世 MEMS惯性传感器 BMC050

      

    随着 MEMS应用领域的拓展,宽泛的传感技术储备和传感器应用背景成为新型电子消费领域的必备。博世在 MEMS 传感器技术、传感器软硬协同能力、解决方案的集成能力方面具备雄厚的实力,从而能够满足不同层次、不同应用领域的客户需求。

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    图 2-9 :博世 MEMS 传感器的应用场景广泛

         博世构建了从 MEMS 传感器功能组合、MEMS与芯片一体化集成、MEMS辅助软件、数据与云系统的系统集成能力。除了单项传感器产品、多功能产品集成产品、软硬件配套解决方案之外,博世熟知 MEMS 传感器数据融合,建立了开放的软件开放平台和 API接口,对传感器的应用领域有着深刻的理解。

     

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    图 2-10 :博世构建了以传感器为核心的智能家居生态系统











    文章来源:民生证券研究院

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