Mimo, że czujniki MEMS wypracowały sobie na przestrzeni lat ugruntowaną pozycję wśród elementów elektronicznych, nadal są intensywnie rozwijane. Innowacyjne rozwiązania pojawiają się w zakresie zastosowań czujników inercyjnych, grawimetrii i technologii głośników.

Źródło: Freepik

MEMS to branża o wartości 15 miliardów dolarów z dojrzałymi rynkami. Co będzie dalej?

Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) to urządzenia łączące elementy elektryczne i mechaniczne w skali mikroskopowej. Ten ogólny termin obejmuje szeroką gamę urządzeń, które mają szerokie zastosowanie. Czujniki poduszek powietrznych wykrywające zderzenie pojazdu, głowice drukarek atramentowych, czujniki RF, mikrofony i czujniki ciśnienia to tylko kilka przykładów dojrzałych rozwiązań MEMS. Chociaż MEMS-y obejmują szeroką kategorię elementów, łączą je te same procesy, które są znane z masowej produkcji półprzewodników. Branża wyceniana na 15 mld USD rozwinęła się i osiągnęła dojrzałość w wielu sektorach, ale wielu użytkowników zapewne nurtuje pytanie: jakie technologie mogą stanowić kolejny wielki krok naprzód dla MEMS-ów?

Raport IDTechEx koncentruje się na najnowocześniejszych technologiach MEMS nowej generacji, które mają szansę zrewolucjonizować branżę, podkreślając trzy kluczowe obszary:

• Zaawansowane IMU MEMS
• Grawimetry MEMS
• Głośniki MEMS

Zaawansowane czujniki IMU MEMS. Czujniki inercyjne (IMU) są integralną częścią współczesnych systemów nawigacyjnych. Od wysokich wymagań precyzyjnych satelitów i samolotów po podstawowe czujniki gestów w nowoczesnych smartfonach. Czujniki IMU umożliwiają precyzyjne śledzenie lokalizacji i pozycji poprzez całkowanie danych dotyczących przyspieszenia i prędkości kątowej. Obecnie żyroskopy MEMS (elementy wykrywające prędkość kątową) ograniczają wydajność IMU opartych wyłącznie na technologii MEMS i zmuszają producentów do korzystania z alternatywnych, bardziej złożonych technologii (takich jak żyroskopy światłowodowe). Niniejszy raport zawiera analizę nowych projektów żyroskopów MEMS, które umożliwią stworzenie IMU klasy nawigacyjnej opartego wyłącznie na technologii MEMS, a także omówienie znaczenia tego rozwiązania dla branży i nawigacji jako całości.

Przegląd technologii wysokiej klasy żyroskopów inercyjnych. Źródło: IDTechEx

Grawimetry MEMS: Chociaż przyspieszenie ziemskie jest zazwyczaj przyjmowane jako 9,81 m/s², jego rzeczywista wartość znacznie się różni. Podziemne zasoby, zagłębienia i surowce zmieniają lokalną wartość grawitacji, a możliwość monitorowania niewielkich odchyleń grawitacji może otworzyć nowy wymiar wykrywania. Grawitacja jest przyspieszeniem, więc niezwykle precyzyjny akcelerometr może zapewnić bardzo dokładną wartość lokalnego pola grawitacyjnego. Wyzwaniem było zmniejszenie wewnętrznej „podłogi szumu” takich czujników, a IDTechEx koncentruje się na kluczowych technologiach umożliwiających zmniejszenie tego parametru. Wykorzystanie geometrycznych anty-sprężyn (Geometric Anti-springs – GAS) jest nowym podejściem, które zyskuje popularność na rynku. Anty-sprężyna, to sprężyna, której stała sprężystości ma wartość ujemną. Po raz pierwszy rozwiązanie to zostało zastosowane w wykrywaniu fal grawitacyjnych. IDTechEx porównuje również różne prototypy i bada sytuację na rynku oraz komercyjne zastosowania grawimetrów MEMS.

Głośniki MEMS. Elektronika użytkowa od dziesięcioleci jest kuźnią innowacji w dziedzinie MEMS. Pragnienie mniejszych, bardziej wydajnych i tańszych komponentów doprowadziło do zastosowania mikrofonów, akcelerometrów i żyroskopów MEMS w smartfonach. Kolejnym krokiem mogą być głośniki MEMS. Konwencjonalne przetworniki głośnikowe wymagają ręcznego montażu cewek z magnesami trwałymi i membran. Jest to nie tylko pracochłonne, ale także ogranicza rozmiar, do jakiego można zminiaturyzować głośniki.

Czy głośniki MEMS pójdą śladami mikrofonów MEMS i zdominują rynek elektroniki użytkowej? Kluczową barierą do pokonania była wydajność chipów głośników MEMS przy niskich częstotliwościach, ponieważ podstawowe zasady fizyki dźwięku sprawiają, że uzyskanie dużej głośności przy małej średnicy jest trudne. W raporcie omówiono kilka podejść, w tym modulację amplitudy ultradźwiękowej, a następnie porównano kilkanaście różnych modeli głośników MEMS, porównując poziom ciśnienia akustycznego (SPL, głośność) w całym paśmie częstotliwości słyszalnych, ujawniając duże różnice w wydajności poszczególnych modeli.

Przegląd metod transdukcji stosowanych w głośnikach MEMS. Źródło: IDTechEx

Mieszanka dużych graczy i małych start-upów

Obecny rynek MEMS jest w dużej mierze zdominowany przez wielkie firmy, takie jak Bosch Sensortech, które produkują miliardy sztuk rocznie. MEMS czerpią ogromne korzyści z ekonomii skali, ale nie oznacza to, że mniejsze firmy nie mogą wejść na ten rynek. Wiele start-upów stosuje model bez własnych zakładów produkcyjnych, w którym projektowanie podstawowego systemu odbywa się we własnym zakresie, ale produkcja jest zlecana podmiotom zewnętrznym (takim jak TSMC). Rynek głośników MEMS jest zdominowany przez małe start-upy bez własnych zakładów produkcyjnych.

Rynek wysokiej klasy czujników inercyjnych różni się od rynku konsumenckiego MEMS tym, że jest zdominowany przez duże firmy z branży lotniczej. Honeywell, Northrop Grumman i Safran tworzą „wielką trójkę” w dziedzinie czujników inercyjnych, koncentrując się na produkcji czujników do samolotów, satelitów i zastosowań obronnych.

Znaczenie CSWaP
CSWaP (koszt, rozmiar, waga i moc) jest jedną z kluczowych wskaźników wydajności, które należy zoptymalizować. Aby przejść na system MEMS, należy wykazać przewagę nad dotychczasową technologią w sposób, który nie wpłynie negatywnie na CSWaP.

Perspektywy rynkowe
IDTechEx przedstawia szczegółowe 10-letnie prognozy dotyczące wysokiej klasy czujników inercyjnych (RLG, HRG, FOG, MEMS/Advanced MEMS), grawimetrów MEMS i głośników MEMS, zarówno pod względem liczby sprzedanych sztuk, jak i wartości rynkowej. Analiza rynku MEMS nowej generacji ujawnia znaczne możliwości rozwoju w zakresie czujników inercyjnych i elektroniki użytkowej.

Kluczowe aspekty
Raport zawiera kluczowe informacje rynkowe na temat nowych i przyszłych technologii i zastosowań MEMS.

Przegląd kontekstu i technologii MEMS oraz przegląd branży.

Wysokiej klasy jednostki pomiaru inercyjnego (IMU)

• Szczegółowe omówienie akcelerometrów, żyroskopów i grawimetrów MEMS. Ocena konkurencyjnych technologii w zakresie wysokiej klasy czujników inercyjnych, w tym: RLG (ring laser gyros), FOG (fibre optic gyros) oraz istniejących architektur MEMS.
• Czynniki sprzyjające rozwojowi żyroskopów klasy nawigacyjnej oraz odpowiednie wskaźniki wydajności.
• Zaawansowane architektury żyroskopów MEMS i metody produkcji.
• Grawimetry MEMS, w tym grawimetry z geometrycznym mechanizmem anty-sprężynowym (GAS) i akcelerometry z drgającą belką (VBA)
• Ocena rynku IMU, czynniki wzrostu i szczegółowe prognozy według technologii.

Przetworniki głośnikowe MEMS

• Motywacje i wyzwania związane z przejściem na platformę MEMS.
• Rodzaje przetworników: piezoelektryczne, elektrostatyczne, elektroakustyczne i termoakustyczne.
• Omówienie kluczowych firm w branży głośników MEMS.
• Benchmarking i ocena technologii, w tym porównania SPL/charakterystyki częstotliwościowej.
• Szczegółowe prognozy rynkowe według zastosowań.

Źródło: IDTechEX