压电器件:从块体型到薄膜型

麦姆斯咨询王懿 MEMS 2019-06-08

Piezoelectric Devices: From Bulk to Thin-Film 2019


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从块体型到薄膜型:压电器件的发展转型!


对于压电器件来说,目前正在经历一个光明时期!5G通信、个人语音助手、消费类可穿戴设备、指纹识别和医疗设备都是压电器件的候选应用。自从20世纪初,当石英成为军事应用中声呐器件的可选材料时,压电技术就已发展出多种产品类型,并在多种应用领域中发挥作用。如今,压电特性为换能器(传感器和执行器)提供了很好的市场机遇。


压电陶瓷应用(传感器和执行器)


据麦姆斯咨询介绍,块体型压电器件由具有一定结构形式的石英或陶瓷材料制成,无论是普通还是高端电子产品中皆可发现其身影。另一方面,自21世纪初以来,先进材料和技术不断发展,如利用半导体工艺(包括MEMS工艺)来应对小型化和高度集成化的双重挑战,以满足智能手机等消费类产品的海量需求。压电薄膜沉积技术在MEMS产业中变得越来越重要,主要涉及材料是锆钛酸铅(PZT)和氮化铝(AlN)。每种压电材料都有其特殊规格/性能,需要根据应用需求选择合适的材料制成传感器或执行器。例如,爱普生(Epson)和赛尔(Xaar)均使用薄膜PZT沉积工艺来制造压电喷墨打印头,主要应用领域为工业打印机,详情请查看报告:《爱普生PrecisionCore压电喷墨打印头》《Xaar 1201压电喷墨打印头》


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PZT压电材料应用之喷墨打印头


虽然一些器件采用的压电材料已从块体转向薄膜,但是具体的应用场景仍会影响块体或薄膜类型的选择。压电MEMS超声换能器(PMUT)是压电材料从块体转向薄膜的完美示例,PMUT器件已被广泛用于指纹识别和手势识别。另一个有前途的应用领域是医学成像,基于块体和薄膜的压电器件(用于超声波成像探头)将处于共存状态,需根据应用需求和性能进行选择使用。由于块体压电材料和技术的进步,TDK近期推出了厚度为0.45mm~0.7mm的PiezoListen压电扬声器,展示了一种从块体材料中获得最薄压电层的方法。总而言之,大家需要深入理解:压电材料的“转型”不是“竞争”——块体型和薄膜型是两种互补的方法!


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两种压电技术(块体型和薄膜型)应用


本报告分析了压电材料的转型及最有前景的应用,从微型压电扬声器和麦克风到MEMS微镜和自动对焦执行器,当然包括非常热门的薄膜体声波谐振器(FBAR)!报告介绍了这些压电器件的进展状态和产品可用性路线图。此外,还深入探讨了压电材料对换能器(传感器和执行器)的性能影响,以及压电市场趋势和技术路线选择。


扬声器和微型扬声器:尺寸与性能关系


压电器件市场快速发展,2024年将达485亿美元


2018~2024年压电器件市场(薄膜型 vs. 块体型)


2018年压电器件市场规模为238亿美元,预计2024年将达到485亿美元,2018~2024年期间的复合年增长率为12.6%。尽管块体型压电器件的市场份额仍然较大,但是薄膜型压电器件的成长势头更猛。在整个压电器件市场中,射频(RF)滤波器受益于5G通信而快速发展,包括SAW滤波器和BAW滤波器。博通(Broadcom)和Qorvo是射频滤波器领域的主要薄膜型压电器件厂商。


AlN压电材料应用之射频滤波器(FBAR)


薄膜型压电器件厂商近期受到亚马逊(Amazon)等互联网巨头的青睐,希望募集资金以支持研发超低功耗的微型压电扬声器和压电MEMS麦克风。而块体型压电器件具有很高的驱动性能,可用于喷墨打印头和直线电机等应用,实现非常精确的运动控制。


PZT压电材料应用之MEMS扬声器


AlN压电材料应用之MEMS麦克风


本报告预测未来五年块体型和薄膜型压电器件的增长情况,说明这两类器件的发展趋势和动态,并重点分析市场关注的压电器件。


PZT压电材料应用之惯性传感器(陀螺仪)


薄膜沉积工艺:溶胶-凝胶法 vs. 物理气相沉积法


一些MEMS代工厂针对压电薄膜技术进行研究,并开发了压电薄膜制造工艺。例如Globalfoundries的AlN压电MEMS技术为Vesper量产MEMS麦克风;意法半导体(STMicroelectronics)的PZT压电MEMS技术为Usound量产MEMS扬声器。在薄膜沉积工艺方面,主要是两大类技术之间的竞争:(1)溶胶-凝胶法(Sol-Gel);(2)物理气相沉积法(PVD),如溅射法(Sputtering)或脉冲激光沉积法(Pulsed Laser Deposition,PLD)。溶胶-凝胶法具有更好的固有薄膜特性、良好的均匀性和更高的击穿电压。但是,当考虑大批量生产时,吞吐量成为主要考虑因素,这也是溶胶-凝胶法的局限之处。


PZT压电薄膜沉积:溶胶-凝胶法(Sol-Gel)


大多数MEMS整合元件制造商(IDM)和代工厂已经对他们的工艺路线做出抉择。富士胶片(Fujifilm)Dimatix和博世(Bosch)选择溅射法,而意法半导体和罗姆(Rohm)采用溶胶-凝胶法。设备制造商在开发正确的工艺中发挥着重要作用:例如,总部位于荷兰的设备制造商SolMAteS最近宣布,其PLD技术已进入5G基站和接收器市场。


薄膜型压电器件生态系统:主要厂商


本报告覆盖从研发到最终用户的压电器件全产业链,重点分析了工艺设备和器件制造商,并介绍了他们的工艺流程和技术选择。


本报告涉及的部分公司:AIST, aixACCT, Akoustis, American Elements, Applied Materials, audiopixels, Balluff, Baumer, Bosch, Broadcom, Brother, BSAC, CEA Leti, Ceramtec, Chirp Microsystems, CTS, Danchip, Debiotech, EPFL, EPSON, FESTO, Fraunhofer IPMS, Fujifilm Dimatix, Fujiceramics, Georgia Tech Institute, GLOBALFOUNDRIES, Hereaus, Hionix, Honeywell, Huricane, IMEC, Kistler, Konica Minolta, Meggitt, Micromo, Mitsubishi Chemical, MSE Supplies, Murata, NGK-NTK Technical Ceramics, Obducat, Oce-Canon, Oxford Instruments, Panasonic, Penn State University, Pepperl+Fuchs, Philips Innovation Services, Physik Instrumente, Picosun, Piezo motor, Piezosystems Jena, poLight, Praxair, Qorvo, Ricoh, Qualcomm, Rohm Semiconductor, Schneider Electric, Screen, Silex Microsystems, Silicon Sensing Systems, Sintef, SolMateS, SPTS-an Orbotech company, STMicroelectronics, SUSS MicroTec, TE Connectivity, TDK EPCOS, TDK Invensense, TTP Ventus, Turck, Tyndall, USound, ULVAC, Umicore, University of Twente, Vermon, Vesper, VTT, Xaar, X-FAB, Youtec…


报告目录:


Introduction and glossary


Executive summary


Context

> Introduction to piezoelectricity

> Piezoelectric materials

> Application markets for sensors, actuators, and transducers


Market forecasts

> Piezoelectric device market 2018 - 2024 for sensors, actuators, and transducers, by type (bulk vs. thin-film)

> Piezoelectric device market 2018 - 2024 for sensors, actuators, and transducers, by application

> Penetration of thin-film vs. bulk-based devices

> Market dynamics, per application


Market trends

> Speakers

> Microphones

> Inkjet printheads

> Micropumps

> Inertial sensors

> RF filters

> PMUT

> Linear motors, autofocus

> Other/emerging devices

> Transition analysis

> Product roadmap


Market share and supply chain

> Bulk device players

> Thin-film device players

> Thin-film device players - Market share

> Focus on foundry players


Technology trends for thin-film-based technologies

> Thin-film materials

> Equipment and process flow

> Deposition process analysis and comparison


Conclusions


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