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企业专利信息推送 可穿戴健康医疗设备(第五期)

华进知识产权2018-12-05 15:31:29


可穿戴健康医疗设备(第五期)

重点技术——MEMS传感器(part I)


一、MEMS传感器简介
MEMS,微机电系统(英语:Microelectromechanical Systems)的缩写,是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,是将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。微机电系统在日本被称作微机械(英语:micromachines),在欧洲被称作微系统(英语:microsystems)。

微机电系统由尺寸为1至100微米(0.001至0.1毫米)的部件组成,它们内部通常包含一个微处理器和若干获取外界信息的微型传感器。在这种尺寸范围下,经典物理基本定律通常不适用。而且由于微机电系统相当大的表面积/体积比,诸如静电和浸润等表面效应要比惯性和比热等体效应大很多。MEMS传感器的功能元件是小型化的结构,传感器、致动器,以及微机电,微传感器和微致动器被适当地分类为“换能器”,它被定义为转换能量从一种形式到另一种装置。在微传感器的情况下,该设备典型地转换一个测量机械信号转换成电信号。


图1:MEMS传感器尺寸示意图


图2:MEMS加速度计内部结构示意图

可穿戴设备热潮席卷而来,也给产业链各环节带来新的淘金机会,处于产业链上游技术核心的MEMS传感器也受惠于此,这些原本用于汽车、智能手机、平板电脑的传感系统正在进入可穿戴设备领域。MEMS传感器附加值高,是人机互动的重要基础,被认为是可穿戴技术创新和未来发展潜力的重要方向,也成为厂商的关注重点。作为可穿戴式健康医疗设备的核心部件,传感器是可穿戴设备感知外部环境的窗口,也是产品功能差异化的重要硬件。因微型化、低成本、高精度等优势,可穿戴终端均采用MEMS传感器。博世公司、ST公司领跑该市场,其用于可穿戴设备主要代表产品如陀螺仪与多轴传感器。

2014年,可穿戴电子产品与健康监控设备中的MEMS运动传感器营收上升33%,达4,130万美元;在2015年进一步增长47%,至6,080万美元。IHS iSuppli公司预计MEMS传感器营收在今年将继续出现较大增幅,届时年度营业收入将跳增50%至9,150万美元。应用于可穿戴和移动医疗设备中的传感器出货量将从2014年的1.12亿颗增长到2020年的8.35亿颗。


二、全球MEMS传感器专利概况


图3:MEMS传感器全球专利申请趋势

从1965年第一件真正意义上MEMS微机电系统相关的传感器发明专利申请提交起,MEMS传感器的发明申请已历经近50年的发展,截止到今年8月30日,MEMS传感器相关的全球专利申请量为三万余项。MEMS技术虽然起始于20世纪60年代,但在2000年以前主要为技术摸索阶段,技术整体发展缓慢。从上世纪末到本世纪初,随着第三次行业化浪潮的推动,MEMS技术快速发展,随之相关的专利数量也快速增长。2005年与MEMS传感器相关的专利年申请数量首次突破一千件。2014年虽然申请量有所下降,但仍维持在一个高位水平,MEMS传感器领域进入了一个稳定的发展期。


图4:全球MEMS传感器专利地域分布

目前消费电子与医疗电子已成为MEMS传感器发展的最主要动力。MEMS传感器产品线中的3轴加速度传感器已经成为智能手机、平板电脑等智能终端产品的标配,苹果公司与三星公司成为消费与移动MEMS市场的最大买家。而新型的MEMS心率传感器、计步器也成为了新型医疗电子器械的新贵,可穿戴式健康医疗设备发展迅猛,要求更加高精度、集成化、低成本、组合化与多功能的MEMS传感器。在物联网的大背景下,MEMS传感器专利的申请增长迅猛。

目前领先者已完成对全球的专利布局,进入稳定发展期。从检索结果分析,美、中、日、德、韩是最主要的专利申请国与市场。技术优先权国家或地域的分析能够反映主要技术力量的来源分布情况。从全球MEMS传感器专利申请地域来看,中国的申请数量占据首位,但有较大部分为外国企业进入中国申请的专利。日、美、韩三国的MEMS传感器专利申请数量非常接近,且这3个国家在消费电子、医疗电子领域有着很多具有行业统治力的企业,如美国的苹果公司、韩国的三星电子、日本的日立电子、富士通等企业,依托跨产业的联合推动,这三个国家在MEMS传感器领域有着很强的研发实力。


图5:全球MEMS传感器市场热度图

从全球MEMS传感器市场热度图可知,中国、美国、日本、韩国和德国是全球MEMS传感器市场集中度最高的国家。中国是消费电子与医疗电子市场需求量最大的国家,据美国消费电子协会与GFK统计,2014 年中国的消费电子市场整体规模达到17,957 亿元人民币,已成为全球最大的消费电子市场。美国、日本、韩国与德国均是MEMS传感器技术领先和应用广泛的国家。


如上表,MEMS传感器的应用领域在消费电子、汽车工业、航空航天、医疗保健等领域都具有重要的应用背景。作为消费电子、医疗保健等领域制造国与消费国,MEMS传感器的需求量与重要性不言而喻。


图6:技术领域/专利权人分析图

现全球MEMS传感器相关专利的重点技术可用三大关键词概况,一为“加速度”:此部分代表加速度计传感器、惯性传感器、陀螺仪、测量等技术特点的MEMS传感器。二是“微控制单元”,其分类下有半导体、红外传感器、微控制器、无线传感器、微型泵和微型电脑等。“微透镜”也是一大关键词,其分类下有微型摄像机、电信号、微透镜阵列等。其中,博世公司、霍尼韦尔、东南大学与浙江大学在“传感器测量”技术的专利申请数量均超过100件;在“微结构和纳米技术”技术领域内,博世公司拥有最高数量的专利申请量,达175件。在此技术领域,中国的东南大学也有一定专利申请量,总计61件,该院校在“微结构和纳米技术”领域的研究开发也取得了优良的成果。在MEMS传感器所有相关技术领域,博世公司均有研究涉猎且均获得一定数量的核心专利,其在MEMS传感器产业的技术领先度领先于其他制造厂商。


图7:2000年前MEMS传感器重点技术路线图

上图为2000年之前MEMS传感器技术领域重点技术专利发展路线图。在2000年前,较为重要的基础专利为1991年NORTHROP公司申请的专利号为GB2251693A“微型硅加速度计和方法”,此专利提出了一种使用集成电路制造和硅微机械加工技术以形成一个封闭的环制成微型加速度计传感器的方法,此项专利一共有15件同族专利,后续被295件INPADOC同族专利引用。除此项专利外,由ENDOSONICS公司于1995年申请的专利号为US6106476“超微型压力传感器和导丝使用方法”属于上个世纪MEMS传感器最重要的应用型专利之一,此项专利提供一种柔性器件构成的MEMS压力传感器,此项专利共有25项同族专利,同样拥有255次被引用的记录,在此基础上,由PACESETTER公司、PHILIPS公司、VOLCANO CORPORATION等公司通过引用创新发明了一批MEMS传感器技术应用领域的专利。总体来说,2000年前,MEMS传感器领域专利多集中在传感器本身的原理及结构设计、工艺及封装技术。


图8:2000年后MEMS传感器重点技术路线图

2000年后,MEMS传感器在本身原理与封装、材料方面的技术已近乎成熟,此阶段大部分研究机构与企业都将研发重点放在更新型、节约的结构设计与多应用化、精确化的应用领域。2001年由MICRO SENSORS公司申请的专利号US6513380“限制性连接几何MEMS传感器与单一的中央锚和运动”属于进入新世纪第一件获得MEMS传感器重要结构设计突破的发明,该发明提供了包括检测元件和支撑布置在中心轮毂状方式的单个MEMS传感器,此种结构设计可减少感测元件受到热应力的影响。该项专利总共有7项同族专利。博世公司的US8418559、US8850888、US20130167634A1等专利均引用了该项发明,除博世公司,INVENSENSE, INC.、日本东芝电子等电子产业巨头均有电子设备领域发明涉及引用该项专利。2004年,韩国三星电子引用了该项专利并进行改进,开发了专利号为US6918298“水平和音叉振动微陀螺(译)”,该项专利也取得了巨大的专利价值;2005年,波音公司基于该项专利开发了专利号US20050274183A1“积分陀螺谐振器(译)”;2011年,INVENSENSE公司通过对这项专利的研究改进研发了专利号US8351773“移动设备上运动传感和处理方法”。


三、全球MEMS传感器重点专利权人分析


图9:重点专利权人排名图

如上图显示,按照MEMS传感器技术领域专利申请数量进行排名,申请量最多的是德国的罗伯特·博世有限公司,韩国的三星电子株式会社305件屈居第二。排在后面的是韩国的Dongbu Hitek、LG电子、日本的松下集团和中国两所高校:浙江大学、东南大学。

在MEMS传感器专利恩情数量前30位专利权人,美国、日本与韩国公司居多,如日本的松下、日立与东芝,美国的霍尼韦尔、飞思卡尔、德州仪器等老牌企业,韩国的三星电子与LG电子,欧洲的罗伯特博世公司、意法半导体。中国上榜的专利权人排名靠前的均是高校:东南大学、浙江大学、清华大学或研究机构:中科院电子所、中科院上海微系统与信息技术研究所等。而目前市场占有率较高的传感器产品主要来自博世公司和霍尼韦尔公司两者。

(1)博世公司

作为MEMS传感器技术领域全球专利申请量最大的公司,博世公司也是目前MEMS传感器领域全球最大的供货商。在消费电子领域,其产品包括三轴加速度计BMA系列、6轴惯性测量单元BMI系列,以及9轴惯性测量单元BMX和BNO系列。在汽车领域,其主要产品包括用于安全气囊系统的单轴和双轴加速度传感器SMA和SMB系列,用于车辆动态控制和主动悬挂系统的低g加速度传感器SMB系列,外围加速度传感器PAS、UFS系列等等。


图10:博世公司MEMS传感器相关专利技术分布


图11:博世公司MEMS传感器专利申请年趋势图

博世公司在各个领域的技术力量较为均衡,在原理与结构设计、封装、工艺及材料领域的专利数量相对而言较多。从1973年博世公司申请第一件MEMS传感器相关领域专利,截止至2016年8月30日,博世公司共在MEMS传感器技术领域申请专利达192项专利组,总计362条专利。2009年在全球金融危机的背景下,博世公司在该领域的专利申请进入第一次高峰,当年申请量达到48件,表现出逆市增长的态势。

博世公司在2011年2月份申请的专利号为CN201180014988.1 “利用改进惯性元件的微机电磁场传感器”,该专利公开了一种微机电系统(MEMS)传感器。所述MEMS传感器包括:基底;从基底向上延伸的第一枢轴;第一杆件臂,其随着第一纵向轴线在基底之上延伸,且可枢转地安装到第一枢轴以绕第一枢转轴线枢转;第一电容器层,其在第一杆件臂的第一电容器部分之下的位置形成在基底上;第二电容器层,其在第一杆件臂的第二电容器部分之下的位置形成在基底上,其中第一枢轴在沿着第一纵向轴线的第一电容器部分和第二电容器部分之间的位置支撑着第一杆件臂;以及第一导体部件,其延伸经过第一纵向轴线,且与第一枢转轴线分隔开。该项发明价值预估达$ 860,000,专利价值含量高,直接作为成品产品,属于博世公司微控制器技术领域中的核心专利。该发明一共引用了37件专利。在同年11月份,博世公司推出两款新型MEMS传感器——SMA582和SMA592并取得了巨大的市场反馈,这是自1996年以来博世的第五代MEMS传感器产品。新型传感器的主要特点包括±120g到±480g之间的宽测量范围,通过SPI或PSI5-V1.3接口进行通信选择。


图12:博世SMA582和SMA592传感器

在其新制造第五代传感器产品中,加速度计产品BMA系列、BMI系列与BMX系列以及汽车工业SMA系列、SMB系列均有采用该项发明技术。

 (2)霍尼韦尔公司

霍尼韦尔公司重视专利的全方位技术布局与全球专利布局,专利与产品紧密结合。

霍尼韦尔公司的MEMS传感器产品主要包括微型加速度传感器、双轴和三轴加速度传感器、潜艇单元等,典型产品如Qflex。其传感器的突出特点是能够承受高过载和极端温度,抗冲击能力强,适用于国防和航天航空领域。霍尼韦尔公司在全球共有104项专利组,总计384条专利。其专利申请量大,专利质量高。


图13:霍尼韦尔公司MEMS传感器相关专利技术分布


图14:霍尼韦尔公司MEMS传感器专利申请趋势图

如上图所示,霍尼韦尔在MEMS传感器领域的申请经历了萌芽发展(2000年前)、成熟期(2000-2008年)和回落期(2010年后)三个阶段。2010年以后,其专利申请速度放缓,在一定程度上反应出霍尼韦尔在本领域专利布局的完成。从专利技术布局的角度来看,霍尼韦尔的专利技术集中于MEMS电容式加速度器及封装技术。

图15:2013年霍尼韦尔推出的六轴惯性传感器

在2012年,霍尼韦尔公司在美国本土申请了专利号为US13/661809 “多轴原子惯性传感器系统(译)”,该发明涉及闭环原子惯性传感器。提供一种用于惯性感测的装置。该装置包括至少一个原子惯性传感器,以及可操作地耦合至原子惯性传感器的一个或多个微机电系统(MEMS)惯性传感器。原子惯性传感器和MEMS惯性传感器可操作地在闭反馈环中彼此通信。该项专利属于霍尼韦尔公司在MEMS传感器领域的核心专利布局,共引用21组专利。在2013年,霍尼韦尔公司推出该公司新一代多轴惯性传感器——6轴自由度惯性传感器,能够测量设备的六自由度运动,并提供运动、定位及导航传感。利用微机电系统技术 (MEMS) 检测沿三个正交坐标轴的直线运动(纵向、垂向、横向)和绕三个正交坐标轴的旋转运动(俯仰、横摇、偏航)。由于沿三个坐标轴的直线运动和绕坐标轴的旋转运动相互独立,因此空间内的运动共有六个自由度。该产品由于具有业内领先的耐用度、精确度、稳定性与灵活性,在交通运输、航空军用与工业领域均得到了大量订单销量与优良的市场反馈。


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