|
微機電系統（MEMS）是利用半導體制造工藝和材料，將傳感器、執行器、機械機構、信號處理和控制電路等集成于一體的微型器件或系統，其內部結構在微米甚至納米級。該技術主要用于制造傳感器，例如數字羅盤、加速度計、慣性模塊、陀螺儀、濕度傳感器、麥克風和壓力傳感器等。在不到20年的時間里，MEMS技術已經從一項有趣的學術研究變成了許多常見產品的組成部分。 四類熱門MEMS傳感器 在早期的MEMS系統中，其中一個芯片作為傳感元件，另一個芯片作為信號調理電子器件，是一種多芯片結構。這種實現方法比較簡單，但缺點也很明顯。從封裝角度看，因硅片的總面積較大，所以需要更大的封裝才能容納雙芯片結構。另外，多芯片模塊需要額外的組裝步驟，最終的成品率較低。在技術上，MEMS需要更大的傳感器信號來克服芯片間互連形成的雜散電容。 歷史告訴我們，集成是最具成本效益和高性能的解決方案。因此，將MEMS的傳感器和信號調理器件集成在一個芯片上乃大勢所趨。它帶來的優點也是顯而易見的。比如，MEMS器件在微米級上做到了既有機械元件又有電氣元件，最大限度地減少了能源和材料的使用，有助于降低成本、提高精度和可靠性以及靈敏度。 MEMS傳感器的種類繁多，分類方法也很多。比較常用的包括：加速度計、MEMS陀螺儀、壓力傳感器、磁場傳感器等。而每種都有很多細分種類，如MEMS加速度計就有可變電容式、壓阻式、壓電式、諧振式和熱電偶式等多種形式。 MEMS加速度計 這是一種用于測量加速度和力的微機電裝置，其原理是基于牛頓的經典力學定律，主要由懸掛系統和檢測質量塊組成，通過微硅質量塊的偏移實現對加速度的檢測，目前大多用于汽車安全氣囊系統、防滑系統、汽車導航系統和防盜系統等。在市場上存在著多種類型的MEMS加速度計，其中最常用的是壓電加速度計，但因器件的體積過大，應用受限，這也是為什么急需盡快開發小型高性能壓電加速度計的原因。值得一提的是，電容式MEMS加速度計因具有靈敏度高、受溫度影響小等特點，逐漸成為MEMS加速度計中的主流產品。 MEMS陀螺儀 MEMS陀螺儀是一種角速率傳感器，體積小，常常用于測量角速度或旋轉位移。角速度的單位是每秒轉數（RPS）或每秒度數。在機械上，陀螺儀是一個旋轉的輪子或圓盤，安裝在軸上，軸可以自由地選擇方向，依靠的原理與振動旋轉物體的原理相同。MEMS陀螺儀主要用于汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統。汽車轉彎時，系統通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉動是否到位，主動在內側或者外側車輪上加上適當的制動以防止汽車脫離車道，通常它與低加速度計一起構成主動控制系統。此外，MEMS陀螺儀不僅能夠測量角速率，也可以通過積分計算動態角度位移�，F在市場上大熱門的慣性導航單元（IMU）就是由加速度和陀螺儀組合而成，既可以測量旋轉角速率又可以測量線性加速度。 MEMS壓力傳感器 作為采用MEMS技術加工的壓阻式傳感器件，MEMS壓力傳感器可以對外界壓力進行監測和測量。目前主要有五種類型：絕對壓力傳感器、真空壓力傳感器、密封壓力傳感器、表壓傳感器、差壓傳感器，分別在工業、飲料機、洗衣機、航空航天、工業機械、汽車等應用領域發揮著重要的作用。比如，汽車的胎壓監測就是MEMS壓力傳感器的典型應用。 MEMS磁場傳感器 這類傳感器是一種小型的微機械系統，主要用于工業、消費品和汽車中的線性角度、速度、轉速、線性位置的測量。它離被測物越近，空間分辨率越高。 MEMS技術的發展讓傳感器的尺寸越來越小，成本效益也愈加突出，MEMS傳感器的出現極大地滿足了大家對產品小體積、高性能的要求。根據市場調研機構的預測，2019年，全球MEMS傳感器市場約為542億美元，2020年至2027年，市場增長率將超過11.3％。高增長背后的原因是MEMS的應用面越來越寬，從最早的工業、軍用航空逐漸擴展到消費電子和IoT等領域。目前，汽車電子和消費電子已經成為MEMS應用最廣的領域，這兩大領域約占MEMS傳感器市場的60%以上。 汽車應用解決方案 安全是汽車業最重要的考量之一。MEMS傳感器在汽車上的應用之所以發展迅速，主要受益于各國政府推出的汽車安全規定，比如要求所有汽車配置TPMS（Tire Pressure Monitoring System，胎壓監測系統）。同時，汽車智能化也進一步推動了MEMS傳感器的應用。現在，壓力傳感器、加速計、陀螺儀與流量傳感器等四類器件合計占到汽車MEMS系統的99%。這其中，又以MEMS壓力傳感器的應用居多。 據統計，全球平均每輛汽車包含至少10個MEMS傳感器，在高檔汽車中，采用的MEMS傳感器數量更多，約有20至40個，BMW740i汽車上甚至有70多個。 
圖1：全球汽車MEMS營業收入預測（單位：100萬美元）（圖源：IHS） Infineon TPMS方案 Infineon（英飛凌）TPMS方案SP370是目前市場上占用率最高的產品，也是業界最早集氣壓、溫度、加速度、電源管理、RF于一體的單芯片方案。現在，該產品已升級到SP40。相比前代產品，SP40的體積更小，功耗更低，FLASH也增大至14KB，無線發射性能也更優。在SP370問世前，胎壓監測功能通常需要由2~3個主芯片（傳感器+無線RF收發+電源管理）來實現，不僅成本高，功耗大，模塊的體積也比較大。
圖2：Infineon SP40系統框圖（圖源：Infineon） ADI汽車解決方案 ADI是汽車安全氣囊領域的開拓者，如今市場上售出的汽車中約有1/4配備了ADI安全氣囊傳感器。ADI安全氣囊傳感器產品——ADXL251是雙軸集成衛星傳感器，用戶可選g量程，符合PSI5 2.1版氣囊標準并且向后兼容PSI5 1.3版標準。ADXL251可為前方撞擊和側面撞擊氣囊以及衛星傳感器和電子控制單元（ECU）等主要傳感器應用領域提供低成本解決方案。 在汽車穩定控制系統中，ADI推出的ADXC1501是一個值得稱道的產品，它將三軸低重力加速度計和偏航陀螺儀組合到單個封裝中，4自由度慣性組合可減小新一代ESC系統的尺寸和成本。此外，ADXC1501還能有效抑制沖擊和振動的線性加速度效應，即使是在惡劣的工作環境下，產品也能正常工作。
圖3：ADI MEMS傳感器ADXC1501功能框圖（圖源：ADI） 消費電子解決方案 隨著消費電子的發展及產品創新的不斷涌現，特別智能手機和平板電腦的快速發展，消費電子大有取代汽車行業從而成為MEMS最大應用市場的趨勢。在智能手機中，MEMS加速計、陀螺儀和硅麥克風都有廣泛應用，加速度計更是該市場中第一大應用產品。不過，近期陀螺儀的應用增速明顯，已上升為MEMS在智能手機中的第二大應用產品。MEMS麥克風的應用前景同樣不容小覷，其銷售額在2014年就已接近10億美元。 雖然在可穿戴設備中MEMS目前所占的比例還比較小，不到10%，隨著蘋果、三星相繼推出采用MEMS傳感器的可穿戴式產品，市場前景可期。從發展潛力看，物聯網（IoT）有望成為MEMS應用的主戰場，這一市場也是MEMS傳感器增長最快的市場。
圖4：MEMS傳感器在手機和平板電腦市場的應用情況（圖源：網絡） 麥克風設計人員通常必須在下面這些參數中權衡取舍，如高信噪比（SNR）、小封裝、高聲學過載點、低功耗等。因此，需要高性能麥克風的應用依然采用ECM而非MEMS。 Infineon新一代模擬MEMS麥克風 XENSIV系列MEMS麥克風IM73A135，憑借更好的聲學性能，改變了這種狀況。這款模擬MEMS麥克風IM73A135具有73dB的信噪比和135dB SPL的聲學過載點，使其擁有高動態范圍，并且體積小巧，具有緊密的頻率曲線匹配，可實現最有效的音頻信號處理和業界超低的170μA功耗。IM73A135可使設計出的產品達到ECM獨有高水準的音頻性能，同時兼具MEMS技術的固有優勢。 IM73A135出色的音頻性能極大地增強了耳機的主動降噪功能，該市場預計到2025年將成長至約2.5億個出貨量，復合年增長率將達到16%。此外，IM73A135具有的低自噪聲特性，還特別適用于會議系統、攝影機或錄音機所需的高品質音頻獲取，這也是另一個預期將大幅成長的市場。 ST IIS3DHHC 3D超低噪聲傳感器 STMicroelectronics (ST)擁有最廣泛的MEMS和傳感器產品組合，從用于IoT和電池供電應用的低功耗設備，到用于精確導航和定位、工業4.0、增強型虛擬現實組件和智能手機的高端設備，實現了全方位覆蓋。其中，IIS3DHHC 3D超低噪聲傳感器，適用于工業天線定向/穩定及找平應用中的高精度測斜儀。iNEMO慣性測量單元（IMU）ISM330DLC，是3D加速度計和3D陀螺儀，具有數字輸出，主要面向長續航電池供電應用。
圖5：ST IIS3DHHC 3DMEMS傳感器擁有10年產品長期供貨保證（圖源：ST） 與所有新技術一樣，MEMS的技術發展和大規模應用還需經歷一個長期的過程。多年來，研究人員已經發現了大量的微型傳感器，幾乎適用于溫度、壓力、慣性力、化學物質、磁場、輻射等各種形式。MEMS獨有的特點，使其一經使用就贏得了用戶和市場的認可，它的應用也從最初的汽車和工業領域，延伸至消費電子和IoT市場。雖說MEMS技術的應用始于汽車，但憑借海量的市場，消費電子正在奮起直追，大有趕超汽車市場之勢。屆時，汽車、消費電子很可能成為MEMS應用的市場雙雄。 來源：貿澤電子 作者：M |
