汽車中的MEMS傳感器應(yīng)用

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微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是一種緊湊型設(shè)備，在單個(gè)硅芯片上組合各種功能，如機(jī)械、光學(xué)、流體和電子，是醫(yī)療、運(yùn)輸和電信領(lǐng)域發(fā)展的主要支持技術(shù)。MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀、MEMS壓力傳感器、MEMS開關(guān)、MEMS振動(dòng)能量采集器、MEMS生物傳感器、MEMS振蕩器，這些都是大家耳熟能詳?shù)?a target="_blank">產(chǎn)品。

MEMS器件具有重量輕、體積小、成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，非常有利于MEMS器件在電信和消費(fèi)電子等行業(yè)中的應(yīng)用。近年來，MEMS技術(shù)在汽車行業(yè)尤其是包括安全氣囊系統(tǒng)在內(nèi)的車輛安全系統(tǒng)中越來越受到青睞。

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MEMS的技術(shù)進(jìn)步

MEMS器件的第一次實(shí)驗(yàn)室演示是在20世紀(jì)60年代，以MEMS壓力傳感器的形式進(jìn)行的。而真正的商業(yè)開發(fā)和制造則始于20世紀(jì)90年代。如今，我們使用的智能手機(jī)、智能手表和健身跟蹤器基本都配備有MEMS設(shè)備。

過去用于確定飛機(jī)座艙中橫搖、俯仰和偏航的航空陀螺儀系統(tǒng)重達(dá)數(shù)公斤，現(xiàn)在用于智能手機(jī)中的MEMS陀螺儀重量還不到1毫克，大小相當(dāng)于一粒沙子。隨著尺寸的縮小，MEMS的制造成本顯著降低，經(jīng)濟(jì)規(guī)模也得到改善。與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備相比，MEMS設(shè)備具有更低的功耗和更高的靈敏度。例如，MEMS諧振應(yīng)變計(jì)僅消耗微瓦級(jí)的功率，就能在納米應(yīng)變范圍內(nèi)提供極高的靈敏度。

MEMS不僅用于傳感器，還可用于通信模塊、執(zhí)行器和數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及感知傳感器，其部件大小從一微米到一毫米不等。由此產(chǎn)生的機(jī)器從沒有任何運(yùn)動(dòng)部件的簡(jiǎn)單機(jī)器到具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。這些系統(tǒng)有許多不同的類型：磁性、電氣、熱、化學(xué)、光學(xué)和機(jī)械。

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MEMS的市場(chǎng)潛力

根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，全球MEMS和傳感器市場(chǎng)的價(jià)值將從2018年的480億美元增至2024年的930億美元，幾乎翻一番。2018年，隨著越來越多的MEMS設(shè)備和傳感器（如MEMS、圖像傳感器和RF濾波器）集成到消費(fèi)品和汽車等最終產(chǎn)品中，MEMS和傳感市場(chǎng)占到整個(gè)IC市場(chǎng)的10%以上。

2019年至2024年，MEMS市場(chǎng)在壓力、射頻、慣性以及生物醫(yī)學(xué)等應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，每年將增長(zhǎng)8.3%。受新冠疫情影響，2020年，MEMS市場(chǎng)價(jià)值約為121億美元，比上年增長(zhǎng)2%左右。

在經(jīng)歷了2019年和2020年的疲軟之后，Yole的分析師預(yù)計(jì)，2021年的MEMS市場(chǎng)將增長(zhǎng)11%，達(dá)到134億美元。在此之后，MEMS的年收入在2026年前將增至182億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率約為7%。其中，傳統(tǒng)的MEMS設(shè)備將繼續(xù)增長(zhǎng)，但增速較慢，相關(guān)的產(chǎn)品包括麥克風(fēng)和光學(xué)MEMS等。MEMS的收入主要由消費(fèi)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，消費(fèi)者應(yīng)用約占總市場(chǎng)的62%，汽車行業(yè)占總市場(chǎng)的16%。

圖1：MEMS行業(yè)應(yīng)用發(fā)展情況

來自Mordor intelligence的市場(chǎng)分析表明，2020年，全球MEMS市場(chǎng)估值約為109.2億美元，預(yù)計(jì)到2026年將達(dá)到188.8億美元，在2021至2026年的預(yù)測(cè)期內(nèi)，復(fù)合年增長(zhǎng)率為8.71%，這些數(shù)據(jù)略高于Yole的預(yù)測(cè)。

Mordor intelligence更加看重消費(fèi)類市場(chǎng)的發(fā)展并認(rèn)為，可穿戴設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要一步，也是MEMS傳感器的新應(yīng)用領(lǐng)域。采用MEMS后，最終產(chǎn)品將具有更好的產(chǎn)品外觀，并增加了功能。同樣，MEMS在自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。比如，MEMS加速度計(jì)和陀螺儀就是工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的理想選擇。

Report linker發(fā)布的“全球MEMS行業(yè)報(bào)告”中相關(guān)的市場(chǎng)數(shù)據(jù)低于Yole的預(yù)測(cè)。Report linker的數(shù)據(jù)顯示，全球MEMS市場(chǎng)在2020年估計(jì)為115億美元，預(yù)計(jì)到2026年將達(dá)到169億美元的規(guī)模，期間以6.7%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

過去幾年，由于MEMS技術(shù)在智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、游戲控制臺(tái)、媒體播放器和便攜式導(dǎo)航設(shè)備中的使用越來越多，消費(fèi)電子產(chǎn)品占據(jù)了最大份額。細(xì)分市場(chǎng)之一的消費(fèi)電子產(chǎn)品預(yù)計(jì)會(huì)以7.3%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2026年將達(dá)到103億美元。Report linker同樣看好汽車市場(chǎng)的潛力并表示，汽車自動(dòng)化需求的增加、無人駕駛汽車的增長(zhǎng)趨勢(shì)、電動(dòng)汽車數(shù)量的增加以及汽車行業(yè)內(nèi)的激烈競(jìng)爭(zhēng)是推動(dòng)汽車行業(yè)傳感器需求的一些主要因素。汽車行業(yè)的增長(zhǎng)在未來7年內(nèi)的復(fù)合年增長(zhǎng)率為5.9%，該細(xì)分市場(chǎng)目前占全球MEMS市場(chǎng)的15.1%。其中，美國(guó)市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2021年達(dá)到21億美元，中國(guó)市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2026年達(dá)到39億美元。

隨著MEMS市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，整個(gè)市場(chǎng)目前主要由亞太地區(qū)的幾家公司主導(dǎo)，其次是美洲和歐洲的公司。Broadcom（博通）、Bosch（博世）、STMicroelectronics（意法半導(dǎo)體）、TI（德州儀器）、Qorvo、Infineon（英飛凌）、NXP（恩智浦）等是目前市場(chǎng)上的一些主要參與者。

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汽車中的MEMS傳感器應(yīng)用

多年來，傳感器早已融合到車輛的整體設(shè)計(jì)和制造中。一輛汽車現(xiàn)在可以有100個(gè)或更多的傳感器，用于監(jiān)測(cè)和控制某些驅(qū)動(dòng)參數(shù)。電動(dòng)汽車的公眾接受度和自動(dòng)駕駛汽車的未來發(fā)展很大程度上將依賴于這些傳感器的超可靠性。在這些傳感器中，MEMS傳感器約占三分之一。

Verified market research預(yù)計(jì)，汽車MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模在2020年估值為18.9億美元，從2021到2028年以14.5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到50.3億美元。節(jié)能環(huán)保技術(shù)是汽車MEMS傳感器市場(chǎng)收入增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，政府關(guān)于安全、效率和駕駛員輔助的法規(guī)將促進(jìn)市場(chǎng)增長(zhǎng)。歐洲和北美目前是汽車MEMS傳感器的兩個(gè)最大市場(chǎng)。然而，以中國(guó)和印度為代表的亞太地區(qū)市場(chǎng)的增長(zhǎng)是極其顯著的。

汽車MEMS傳感器具有效率高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)今車輛中最常見的MEMS傳感器有：慣性傳感器、磁強(qiáng)計(jì)、壓力傳感器、熱傳感器、氣體傳感器、微光學(xué)。慣性傳感器包括加速計(jì)和陀螺儀，可以單獨(dú)也可以組合在一起使用。其中，加速計(jì)用于測(cè)量靜態(tài)（重力）和動(dòng)態(tài)（運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)）加速度，陀螺儀則負(fù)責(zé)識(shí)別角度的變化。這些傳感器是汽車行業(yè)的主導(dǎo)類型，并用于許多關(guān)鍵應(yīng)用。

電氣化和智能化是汽車行業(yè)的兩個(gè)重要趨勢(shì)，隨著這一趨勢(shì)的加速，正在影響著包括MEMS傳感器在內(nèi)的汽車半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，高價(jià)值傳感模塊在汽車系統(tǒng)中也得到了快速集成。例如，MEMS傳感器在包括安全氣囊在內(nèi)的車輛安全系統(tǒng)中越來越受到青睞。

Bosch SMA7xy系列MEMS傳感器具有極快的信號(hào)處理能力，可直接集成到氣囊ECU中，或位于A柱、B柱或C柱或前保險(xiǎn)杠上，在幾秒鐘內(nèi)就能檢測(cè)到碰撞或汽車側(cè)翻事件，并將此信息發(fā)送到氣囊ECU。接下來，氣囊ECU將迅速觸發(fā)車輛的被動(dòng)安全系統(tǒng)。SMA7xy系列產(chǎn)品之一的SMA760，能精確檢測(cè)正面和側(cè)面碰撞。同系列的另一個(gè)傳感器SMA720包含一個(gè)x和一個(gè)z通道，可用于測(cè)量沿垂直軸的加速度，是車輛側(cè)翻檢測(cè)的理想伴侶。SMA7xy系列的所有傳感器均符合ISO 26262的ASIL D安全級(jí)別，并符合VDA AK-LV27規(guī)范。

汽車中的陀螺儀可以測(cè)量或保持車輛的方向和角速度。ESP（電子穩(wěn)定控制程序）中基于MEMS的陀螺儀是汽車工業(yè)中廣泛接受且功能強(qiáng)大的安全系統(tǒng)。為此，MEMS傳感器供應(yīng)商紛紛加緊開發(fā)用于自動(dòng)駕駛的慣性測(cè)量單元（IMU）以及用于鋰離子電動(dòng)汽車電池的電池壓力監(jiān)測(cè)傳感器，以應(yīng)對(duì)電氣化和自動(dòng)化車輛帶來的新機(jī)遇。

汽車行業(yè)是高端IMU的新興市場(chǎng)。隨著高端汽車制造商在未來幾年將逐步趨近L5自動(dòng)駕駛，此舉將為IMU驅(qū)動(dòng)的MEMS傳感器帶來巨大發(fā)展機(jī)遇。汽車MEMS IMU可能是車內(nèi)使用的最復(fù)雜的MEMS設(shè)備。這種類型的IMU由多個(gè)陀螺儀和加速度計(jì)傳感元件以及信號(hào)處理模塊組成，集成在一個(gè)封裝中，構(gòu)建了一個(gè)能夠測(cè)量多達(dá)六個(gè)自由度（6DoF）的慣性傳感器，包括：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的偏航、滾轉(zhuǎn)和俯仰，以及線性運(yùn)動(dòng)的橫向、縱向和垂直加速度。

STMicroelectronics的汽車級(jí)6軸慣性模塊ASM330LHH具有3D數(shù)字加速計(jì)和3D數(shù)字陀螺儀，是一款車規(guī)傳感器，符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，其擴(kuò)展溫度范圍高達(dá)+105°C，旨在解決汽車非安全應(yīng)用問題。ASM330LHH的滿標(biāo)度加速度范圍為±2/±4/±8/±16g，角速率范圍為±125/±250/±500/±1000/±2000/±4000dps。ASM330LHH的所有設(shè)計(jì)方面都經(jīng)過了優(yōu)化，以達(dá)到卓越的輸出穩(wěn)定性、極低的噪聲和完整的數(shù)據(jù)同步，有利于傳感器輔助應(yīng)用，如航位推算和傳感器融合，可在廣泛的汽車應(yīng)用中使用。

TDK公司的IAM-20680HT同樣是一款用于汽車非安全應(yīng)用的6軸運(yùn)動(dòng)跟蹤產(chǎn)品，它將3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)組合在一個(gè)3×3×0.75mm（16針LGA）的小封裝中。它還具有4096字節(jié)的FIFO，通過允許系統(tǒng)處理器突發(fā)讀取傳感器數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入低功耗模式。

大型鋰離子電池在電動(dòng)汽車（EV）中的使用為MEMS傳感器創(chuàng)造了新的應(yīng)用。我們知道，電池單元進(jìn)入熱失控狀態(tài)是鋰離子電池的已知風(fēng)險(xiǎn)之一，此時(shí)的監(jiān)測(cè)每一秒都很重要。研究表明，提前測(cè)量電池組內(nèi)的壓力并據(jù)此預(yù)判電池?zé)崾Э厥欠褚呀?jīng)開始是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。為了能夠及時(shí)檢測(cè)到這種壓力脈沖，要求MEMS壓力傳感器必須時(shí)刻處于工作狀態(tài)。即使在車輛完全關(guān)閉的情況下，該傳感器也不能停止工作。

NXP開發(fā)了一種新型MEMS壓力傳感器，專門用于解決電動(dòng)汽車中的這種新的安全應(yīng)用。NBP8x/NBP9x是NXP壓力傳感器產(chǎn)品系列中的一個(gè)完全集成的電池壓力監(jiān)測(cè)傳感器系列（BPMS），采用4x4mm小封裝規(guī)格，提供低功耗、PWM、SPI、就緒/中斷及電源啟用功能。該電池壓力監(jiān)控傳感器具有內(nèi)置的MCU，能夠感應(yīng)壓力變化，做出基于配置的決策，并根據(jù)此決策采取行動(dòng)，同時(shí)將此信息提供給主機(jī)系統(tǒng)。

本文小結(jié)

MEMS傳感器廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的車輛中，其應(yīng)用范圍正在擴(kuò)大。雖然分離的傳感器、控制和執(zhí)行器模塊在幾年前很常見，但這些功能現(xiàn)在被合并到微集成封裝中。

目前，用于安全的慣性應(yīng)用是MEMS傳感器在汽車領(lǐng)域的最大作用。加速計(jì)或慣性傳感器及其相關(guān)電子設(shè)備可識(shí)別正面碰撞引起的任何突然減速。通過MEMS技術(shù)，一個(gè)包含加速計(jì)和微處理器的微小芯片可以安裝在安全氣囊或安全帶預(yù)張緊器組件附近或內(nèi)部。對(duì)于側(cè)面碰撞，MEMS傳感器評(píng)估車門內(nèi)空氣壓力的快速增加，以決定是否應(yīng)部署側(cè)面安全氣囊。由于其體積小、可靠性高、功耗低、速度快和成本低等特點(diǎn)，MEMS傳感器在性能和方便性方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

在未來的自動(dòng)駕駛汽車中，隨著人類駕駛員越來越多地將控制權(quán)交給電子系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛汽車需要數(shù)十個(gè)傳感器與周圍環(huán)境進(jìn)行交互。這些傳感器也必須盡可能小，這樣它們就不會(huì)占用其他設(shè)備所需的空間，比如載人和電池。因此，汽車行業(yè)也是MEMS傳感器生產(chǎn)和使用增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一。自動(dòng)駕駛汽車的發(fā)展將推動(dòng)對(duì)MEMS的更大需求，尤其是與光學(xué)和射頻相關(guān)的MEMS。突破這些挑戰(zhàn)的公司將迎來MEMS的變革時(shí)期以及發(fā)展紅利?！　?/p>