【導讀】微機電系統（MEMS）是一種緊湊型設備，在單個(gè)硅芯片上組合各種功能，如機械、光學(xué)、流體和電子，是醫療、運輸和電信領(lǐng)域發(fā)展的主要支持技術(shù)。MEMS加速度計、MEMS陀螺儀、MEMS壓力傳感器、MEMS開(kāi)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的產(chǎn)品。
圖源：Open Studio/stock.adobe.com
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器件在電信和消費電子等行業(yè)中的應用。近年來(lái)，MEMS技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)尤其是包括安全氣囊系統在內的車(chē)輛安全系統中越來(lái)越受到青睞。
MEMS的技術(shù)進(jìn)步
MEMS器件的第一次實(shí)驗室演示是在20世紀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(kāi)發(fā)和制造則始于20世紀90年代。如今，我們使用的智能手機、智能手表和健身跟蹤器基本都配備有MEMS設備。
過(guò)去用于確定飛機座艙中橫搖、俯仰和偏航的航空陀螺儀系統重達數公斤，現在用于智能手機中的MEMS陀螺儀重量還不到1毫克，大小相當于一粒沙子。隨著(zhù)尺寸的縮小，MEMS的制造成本顯著(zhù)降低，經(jīng)濟規模也得到改善。與傳統機械設備相比，MEMS設備具有更低的功耗和更高的靈敏度。例如，MEMS諧振應變計僅消耗微瓦級的功率，就能在納米應變范圍內提供極高的靈敏度。
MEMS不僅用于傳感器，還可用于通信模塊、執行器和數據處理設備以及感知傳感器，其部件大小從一微米到一毫米不等。由此產(chǎn)生的機器從沒(méi)有任何運動(dòng)部件的簡(jiǎn)單機器到具有多個(gè)運動(dòng)部件的復雜機電系統。這些系統有許多不同的類(lèi)型：磁性、電氣、熱、化學(xué)、光學(xué)和機械。
MEMS的市場(chǎng)潛力
根據Yole的數據，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(zhù)越來(lái)越多的MEMS設備和傳感器（如MEMS、圖像傳感器和RF濾波器）集成到消費品和汽車(chē)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、慣性以及生物醫學(xué)等應用的驅動(dòng)下，每年將增長(cháng)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(cháng)2%左右。
在經(jīng)歷了2019年和2020年的疲軟之后，Yole的分析師預計，2021年的MEMS市場(chǎng)將增長(cháng)11%，達到134億美元。在此之后，MEMS的年收入在2026年前將增至182億美元，復合年增長(cháng)率約為7%。其中，傳統的MEMS設備將繼續增長(cháng)，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的收入主要由消費市場(chǎng)驅動(dòng)，消費者應用約占總市場(chǎng)的62%，汽車(chē)行業(yè)占總市場(chǎng)的16%。
圖1：MEMS行業(yè)應用發(fā)展情況
（圖源：Yole）
來(lái)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，預計到2026年將達到188.8億美元，在2021至2026年的預測期內，復合年增長(cháng)率為8.71%，這些數據略高于Yole的預測。
Mordor intelligence更加看重消費類(lèi)市場(chǎng)的發(fā)展并認為，可穿戴設備是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要一步，也是MEMS傳感器的新應用領(lǐng)域。采用MEMS后，最終產(chǎn)品將具有更好的產(chǎn)品外觀(guān)，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(zhù)關(guān)鍵作用。比如，MEMS加速度計和陀螺儀就是工業(yè)自動(dòng)化應用的理想選擇。
Report linker發(fā)布的“全球MEMS行業(yè)報告”中相關(guān)的市場(chǎng)數據低于Yole的預測。Report linker的數據顯示，全球MEMS市場(chǎng)在2020年估計為115億美元，預計到2026年將達到169億美元的規模，期間以6.7%的復合年增長(cháng)率增長(cháng)。
過(guò)去幾年，由于MEMS技術(shù)在智能手機、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴設備、數碼相機、游戲控制臺、媒體播放器和便攜式導航設備中的使用越來(lái)越多，消費電子產(chǎn)品占據了最大份額。細分市場(chǎng)之一的消費電子產(chǎn)品預計會(huì )以7.3%的復合年增長(cháng)率增長(cháng)，到2026年將達到103億美元。Report linker同樣看好汽車(chē)市場(chǎng)的潛力并表示，汽車(chē)自動(dòng)化需求的增加、無(wú)人駕駛汽車(chē)的增長(cháng)趨勢、電動(dòng)汽車(chē)數量的增加以及汽車(chē)行業(yè)內的激烈競爭是推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)傳感器需求的一些主要因素。汽車(chē)行業(yè)的增長(cháng)在未來(lái)7年內的復合年增長(cháng)率為5.9%，該細分市場(chǎng)目前占全球MEMS市場(chǎng)的15.1%。其中，美國市場(chǎng)預計在2021年達到21億美元，中國市場(chǎng)預計在2026年達到39億美元。
隨著(zhù)MEMS市場(chǎng)的不斷擴大，市場(chǎng)競爭越來(lái)越激烈，整個(gè)市場(chǎng)目前主要由亞太地區的幾家公司主導，其次是美洲和歐洲的公司。Broadcom（博通）、Bosch（博世）、STMicroelectronics（意法半導體）、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。
汽車(chē)中的MEMS傳感器應用
多年來(lái)，傳感器早已融合到車(chē)輛的整體設計和制造中。一輛汽車(chē)現在可以有100個(gè)或更多的傳感器，用于監測和控制某些驅動(dòng)參數。電動(dòng)汽車(chē)的公眾接受度和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展很大程度上將依賴(lài)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預計，汽車(chē)MEMS傳感器市場(chǎng)規模在2020年估值為18.9億美元，從2021到2028年以14.5%的復合年增長(cháng)率（CAGR）增長(cháng)，預計到2028年將達到50.3億美元。節能環(huán)保技術(shù)是汽車(chē)MEMS傳感器市場(chǎng)收入增長(cháng)的關(guān)鍵因素，政府關(guān)于安全、效率和駕駛員輔助的法規將促進(jìn)市場(chǎng)增長(cháng)。歐洲和北美目前是汽車(chē)MEMS傳感器的兩個(gè)最大市場(chǎng)。然而，以中國和印度為代表的亞太地區市場(chǎng)的增長(cháng)是極其顯著(zhù)的。
汽車(chē)MEMS傳感器具有效率高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。當今車(chē)輛中最常見(jiàn)的MEMS傳感器有：慣性傳感器、磁強計、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和陀螺儀，可以單獨也可以組合在一起使用。其中，加速計用于測量靜態(tài)（重力）和動(dòng)態(tài)（運動(dòng)或振動(dòng)）加速度，陀螺儀則負責識別角度的變化。這些傳感器是汽車(chē)行業(yè)的主導類(lèi)型，并用于許多關(guān)鍵應用。
電氣化和智能化是汽車(chē)行業(yè)的兩個(gè)重要趨勢，隨著(zhù)這一趨勢的加速，正在影響著(zhù)包括MEMS傳感器在內的汽車(chē)半導體器件的設計和應用，高價(jià)值傳感模塊在汽車(chē)系統中也得到了快速集成。例如，MEMS傳感器在包括安全氣囊在內的車(chē)輛安全系統中越來(lái)越受到青睞。
Bosch SMA7xy系列MEMS傳感器具有極快的信號處理能力，可直接集成到氣囊ECU中，或位于A(yíng)柱、B柱或C柱或前保險杠上，在幾秒鐘內就能檢測到碰撞或汽車(chē)側翻事件，并將此信息發(fā)送到氣囊ECU。接下來(lái)，氣囊ECU將迅速觸發(fā)車(chē)輛的被動(dòng)安全系統。SMA7xy系列產(chǎn)品之一的SMA760，能精確檢測正面和側面碰撞。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，可用于測量沿垂直軸的加速度，是車(chē)輛側翻檢測的理想伴侶。SMA7xy系列的所有傳感器均符合ISO 26262的ASIL D安全級別，并符合VDA AK-LV27規范。
圖2：Bosch SMA7xy系列MEMS傳感器
（圖源：Bosch）
汽車(chē)中的陀螺儀可以測量或保持車(chē)輛的方向和角速度。ESP（電子穩定控制程序）中基于MEMS的陀螺儀是汽車(chē)工業(yè)中廣泛接受且功能強大的安全系統。為此，MEMS傳感器供應商紛紛加緊開(kāi)發(fā)用于自動(dòng)駕駛的慣性測量單元（IMU）以及用于鋰離子電動(dòng)汽車(chē)電池的電池壓力監測傳感器，以應對電氣化和自動(dòng)化車(chē)輛帶來(lái)的新機遇。
汽車(chē)行業(yè)是高端IMU的新興市場(chǎng)。隨著(zhù)高端汽車(chē)制造商在未來(lái)幾年將逐步趨近L5自動(dòng)駕駛，此舉將為IMU驅動(dòng)的MEMS傳感器帶來(lái)巨大發(fā)展機遇。汽車(chē)MEMS IMU可能是車(chē)內使用的最復雜的MEMS設備。這種類(lèi)型的IMU由多個(gè)陀螺儀和加速度計傳感元件以及信號處理模塊組成，集成在一個(gè)封裝中，構建了一個(gè)能夠測量多達六個(gè)自由度（6DoF）的慣性傳感器，包括：旋轉運動(dòng)的偏航、滾轉和俯仰，以及線(xiàn)性運動(dòng)的橫向、縱向和垂直加速度。
STMicroelectronics的汽車(chē)級6軸慣性模塊ASM330LHH具有3D數字加速計和3D數字陀螺儀，是一款車(chē)規傳感器，符合AEC-Q100標準，其擴展溫度范圍高達+105°C，旨在解決汽車(chē)非安全應用問(wèn)題。ASM330LHH的滿(mǎn)標度加速度范圍為±2/±4/±8/±16g，角速率范圍為±125/±250/±500/±1000/±2000/±4000dps。ASM330LHH的所有設計方面都經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，以達到卓越的輸出穩定性、極低的噪聲和完整的數據同步，有利于傳感器輔助應用，如航位推算和傳感器融合，可在廣泛的汽車(chē)應用中使用。
圖3：STMicroelectronics汽車(chē)級6軸慣性模塊ASM330LHH
（圖源：Mouser）
TDK公司的IAM-20680HT同樣是一款用于汽車(chē)非安全應用的6軸運動(dòng)跟蹤產(chǎn)品，它將3軸陀螺儀和3軸加速度計組合在一個(gè)3×3×0.75mm（16針LGA）的小封裝中。它還具有4096字節的FIFO，通過(guò)允許系統處理器突發(fā)讀取傳感器數據，然后進(jìn)入低功耗模式。
圖4：TDK公司6軸運動(dòng)跟蹤產(chǎn)品IAM-20680HT
（圖源：TDK）
大型鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)（EV）中的使用為MEMS傳感器創(chuàng )造了新的應用。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)險之一，此時(shí)的監測每一秒都很重要。研究表明，提前測量電池組內的壓力并據此預判電池熱失控是否已經(jīng)開(kāi)始是一個(gè)不錯的解決方案。為了能夠及時(shí)檢測到這種壓力脈沖，要求MEMS壓力傳感器必須時(shí)刻處于工作狀態(tài)。即使在車(chē)輛完全關(guān)閉的情況下，該傳感器也不能停止工作。
NXP開(kāi)發(fā)了一種新型MEMS壓力傳感器，專(zhuān)門(mén)用于解決電動(dòng)汽車(chē)中的這種新的安全應用。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測傳感器系列（BPMS），采用4x4mm小封裝規格，提供低功耗、PWM、SPI、就緒/中斷及電源啟用功能。該電池壓力監控傳感器具有內置的MCU，能夠感應壓力變化，做出基于配置的決策，并根據此決策采取行動(dòng)，同時(shí)將此信息提供給主機系統。
圖5：NXP新型MEMS壓力傳感器NBP8x/NBP9x
（圖源：NXP）
本文小結
MEMS傳感器廣泛應用于當今的車(chē)輛中，其應用范圍正在擴大。雖然分離的傳感器、控制和執行器模塊在幾年前很常見(jiàn)，但這些功能現在被合并到微集成封裝中。
目前，用于安全的慣性應用是MEMS傳感器在汽車(chē)領(lǐng)域的最大作用。加速計或慣性傳感器及其相關(guān)電子設備可識別正面碰撞引起的任何突然減速。通過(guò)MEMS技術(shù)，一個(gè)包含加速計和微處理器的微小芯片可以安裝在安全氣囊或安全帶預張緊器組件附近或內部。對于側面碰撞，MEMS傳感器評估車(chē)門(mén)內空氣壓力的快速增加，以決定是否應部署側面安全氣囊。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用前景。
在未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)中，隨著(zhù)人類(lèi)駕駛員越來(lái)越多地將控制權交給電子系統，自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要數十個(gè)傳感器與周?chē)h(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 )占用其他設備所需的空間，比如載人和電池。因此，汽車(chē)行業(yè)也是MEMS傳感器生產(chǎn)和使用增長(cháng)最快的領(lǐng)域之一。自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展將推動(dòng)對MEMS的更大需求，尤其是與光學(xué)和射頻相關(guān)的MEMS。突破這些挑戰的公司將迎來(lái)MEMS的變革時(shí)期以及發(fā)展紅利。
來(lái)源：貿澤電子
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