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微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是利用半導(dǎo)體制造工藝和材料，將傳感器、執(zhí)行器、機(jī)械機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理和控制電路等集成于一體的微型器件或系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在微米甚至納米級(jí)。該技術(shù)主要用于制造傳感器，例如數(shù)字羅盤、加速度計(jì)、慣性模塊、陀螺儀、濕度傳感器、麥克風(fēng)和壓力傳感器等。在不到20年的時(shí)間里，MEMS技術(shù)已經(jīng)從一項(xiàng)有趣的學(xué)術(shù)研究變成了許多常見產(chǎn)品的組成部分。 四類熱門MEMS傳感器 在早期的MEMS系統(tǒng)中，其中一個(gè)芯片作為傳感元件，另一個(gè)芯片作為信號(hào)調(diào)理電子器件，是一種多芯片結(jié)構(gòu)。這種實(shí)現(xiàn)方法比較簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)。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(shù)上，MEMS需要更大的傳感器信號(hào)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(hào)調(diào)理器件集成在一個(gè)芯片上乃大勢(shì)所趨。它帶來的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的。比如，MEMS器件在微米級(jí)上做到了既有機(jī)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(jì)、MEMS陀螺儀、壓力傳感器、磁場(chǎng)傳感器等。而每種都有很多細(xì)分種類，如MEMS加速度計(jì)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(jì) 這是一種用于測(cè)量加速度和力的微機(jī)電裝置，其原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律，主要由懸掛系統(tǒng)和檢測(cè)質(zhì)量塊組成，通過微硅質(zhì)量塊的偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè)，目前大多用于汽車安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等。在市場(chǎng)上存在著多種類型的MEMS加速度計(jì)，其中最常用的是壓電加速度計(jì)，但因器件的體積過大，應(yīng)用受限，這也是為什么急需盡快開發(fā)小型高性能壓電加速度計(jì)的原因。值得一提的是，電容式MEMS加速度計(jì)因具有靈敏度高、受溫度影響小等特點(diǎn)，逐漸成為MEMS加速度計(jì)中的主流產(chǎn)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(cè)量角速度或旋轉(zhuǎn)位移。角速度的單位是每秒轉(zhuǎn)數(shù)（RPS）或每秒度數(shù)。在機(jī)械上，陀螺儀是一個(gè)旋轉(zhuǎn)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(dòng)旋轉(zhuǎn)物體的原理相同。MEMS陀螺儀主要用于汽車導(dǎo)航的GPS信號(hào)補(bǔ)償和汽車底盤控制系統(tǒng)。汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，系統(tǒng)通過陀螺儀測(cè)量角速度來指示方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)是否到位，主動(dòng)在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)以防止汽車脫離車道，通常它與低加速度計(jì)一起構(gòu)成主動(dòng)控制系統(tǒng)。此外，MEMS陀螺儀不僅能夠測(cè)量角速率，也可以通過積分計(jì)算動(dòng)態(tài)角度位移�，F(xiàn)在市場(chǎng)上大熱門的慣性導(dǎo)航單元（IMU）就是由加速度和陀螺儀組合而成，既可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速率又可以測(cè)量線性加速度。 MEMS壓力傳感器 作為采用MEMS技術(shù)加工的壓阻式傳感器件，MEMS壓力傳感器可以對(duì)外界壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量。目前主要有五種類型：絕對(duì)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(yè)、飲料機(jī)、洗衣機(jī)、航空航天、工業(yè)機(jī)械、汽車等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。比如，汽車的胎壓監(jiān)測(cè)就是MEMS壓力傳感器的典型應(yīng)用。 MEMS磁場(chǎng)傳感器 這類傳感器是一種小型的微機(jī)械系統(tǒng)，主要用于工業(yè)、消費(fèi)品和汽車中的線性角度、速度、轉(zhuǎn)速、線性位置的測(cè)量。它離被測(cè)物越近，空間分辨率越高。 MEMS技術(shù)的發(fā)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(xiàn)極大地滿足了大家對(duì)產(chǎn)品小體積、高性能的要求。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，2019年，全球MEMS傳感器市場(chǎng)約為542億美元，2020年至2027年，市場(chǎng)增長(zhǎng)率將超過11.3％。高增長(zhǎng)背后的原因是MEMS的應(yīng)用面越來越寬，從最早的工業(yè)、軍用航空逐漸擴(kuò)展到消費(fèi)電子和IoT等領(lǐng)域。目前，汽車電子和消費(fèi)電子已經(jīng)成為MEMS應(yīng)用最廣的領(lǐng)域，這兩大領(lǐng)域約占MEMS傳感器市場(chǎng)的60%以上。 汽車應(yīng)用解決方案 安全是汽車業(yè)最重要的考量之一。MEMS傳感器在汽車上的應(yīng)用之所以發(fā)展迅速，主要受益于各國(guó)政府推出的汽車安全規(guī)定，比如要求所有汽車配置TPMS（Tire Pressure Monitoring System，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）。同時(shí)，汽車智能化也進(jìn)一步推動(dòng)了MEMS傳感器的應(yīng)用。現(xiàn)在，壓力傳感器、加速計(jì)、陀螺儀與流量傳感器等四類器件合計(jì)占到汽車MEMS系統(tǒng)的99%。這其中，又以MEMS壓力傳感器的應(yīng)用居多。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球平均每輛汽車包含至少10個(gè)MEMS傳感器，在高檔汽車中，采用的MEMS傳感器數(shù)量更多，約有20至40個(gè)，BMW740i汽車上甚至有70多個(gè)。 
圖1：全球汽車MEMS營(yíng)業(yè)收入預(yù)測(cè)（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(chǎng)上占用率最高的產(chǎn)品，也是業(yè)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�，F(xiàn)在，該產(chǎn)品已升級(jí)到SP40。相比前代產(chǎn)品，SP40的體積更小，功耗更低，F(xiàn)LASH也增大至14KB，無線發(fā)射性能也更優(yōu)。在SP370問世前，胎壓監(jiān)測(cè)功能通常需要由2~3個(gè)主芯片（傳感器+無線RF收發(fā)+電源管理）來實(shí)現(xiàn)，不僅成本高，功耗大，模塊的體積也比較大。
圖2：Infineon SP40系統(tǒng)框圖（圖源：Infineon） ADI汽車解決方案 ADI是汽車安全氣囊領(lǐng)域的開拓者，如今市場(chǎng)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(chǎn)品——ADXL251是雙軸集成衛(wèi)星傳感器，用戶可選g量程，符合PSI5 2.1版氣囊標(biāo)準(zhǔn)并且向后兼容PSI5 1.3版標(biāo)準(zhǔn)。ADXL251可為前方撞擊和側(cè)面撞擊氣囊以及衛(wèi)星傳感器和電子控制單元（ECU）等主要傳感器應(yīng)用領(lǐng)域提供低成本解決方案。 在汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，ADI推出的ADXC1501是一個(gè)值得稱道的產(chǎn)品，它將三軸低重力加速度計(jì)和偏航陀螺儀組合到單個(gè)封裝中，4自由度慣性組合可減小新一代ESC系統(tǒng)的尺寸和成本。此外，ADXC1501還能有效抑制沖擊和振動(dòng)的線性加速度效應(yīng)，即使是在惡劣的工作環(huán)境下，產(chǎn)品也能正常工作。
圖3：ADI MEMS傳感器ADXC1501功能框圖（圖源：ADI） 消費(fèi)電子解決方案 隨著消費(fèi)電子的發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng)新的不斷涌現(xiàn)，特別智能手機(jī)和平板電腦的快速發(fā)展，消費(fèi)電子大有取代汽車行業(yè)從而成為MEMS最大應(yīng)用市場(chǎng)的趨勢(shì)。在智能手機(jī)中，MEMS加速計(jì)、陀螺儀和硅麥克風(fēng)都有廣泛應(yīng)用，加速度計(jì)更是該市場(chǎng)中第一大應(yīng)用產(chǎn)品。不過，近期陀螺儀的應(yīng)用增速明顯，已上升為MEMS在智能手機(jī)中的第二大應(yīng)用產(chǎn)品。MEMS麥克風(fēng)的應(yīng)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(shè)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(chǎn)品，市場(chǎng)前景可期。從發(fā)展?jié)摿矗?a href="http://m.54549.cn/keyword/物聯(lián)網(wǎng)" target="_blank" class="relatedlink">物聯(lián)網(wǎng)（IoT）有望成為MEMS應(yīng)用的主戰(zhàn)場(chǎng)，這一市場(chǎng)也是MEMS傳感器增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)。
圖4：MEMS傳感器在手機(jī)和平板電腦市場(chǎng)的應(yīng)用情況（圖源：網(wǎng)絡(luò)） 麥克風(fēng)設(shè)計(jì)人員通常必須在下面這些參數(shù)中權(quán)衡取舍，如高信噪比（SNR）、小封裝、高聲學(xué)過載點(diǎn)、低功耗等。因此，需要高性能麥克風(fēng)的應(yīng)用依然采用ECM而非MEMS。 Infineon新一代模擬MEMS麥克風(fēng) XENSIV系列MEMS麥克風(fēng)IM73A135，憑借更好的聲學(xué)性能，改變了這種狀況。這款模擬MEMS麥克風(fēng)IM73A135具有73dB的信噪比和135dB SPL的聲學(xué)過載點(diǎn)，使其擁有高動(dòng)態(tài)范圍，并且體積小巧，具有緊密的頻率曲線匹配，可實(shí)現(xiàn)最有效的音頻信號(hào)處理和業(yè)界超低的170μA功耗。IM73A135可使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品達(dá)到ECM獨(dú)有高水準(zhǔn)的音頻性能，同時(shí)兼具M(jìn)EMS技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)。 IM73A135出色的音頻性能極大地增強(qiáng)了耳機(jī)的主動(dòng)降噪功能，該市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2025年將成長(zhǎng)至約2.5億個(gè)出貨量，復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到16%。此外，IM73A135具有的低自噪聲特性，還特別適用于會(huì)議系統(tǒng)、攝影機(jī)或錄音機(jī)所需的高品質(zhì)音頻獲取，這也是另一個(gè)預(yù)期將大幅成長(zhǎng)的市場(chǎng)。 ST IIS3DHHC 3D超低噪聲傳感器 STMicroelectronics (ST)擁有最廣泛的MEMS和傳感器產(chǎn)品組合，從用于IoT和電池供電應(yīng)用的低功耗設(shè)備，到用于精確導(dǎo)航和定位、工業(yè)4.0、增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)組件和智能手機(jī)的高端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了全方位覆蓋。其中，IIS3DHHC 3D超低噪聲傳感器，適用于工業(yè)天線定向/穩(wěn)定及找平應(yīng)用中的高精度測(cè)斜儀。iNEMO慣性測(cè)量單元（IMU）ISM330DLC，是3D加速度計(jì)和3D陀螺儀，具有數(shù)字輸出，主要面向長(zhǎng)續(xù)航電池供電應(yīng)用。
圖5：ST IIS3DHHC 3DMEMS傳感器擁有10年產(chǎn)品長(zhǎng)期供貨保證（圖源：ST） 與所有新技術(shù)一樣，MEMS的技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用還需經(jīng)歷一個(gè)長(zhǎng)期的過程。多年來，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量的微型傳感器，幾乎適用于溫度、壓力、慣性力、化學(xué)物質(zhì)、磁場(chǎng)、輻射等各種形式。MEMS獨(dú)有的特點(diǎn)，使其一經(jīng)使用就贏得了用戶和市場(chǎng)的認(rèn)可，它的應(yīng)用也從最初的汽車和工業(yè)領(lǐng)域，延伸至消費(fèi)電子和IoT市場(chǎng)。雖說MEMS技術(shù)的應(yīng)用始于汽車，但憑借海量的市場(chǎng)，消費(fèi)電子正在奮起直追，大有趕超汽車市場(chǎng)之勢(shì)。屆時(shí)，汽車、消費(fèi)電子很可能成為MEMS應(yīng)用的市場(chǎng)雙雄。 來源：貿(mào)澤電子 作者：M |
