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微機電系統(tǒng)（MEMS）是一種緊湊型設(shè)備，在單個硅芯片上組合各種功能，如機械、光學、流體和電子，是醫(yī)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開關(guān)、MEMS振動能量采集器、MEMS生物傳感器、MEMS振蕩器，這些都是大家耳熟能詳?shù)漠a(chǎn)品。
MEMS器件具有重量輕、體積小、成本低、功耗小等優(yōu)點，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，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。
MEMS的技術(shù)進步
MEMS器件的第一次實驗室演示是在20世紀60年代，以MEMS壓力傳感器的形式進行的。而真正的商業(yè)開發(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(shè)備。
過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(tǒng)重達數(shù)公斤，現(xiàn)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。隨著尺寸的縮小，MEMS的制造成本顯著降低，經(jīng)濟規(guī)模也得到改善。與傳統(tǒng)機械設(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諧振應變計僅消耗微瓦級的功率，就能在納米應變范圍內(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)生的機器從沒有任何運動部件的簡單機器到具有多個運動部件的復雜機電系統(tǒng)。這些系統(tǒng)有許多不同的類型：磁性、電氣、熱、化學、光學和機械。
MEMS的市場潛力
根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，全球MEMS和傳感器市場的價值將從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）集成到消費品和汽車等最終產(chǎn)品中，MEMS和傳感市場占到整個IC市場的10%以上。
2019年至2024年，MEMS市場在壓力、射頻、慣性以及生物醫(yī)學等應用的驅(qū)動下，每年將增長8.3%。受新冠疫情影響，2020年，MEMS市場價值約為121億美元，比上年增長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市場將增長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，復合年增長率約為7%。其中，傳統(tǒng)的MEMS設(shè)備將繼續(xù)增長，但增速較慢，相關(guān)的產(chǎn)品包括麥克風和光學MEMS等。MEMS的收入主要由消費市場驅(qū)動，消費者應用約占總市場的62%，汽車行業(yè)占總市場的16%。
圖1：MEMS行業(yè)應用發(fā)展情況（圖源：Yole）
來自Mordor intelligence的市場分析表明，2020年，全球MEMS市場估值約為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(nèi)，復合年增長率為8.71%，這些數(shù)據(jù)略高于Yole的預測。
Mordor intelligence更加看重消費類市場的發(fā)展并認為，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在自動化工業(yè)領(lǐng)域也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。比如，MEMS加速度計和陀螺儀就是工業(yè)自動化應用的理想選擇。
Report linker發(fā)布的“全球MEMS行業(yè)報告”中相關(guān)的市場數(shù)據(jù)低于Yole的預測。Report linker的數(shù)據(jù)顯示，全球MEMS市場在2020年估計為115億美元，預計到2026年將達到169億美元的規(guī)模，期間以6.7%的復合年增長率增長。
過去幾年，由于MEMS技術(shù)在智能手機、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴設(shè)備、數(shù)碼相機、游戲控制臺、媒體播放器和便攜式導航設(shè)備中的使用越來越多，消費電子產(chǎn)品占據(jù)了最大份額。細分市場之一的消費電子產(chǎn)品預計會以7.3%的復合年增長率增長，到2026年將達到103億美元。Report linker同樣看好汽車市場的潛力并表示，汽車自動化需求的增加、無人駕駛汽車的增長趨勢、電動汽車數(shù)量的增加以及汽車行業(yè)內(nèi)的激烈競爭是推動汽車行業(yè)傳感器需求的一些主要因素。汽車行業(yè)的增長在未來7年內(nèi)的復合年增長率為5.9%，該細分市場目前占全球MEMS市場的15.1%。其中，美國市場預計在2021年達到21億美元，中國市場預計在2026年達到39億美元。
隨著MEMS市場的不斷擴大，市場競爭越來越激烈，整個市場目前主要由亞太地區(qū)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）等是目前市場上的一些主要參與者。
汽車中的MEMS傳感器應用
多年來，傳感器早已融合到車輛的整體設(shè)計和制造中。一輛汽車現(xiàn)在可以有100個或更多的傳感器，用于監(jiān)測和控制某些驅(qū)動參數(shù)。電動汽車的公眾接受度和自動駕駛汽車的未來發(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預計，汽車MEMS傳感器市場規(guī)模在2020年估值為18.9億美元，從2021到2028年以14.5%的復合年增長率（CAGR）增長，預計到2028年將達到50.3億美元。節(jié)能環(huán)保技術(shù)是汽車MEMS傳感器市場收入增長的關(guān)鍵因素，政府關(guān)于安全、效率和駕駛員輔助的法規(guī)將促進市場增長。歐洲和北美目前是汽車MEMS傳感器的兩個最大市場。然而，以中國和印度為代表的亞太地區(qū)市場的增長是極其顯著的。
汽車MEMS傳感器具有效率高、體積小、成本低等優(yōu)點。當今車輛中最常見的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。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）和動態(tài)（運動或振動）加速度，陀螺儀則負責識別角度的變化。這些傳感器是汽車行業(yè)的主導類型，并用于許多關(guān)鍵應用。
電氣化和智能化是汽車行業(yè)的兩個重要趨勢，隨著這一趨勢的加速，正在影響著包括MEMS傳感器在內(nèi)的汽車半導體器件的設(shè)計和應用，高價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柱或前保險杠上，在幾秒鐘內(nèi)就能檢測到碰撞或汽車側(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)車輛的被動安全系統(tǒng)。SMA7xy系列產(chǎn)品之一的SMA760，能精確檢測正面和側(cè)面碰撞。同系列的另一個傳感器SMA720包含一個x和一個z通道，可用于測量沿垂直軸的加速度，是車輛側(cè)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(guī)范。
圖2：Bosch SMA7xy系列MEMS傳感器（圖源：Bosch）
汽車中的陀螺儀可以測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大的安全系統(tǒng)。為此，MEMS傳感器供應商紛紛加緊開發(fā)用于自動駕駛的慣性測量單元（IMU）以及用于鋰離子電動汽車電池的電池壓力監(jiān)測傳感器，以應對電氣化和自動化車輛帶來的新機遇。
汽車行業(yè)是高端IMU的新興市場。隨著高端汽車制造商在未來幾年將逐步趨近L5自動駕駛，此舉將為IMU驅(qū)動的MEMS傳感器帶來巨大發(fā)展機遇。汽車MEMS IMU可能是車內(nèi)使用的最復雜的MEMS設(shè)備。這種類型的IMU由多個陀螺儀和加速度計傳感元件以及信號處理模塊組成，集成在一個封裝中，構(gòu)建了一個能夠測量多達六個自由度（6DoF）的慣性傳感器，包括：旋轉(zhuǎn)運動的偏航、滾轉(zhuǎn)和俯仰，以及線性運動的橫向、縱向和垂直加速度。
STMicroelectronics的汽車級6軸慣性模塊ASM330LHH具有3D數(shù)字加速計和3D數(shù)字陀螺儀，是一款車規(guī)傳感器，符合AEC-Q100標準，其擴展溫度范圍高達+105°C，旨在解決汽車非安全應用問題。ASM330LHH的滿標度加速度范圍為±2/±4/±8/±16g，角速率范圍為±125/±250/±500/±1000/±2000/±4000dps。ASM330LHH的所有設(shè)計方面都經(jīng)過了優(yōu)化，以達到卓越的輸出穩(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用，如航位推算和傳感器融合，可在廣泛的汽車應用中使用。
圖3：STMicroelectronics汽車級
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非安全應用的6軸運動跟蹤產(chǎn)品，它將3軸陀螺儀和3軸加速度計組合在一個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)，然后進入低功耗模式。
圖4：TDK公司6軸運動跟蹤產(chǎn)品IAM-20680HT（圖源：TDK）
大型鋰離子電池在電動汽車（EV）中的使用為MEMS傳感器創(chuàng)造了新的應用。我們知道，電池單元進入熱失控狀態(tài)是鋰離子電池的已知風險之一，此時的監(jiān)測每一秒都很重要。研究表明，提前測量電池組內(nèi)的壓力并據(jù)此預判電池熱失控是否已經(jīng)開始是一個不錯的解決方案。為了能夠及時檢測到這種壓力脈沖，要求MEMS壓力傳感器必須時刻處于工作狀態(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，專門用于解決電動汽車中的這種新的安全應用。NBP8x/NBP9x是NXP壓力傳感器產(chǎn)品系列中的一個完全集成的電池壓力監(jiān)測傳感器系列（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，能夠感應壓力變化，做出基于配置的決策，并根據(jù)此決策采取行動，同時將此信息提供給主機系統(tǒng)。
圖5：NXP新型MEMS壓力傳感器NBP8x/NBP9x（圖源：NXP）
本文小結(jié)
MEMS傳感器廣泛應用于當今的車輛中，其應用范圍正在擴大。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，用于安全的慣性應用是MEMS傳感器在汽車領(lǐng)域的最大作用。加速計或慣性傳感器及其相關(guān)電子設(shè)備可識別正面碰撞引起的任何突然減速。通過MEMS技術(shù)，一個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(nèi)部。對于側(cè)面碰撞，MEMS傳感器評估車門內(nèi)空氣壓力的快速增加，以決定是否應部署側(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，MEMS傳感器在性能和方便性方面具有廣泛的應用前景。
在未來的自動駕駛汽車中，隨著人類駕駛員越來越多地將控制權(quán)交給電子系統(tǒng)，自動駕駛汽車需要數(shù)十個傳感器與周圍環(huán)境進行交互。這些傳感器也必須盡可能小，這樣它們就不會占用其他設(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)和使用增長最快的領(lǐng)域之一。自動駕駛汽車的發(fā)展將推動對MEMS的更大需求，尤其是與光學和射頻相關(guān)的MEMS。突破這些挑戰(zhàn)的公司將迎來MEMS的變革時期以及發(fā)展紅利。
