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自1959年微機電系統(MEMS)的構想被提出，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，今天，MEMS產(chǎn)品正成為推動(dòng)半導體市場(chǎng)發(fā)展的巨大驅動(dòng)力。根據Yole Development預測，在未來(lái)五年內，MEMS將以每年20%增長(cháng)(遠超其他半導體產(chǎn)品)，而此在半導體產(chǎn)業(yè)中扮演了重要角色。從汽車(chē)安全、工業(yè)控制到消費性?shī)蕵?lè )產(chǎn)品以及通訊產(chǎn)品，MEMS器件的應用范圍早已無(wú)所不在，而未來(lái)在生物醫學(xué)、宇航及國防感測控制應用等需求上，MEMS有望作出更多的貢獻。 亞德諾半導體(ADI)微機械產(chǎn)品線(xiàn)高級應用工程師趙延輝認為，MEMS技術(shù)在未來(lái)主要有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢： 第一，微型化的同時(shí)降低功耗。將會(huì )出現微米甚至納米級別的微型器件，同時(shí)降低功耗； 第二，微型化的同時(shí)提高精度，將MEMS加速度計做到石英加速度計的噪聲特性，保證MEMS陀螺儀小體積的同時(shí)獲得光纖陀螺儀的零偏穩定性； 第三，集成化及智能化趨勢，即MEMS與IC的集成制造技術(shù)及多參量MEMS傳感器的集成制造技術(shù)得到發(fā)展，以及在集成化基礎上使得信號檢測具有一定的智能。 這些趨勢要求半導體廠(chǎng)商提供更高精度、穩定性更好、更智能的高集成度MEMS傳感器模塊。 2013年MEMS傳感器市場(chǎng)的需求依然十分旺盛，這既有傳統汽車(chē)和消費類(lèi)市場(chǎng)的需求，也有新興的工業(yè)、醫療、通信、測井、軍工類(lèi)的需求。室內導航應用會(huì )是促進(jìn)新型MEMS氣壓計在2013起量的一個(gè)驅動(dòng)因素；而隨著(zhù)人們對錄音、視頻通話(huà)等的質(zhì)量要求越來(lái)越高，高信噪比的MEMS麥克風(fēng)會(huì )用在越來(lái)越多的手機或平板電腦中。隨著(zhù)高溫MEMS器件通過(guò)越來(lái)越多的客戶(hù)驗證，在測井等極端工作領(lǐng)域，也會(huì )看到越來(lái)越多的MEMS產(chǎn)品。而物聯(lián)網(wǎng)和家庭醫療會(huì )是繼汽車(chē)和消費類(lèi)應用領(lǐng)域后，又一個(gè)殺手級的應用，其潛在的市場(chǎng)和增長(cháng)趨勢會(huì )像今天的智能手機一樣。但由于目前該市場(chǎng)還缺乏統一的標準和客戶(hù)的認知度，預計還需要2年左右的時(shí)間才會(huì )起量。 消費電子要求融合多功能的高集成度MEMS 智能手機、平板電腦、便攜醫療設備、GPS儀器等多功能個(gè)人電子設備等強勁的市場(chǎng)需求加速了MEMS傳感器技術(shù)的發(fā)展。飛思卡爾半導體(Freescale)傳感器產(chǎn)品應用經(jīng)理孫淙表示，在消費類(lèi)領(lǐng)域，由智能手機和平板電腦市場(chǎng)的帶動(dòng)，MEMS運動(dòng)傳感器將繼續保持快速發(fā)展�！艾F在獨立的慣性傳感器應用已經(jīng)非常普遍，隨著(zhù)3D IC 和TSV技術(shù)的發(fā)展和成熟，我們會(huì )看到越來(lái)越多的多軸組合慣性傳感器IMU(加速度+磁、加速度+陀螺、加速度+陀螺+磁)的出現，以適應更小體積、更低成本的要求。同時(shí)隨著(zhù)智能電視和類(lèi)似電視盒等集成網(wǎng)絡(luò )、影音和游戲的終端產(chǎn)品的應用普及和發(fā)展，集成IMU的手持遙控器也將越來(lái)越多�！� 由于成本優(yōu)勢和無(wú)可替代性，MEMS慣性傳感器特別是加速度傳感器目前還是消費電子中最主要的MEMS器件。MEMS慣性傳感器主要用來(lái)實(shí)現運動(dòng)捕捉、人機互動(dòng)。例如在智能手機和平板電腦中屏幕顯示橫豎模式的自動(dòng)切換，需要利用重力加速度傳感器精確地檢測角度的變化，同時(shí)還要滿(mǎn)足苛刻的體積和功耗要求。 在消費電子市場(chǎng)中，除了已有的MEMS慣性傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器和麥克風(fēng)陣列，一些環(huán)境傳感器和生物傳感器也正逐漸被應用于該市場(chǎng)�！癕EMS傳感器的融合(也就是集成)將會(huì )繼續推動(dòng)創(chuàng )新。將傳感器集成到一個(gè)單獨封裝中，有利于在消費產(chǎn)品中幫助簡(jiǎn)化傳感器集成�！�IDT公司MEMS部門(mén)總經(jīng)理Harmeet Bhugra表示。 EVG公司MEMS業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Eric F. Pabo認為，在設計中加入MEMS器件時(shí)，設計工程師所面臨的最大挑戰是如何將MEMS器件的輸出最大程度上轉化為對實(shí)現器件功能或器件擁有者有益的信息。這個(gè)A/D(模擬到數字)的轉化和軟件其實(shí)十分困難。使不同MEMS器件在一起工作以進(jìn)行互相校準和糾正難度很大，但同時(shí)又具有突出優(yōu)勢——有時(shí)被稱(chēng)為傳感器融合。有幾家MEMS廠(chǎng)家已經(jīng)通過(guò)將一個(gè)3軸加速計、一個(gè)3軸陀螺儀、一個(gè)3軸磁力計和ASIC封裝在一起解決了這個(gè)問(wèn)題。ASIC進(jìn)行所有的信號處理并通過(guò)一個(gè)標準接口如USB輸出所處理的信息。意法半導體(ST)、博世傳感技術(shù)有限公司(Bosch Sensortec)和Invensense公司都提供該類(lèi)型產(chǎn)品。 TDK集團旗下的愛(ài)普科斯(EPCOS)大中華區MEMS產(chǎn)品市場(chǎng)部資深經(jīng)理王緯瑛則指出，目前業(yè)界的MEMS所需使用的生產(chǎn)制程工藝眾多，為有效降低成本以及提高供應彈性卻又不犧牲規格性能，這是目前消費類(lèi)電子產(chǎn)品中加入MEMS器件所需突破的重要門(mén)檻。未來(lái)的應用上會(huì )趨向將各個(gè)單項功能結合為單顆智能(多項檢測功能)產(chǎn)品。 EPCOS目前推出的主要產(chǎn)品業(yè)已結合檢測大氣壓力、溫度以及高度三種功能的傳感器。器件本身除了在尺寸高度上具有優(yōu)勢，且能夠在保證規格性能的同時(shí)提供高成本效益的產(chǎn)品。舉例來(lái)說(shuō)，在定位系統產(chǎn)品的應用上，EPCOS的壓力傳感器能夠提升精準度高達25cm以?xún)�。這有助于提高手持產(chǎn)品以及游戲機等消費性產(chǎn)品在移動(dòng)中對靈敏度的判斷。在溫度及壓力的變化上也能夠以秒為單位來(lái)呈現差異。EPCOS公司的T5400是市場(chǎng)上最小型的數字壓力傳感器，專(zhuān)為滿(mǎn)足移動(dòng)設備及其周邊需求而開(kāi)發(fā)(圖1)。T5400使得如心率監控、運動(dòng)鞋或自行車(chē)計算機等健身與戶(hù)外領(lǐng)域的應用程序設計更加豐富，另外還可結合高度計來(lái)追蹤高度變化。此外還有助于在無(wú)可用GPS信號的情況下改進(jìn)室內導航。 
EPCOS公司數字壓力傳感器的T5400。 飛思卡爾已經(jīng)量產(chǎn)的FXOS8700CQ是一顆內部集成了一個(gè)12位三軸加速度傳感器和一個(gè)三軸磁力計的6軸IMU器件，而PCB占位僅為3mm×3mm。FXOS8700具有0.1度的方向分辨率，可提供誤差低于5度的航向精確度，為高性能運動(dòng)檢測和eCompass提供了理想的解決方案。FXOS8700具有低功耗特性和豐富的嵌入式功能，特別擁有磁場(chǎng)矢量幅度變化超限，磁場(chǎng)分量變化超限自動(dòng)中斷輸出，內置嵌入式硬磁自校準功能，支持低功耗硬磁偏移補償�？蓮V泛應用于智能手機、平板電腦及個(gè)人導航等設備，提供運動(dòng)檢測、電子羅盤(pán)、游戲、增強實(shí)境及位置服務(wù)等應用。 ADXL362是ADI公司推出的業(yè)界功耗最低的MEMS加速度計(圖2)。這款3軸數字MEMS加速度計在運動(dòng)檢測喚醒模式下功耗僅為300nA，與最接近的競爭傳感器相比，相同模式下的功耗低60%。在全速測量模式下，數據速率為100Hz時(shí)，功耗為2μA，比相同頻率下工作的競爭MEMS加速度計低80%。除了固有的低功耗工作特性，ADXL362 MEMS加速度計還有其他能夠提高系統級功效的重要特性。ADXL362還內置增強型樣本活動(dòng)檢測功能，可準確區分不同種類(lèi)的運動(dòng)。該特性可避免誤檢，防止傳感器不必要地開(kāi)啟系統且縮短電池壽命。ADXL362可用作智能型、連續工作、運動(dòng)激活開(kāi)關(guān)的一部分。當配備喚醒狀態(tài)輸出引腳時(shí)，運動(dòng)傳感器可繞過(guò)處理器即時(shí)觸發(fā)啟動(dòng)系統功能的開(kāi)關(guān)，從而進(jìn)一步降低系統功耗。極低的功耗使ADXL362適合從醫療保健到基礎設施監控的各種極度注重電池壽命的應用。
ADI公司3軸數字MEMS加速度計ADXL362。 MEMS為汽車(chē)、工業(yè)等領(lǐng)域帶來(lái)創(chuàng )新 MEMS壓力傳感器主要用于檢測流體或固體的壓力，并能進(jìn)行信號遠傳。它是工業(yè)應用中最為常用的一種傳感器，常常作為一種自動(dòng)化控制的前端組件，因此其廣泛應用于各種工業(yè)控制環(huán)境，包括石油化工、造紙、水處理、電力、船舶、機床和公用設備等行業(yè)。MEMS壓力傳感器的封裝工藝，通常還可以將壓阻式敏感芯體做得體積小巧、靈敏度高，而且穩定性好，并將壓敏電阻以惠司通電橋形式與應變材料結合在一起，這樣就能確保壓阻式壓力傳感器過(guò)載能力強和抗沖擊壓力強。這相當適合測量高量程范圍的壓力變化，尤其在1Mpa以上時(shí)，線(xiàn)性很好，精度也很高，并適合測量與應變材料兼容的各類(lèi)介質(zhì)。 EVG公司的Eric F. Pabo指出，除了消費電子領(lǐng)域，MEMS傳感器在汽車(chē)市場(chǎng)的應用也將持續增長(cháng)，因為更多的汽車(chē)市場(chǎng)使用系統諸如TMPS(胎壓監測系統)和ESC(電子穩定控制系統)。一些過(guò)去的專(zhuān)用MEMS器件如微測輻射熱計會(huì )出現在高端汽車(chē)應用領(lǐng)域然后隨著(zhù)器件成本的下降逐步走向中低端市場(chǎng)。MEMS會(huì )持續應用于更多的工業(yè)領(lǐng)域以及出現在耐用消費品領(lǐng)域。不過(guò)，這兩個(gè)最新的應用市場(chǎng)規模都不會(huì )大于消費類(lèi)MEMS器件。 MEMS傳感器在環(huán)境和工業(yè)應用中帶來(lái)的創(chuàng )新和突破來(lái)自于在降低成本基礎上的廣泛使用。對于環(huán)境應用而言，可以想象一下如果傳感器已經(jīng)存在于全世界億萬(wàn)智能手機中，那么它們可用來(lái)采集和報告環(huán)境信息。當使用MEMS器件的傳感器每節點(diǎn)成本繼續下降，勢必MEMS器件的工業(yè)應用會(huì )增加。一個(gè)MEMS麥克風(fēng)加上一個(gè)MPU(微處理單元)和一個(gè)無(wú)線(xiàn)電通信線(xiàn)路，可以用于監控大型電機或旋轉電機的噪音級別并對噪音進(jìn)行頻譜分析，當感測到的聲音和頻譜特征出錯或探測到其他問(wèn)題，就會(huì )發(fā)出信號傳送到中央監控站要求檢修。 由于價(jià)格相對較高，以及在汽車(chē)、工業(yè)及醫療等領(lǐng)域的應用范圍不斷擴大，壓力傳感器有望成為銷(xiāo)售額最高的MEMS器件。由于補償水平、裸片校準與封裝類(lèi)型的不同，MEMS壓力傳感器的平均價(jià)格目前相差很大，面向高價(jià)值工業(yè)與醫療應用的從幾美元到幾十美元不等，而面向飛機液壓系統或飛行數據測量等專(zhuān)業(yè)應用的則高達幾百美元，包括在惡劣的介質(zhì)、溫度和壓力條件下的工業(yè)應用組合。MEMS壓力傳感器在汽車(chē)中的一個(gè)新應用是傳動(dòng)系統壓力感測。在工業(yè)領(lǐng)域，MEMS壓力傳感器的主要應用包括采暖通風(fēng)及空調(HVAC)、水平面測量、各種工業(yè)過(guò)程與控制應用。 MEMS最新發(fā)展集中在定時(shí)振蕩器 此外，污染和花粉探測正在成為環(huán)境傳感器的一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題，尤其是考慮到煙霧/過(guò)敏原在大城市呈現出高水平。在工業(yè)應用領(lǐng)域，機器人將繼續推動(dòng)對越來(lái)越精密傳感器的需求。 飛思卡爾公司的孫淙也表示，MEMS器件正越來(lái)越多地應用到環(huán)境和工業(yè)中，例如MEMS化學(xué)氣體和壓力傳感器，這將促進(jìn)檢測和傳感設備的小型化和便攜化，更方便于環(huán)境監測和工業(yè)檢測。同時(shí)，預計采用MEMS傳感器的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)也將越來(lái)越多地應用于環(huán)境和工業(yè)領(lǐng)域。針對工業(yè)應用領(lǐng)域，飛思卡爾推出的MMA8491是一款低功耗的12位三軸加速度傳感器，逐秒采樣時(shí)運行耗電低于400nA，關(guān)斷電流小于10nA。MMA8491非常適合于用于無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)，提供諸如設備追蹤，震動(dòng)以及傾斜檢測。MMA8491提供適用于高可靠性要求的工業(yè)領(lǐng)域的封裝外形。 ADI公司的ADXL377是業(yè)界首款商用高量程三軸加速度計。ADXL377可測量±200g滿(mǎn)量程范圍內且無(wú)信號飽和情況下由沖擊和振動(dòng)引起的高沖擊事件的加速度。該測量范圍與可連續捕捉?jīng)_擊數據的模擬輸出相結合，使ADXL377成為接觸類(lèi)運動(dòng)的理想傳感器，可通過(guò)檢測沖擊力來(lái)了解創(chuàng )傷性腦損傷(TBI)指標。 IDT公司MEMS部門(mén)總經(jīng)理Harmeet Bhugra的觀(guān)點(diǎn)是，MEMS技術(shù)的最新發(fā)展集中在振蕩器(定時(shí)參考)領(lǐng)域�！暗侥壳盀橹�，MEMS僅在諸如手機傳感器這樣的消費產(chǎn)品中獲得采用，下一階段的快速發(fā)展將圍繞定時(shí)振蕩器展開(kāi)。MEMS振蕩器受到如高性能路由器、交換機和存儲集群這樣數據中心企業(yè)應用的巨大推動(dòng)，性能已得到足夠提升�！盜DT公司針對云計算和企業(yè)應用推出了計時(shí)振蕩器，其4H性能MEMS振蕩器具有100飛秒(fs)典型相位抖動(dòng)性能和集成的頻率裕量設定能力(圖3)。IDT高性能振蕩器的超低相位抖動(dòng)和可修改的輸出頻率顯著(zhù)降低萬(wàn)兆以太網(wǎng)(10GbE)交換器、路由器和其他相關(guān)網(wǎng)絡(luò )設備的誤碼率(BER)。
IDT公司4H性能MEMS振蕩器。 MEMS時(shí)鐘器件進(jìn)入手機市場(chǎng) 除了慣性傳感器，傳統的石英晶振也正在被硅MEMS器件取代，硅時(shí)鐘器件憑借標準的半導體工藝和可高量產(chǎn)的塑殼封裝技術(shù)，使得時(shí)鐘晶振器件的交貨周期和供貨發(fā)生革命性變化，尺寸也更小�！澳壳俺霈F顯著(zhù)增長(cháng)的一個(gè)應用領(lǐng)域是用MEMS時(shí)鐘芯片替代傳統石英時(shí)鐘，這能夠為用戶(hù)帶來(lái)更高的性能、靈活性、可靠性，更小的元件尺寸和更低的功耗�！盨iTime公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)執行副總裁Piyush Sevalia談到。他認為，在今后兩年內，MEMS時(shí)鐘在各種應用中的普及將會(huì )推動(dòng)MEMS產(chǎn)業(yè)的增長(cháng)。面向MEMS時(shí)鐘的新應用包括智能手機、平板電腦、數碼相機、運動(dòng)健身器材(如手表)，醫療健康設備(血壓計、血糖檢測儀等)、電子配件(如MP3、耳機)以及計算機外圍設備(無(wú)線(xiàn)鼠標、觸控板等)。 SiTime的MEMS時(shí)鐘器件包括振蕩器，諧振器和時(shí)鐘發(fā)生器已在各類(lèi)消費和移動(dòng)電子產(chǎn)品中被廣泛采納。此外，SiTime元件具有可編程的功能，為用戶(hù)提供了極強的靈活性和新功能，如頻率精度達到小數點(diǎn)6位。SiTime的硅MEMS時(shí)種器件由低功耗MEMS與可編程的模擬電路集成，采用完全的硅制程工藝。繼推出針對系統設備、工業(yè)控制和消費電子的高端硅MEMS后，SiTime公司最新的SiT15xx系列32kHz MEMS振蕩器(圖4)以多種方式克服了基于石英器件的限制，占位面積減小了85%，功耗降低了50%，可靠性提高了15倍，所有這些都有助于實(shí)現體積更小、功耗更低和更耐用的移動(dòng)電子產(chǎn)品。此外，各種醫療健身器件和目前非常熱門(mén)的各種智能配帶式產(chǎn)品如智能手表、智能眼鏡等等也非常適合使用硅MEMS時(shí)鐘振蕩器。
SiTime公司SiT15xx系列32kHz MEMS振蕩器。 |
