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微機電系統（MEMS）是利用半導體制造工藝和材料，將傳感器、執行器、機械機構、信號處理和控制電路等集成于一體的微型器件或系統，其內部結構在微米甚至納米級。該技術(shù)主要用于制造傳感器，例如數字羅盤(pán)、加速度計、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)從一項有趣的學(xué)術(shù)研究變成了許多常見(jiàn)產(chǎn)品的組成部分。 四類(lèi)熱門(mén)MEMS傳感器 在早期的MEMS系統中，其中一個(gè)芯片作為傳感元件，另一個(gè)芯片作為信號調理電子器件，是一種多芯片結構。這種實(shí)現方法比較簡(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構。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來(lái)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的傳感器和信號調理器件集成在一個(gè)芯片上乃大勢所趨。它帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的。比如，MEMS器件在微米級上做到了既有機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(lèi)繁多，分類(lèi)方法也很多。比較常用的包括：加速度計、MEMS陀螺儀、壓力傳感器、磁場(chǎng)傳感器等。而每種都有很多細分種類(lèi)，如MEMS加速度計就有可變電容式、壓阻式、壓電式、諧振式和熱電偶式等多種形式。 MEMS加速度計 這是一種用于測量加速度和力的微機電裝置，其原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律，主要由懸掛系統和檢測質(zhì)量塊組成，通過(guò)微硅質(zhì)量塊的偏移實(shí)現對加速度的檢測，目前大多用于汽車(chē)安全氣囊系統、防滑系統、汽車(chē)導航系統和防盜系統等。在市場(chǎng)上存在著(zhù)多種類(lèi)型的MEMS加速度計，其中最常用的是壓電加速度計，但因器件的體積過(guò)大，應用受限，這也是為什么急需盡快開(kāi)發(fā)小型高性能壓電加速度計的原因。值得一提的是，電容式MEMS加速度計因具有靈敏度高、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，常常用于測量角速度或旋轉位移。角速度的單位是每秒轉數（RPS）或每秒度數。在機械上，陀螺儀是一個(gè)旋轉的輪子或圓盤(pán)，安裝在軸上，軸可以自由地選擇方向，依靠的原理與振動(dòng)旋轉物體的原理相同。MEMS陀螺儀主要用于汽車(chē)導航的GPS信號補償和汽車(chē)底盤(pán)控制系統。汽車(chē)轉彎時(shí)，系統通過(guò)陀螺儀測量角速度來(lái)指示方向盤(pán)的轉動(dòng)是否到位，主動(dòng)在內側或者外側車(chē)輪上加上適當的制動(dòng)以防止汽車(chē)脫離車(chē)道，通常它與低加速度計一起構成主動(dòng)控制系統。此外，MEMS陀螺儀不僅能夠測量角速率，也可以通過(guò)積分計算動(dòng)態(tài)角度位移�，F在市場(chǎng)上大熱門(mén)的慣性導航單元（IMU）就是由加速度和陀螺儀組合而成，既可以測量旋轉角速率又可以測量線(xiàn)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壓力傳感器可以對外界壓力進(jìn)行監測和測量。目前主要有五種類(lèi)型：絕對壓力傳感器、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、洗衣機、航空航天、工業(yè)機械、汽車(chē)等應用領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要的作用。比如，汽車(chē)的胎壓監測就是MEMS壓力傳感器的典型應用。 MEMS磁場(chǎng)傳感器 這類(lèi)傳感器是一種小型的微機械系統，主要用于工業(yè)、消費品和汽車(chē)中的線(xiàn)性角度、速度、轉速、線(xiàn)性位置的測量。它離被測物越近，空間分辨率越高。 MEMS技術(shù)的發(fā)展讓傳感器的尺寸越來(lái)越小，成本效益也愈加突出，MEMS傳感器的出現極大地滿(mǎn)足了大家對產(chǎn)品小體積、高性能的要求。根據市場(chǎng)調研機構的預測，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(cháng)率將超過(guò)11.3％。高增長(cháng)背后的原因是MEMS的應用面越來(lái)越寬，從最早的工業(yè)、軍用航空逐漸擴展到消費電子和IoT等領(lǐng)域。目前，汽車(chē)電子和消費電子已經(jīng)成為MEMS應用最廣的領(lǐng)域，這兩大領(lǐng)域約占MEMS傳感器市場(chǎng)的60%以上。 汽車(chē)應用解決方案 安全是汽車(chē)業(yè)最重要的考量之一。MEMS傳感器在汽車(chē)上的應用之所以發(fā)展迅速，主要受益于各國政府推出的汽車(chē)安全規定，比如要求所有汽車(chē)配置TPMS（Tire Pressure Monitoring System，胎壓監測系統）。同時(shí)，汽車(chē)智能化也進(jìn)一步推動(dòng)了MEMS傳感器的應用�，F在，壓力傳感器、加速計、陀螺儀與流量傳感器等四類(lèi)器件合計占到汽車(chē)MEMS系統的99%。這其中，又以MEMS壓力傳感器的應用居多。 據統計，全球平均每輛汽車(chē)包含至少10個(gè)MEMS傳感器，在高檔汽車(chē)中，采用的MEMS傳感器數量更多，約有20至40個(gè)，BMW740i汽車(chē)上甚至有70多個(gè)。 
圖1：全球汽車(chē)MEMS營(yíng)業(yè)收入預測（單位：100萬(wàn)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在，該產(chǎn)品已升級到SP40。相比前代產(chǎn)品，SP40的體積更小，功耗更低，FLASH也增大至14KB，無(wú)線(xiàn)發(fā)射性能也更優(yōu)。在SP370問(wèn)世前，胎壓監測功能通常需要由2~3個(gè)主芯片（傳感器+無(wú)線(xiàn)RF收發(fā)+電源管理）來(lái)實(shí)現，不僅成本高，功耗大，模塊的體積也比較大。
圖2：Infineon SP40系統框圖（圖源：Infineon） ADI汽車(chē)解決方案 ADI是汽車(chē)安全氣囊領(lǐng)域的開(kāi)拓者，如今市場(chǎng)上售出的汽車(chē)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是雙軸集成衛星傳感器，用戶(hù)可選g量程，符合PSI5 2.1版氣囊標準并且向后兼容PSI5 1.3版標準。ADXL251可為前方撞擊和側面撞擊氣囊以及衛星傳感器和電子控制單元（ECU）等主要傳感器應用領(lǐng)域提供低成本解決方案。 在汽車(chē)穩定控制系統中，ADI推出的ADXC1501是一個(gè)值得稱(chēng)道的產(chǎn)品，它將三軸低重力加速度計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系統的尺寸和成本。此外，ADXC1501還能有效抑制沖擊和振動(dòng)的線(xiàn)性加速度效應，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） 消費電子解決方案 隨著(zhù)消費電子的發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng )新的不斷涌現，特別智能手機和平板電腦的快速發(fā)展，消費電子大有取代汽車(chē)行業(yè)從而成為MEMS最大應用市場(chǎng)的趨勢。在智能手機中，MEMS加速計、陀螺儀和硅麥克風(fēng)都有廣泛應用，加速度計更是該市場(chǎng)中第一大應用產(chǎn)品。不過(guò)，近期陀螺儀的應用增速明顯，已上升為MEMS在智能手機中的第二大應用產(chǎn)品。MEMS麥克風(fēng)的應用前景同樣不容小覷，其銷(xiāo)售額在2014年就已接近10億美元。 雖然在可穿戴設備中MEMS目前所占的比例還比較小，不到10%，隨著(zhù)蘋(píng)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)展潛力看，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）有望成為MEMS應用的主戰場(chǎng)，這一市場(chǎng)也是MEMS傳感器增長(cháng)最快的市場(chǎng)。
圖4：MEMS傳感器在手機和平板電腦市場(chǎng)的應用情況（圖源：網(wǎng)絡(luò )） 麥克風(fēng)設計人員通常必須在下面這些參數中權衡取舍，如高信噪比（SNR）、小封裝、高聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)、低功耗等。因此，需要高性能麥克風(fēng)的應用依然采用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(guò)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(xiàn)匹配，可實(shí)現最有效的音頻信號處理和業(yè)界超低的170μA功耗。IM73A135可使設計出的產(chǎn)品達到ECM獨有高水準的音頻性能，同時(shí)兼具M(jìn)EMS技術(shù)的固有優(yōu)勢。 IM73A135出色的音頻性能極大地增強了耳機的主動(dòng)降噪功能，該市場(chǎng)預計到2025年將成長(cháng)至約2.5億個(gè)出貨量，復合年增長(cháng)率將達到16%。此外，IM73A135具有的低自噪聲特性，還特別適用于會(huì )議系統、攝影機或錄音機所需的高品質(zhì)音頻獲取，這也是另一個(gè)預期將大幅成長(cháng)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和電池供電應用的低功耗設備，到用于精確導航和定位、工業(yè)4.0、增強型虛擬現實(shí)組件和智能手機的高端設備，實(shí)現了全方位覆蓋。其中，IIS3DHHC 3D超低噪聲傳感器，適用于工業(yè)天線(xiàn)定向/穩定及找平應用中的高精度測斜儀。iNEMO慣性測量單元（IMU）ISM330DLC，是3D加速度計和3D陀螺儀，具有數字輸出，主要面向長(cháng)續航電池供電應用。
圖5：ST IIS3DHHC 3DMEMS傳感器擁有10年產(chǎn)品長(cháng)期供貨保證（圖源：ST） 與所有新技術(shù)一樣，MEMS的技術(shù)發(fā)展和大規模應用還需經(jīng)歷一個(gè)長(cháng)期的過(guò)程。多年來(lái)，研究人員已經(jīng)發(fā)現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獨有的特點(diǎn)，使其一經(jīng)使用就贏(yíng)得了用戶(hù)和市場(chǎng)的認可，它的應用也從最初的汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域，延伸至消費電子和IoT市場(chǎng)。雖說(shuō)MEMS技術(shù)的應用始于汽車(chē)，但憑借海量的市場(chǎng)，消費電子正在奮起直追，大有趕超汽車(chē)市場(chǎng)之勢。屆時(shí)，汽車(chē)、消費電子很可能成為MEMS應用的市場(chǎng)雙雄。 來(lái)源：貿澤電子 作者：M |
