MEMS在汽車電子中的應(yīng)用及發(fā)展

在二十世紀90年代早期，汽車安全氣囊系統(tǒng)就開始大量采用MEMS加速度計。在其后的十年中，MEMS技術(shù)的第二次應(yīng)用浪潮被掀起。期間，MEMS技術(shù)被大量應(yīng)用，產(chǎn)品種類逐漸增多，相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用到各行各業(yè)。第二代技術(shù)和產(chǎn)品取代了前者，并很快成為主流。據(jù)統(tǒng)計，汽車傳感器市場在2009年規(guī)模就達到了25億美元。2004至2009年間，全球汽車傳感器市場的年復合增長率已經(jīng)達到了9%左右。而今，第三次MEMS應(yīng)用浪潮正在逼近，越來越多的MEMS加速度計和陀螺儀將被用于更多更新的技術(shù)領(lǐng)域。

第三次應(yīng)用浪潮的臨近

在中國市場，政府正在不遺余力得加大對汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展力度，其中汽車傳感器市場成為發(fā)展最迅猛的市場。2009年中國汽車傳感器市場銷售額接近80億美元，預計從2007年到2010年，中國市場上，汽車傳感器銷售額的年復合增長率將高于35%。這種增長力度和速度著實不容小視。中國的傳感器市場分為兩個方向：高端路線和低價路線，ADI的MEMS產(chǎn)品是一個大家庭，囊括了多種定位類別的產(chǎn)品，并致力于滿足不同客戶的需求。

在當前的MEMS領(lǐng)域，面臨的挑戰(zhàn)主要來自系統(tǒng)級設(shè)計、測試、分析、嵌入式軟件的開發(fā)、以及電源管理技術(shù)。其中優(yōu)化解決方案所需要的許多其它要素也為技術(shù)工程師提出了許多挑戰(zhàn)。我們認為，也許在未來的10年中，MEMS傳感器設(shè)計需要被供應(yīng)商進一步優(yōu)化，從而能夠使其提供更加強大的功能，并為使用者降低整體成本做出貢獻。而這對于MEMS的運動檢測的發(fā)展和前進步伐也起著至關(guān)重要的作用。

對于MEMS傳感器來說，適宜在汽車電控系統(tǒng)中應(yīng)用是其一大特點。其于近年來被越來越多地應(yīng)用于汽車的發(fā)動機控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)和底盤控制系統(tǒng)。其中加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用包括電子穩(wěn)定控制、氣囊監(jiān)測、GPS導航及安全系統(tǒng)、以及翻轉(zhuǎn)監(jiān)測等。ADI公司20多年來一直是MEMS創(chuàng)新產(chǎn)品的領(lǐng)導者，提供全面的慣性感測解決方案，包括iMEMS加速度計和陀螺儀、iSensor智能傳感器以及慣性測量單元(IMU)，并已通過TS-16949和QS9000認證。 ADI擴展了MEMS產(chǎn)品在諸如安全氣囊，電子穩(wěn)定系統(tǒng)等安全領(lǐng)域的應(yīng)用。迄今為止，ADI公司久經(jīng)驗證的運動信號處理技術(shù)已經(jīng)生產(chǎn)出超過4億片的傳感器產(chǎn)品。

MEMS在汽車電子中的應(yīng)用及發(fā)展

多種能量的耦合構(gòu)成了MEMS器件工作原理，微傳感器將非電信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，而微?zhí)行器將電能轉(zhuǎn)換為機械動作。與此同時，Integrated Design也在MEMS的設(shè)計過程中大顯身手。但在MEMS系統(tǒng)的設(shè)計過程中，往往采用源于IC的技術(shù)方式，而且系統(tǒng)仿真與版圖設(shè)計，以及器件分析等過程相互脫節(jié)，這就使得有機集成的設(shè)計環(huán)境不能夠形成，從而不能夠滿足MEMS市場快速增長的需要。目前，人們往往使用自上而下(Top-down)的方法設(shè)計MEMS。由此可見，這種正向并行的方法集成了MEMS設(shè)計中的所有環(huán)節(jié)，避免了自下而上方式所出現(xiàn)的弊端，使設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量都得到了保證。

當前，手工設(shè)計仍然是MEMS的設(shè)計工作的主要方式，主要依靠于設(shè)計者的知識與專業(yè)水平，而VLSI中的數(shù)字邏輯綜合則引領(lǐng)了自動化設(shè)計潮流。一種快速、優(yōu)化的配置可以根據(jù)設(shè)計者提出的要求，利用優(yōu)化算法以及綜合工具實現(xiàn)。它可以幫助設(shè)計人員自動生成MEMS器件的拓撲圖與器件結(jié)構(gòu)尺寸，從而開始MEMS的自動化設(shè)計，節(jié)省人力成本。使非專業(yè)設(shè)計者也能參與器件的開發(fā)。這種系統(tǒng)綜合，實現(xiàn)了單個器件的設(shè)計綜合，但需要將MEMS系統(tǒng)間的耦合效應(yīng)考慮進去，并對信號處理與控制電路部分進行調(diào)試，除此之外還必須具備完備的MEMS器件單元庫。

MEMS芯片與半導體芯片整合、封裝在一起是集成電路技術(shù)發(fā)展的新趨勢，也是傳統(tǒng)IC廠商的新機遇。ADI MEMS技術(shù)簡化了運動檢測在工業(yè)、醫(yī)療、消費電子、通信和汽車等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用。用戶之所以選擇ADI公司的iMEMS加速度計和陀螺儀，是因為其能提供業(yè)界最精確的運動測量，而且還具有最小的尺寸、最低的功耗和最高的性價比。

在汽車的主動與被動安全保護領(lǐng)域，市場趨勢主要包括以下幾個方面：首先，傳感器趨于整合，例如將ESP與安全氣囊放置在同一ECU之內(nèi);其次，傳感器的界面將趨于標準化，其中包括數(shù)字界面，SPI、DSI以及PSI5。目前，市場上PSI5的采用率要高于DSI;第三，市場上對高性能陀螺儀的需求將逐漸增多，尤其是配有高級駕駛輔助系統(tǒng)如ACC的汽車;第四，中國和印度等國家已經(jīng)在司法層面上做出規(guī)定，要求所有汽車100%裝有安全氣囊;第五、歐洲國家也頒布了有關(guān)行人保護的法規(guī)，車載衛(wèi)星導航將成為主要趨勢，因此正面撞擊傳感器將成為主要的解決方案。

高性能MEMS產(chǎn)品

ADI的iSensor運動傳感器產(chǎn)品系列新增兩款高度集成的精密MEMS慣性傳感器ADIS16135和ADIS16385，可以有效的幫助工業(yè)設(shè)備制造商實現(xiàn)穩(wěn)定、導航和控制功能。新傳感器能提供戰(zhàn)術(shù)級( 10度/小時)陀螺儀性能，iSensor集成度和工廠校準能力。ADIS16135 iSensor精密角速率陀螺儀和ADIS16385 iSensor 6自由度慣性測量單元(IMU)均基于ADI公司的iMEMS(集成微機電系統(tǒng))慣性傳感器核心技術(shù)，能夠提供6度/小時偏置穩(wěn)定性和0.75度/√hr角度隨機游動。兩款器件均經(jīng)過全面的工廠校準，在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)，靈敏度達到無可比擬的16 ppm/°C，偏置穩(wěn)定性在0.003度/秒以內(nèi)。這些傳感器采用動態(tài)補償，通過標準SPI(串行外設(shè)接口)和寄存器接口提供簡單的用戶接口和控制。

iSensor運動傳感器產(chǎn)品提供戰(zhàn)術(shù)級陀螺儀性能，使復雜的穩(wěn)定應(yīng)用和GPS輔助導航推測更容易實現(xiàn)。對于要求在極端環(huán)境下提供最高陀螺儀偏置精度的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計人員，ADIS16135陀螺儀和ADIS16385多軸IMU是目前性價比最高的產(chǎn)品。

MEMS陀螺儀一直以來是最難設(shè)計和制造的MEMS器件，特別是當許多新興工業(yè)自動化和儀器儀表應(yīng)用要求高性能和低功耗時。與市場上的其它高性能MEMS陀螺儀相比，新款iMEMS 陀螺儀功耗僅為競爭性器件的十分之一，而且可以提供更高的穩(wěn)定性和抗振性能。iMEMS陀螺儀是基于ADI公司前三代MEMS陀螺儀開發(fā)的第四代器件，采用先進的差分四傳感器設(shè)計，可在強烈沖擊和振動狀態(tài)下精確地工作。這種MEMS陀螺儀具有魯棒性能和僅6mA的低功耗特性，可有效地用于多種應(yīng)用，如機器人、工業(yè)儀器、航空以及用于高速列車的平臺穩(wěn)定系統(tǒng)。

ADI的 ADXRS450 iMEMS陀螺儀，專門用于惡劣環(huán)境中的角速率(旋轉(zhuǎn))檢測，以滿足不斷提高的精度、穩(wěn)定度和抗振動抗沖擊需求。與設(shè)計用于消費類應(yīng)用的運動傳感器相比，這些市場的MEMS傳感器需要提供更高得多的性能。ADXRS450 有效地解決了汽車行業(yè)客戶的策略和技術(shù)需求。若要更出色地服務(wù)有著廣泛客戶群的中國市場，則需要更為技術(shù)更為全面的陀螺儀，除了提供高品質(zhì)技術(shù)策略還幫助降低成本并提高績效和市場收益。為此，我們新推出了高性價比的ADXRS652 工業(yè)陀螺儀來滿足這一市場需求。ADXRS652是一款偏航角速度陀螺儀。它不僅采用了表面微加工工藝，內(nèi)置低成本、功能完整的角速率傳感器，還集成了所有必要的信號調(diào)理電子器件以產(chǎn)生與Z軸的角速率成比例的穩(wěn)定輸出電壓。通過外部電容建立0.01 Hz至2500 Hz的帶寬，并利用溫度輸出對傳感器執(zhí)行溫度校準。這款器件的自測輸入還能提供機電激勵，測試傳感器和信號調(diào)理電路是否正常工作。ADXRS652抗沖擊能力達到2000 g，專門針對工業(yè)應(yīng)用、慣性測量單元和平臺穩(wěn)定性而設(shè)計。

綜上所述，ADI在MEMS領(lǐng)域的主要競爭優(yōu)勢在于：首先，ADI是唯一一家在產(chǎn)品陣列中提供low-g/high-g以及陀螺儀的廠商;其次，ADI在汽車安全傳感器領(lǐng)域具有非凡的經(jīng)驗，ADI自1989年起便以安全氣囊傳感器為先導開展MEMS業(yè)務(wù);第三，ADI的解決方案在振動與沖撞穩(wěn)健性(陀螺儀)，加速器速率保持與寬頻感應(yīng)，超載反應(yīng)，持續(xù)自測以及低功率傳感器等方面具有卓越優(yōu)勢;最后，ADI可以提供用于ECU與衛(wèi)星應(yīng)用的全套模擬及數(shù)字傳感器。

助力MEMS技術(shù)未來發(fā)展

從上世紀90年代早期MEMS開始投入應(yīng)用，到隨后的10年，由消費趨勢推動的第二次MEMS技術(shù)應(yīng)用浪潮，直到今天已經(jīng)進入的MEMS的第三次浪潮。高性能的MEMS加速度計和陀螺儀將在更多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，成千上萬的人意識到MEMS在各行各業(yè)的所發(fā)揮的作用以及潛力。MEMS傳感器供應(yīng)商已經(jīng)沖破了可靠性、成本和大規(guī)模生產(chǎn)的障礙，使用者對MEMS更高性能的需求推動了該領(lǐng)域的進步和發(fā)展。目前，MEMS技術(shù)已能夠滿足各種各樣的客戶需求了，包括可靠性和安全性的增加，對醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域中高精度測量和診斷的支持。

我們認為，要在第三次浪潮中取勝，供應(yīng)商不僅應(yīng)該關(guān)注基本運動檢測或增加新功能，必須能夠應(yīng)對更多需求和挑戰(zhàn)，新型MEMS傳感器設(shè)計必須在所有條件下，包括在各種振動和溫度差異，巨大幅度的沖擊的環(huán)境下，保持足夠的靈敏度、噪聲等關(guān)鍵特性。此外，設(shè)計人員必須提供有價值的系統(tǒng)性能改進，從而實現(xiàn)過程的自動化、并減少系統(tǒng)停機時間，從而降低成本。正如ADI的MEMS技術(shù)，它簡化了運動檢測在工業(yè)、醫(yī)療、消費電子、通信和汽車等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用，優(yōu)化了MEMS傳感器設(shè)計，提供更加強大的功能，更高的效率，縮小尺寸并降低整體成本，而這些努力必將大力推動MEMS技術(shù)的在未來的發(fā)展和應(yīng)用。