MEMS在汽車電子中的應(yīng)用及發(fā)展

在二十世紀(jì)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(jì)。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(jì)，汽車傳感器市場在2009年規(guī)模就達(dá)到了25億美元。2004至2009年間，全球汽車傳感器市場的年復(fù)合增長率已經(jīng)達(dá)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(jì)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(duì)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(yù)計(jì)從2007年到2010年，中國市場上，汽車傳感器銷售額的年復(fù)合增長率將高于35%。這種增長力度和速度著實(shí)不容小視。中國的傳感器市場分為兩個(gè)方向：高端路線和低價(jià)路線，ADI的MEMS產(chǎn)品是一個(gè)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(dāng)前的MEMS領(lǐng)域，面臨的挑戰(zhàn)主要來自系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、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(rèn)為，也許在未來的10年中，MEMS傳感器設(shè)計(jì)需要被供應(yīng)商進(jìn)一步優(yōu)化，從而能夠使其提供更加強(qiáng)大的功能，并為使用者降低整體成本做出貢獻(xiàn)。而這對(duì)于MEMS的運(yùn)動(dòng)檢測的發(fā)展和前進(jìn)步伐也起著至關(guān)重要的作用。

對(duì)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(diǎn)。其于近年來被越來越多地應(yīng)用于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)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(dǎo)者，提供全面的慣性感測解決方案，包括iMEMS加速度計(jì)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(rèn)證。 ADI擴(kuò)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(yàn)證的運(yùn)動(dòng)信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而微執(zhí)行器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)作。與此同時(shí)，Integrated Design也在MEMS的設(shè)計(jì)過程中大顯身手。但在MEMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)，以及器件分析等過程相互脫節(jié)，這就使得有機(jī)集成的設(shè)計(jì)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(jì)MEMS。由此可見，這種正向并行的方法集成了MEMS設(shè)計(jì)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(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量都得到了保證。

當(dāng)前，手工設(shè)計(jì)仍然是MEMS的設(shè)計(jì)工作的主要方式，主要依靠于設(shè)計(jì)者的知識(shí)與專業(yè)水平，而VLSI中的數(shù)字邏輯綜合則引領(lǐng)了自動(dòng)化設(shè)計(jì)潮流。一種快速、優(yōu)化的配置可以根據(jù)設(shè)計(jì)者提出的要求，利用優(yōu)化算法以及綜合工具實(shí)現(xiàn)。它可以幫助設(shè)計(jì)人員自動(dòng)生成MEMS器件的拓?fù)鋱D與器件結(jié)構(gòu)尺寸，從而開始MEMS的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，節(jié)省人力成本。使非專業(yè)設(shè)計(jì)者也能參與器件的開發(fā)。這種系統(tǒng)綜合，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)器件的設(shè)計(jì)綜合，但需要將MEMS系統(tǒng)間的耦合效應(yīng)考慮進(jìn)去，并對(duì)信號(hào)處理與控制電路部分進(jìn)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(dǎo)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(jī)遇。ADI MEMS技術(shù)簡化了運(yùn)動(dòng)檢測在工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)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(jì)和陀螺儀，是因?yàn)槠淠芴峁I(yè)界最精確的運(yùn)動(dòng)測量，而且還具有最小的尺寸、最低的功耗和最高的性價(jià)比。

在汽車的主動(dòng)與被動(dòng)安全保護(hù)領(lǐng)域，市場趨勢主要包括以下幾個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)高性能陀螺儀的需求將逐漸增多，尤其是配有高級(jí)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(hù)的法規(guī)，車載衛(wèi)星導(dǎo)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、導(dǎo)航和控制功能。新傳感器能提供戰(zhàn)術(shù)級(jí)( 10度/小時(shí))陀螺儀性能，iSensor集成度和工廠校準(zhǔn)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(jī)電系統(tǒng))慣性傳感器核心技術(shù)，能夠提供6度/小時(shí)偏置穩(wěn)定性和0.75度/√hr角度隨機(jī)游動(dòng)。兩款器件均經(jīng)過全面的工廠校準(zhǔn)，在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)，靈敏度達(dá)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償，通過標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)傳感器產(chǎn)品提供戰(zhàn)術(shù)級(jí)陀螺儀性能，使復(fù)雜的穩(wěn)定應(yīng)用和GPS輔助導(dǎo)航推測更容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(jì)人員，ADIS16135陀螺儀和ADIS16385多軸IMU是目前性價(jià)比最高的產(chǎn)品。

MEMS陀螺儀一直以來是最難設(shè)計(jì)和制造的MEMS器件，特別是當(dāng)許多新興工業(yè)自動(dòng)化和儀器儀表應(yīng)用要求高性能和低功耗時(shí)。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(jìn)的差分四傳感器設(shè)計(jì)，可在強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)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(jī)器人、工業(yè)儀器、航空以及用于高速列車的平臺(tái)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(dòng)抗沖擊需求。與設(shè)計(jì)用于消費(fèi)類應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)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(jià)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(hào)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(duì)傳感器執(zhí)行溫度校準(zhǔn)。這款器件的自測輸入還能提供機(jī)電激勵(lì)，測試傳感器和信號(hào)調(diào)理電路是否正常工作。ADXRS652抗沖擊能力達(dá)到2000 g，專門針對(duì)工業(yè)應(yīng)用、慣性測量單元和平臺(tái)穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)。

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(yàn)，ADI自1989年起便以安全氣囊傳感器為先導(dǎo)開展MEMS業(yè)務(wù);第三，ADI的解決方案在振動(dòng)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(jì)90年代早期MEMS開始投入應(yīng)用，到隨后的10年，由消費(fèi)趨勢推動(dòng)的第二次MEMS技術(shù)應(yīng)用浪潮，直到今天已經(jīng)進(jìn)入的MEMS的第三次浪潮。高性能的MEMS加速度計(jì)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(shí)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(duì)MEMS更高性能的需求推動(dòng)了該領(lǐng)域的進(jìn)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(duì)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(rèn)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(yùn)動(dòng)檢測或增加新功能，必須能夠應(yīng)對(duì)更多需求和挑戰(zhàn)，新型MEMS傳感器設(shè)計(jì)必須在所有條件下，包括在各種振動(dòng)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(jì)人員必須提供有價(jià)值的系統(tǒng)性能改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)過程的自動(dòng)化、并減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，從而降低成本。正如ADI的MEMS技術(shù)，它簡化了運(yùn)動(dòng)檢測在工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)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(jì)，提供更加強(qiáng)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(dòng)MEMS技術(shù)的在未來的發(fā)展和應(yīng)用。