MEMS在汽車電子中的應用及發(fā)展

在二十世紀90年代早期，汽車安全氣囊系統就開始大量采用MEMS加速度計。在其后的十年中，MEMS技術的第二次應用浪潮被掀起。期間，MEMS技術被大量應用，產品種類逐漸增多，相關技術被應用到各行各業(yè)。第二代技術和產品取代了前者，并很快成為主流。據統計，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達到了9%左右。而今，第三次MEMS應用浪潮正在逼近，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領域。

第三次應用浪潮的臨近

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產品是一個大家庭，囊括了多種定位類別的產品，并致力于滿足不同客戶的需求。

在當前的MEMS領域，面臨的挑戰(zhàn)主要來自系統級設計、測試、分析、嵌入式軟件的開發(fā)、以及電源管理技術。其中優(yōu)化解決方案所需要的許多其它要素也為技術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傳感器設計需要被供應商進一步優(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重要的作用。

對于MEMS傳感器來說，適宜在汽車電控系統中應用是其一大特點。其于近年來被越來越多地應用于汽車的發(fā)動機控制系統、車身控制系統和底盤控制系統。其中加速度傳感器在汽車中的應用包括電子穩(wěn)定控制、氣囊監(jiān)測、GPS導航及安全系統、以及翻轉監(jiān)測等。ADI公司20多年來一直是MEMS創(chuàng)新產品的領導者，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產品在諸如安全氣囊，電子穩(wěn)定系統等安全領域的應用。迄今為止，ADI公司久經驗證的運動信號處理技術已經生產出超過4億片的傳感器產品。

MEMS在汽車電子中的應用及發(fā)展

多種能量的耦合構成了MEMS器件工作原理，微傳感器將非電信號轉變?yōu)殡娦盘?，而微?zhí)行器將電能轉換為機械動作。與此同時，Integrated Design也在MEMS的設計過程中大顯身手。但在MEMS系統的設計過程中，往往采用源于IC的技術方式，而且系統仿真與版圖設計，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)的方法設計MEMS。由此可見，這種正向并行的方法集成了MEMS設計中的所有環(huán)節(jié)，避免了自下而上方式所出現的弊端，使設計效率和設計質量都得到了保證。

當前，手工設計仍然是MEMS的設計工作的主要方式，主要依靠于設計者的知識與專業(yè)水平，而VLSI中的數字邏輯綜合則引領了自動化設計潮流。一種快速、優(yōu)化的配置可以根據設計者提出的要求，利用優(yōu)化算法以及綜合工具實現。它可以幫助設計人員自動生成MEMS器件的拓撲圖與器件結構尺寸，從而開始MEMS的自動化設計，節(jié)省人力成本。使非專業(yè)設計者也能參與器件的開發(fā)。這種系統綜合，實現了單個器件的設計綜合，但需要將MEMS系統間的耦合效應考慮進去，并對信號處理與控制電路部分進行調試，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發(fā)展的新趨勢，也是傳統IC廠商的新機遇。ADI MEMS技術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域中的應用。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；其次，傳感器的界面將趨于標準化，其中包括數字界面，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如ACC的汽車；第四，中國和印度等國家已經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產品

ADI的iSensor運動傳感器產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)設備制造商實現穩(wěn)定、導航和控制功能。新傳感器能提供戰(zhàn)術級（< 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）慣性傳感器核心技術，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。兩款器件均經過全面的工廠校準，在-40°C至+85°C溫度范圍內，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。這些傳感器采用動態(tài)補償，通過標準SPI（串行外設接口）和寄存器接口提供簡單的用戶接口和控制。

iSensor運動傳感器產品提供戰(zhàn)術級陀螺儀性能，使復雜的穩(wěn)定應用和GPS輔助導航推測更容易實現。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)系統設計人員，ADIS16135陀螺儀和ADIS16385多軸IMU是目前性價比最高的產品。

MEMS陀螺儀一直以來是最難設計和制造的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。

ADI的 ADXRS450 iMEMS陀螺儀，專門用于惡劣環(huán)境中的角速率（旋轉）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。與設計用于消費類應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)客戶的策略和技術需求。若要更出色地服務有著廣泛客戶群的中國市場，則需要更為技術更為全面的陀螺儀，除了提供高品質技術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理電子器件以產生與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)應用、慣性測量單元和平臺穩(wěn)定性而設計。

綜上所述，ADI在MEMS領域的主要競爭優(yōu)勢在于：首先，ADI是唯一一家在產品陣列中提供low-g/high-g以及陀螺儀的廠商；其次，ADI在汽車安全傳感器領域具有非凡的經驗，ADI自1989年起便以安全氣囊傳感器為先導開展MEMS業(yè)務；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，超載反應，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)星應用的全套模擬及數字傳感器。

助力MEMS技術未來發(fā)展

從上世紀90年代早期MEMS開始投入應用，到隨后的10年，由消費趨勢推動的第二次MEMS技術應用浪潮，直到今天已經進入的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域有著廣泛應用，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傳感器供應商已經沖破了可靠性、成本和大規(guī)模生產的障礙，使用者對MEMS更高性能的需求推動了該領域的進步和發(fā)展。目前，MEMS技術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，供應商不僅應該關注基本運動檢測或增加新功能，必須能夠應對更多需求和挑戰(zhàn)，新型MEMS傳感器設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、噪聲等關鍵特性。此外，設計人員必須提供有價值的系統性能改進，從而實現過程的自動化、并減少系統停機時間，從而降低成本。正如ADI的MEMS技術，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域中的應用，優(yōu)化了MEMS傳感器設計，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技術的在未來的發(fā)展和應用。