汽車電子推動(dòng)MEMS邁向多元新應(yīng)用
[導(dǎo)讀]作者: 蔡培德
汽車智慧為我們開啟了一個(gè)可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)連接的新時(shí)代。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)一開始是以一種取代壓力感測(cè)器的形式出現(xiàn)在1980年代的工業(yè)與極端環(huán)境應(yīng)用中，由摩托羅拉(Motorola)采用矽晶蝕刻制造而成。
作者: 蔡培德
汽車智慧為我們開啟了一個(gè)可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)連接的新時(shí)代。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)一開始是以一種取代壓力感測(cè)器的形式出現(xiàn)在1980年代的工業(yè)與極端環(huán)境應(yīng)用中，由摩托羅拉(Motorola)采用矽晶蝕刻制造而成。
到了1990年代，以MEMS元件開發(fā)汽車安全氣囊感測(cè)器所用的加速度計(jì)，成為市場(chǎng)上的主流應(yīng)用。從那時(shí)起，在消費(fèi)電子產(chǎn)品控制用的各種插槽出以前，MEMS元件持續(xù)為硬碟提供感測(cè)功能。
“對(duì)于MEMS的發(fā)展來(lái)說，汽車仍是一個(gè)很大的市場(chǎng)，較大的應(yīng)用之一仍然是安全氣囊。我們估計(jì)每部車輛中大約需要3~3.2個(gè)安全氣囊，”市場(chǎng)研究公司Yole Developpement的慣性感測(cè)器市場(chǎng)分析師Laurent Robin表示。
根據(jù)Yole的統(tǒng)計(jì)，2010年MEMS市場(chǎng)總值約87億美元；其中，汽車MEMS約有14.8億美元或占17%。Robin表示，以產(chǎn)值的觀點(diǎn)來(lái)看，這一市場(chǎng)還將在2011年時(shí)成長(zhǎng)8%，但由于受到每年5~20%的強(qiáng)勁降價(jià)壓力抑制，產(chǎn)值成長(zhǎng)數(shù)字并不能反映出這一市場(chǎng)強(qiáng)勁的單位成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
汽車中所使用的主要MEMS感測(cè)器類型包括壓力感測(cè)器，以及加速度計(jì)與陀螺儀。壓力感測(cè)器多用于胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)設(shè)計(jì)；加速度計(jì)用于安全氣囊中，而陀螺儀則用于定向以及電子穩(wěn)定控制(ESC)系統(tǒng)。
盡管汽車生產(chǎn)的數(shù)量每年都在節(jié)節(jié)攀升，每部汽車中所用的電子子系統(tǒng)數(shù)量也不斷增加，但汽車MEMS市場(chǎng)主要還是受到法令與標(biāo)準(zhǔn)的影響與帶動(dòng)。意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)汽車業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Marco Ferraresi表示。
例如美國(guó)在2007年啟動(dòng)TPMS法令，歐盟也打算從2012年開始規(guī)定所有新的客用車都必須配備TPMS解決方案，而其TPMS方案的規(guī)格比美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)還更嚴(yán)格，F(xiàn)erraresi說。他并表示，在歐盟法令頒布的一年后，日本預(yù)期也將跟進(jìn)采用歐盟法令，而韓國(guó)則計(jì)劃在2013年導(dǎo)入TPMS的法令要求。
“利用加速度計(jì)作為觸發(fā)器元件的安全氣囊已經(jīng)是美國(guó)與歐洲的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)了，但在巴西、俄羅斯、印度與中國(guó)等所謂的金磚四國(guó)(BRIC)則尚未采行，”Ferraresi補(bǔ)充道，不過，“巴西與中國(guó)已經(jīng)采用安全氣囊了”，最終也可能成為這些國(guó)家的強(qiáng)制法令，從而為MEMS帶來(lái)成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。
同時(shí)，對(duì)于可作為追蹤失竊車輛的電子子系統(tǒng)在巴西也存在高需求。這種技術(shù)采用GPS定位，并以加速度計(jì)用于喚醒功能。汽車追蹤市場(chǎng)也為慣性感測(cè)器與陀螺儀帶來(lái)中期機(jī)會(huì)，F(xiàn)erraresi說。
轉(zhuǎn)向三軸架構(gòu)
MEMS加速度計(jì)是透過測(cè)量移動(dòng)物件與(晶片)參考框架之間的電容值而實(shí)現(xiàn)的。除了嚴(yán)密建構(gòu)的懸置光束以外，該移動(dòng)物件是以蝕刻掉兩旁及其下部份以便與晶片實(shí)體隔離所形成的。由于此組裝提供最大化電容，使得感測(cè)器的范圍與靈敏度常會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的矽晶叉合。該移動(dòng)物件支援使其受限于以垂直方向移動(dòng)的光束，從而實(shí)現(xiàn)單軸自由移動(dòng)，并能在塊狀矽中保持一定位置。
采用一維和二維架構(gòu)的平面加速度計(jì)能用這種方式制造出來(lái)，但整合三維加速度計(jì)時(shí)就必須使用不同的結(jié)構(gòu)。透過為彈簧進(jìn)行幾何與靈敏度校準(zhǔn)后，就能產(chǎn)生可為所有三軸元件進(jìn)行加速的圖形。依據(jù)校準(zhǔn)與微調(diào)方式的不同，典型的低重力加速度計(jì)可測(cè)得高達(dá)16g的滿格加速度。
MEMS陀螺儀的常見應(yīng)用形式是振動(dòng)，通常采用的是一種輪形的結(jié)構(gòu)；當(dāng)受力旋轉(zhuǎn)時(shí)，它能讓換能器以等量的運(yùn)動(dòng)方式檢測(cè)柯氏項(xiàng)(Coriolis Term)。
紅外線MEMS
根據(jù) Yole的Robin表示，MEMS還有一項(xiàng)新興的汽車市場(chǎng)應(yīng)用──采用微型輻射熱測(cè)定器與CMOS影像感測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)具夜視功能的抬頭顯示器。
微型輻射熱測(cè)定器的操作原理與影像感測(cè)器類似，二者都具有可對(duì)紅外線輻射感光的畫素陣列。但微型輻射熱測(cè)定器必須隔絕吸熱陣列與矽晶基底層，因而必須蝕刻掉深達(dá)2微米的犧牲層。
因此，微型輻射熱測(cè)定器的制造原理更類似于慣性MEMS感測(cè)器。
同樣地，高效率的車用夜視攝影機(jī)要能成為主流的市場(chǎng)應(yīng)用也取決于法令的帶動(dòng)。其中一種應(yīng)用的思考方向是可以在汽車擋風(fēng)玻璃上顯示有關(guān)用路人與動(dòng)物行走的資訊，協(xié)助汽車駕駛避開路上的障礙物，并能在緊急情況下迅速啟動(dòng)自動(dòng)煞車系統(tǒng)。
現(xiàn)正審核中的歐盟法規(guī)將會(huì)強(qiáng)制實(shí)施這種行人偵測(cè)機(jī)制，Robin并預(yù)期在這一強(qiáng)制令頒布后可望在2014或2015年時(shí)開啟一個(gè)全新的應(yīng)用市場(chǎng)。
持續(xù)研究這種技術(shù)的ADOSE與ICU + FNIR兩項(xiàng)歐洲合作研究計(jì)劃最近已告一段落了，提出了有關(guān)的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)；而包括豐田(Toyota)、BMW和福特(Ford)等一些高級(jí)車也都經(jīng)推出了夜視系統(tǒng)，Robin說。
此外，作為投影顯示驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的掃描型微鏡光學(xué)MEMS元件，也可望在投射式抬頭顯示器應(yīng)用領(lǐng)域中占有一席之地，他補(bǔ)充說。
下一步：整合
目前車用MEMS市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是整合多個(gè)感測(cè)器、可支援的處理器以及通訊功能──通常還是有線的形式居多，但偶爾也整合無(wú)線功能，如TPMS應(yīng)用。
然而，由于成本以及良率最佳化的考量，整合通常還是經(jīng)由系統(tǒng)以封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不是以單晶片的形式來(lái)進(jìn)行整合。
“這一發(fā)展趨勢(shì)是在感測(cè)器模組中進(jìn)行某種程度的整合；從兩款MEMS和兩款訊號(hào)調(diào)節(jié)IC整合為一，一直到兩款MEMS元件和一款A(yù)SIC，”ST的Ferraresi表示。
整合加速度計(jì)與陀螺儀感測(cè)器以實(shí)現(xiàn)電子穩(wěn)定性控制的發(fā)展趨勢(shì)則可說是由博世(Bosch)和VTI Technologies公司從2010年開始，Robin說，“在穩(wěn)定性控制方面，必須使用雙軸陀螺儀才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、電子停車、煞車以及坡道啟動(dòng)輔助等應(yīng)用。”同時(shí)，這些公司也開始采用三軸加速度計(jì)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝的靈活度；三軸元件的安裝位置并不影響其性能。
除了MEMS壓力感測(cè)器以外，TMPS模組中也存在整合的需求，包括訊號(hào)調(diào)節(jié)ASIC、微控制器、RF晶片和電池。這些需求也推動(dòng)以壓電能源采集作為為低功耗模組供電方法的研究，以及透過單晶片整合以實(shí)現(xiàn)節(jié)能等研究的各種可能性。另一項(xiàng)Bosch公司的成果是生產(chǎn)一種具有微控制器的2+1慣性感測(cè)器模組，它能以軟體來(lái)區(qū)分不同的汽車應(yīng)用。
然而，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，MEMS的發(fā)展仍然存在著困境。這主要與制造能力有關(guān)。盡管一些代工廠可制造MEMS元件，以因應(yīng)新創(chuàng)無(wú)晶圓MEMS公司的需求，但這些代工廠只能滿足對(duì)于產(chǎn)品可靠度與耐用性需求較低的消費(fèi)市場(chǎng)。
因此，對(duì)于汽車電子市場(chǎng)而言，整合元件制造商(IDM)仍將在MEMS領(lǐng)域扮演主要供應(yīng)商的角色，包括Bosch或Denso等一線子系統(tǒng)制造商，以及如美商亞德諾(ADI)、飛思卡爾(Freescale)、英飛凌(IInfineon Technologies)與Panasonic等IDM廠商。[!--empirenews.page--]
對(duì)眾多新創(chuàng)業(yè)者而言，能在市場(chǎng)取得多大的成功，仍然受限于可掌握的制造技術(shù)與能力。
編譯：Susan Hong
(參考原文：Automotive MEMS drive themselves，by Peter Clarke)
圖一：意法半導(dǎo)體MEMS陀螺儀利用了柯氏力效應(yīng)(Coriolis effect)的原理。
圖二：亞德諾公司雙軸MEMS加速度計(jì)的晶片圖。
圖三：2009～2016年全球汽車電子MEMS市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)。
單位：百萬(wàn)美元/每項(xiàng)應(yīng)用
資料來(lái)源：Yole Developpement
圖四：CMOS影像感測(cè)器在汽車電子領(lǐng)域的主要應(yīng)用。
資料來(lái)源：Yole Developpement
圖五：顯微照片顯示雙指交叉時(shí)可使SensorDynamics公司的MEMS感測(cè)器實(shí)現(xiàn)最大電容值。
汽車智慧為我們開啟了一個(gè)可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)連接的新時(shí)代。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)一開始是以一種取代壓力感測(cè)器的形式出現(xiàn)在1980年代的工業(yè)與極端環(huán)境應(yīng)用中，由摩托羅拉(Motorola)采用矽晶蝕刻制造而成。
到了1990年代，以MEMS元件開發(fā)汽車安全氣囊感測(cè)器所用的加速度計(jì)，成為市場(chǎng)上的主流應(yīng)用。從那時(shí)起，在消費(fèi)電子產(chǎn)品控制用的各種插槽出以前，MEMS元件持續(xù)為硬碟提供感測(cè)功能。
“對(duì)于MEMS的發(fā)展來(lái)說，汽車仍是一個(gè)很大的市場(chǎng)，較大的應(yīng)用之一仍然是安全氣囊。我們估計(jì)每部車輛中大約需要3~3.2個(gè)安全氣囊，”市場(chǎng)研究公司Yole Developpement的慣性感測(cè)器市場(chǎng)分析師Laurent Robin表示。
根據(jù)Yole的統(tǒng)計(jì)，2010年MEMS市場(chǎng)總值約87億美元；其中，汽車MEMS約有14.8億美元或占17%。Robin表示，以產(chǎn)值的觀點(diǎn)來(lái)看，這一市場(chǎng)還將在2011年時(shí)成長(zhǎng)8%，但由于受到每年5~20%的強(qiáng)勁降價(jià)壓力抑制，產(chǎn)值成長(zhǎng)數(shù)字并不能反映出這一市場(chǎng)強(qiáng)勁的單位成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
汽車中所使用的主要MEMS感測(cè)器類型包括壓力感測(cè)器，以及加速度計(jì)與陀螺儀。壓力感測(cè)器多用于胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)設(shè)計(jì)；加速度計(jì)用于安全氣囊中，而陀螺儀則用于定向以及電子穩(wěn)定控制(ESC)系統(tǒng)。
盡管汽車生產(chǎn)的數(shù)量每年都在節(jié)節(jié)攀升，每部汽車中所用的電子子系統(tǒng)數(shù)量也不斷增加，但汽車MEMS市場(chǎng)主要還是受到法令與標(biāo)準(zhǔn)的影響與帶動(dòng)。意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)汽車業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Marco Ferraresi表示。
例如美國(guó)在2007年啟動(dòng)TPMS法令，歐盟也打算從2012年開始規(guī)定所有新的客用車都必須配備TPMS解決方案，而其TPMS方案的規(guī)格比美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)還更嚴(yán)格，F(xiàn)erraresi說。他并表示，在歐盟法令頒布的一年后，日本預(yù)期也將跟進(jìn)采用歐盟法令，而韓國(guó)則計(jì)劃在2013年導(dǎo)入TPMS的法令要求。
“利用加速度計(jì)作為觸發(fā)器元件的安全氣囊已經(jīng)是美國(guó)與歐洲的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)了，但在巴西、俄羅斯、印度與中國(guó)等所謂的金磚四國(guó)(BRIC)則尚未采行，”Ferraresi補(bǔ)充道，不過，“巴西與中國(guó)已經(jīng)采用安全氣囊了”，最終也可能成為這些國(guó)家的強(qiáng)制法令，從而為MEMS帶來(lái)成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。
同時(shí)，對(duì)于可作為追蹤失竊車輛的電子子系統(tǒng)在巴西也存在高需求。這種技術(shù)采用GPS定位，并以加速度計(jì)用于喚醒功能。汽車追蹤市場(chǎng)也為慣性感測(cè)器與陀螺儀帶來(lái)中期機(jī)會(huì)，F(xiàn)erraresi說。
轉(zhuǎn)向三軸架構(gòu)
MEMS加速度計(jì)是透過測(cè)量移動(dòng)物件與(晶片)參考框架之間的電容值而實(shí)現(xiàn)的。除了嚴(yán)密建構(gòu)的懸置光束以外，該移動(dòng)物件是以蝕刻掉兩旁及其下部份以便與晶片實(shí)體隔離所形成的。由于此組裝提供最大化電容，使得感測(cè)器的范圍與靈敏度常會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的矽晶叉合。該移動(dòng)物件支援使其受限于以垂直方向移動(dòng)的光束，從而實(shí)現(xiàn)單軸自由移動(dòng)，并能在塊狀矽中保持一定位置。
采用一維和二維架構(gòu)的平面加速度計(jì)能用這種方式制造出來(lái)，但整合三維加速度計(jì)時(shí)就必須使用不同的結(jié)構(gòu)。透過為彈簧進(jìn)行幾何與靈敏度校準(zhǔn)后，就能產(chǎn)生可為所有三軸元件進(jìn)行加速的圖形。依據(jù)校準(zhǔn)與微調(diào)方式的不同，典型的低重力加速度計(jì)可測(cè)得高達(dá)16g的滿格加速度。
MEMS陀螺儀的常見應(yīng)用形式是振動(dòng)，通常采用的是一種輪形的結(jié)構(gòu)；當(dāng)受力旋轉(zhuǎn)時(shí)，它能讓換能器以等量的運(yùn)動(dòng)方式檢測(cè)柯氏項(xiàng)(Coriolis Term)。
紅外線MEMS
根據(jù) Yole的Robin表示，MEMS還有一項(xiàng)新興的汽車市場(chǎng)應(yīng)用──采用微型輻射熱測(cè)定器與CMOS影像感測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)具夜視功能的抬頭顯示器。
微型輻射熱測(cè)定器的操作原理與影像感測(cè)器類似，二者都具有可對(duì)紅外線輻射感光的畫素陣列。但微型輻射熱測(cè)定器必須隔絕吸熱陣列與矽晶基底層，因而必須蝕刻掉深達(dá)2微米的犧牲層。
因此，微型輻射熱測(cè)定器的制造原理更類似于慣性MEMS感測(cè)器。
同樣地，高效率的車用夜視攝影機(jī)要能成為主流的市場(chǎng)應(yīng)用也取決于法令的帶動(dòng)。其中一種應(yīng)用的思考方向是可以在汽車擋風(fēng)玻璃上顯示有關(guān)用路人與動(dòng)物行走的資訊，協(xié)助汽車駕駛避開路上的障礙物，并能在緊急情況下迅速啟動(dòng)自動(dòng)煞車系統(tǒng)。
現(xiàn)正審核中的歐盟法規(guī)將會(huì)強(qiáng)制實(shí)施這種行人偵測(cè)機(jī)制，Robin并預(yù)期在這一強(qiáng)制令頒布后可望在2014或2015年時(shí)開啟一個(gè)全新的應(yīng)用市場(chǎng)。
持續(xù)研究這種技術(shù)的ADOSE與ICU + FNIR兩項(xiàng)歐洲合作研究計(jì)劃最近已告一段落了，提出了有關(guān)的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)；而包括豐田(Toyota)、BMW和福特(Ford)等一些高級(jí)車也都經(jīng)推出了夜視系統(tǒng)，Robin說。
此外，作為投影顯示驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的掃描型微鏡光學(xué)MEMS元件，也可望在投射式抬頭顯示器應(yīng)用領(lǐng)域中占有一席之地，他補(bǔ)充說。
下一步：整合
目前車用MEMS市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是整合多個(gè)感測(cè)器、可支援的處理器以及通訊功能──通常還是有線的形式居多，但偶爾也整合無(wú)線功能，如TPMS應(yīng)用。
然而，由于成本以及良率最佳化的考量，整合通常還是經(jīng)由系統(tǒng)以封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不是以單晶片的形式來(lái)進(jìn)行整合。
“這一發(fā)展趨勢(shì)是在感測(cè)器模組中進(jìn)行某種程度的整合；從兩款MEMS和兩款訊號(hào)調(diào)節(jié)IC整合為一，一直到兩款MEMS元件和一款A(yù)SIC，”ST的Ferraresi表示。
整合加速度計(jì)與陀螺儀感測(cè)器以實(shí)現(xiàn)電子穩(wěn)定性控制的發(fā)展趨勢(shì)則可說是由博世(Bosch)和VTI Technologies公司從2010年開始，Robin說，“在穩(wěn)定性控制方面，必須使用雙軸陀螺儀才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、電子停車、煞車以及坡道啟動(dòng)輔助等應(yīng)用。”同時(shí)，這些公司也開始采用三軸加速度計(jì)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝的靈活度；三軸元件的安裝位置并不影響其性能。
除了MEMS壓力感測(cè)器以外，TMPS模組中也存在整合的需求，包括訊號(hào)調(diào)節(jié)ASIC、微控制器、RF晶片和電池。這些需求也推動(dòng)以壓電能源采集作為為低功耗模組供電方法的研究，以及透過單晶片整合以實(shí)現(xiàn)節(jié)能等研究的各種可能性。另一項(xiàng)Bosch公司的成果是生產(chǎn)一種具有微控制器的2+1慣性感測(cè)器模組，它能以軟體來(lái)區(qū)分不同的汽車應(yīng)用。
然而，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，MEMS的發(fā)展仍然存在著困境。這主要與制造能力有關(guān)。盡管一些代工廠可制造MEMS元件，以因應(yīng)新創(chuàng)無(wú)晶圓MEMS公司的需求，但這些代工廠只能滿足對(duì)于產(chǎn)品可靠度與耐用性需求較低的消費(fèi)市場(chǎng)。
因此，對(duì)于汽車電子市場(chǎng)而言，整合元件制造商(IDM)仍將在MEMS領(lǐng)域扮演主要供應(yīng)商的角色，包括Bosch或Denso等一線子系統(tǒng)制造商，以及如美商亞德諾(ADI)、飛思卡爾(Freescale)、英飛凌(IInfineon Technologies)與Panasonic等IDM廠商。[!--empirenews.page--]
對(duì)眾多新創(chuàng)業(yè)者而言，能在市場(chǎng)取得多大的成功，仍然受限于可掌握的制造技術(shù)與能力。
編譯：Susan Hong
(參考原文：Automotive MEMS drive themselves，by Peter Clarke)
圖一：意法半導(dǎo)體MEMS陀螺儀利用了柯氏力效應(yīng)(Coriolis effect)的原理。
圖二：亞德諾公司雙軸MEMS加速度計(jì)的晶片圖。
圖三：2009～2016年全球汽車電子MEMS市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)。
單位：百萬(wàn)美元/每項(xiàng)應(yīng)用
資料來(lái)源：Yole Developpement
圖四：CMOS影像感測(cè)器在汽車電子領(lǐng)域的主要應(yīng)用。
資料來(lái)源：Yole Developpement
圖五：顯微照片顯示雙指交叉時(shí)可使SensorDynamics公司的MEMS感測(cè)器實(shí)現(xiàn)最大電容值。
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