MEMS传感器技术

MEMS传感器技术

一．概述

MEMS（微机电系统）就是在一个硅基板上集成了机械和电子元器件的微小机构。在代工厂中，通过对电子部分使用半导体工艺和对机械部分使用微机械工艺将其或者直接蚀刻到一片晶圆中，或者增加新的结构层来制作MEMS产品。作为纳米科技的一个分支，MEMS被称为电子产品设计中的“明星”。

MEMS传感器已经存在几十年了，并成功的渗透到一些大规模应用的市场，如医疗压力传感器和安全汽囊加速度计等。尽管取得了这些成功，但MEMS传感器很大程度上还是局限于这些零散的应用。受到汽车电子和消费类电子市场的驱动，这种状况在下一个十年中有望得到改变。

MEMS传感器正在当今的两大热门产品中起到不可或缺的作用。使用测量物理运动从而提供运动感知能力的MEMS加速度计，任天堂公司的Wii无线游戏机允许使用者通过运动和点击互相沟通和在屏幕上处理一些需求，其原理是将运动（例如挥舞胳膊模仿网球球拍的运动）转化为屏幕上的游戏行为。在2006年5月，任天堂和ADI宣布将ADI的ADXL330 iMEMS加速度计整合到任天堂的Wii游戏控制台中。加速度计帮助任天堂把视频游戏提升到一个新的水平。这种产品的全球销售量预计将在2007年底前达到一千万台，任天堂目前正在开足马力以满足汹涌而来的需求。

MEMS加速度计——数年来被用于汽车中起到模拟安全气囊展开动作的传感器的作用——同样被用于苹果公司的iPhone中，通过对旋转时运动的感知，iPhone可以自动地改变其显示格式，以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。当然iPhone并不是第一个采用加速度计来提升用户体验的手机，但是，正是iPhone把MEMS带到了大众消费品中。

然而，MEMS传感器在诸如医疗保健、航空航天和工业等市场也找到了用武之地。根据预测，下一个十年的关键推动力正是汽车和消费类电子市场。当供应商努力取得在消费类电子市场中的主导地位时，一场激烈的争夺战已经在进行之中了。

二．主要应用领域

1.汽车市场

MEMS传感器在汽车工业中的主要应用是压力和惯性，这两个领域预期在未来的十年内都会蓬勃成长。

胎压传感器，美国国会在TREAD Act法案的引言中强制命令为所有的交通车辆安装压力传感器，要求传感器在侦测到轮胎充气不足时，在二十分钟内向司机发出警告。在2008年生产的所有模型车、小型货车、卡车和运动型车（SUVs）上都将具备这项功能。欧盟正在制定一项政策，强制在所有的汽车上安装胎压传感器，并且这一法案预期将在2-3年内实施。这一领域预计将以30.7%的年综合增长率成长，从而在2012年创造526.7百万美元的市场。

其它压力传感器，Frost & Sullivan预计2012年汽车中使用的其它传感器市场规模可达700百万美金。单位出货量成长率达12.8%，考虑到单位产品售价的下跌，会轻微影响到增长率。这一领域的压力传感器主要用于引擎管理、液压制动以及排气循环系统等。欧盟气体排放标准（Euro emission norms）（它对汽车尾气排放作出了严格规定）在新兴经济体的执行预期也会推动MEMS传感器的应用，因为正是燃料价格的上升增加了燃料节约型车辆的

销售。

惯性传感器，加速度计在汽车中的应用包括了安全汽囊、倾翻侦测、电子动态控制系统、导航、安全系统和灵活性背负系统。陀螺仪应用于稳定性控制系统，抗倾翻系统和GPS导航系统。

推动MEMS传感器在汽车市场应用的关键增长动力之一是电子动态控制系统，这些系统使用三种传感器——陀螺仪、加速度计和转向角辩向器——来侦测司机意图与车辆实际动作之间的差异。一旦出现意外，系统将介入对车辆的控制。

目前在德国、瑞典、法国等国家稳定控制系统已经成为新车的标准，因此欧洲目前在这方面领先全球。预计其它国家的汽车制造商在客户需要和竞争的双重推动下也会跟随这一标准，包括电子动态控制系统（ESC）成为大部分新车型的标准配臵。再者，如果欧盟通过一项法律要求在每一辆机动车上必须安装这些系统，那么市场的增长将更具爆发性。

美国市场对ESC系统的采用受到两个因素的驱动，一是美国全国公路交通安全管理局（the NationaHighway Traffic Safety Administratio，NHTSA)正在鼓励汽车制造商采用安全控制系统并且正在探索强制安装这项系统的可能性。第二，汽车制造商正在把安全作为竞争优势。Frost &Sullivan预测到2012年全球ESC系统市场规模将达3400万美元，如果要求强制安装这些系统的管理办法得以通过，这个数字还可能提前实现。

这种产品在北美和西欧市场已经进入成熟期，在世界其它地区正处于稳定增长期。在印度和中国，尽管没有强制安装安全气囊的政府管制，但安全性正在成为汽车制造商产品的差异化表现。Frost & Sullivan预计2012年这一领域将产生263.3百万美元的市场需求。

使用MEMS陀螺仪实现惯性导航（Dead Reckoning,即惯性导航技术，也称方位推估技术，让GPS断讯时仍能继续定位）的GPS系统在日本等国家被广泛采用，在这里它成为所有车辆的标准配臵。日本市场见证了GPS导航系统在2002-2004年期间的巨大增长，当丰田等主要的汽车制造商向市场推出信息通讯业务和服务时刺激了销售增长。然而，交通基础设施的不足以及导航系统的高昂成本被认为抑制了这一市场的增长。

2.消费类电子

MEMS传感器首次在消费电子世界扮演重要的角色源于美国德州仪器公司开发了DMD（数字镜面显示），该产品位于德州仪器公司开发的用于投影电视的DLP系统的核心位臵。这项伟大的工作最初由Larry Hornbeck于1987年展开，DMD实际上是一个由多达200万个安装在铰链上的微型铝镜组成的矩阵。这些微镜的尺寸不足人类头发丝的五分之一。在德州仪器公司最新一代的DLP芯片中，DMD被用于产生高清电视革命所需的展现立体效果（3-D）的向左和向右的视角。

（1）相机

自从上世纪90年代后期，MEMS传感器已经被用于摄录像机和数码相机中来增强图像的稳定性。随着上述数码产品的尺寸越来越小以及像素越来越高，由于手的抖动，图片变得越来越容易模糊。为了解决这一问题，由ADI、InvenSense、意法半导体以及其他公司开发的MEMS陀螺仪测量相机的运动轨迹并向微控制器发送信号，微控制器直接控制镜头或者图像传感器进行微小的线性运动从而补偿意外的相机抖动。

（2）笔记本电脑

为了防止由于硬盘损坏带来的信息丢失，MEMS运动传感器正作为一项保护措施在笔记本电脑中得到应用。一个位于母板上的MEMS加速度计探测到能够导致严重损坏的震动或者坠落时，其能够在一秒中之内向驱动器的读/写磁头发送信号使其暂时停止工作，直至电脑

恢复稳定。目前，IBM、东芝和苹果公司都已经把加速度计整合到了他们的高端笔记本电脑模型中。把大容量的硬盘驱动器整合到外形小巧的电子产品的趋势正在推动这个产业的参与者把加速度计作为一个预防数据丢失的手段。

（3）麦克风

与目前广泛使用的电介质电容器麦克风相比，MEMS麦克风更耐热，并且对抖动和震动有更强的免疫能力。Knowles Acoustics公司是首家将硅MEMS麦克风推向市场的公司。英飞凌公司则提供两芯片的解决方案，包括MEMS芯片和ASIC(特定应用集成电路)，两者同时封装在一起。

2007年早些时候，Akustica公司宣布推出全球最小的模拟麦克风。这个单芯片的1毫米麦克风使用MEMS横隔膜和片上模拟电路，能够直接贴在印制电路板上。MEMS麦克风的小尺寸使其适合用于手机、PDA和手持终端产品。

（4）移动电话

移动电话不仅仅被用来通话，还可作为音乐播放器、数码相机和游戏设备。移动的手持终端制造商正在为他们的产品寻求增加新的功能，以期与竞争对手形成差异化。

在移动电话中加速度计被用来增加图像稳定性、震动侦测、菜单导航、文本滚动、游戏控制、静音模式下的激活、摇动拨号以及其它功能。例如，索尼爱立信W910i，当用户晃动电话时，运用加速度计来改变音调；或者通过一个振动让用户知道音轨已经发生变化。

在过去的三、四年中，象三菱、三星和LG等制造商已经把加速度计整合到他们的高端手机中，但是这些手机被严格局限在日本和韩国市场销售。但是最近的发展，包括iPhone的发展，已经改变了这个趋势。

MEMS陀螺仪具备给消费类电子产品增值的潜力，主要通过增加图像稳定性、提供步行导航以及改进的用户界面等。

消费类电子市场也并不是没有挑战，由于很短的产品生命周期，制造商不得不持续的研发新品以提供独特的功能。这些供应商通常依赖传感器供应商提供合适的解决方案为他们的产品增加独特的功能，而不是仅仅需要传感器。考虑到这一点，传感器制造商就需要与OEM电子厂商协同工作以帮助他们设计从而把传感器整合到电子设备中。

图2 MEME市场价值预测

图2是Frost & Sullivan.公司对用于消费类电子的加速度计市场预测，这块市场的推动因素，包括加速度计价格的下降，厂商对产品差异化的追求，以及消息者意识的上涨。Frost & Sullivan预测这块市场在2012年将创造202.3百万美元的市场。