本文转载自@@： 贸泽电子@@微信公众号@@@@
微机电系统@@（MEMS）是@@一种紧凑型设备@@@@@@，在@@单个硅芯片上组合各种功能@@，如@@机械@@、光学@@、流体和电子@@@@，是@@医疗@@、运输和电信领域发展的@@主要支持技术@@@@。MEMS加速度@@计@@、MEMS陀螺仪@@、MEMS压力传感器@@@@、MEMS开关@@、MEMS振动能量采集器@@、MEMS生物传感器@@@@、MEMS振荡器@@，这些都是@@大家耳熟能详的@@产品@@。
MEMS器件具有@@重量轻@@、体积小@@、成本低@@、功耗小等@@优点@@，非常有利于@@MEMS器件在@@电信和消费电子@@等@@行业中@@的@@应用@@。近年@@来@@，MEMS技术@@在@@汽车@@行业尤其是@@包括@@安全气囊@@系统在@@内的@@车辆安全系统中@@越来越受到@@青睐@@。
MEMS的@@技术@@进步@@
MEMS器件的@@第一次实验室演示是@@在@@@@20世纪@@60年@@代@@，以@@MEMS压力传感器@@@@的@@形式进行的@@@@。而真正的@@商业开发和制造则始于@@20世纪@@90年@@代@@。如@@今@@，我们使用的@@智能手机@@、智能手表和健身跟踪器基本都配备@@有@@MEMS设备@@@@。
过去用于确定飞机座舱中@@横摇@@、俯仰和偏航的@@航空陀螺仪@@系统重达数公斤@@，现在@@用于智能手机中@@的@@@@MEMS陀螺仪@@重量还不到@@@@1毫克@@，大小相当于一粒沙子@@。随着@@尺寸的@@缩小@@，MEMS的@@制造成本显著降低@@，经济规模也得到@@改善@@。与传统机械设备@@@@相比@@，MEMS设备@@@@具有@@更低的@@功耗和更高的@@灵敏度@@。例如@@@@，MEMS谐振应变计仅消耗微瓦级的@@功率@@，就能在@@纳米应变范围内提供极高的@@灵敏度@@。
MEMS不仅用于传感器@@@@，还可用于通信模块@@、执行器和数据处理设备@@@@以@@及感知传感器@@@@，其部件大小从@@一微米到@@一毫米不等@@@@。由此产生的@@机器从@@没有任何运动部件的@@简单机器到@@具有@@多个运动部件的@@复杂机电系统@@。这些系统有许多不同的@@类型@@：磁性@@、电气@@、热@@、化学@@、光学@@和机械@@。
MEMS的@@市场潜力@@
根据@@Yole的@@数据@@，全球@@MEMS和传感器@@市场的@@@@价值将从@@@@2018年@@的@@@@480亿美元@@增至@@@@2024年@@的@@@@930亿美元@@，几乎翻一番@@。2018年@@，随着@@越来越多的@@@@MEMS设备@@@@和传感器@@@@（如@@MEMS、图@@像传感器@@和@@RF滤波器@@）集成到@@消费品和汽车@@等@@最终产品中@@@@，MEMS和传感市场占到@@整个@@IC市场的@@@@10%以@@上@@。
2019年@@至@@@@2024年@@，MEMS市场在@@@@压力@@、射频@@、惯性以@@及生物医学等@@应用的@@驱动下@@，每年@@将增长@@@@8.3%。受新冠疫情影响@@，2020年@@，MEMS市场价值约为@@121亿美元@@，比上年@@增长@@@@2%左右@@。
在@@经历了@@2019年@@和@@2020年@@的@@@@疲软之后@@@@，Yole的@@分析师预计@@@@，2021年@@的@@@@MEMS市场将增长@@@@11%，达到@@@@134亿美元@@。在@@此之后@@@@，MEMS的@@年@@收入在@@@@2026年@@前将增至@@@@182亿美元@@，复合年@@增长@@率约为@@7%。其中@@@@，传统的@@@@MEMS设备@@@@将继续增长@@@@，但增速较慢@@，相关的@@产品包括@@麦克风和光学@@@@MEMS等@@。MEMS的@@收入主要由消费市场驱动@@，消费者应用约占总市场的@@@@@@62%，汽车@@行业占总市场的@@@@@@16%。
图@@1：MEMS行业应用发展情况@@（图@@源@@：Yole）
来自@@Mordor intelligence的@@市场分析表明@@，2020年@@，全球@@MEMS市场估值约为@@109.2亿美元@@，预计@@到@@@@2026年@@将达到@@@@@@188.8亿美元@@，在@@2021至@@2026年@@的@@@@预测@@期内@@，复合年@@增长@@率为@@8.71%，这些数据略高于@@Yole的@@预测@@。
Mordor intelligence更加看重消费类市场的@@@@发展并认为@@，可穿戴设备@@@@@@是@@物联网@@发展的@@重要一步@@，也是@@@@MEMS传感器@@的@@新应用领域@@。采用@@MEMS后@@，最终产品将具有@@更好的@@产品外观@@，并增加了功能@@。同样@@，MEMS在@@自动化工业领域也发挥着关键作用@@。比如@@@@，MEMS加速度@@计@@和陀螺仪@@就是@@工业自动化应用的@@理想选择@@。
Report linker发布的@@@@“全球@@MEMS行业报告@@”中@@相关的@@市场数据低于@@Yole的@@预测@@。Report linker的@@数据@@显示@@，全球@@MEMS市场在@@@@2020年@@估计为@@115亿美元@@，预计@@到@@@@2026年@@将达到@@@@@@169亿美元@@的@@规模@@，期间以@@@@6.7%的@@复合年@@增长@@率@@增长@@@@。
过去几年@@@@，由于@@MEMS技术@@在@@智能手机@@、平板电脑@@、笔记本电脑@@、可穿戴设备@@@@@@、数码相机@@、游戏控制台@@、媒体播放器和便携式导航设备@@@@中@@的@@使用越来越多@@，消费电子@@产品占据了最大份额@@。细分市场之一的@@消费电子@@产品预计@@会以@@@@7.3%的@@复合年@@增长@@率@@增长@@@@，到@@2026年@@将达到@@@@@@103亿美元@@。Report linker同样@@看好汽车@@市场的@@@@潜力并表示@@，汽车@@自动化需求的@@增加@@、无人驾驶汽车@@的@@增长@@趋势@@、电动汽车@@数量的@@增加以@@及汽车@@行业内的@@激烈竞争是@@推动汽车@@行业传感器@@需求的@@一些主要因素@@。汽车@@行业的@@增长@@在@@未来@@7年@@内的@@复合年@@增长@@率@@为@@5.9%，该细分市场目前@@占全球@@@@MEMS市场的@@@@15.1%。其中@@@@，美国市场预计@@在@@@@2021年@@达到@@@@@@21亿美元@@，中@@国市场预计@@在@@@@2026年@@达到@@@@@@39亿美元@@。
随着@@MEMS市场的@@@@不断扩大@@，市场竞争越来越激烈@@，整个市场目前@@主要由亚太地区的@@几家公司@@主导@@，其次是@@美洲和欧洲的@@公司@@@@。Broadcom（博通@@）、Bosch（博世@@）、STMicroelectronics（意法半导体@@）、TI（德州仪器@@）、Qorvo、Infineon（英飞凌@@）、NXP（恩智浦@@）等@@是@@目前@@市场上的@@一些主要参与者@@。
汽车@@中@@的@@@@MEMS传感器@@应用@@
多年@@来@@，传感器@@早已融合到@@车辆的@@整体设计和制造中@@@@。一辆汽车@@现在@@可以@@有@@100个或@@更多的@@传感器@@@@，用于监测和控制某些驱动参数@@。电动汽车@@的@@公众接受度和自动驾驶@@汽车@@的@@未来发展很大程度上将依赖于这些传感器@@的@@超可靠性@@。在@@这些传感器@@中@@@@，MEMS传感器@@约占三分之一@@。
Verified market research预计@@，汽车@@MEMS传感器@@市场规模在@@@@2020年@@估值为@@18.9亿美元@@，从@@2021到@@2028年@@以@@@@14.5%的@@复合年@@增长@@率@@（CAGR）增长@@，预计@@到@@@@2028年@@将达到@@@@@@50.3亿美元@@。节能环保技术@@是@@汽车@@@@MEMS传感器@@市场收入增长@@的@@关键因素@@，政府关于安全@@、效率和驾驶员辅助的@@法规将促进市场增长@@@@。欧洲和北美目前@@是@@汽车@@@@MEMS传感器@@的@@两个最大市场@@。然而@@，以@@中@@国和印度为代表的@@亚太地区市场的@@@@增长@@是@@极其显著的@@@@。
汽车@@MEMS传感器@@具有@@效率高@@、体积小@@、成本低@@等@@优点@@。当今车辆中@@最常见的@@@@MEMS传感器@@有@@：惯性传感器@@@@、磁强计@@、压力传感器@@@@、热@@传感器@@@@、气体传感器@@@@、微光学@@@@。惯性传感器@@@@包括@@加速计和陀螺仪@@@@，可以@@单独也可以@@组合在@@一起使用@@。其中@@@@，加速计用于测量静态@@（重力@@）和动态@@（运动或@@振动@@）加速度@@，陀螺仪@@则负责识别角度的@@变化@@。这些传感器@@是@@汽车@@行业的@@主导类型@@，并用于许多关键应用@@。
电气@@化和智能化@@是@@汽车@@行业的@@两个重要趋势@@，随着@@这一趋势的@@加速@@，正在@@影响着包括@@@@MEMS传感器@@在@@内的@@汽车@@半导体器件的@@设计和应用@@，高价值传感模块在@@汽车@@系统中@@也得到@@了快速集成@@。例如@@@@，MEMS传感器@@在@@包括@@安全气囊@@在@@内的@@车辆安全系统中@@越来越受到@@青睐@@。
Bosch SMA7xy系列@@MEMS传感器@@具有@@极快的@@信号处理能力@@，可直接集成到@@气囊@@@@ECU中@@，或@@位于@@A柱@@、B柱@@或@@@@C柱@@或@@@@前保险杠上@@，在@@几秒钟内就能检测到@@碰撞或@@汽车@@侧翻事件@@，并将此信息发送到@@气囊@@@@ECU。接下来@@，气囊@@ECU将迅速触发车辆的@@被动安全系统@@。SMA7xy系列@@产品之一的@@@@SMA760，能精确检测正面和侧面碰撞@@。同系列@@的@@另一个传感器@@@@SMA720包含一个@@x和一个@@z通道@@，可用于测量沿垂直轴的@@加速度@@@@，是@@车辆侧翻检测的@@理想伴侣@@。SMA7xy系列@@的@@所有传感器@@均符合@@@@ISO 26262的@@ASIL D安全级别@@，并符合@@@@VDA AK-LV27规范@@。
图@@2：Bosch SMA7xy系列@@MEMS传感器@@（图@@源@@：Bosch）
汽车@@中@@的@@@@陀螺仪@@可以@@测量或@@保持车辆的@@方向和角速度@@。ESP（电子@@稳定控制程序@@）中@@基于@@MEMS的@@陀螺仪@@是@@汽车@@工业中@@广泛接受且功能强大的@@安全系统@@。为此@@，MEMS传感器@@供应商纷纷加紧开发用于自动驾驶@@的@@惯性测量单元@@（IMU）以@@及用于锂离子电动汽车@@电池的@@电池压力监测传感器@@@@，以@@应对电气@@化和自动化车辆带来的@@新机遇@@。
汽车@@行业是@@高端@@IMU的@@新兴市场@@。随着@@高端汽车@@制造商在@@未来几年@@将逐步趋近@@L5自动驾驶@@，此举将为@@IMU驱动的@@@@MEMS传感器@@带来巨大发展机遇@@。汽车@@MEMS IMU可能是@@车内使用的@@最复杂的@@@@MEMS设备@@@@。这种类型的@@@@IMU由多个陀螺仪@@和加速度@@计@@传感@@188足彩外围@@app 以@@及信号处理模块组成@@，集成在@@一个封装中@@@@，构建了一个能够测量多达六个自由度@@（6DoF）的@@惯性传感器@@@@@@，包括@@：旋转运动的@@偏航@@、滚转和俯仰@@，以@@及线性运动的@@横向@@、纵向和垂直加速度@@@@。
STMicroelectronics的@@汽车@@级@@@@6轴惯性模块@@ASM330LHH具有@@3D数字加速计和@@3D数字陀螺仪@@@@，是@@一款车规传感器@@@@，符合@@AEC-Q100标准@@，其扩展温度范围高达@@+105°C，旨在@@解决汽车@@非安全应用问题@@。ASM330LHH的@@满标度加速度@@范围为@@±2/±4/±8/±16g，角速率范围为@@±125/±250/±500/±1000/±2000/±4000dps。ASM330LHH的@@所有设计方面都经过了优化@@，以@@达到@@@@卓越的@@输出稳定性@@、极低的@@噪声和完整的@@数据@@同步@@，有利于传感器@@辅助应用@@，如@@航位推算和传感器@@融合@@，可在@@广泛的@@汽车@@应用中@@使用@@。
图@@3：STMicroelectronics汽车@@级@@6轴惯性模块@@ASM330LHH（图@@源@@：Mouser）
TDK公司@@的@@@@IAM-20680HT同样@@是@@一款用于汽车@@非安全应用的@@@@6轴运动跟踪产品@@，它将@@3轴陀螺仪@@和@@3轴加速度@@计@@组合在@@一个@@3×3×0.75mm（16针@@LGA）的@@小封装中@@@@。它还具有@@@@4096字节的@@@@FIFO，通过@@允许系统处理器突发读取传感器@@数据@@，然后@@进入低功耗模式@@。
图@@4：TDK公司@@6轴运动跟踪产品@@IAM-20680HT（图@@源@@：TDK）
大型锂离子电池在@@电动汽车@@@@（EV）中@@的@@使用为@@MEMS传感器@@创造了新的@@应用@@。我们知道@@，电池单元进入热@@失控状态是@@锂离子电池的@@已知风险之一@@，此时的@@监测每一秒都很重要@@。研究表明@@，提前测量电池组内的@@压力并据此预判电池热@@失控是@@否已经开始是@@一个不错的@@解决方案@@。为了能够及时检测到@@这种压力脉冲@@，要求@@MEMS压力传感器@@@@必须时刻处于工作状态@@。即使在@@车辆完全关闭的@@情况下@@，该传感器@@也不能停止工作@@。
NXP开发了一种新型@@@@MEMS压力传感器@@@@，专门用于解决电动汽车@@中@@的@@@@这种新的@@安全应用@@。NBP8x/NBP9x是@@NXP压力传感器@@@@产品系列@@中@@的@@一个完全集成的@@电池压力监测传感器@@系列@@@@（BPMS），采用@@4x4mm小封装规格@@，提供低功耗@@、PWM、SPI、就绪@@/中@@断及电源启用功能@@。该电池压力监控传感器@@具有@@内置的@@@@MCU，能够感应压力变化@@，做出基于配置的@@决策@@，并根据@@此决策采取行动@@，同时将此信息提供给主机系统@@。
图@@5：NXP新型@@MEMS压力传感器@@@@NBP8x/NBP9x（图@@源@@：NXP）
本文小结@@
MEMS传感器@@广泛应用于当今的@@车辆中@@@@，其应用范围正在@@扩大@@。虽然分离的@@传感器@@@@、控制和执行器模块在@@几年@@前很常见@@，但这些功能现在@@被合并到@@微集成封装中@@@@。
目前@@，用于安全的@@惯性应用是@@@@MEMS传感器@@在@@汽车@@领域的@@最大作用@@。加速计或@@惯性传感器@@@@及其相关电子@@设备@@@@可识别正面碰撞引起的@@任何突然减速@@。通过@@MEMS技术@@，一个包含加速计和微处理器的@@微小芯片可以@@安装在@@安全气囊@@或@@安全带预张紧器组件附近或@@内部@@。对于侧面碰撞@@，MEMS传感器@@评估车门内空气压力的@@快速增加@@，以@@决定是@@否应部署侧面安全气囊@@@@。由于@@其体积小@@@@、可靠性高@@、功耗低@@、速度快和成本低@@等@@特点@@，MEMS传感器@@在@@性能和方便性方面具有@@广泛的@@应用前景@@。
在@@未来的@@自动驾驶@@汽车@@中@@@@，随着@@人类驾驶员越来越多地将控制权交给电子@@系统@@，自动驾驶@@汽车@@需要数十个传感器@@与周围环境进行交互@@。这些传感器@@也必须尽可能小@@，这样它们就不会占用其他设备@@@@所需的@@空间@@@@，比如@@@@载人和电池@@。因此@@，汽车@@行业也是@@@@@@MEMS传感器@@生产和使用增长@@最快的@@领域之一@@。自动驾驶@@汽车@@的@@发展将推动对@@MEMS的@@更大需求@@，尤其是@@与光学@@和射频@@相关的@@@@MEMS。突破这些挑战的@@公司@@将迎来@@MEMS的@@变革时期以@@及发展红利@@。