MEMS集成化及智能化是趨勢(shì) 爆發(fā)點(diǎn)為定時(shí)振蕩器 - 全文

? 　自1959年微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的構(gòu)想被提出，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，今天，MEMS產(chǎn)品正成為推動(dòng)半導(dǎo)體市場(chǎng)發(fā)展的巨大驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)Yole Development預(yù)測(cè)，在未來五年內(nèi)，MEMS將以每年20%增長(zhǎng)（遠(yuǎn)超其他半導(dǎo)體產(chǎn)品），而此在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中扮演了重要角色。從汽車安全、工業(yè)控制到消費(fèi)性娛樂產(chǎn)品以及通訊產(chǎn)品，MEMS器件的應(yīng)用范圍早已無所不在，而未來在生物醫(yī)學(xué)、宇航及國(guó)防感測(cè)控制應(yīng)用等需求上，MEMS有望作出更多的貢獻(xiàn)。

　　亞德諾半導(dǎo)體（ADI）微機(jī)械產(chǎn)品線高級(jí)應(yīng)用工程師趙延輝認(rèn)為，MEMS技術(shù)在未來主要有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

　　第一，微型化的同時(shí)降低功耗。將會(huì)出現(xiàn)微米甚至納米級(jí)別的微型器件，同時(shí)降低功耗;

　　第二，微型化的同時(shí)提高精度，將MEMS加速度計(jì)做到石英加速度計(jì)的噪聲特性，保證MEMS陀螺儀小體積的同時(shí)獲得光纖陀螺儀的零偏穩(wěn)定性;

　　第三，集成化及智能化趨勢(shì)，即MEMS與IC的集成制造技術(shù)及多參量MEMS傳感器的集成制造技術(shù)得到發(fā)展，以及在集成化基礎(chǔ)上使得信號(hào)檢測(cè)具有一定的智能。

　　這些趨勢(shì)要求半導(dǎo)體廠商提供更高精度、穩(wěn)定性更好、更智能的高集成度MEMS傳感器模塊。

　　2013年MEMS傳感器市場(chǎng)的需求依然十分旺盛，這既有傳統(tǒng)汽車和消費(fèi)類市場(chǎng)的需求，也有新興的工業(yè)、醫(yī)療、通信、測(cè)井、軍工類的需求。室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用會(huì)是促進(jìn)新型MEMS氣壓計(jì)在2013起量的一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素;而隨著人們對(duì)錄音、視頻通話等的質(zhì)量要求越來越高，高信噪比的MEMS麥克風(fēng)會(huì)用在越來越多的手機(jī)或平板電腦中。隨著高溫MEMS器件通過越來越多的客戶驗(yàn)證，在測(cè)井等極端工作領(lǐng)域，也會(huì)看到越來越多的MEMS產(chǎn)品。而物聯(lián)網(wǎng)和家庭醫(yī)療會(huì)是繼汽車和消費(fèi)類應(yīng)用領(lǐng)域后，又一個(gè)殺手級(jí)的應(yīng)用，其潛在的市場(chǎng)和增長(zhǎng)趨勢(shì)會(huì)像今天的智能手機(jī)一樣。但由于目前該市場(chǎng)還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和客戶的認(rèn)知度，預(yù)計(jì)還需要2年左右的時(shí)間才會(huì)起量。

　　消費(fèi)電子要求融合多功能的高集成度MEMS

　　智能手機(jī)、平板電腦、便攜醫(yī)療設(shè)備、GPS儀器等多功能個(gè)人電子設(shè)備等強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求加速了MEMS傳感器技術(shù)的發(fā)展。飛思卡爾半導(dǎo)體（Freescale）傳感器產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理孫淙表示，在消費(fèi)類領(lǐng)域，由智能手機(jī)和平板電腦市場(chǎng)的帶動(dòng)，MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器將繼續(xù)保持快速發(fā)展?！艾F(xiàn)在獨(dú)立的慣性傳感器應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，隨著3D IC 和TSV技術(shù)的發(fā)展和成熟，我們會(huì)看到越來越多的多軸組合慣性傳感器IMU（加速度+磁、加速度+陀螺、加速度+陀螺+磁）的出現(xiàn)，以適應(yīng)更小體積、更低成本的要求。同時(shí)隨著智能電視和類似電視盒等集成網(wǎng)絡(luò)、影音和游戲的終端產(chǎn)品的應(yīng)用普及和發(fā)展，集成IMU的手持遙控器也將越來越多。”

　　由于成本優(yōu)勢(shì)和無可替代性，MEMS慣性傳感器特別是加速度傳感器目前還是消費(fèi)電子中最主要的MEMS器件。MEMS慣性傳感器主要用來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)捕捉、人機(jī)互動(dòng)。例如在智能手機(jī)和平板電腦中屏幕顯示橫豎模式的自動(dòng)切換，需要利用重力加速度傳感器精確地檢測(cè)角度的變化，同時(shí)還要滿足苛刻的體積和功耗要求。

　　在消費(fèi)電子市場(chǎng)中，除了已有的MEMS慣性傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器和麥克風(fēng)陣列，一些環(huán)境傳感器和生物傳感器也正逐漸被應(yīng)用于該市場(chǎng)?！癕EMS傳感器的融合（也就是集成）將會(huì)繼續(xù)推動(dòng)創(chuàng)新。將傳感器集成到一個(gè)單獨(dú)封裝中，有利于在消費(fèi)產(chǎn)品中幫助簡(jiǎn)化傳感器集成?！?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/idt/" target="_blank">IDT公司MEMS部門總經(jīng)理Harmeet Bhugra表示。

　　EVG公司MEMS業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Eric F. Pabo認(rèn)為，在設(shè)計(jì)中加入MEMS器件時(shí)，設(shè)計(jì)工程師所面臨的最大挑戰(zhàn)是如何將MEMS器件的輸出最大程度上轉(zhuǎn)化為對(duì)實(shí)現(xiàn)器件功能或器件擁有者有益的信息。這個(gè)A/D（模擬到數(shù)字）的轉(zhuǎn)化和軟件其實(shí)十分困難。使不同MEMS器件在一起工作以進(jìn)行互相校準(zhǔn)和糾正難度很大，但同時(shí)又具有突出優(yōu)勢(shì)——有時(shí)被稱為傳感器融合。有幾家MEMS廠家已經(jīng)通過將一個(gè)3軸加速計(jì)、一個(gè)3軸陀螺儀、一個(gè)3軸磁力計(jì)和ASIC封裝在一起解決了這個(gè)問題。ASIC進(jìn)行所有的信號(hào)處理并通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口如USB輸出所處理的信息。意法半導(dǎo)體（ST）、博世傳感技術(shù)有限公司（Bosch Sensortec）和Invensense公司都提供該類型產(chǎn)品。

　　TDK集團(tuán)旗下的愛普科斯（EPCOS）大中華區(qū)MEMS產(chǎn)品市場(chǎng)部資深經(jīng)理王緯瑛則指出，目前業(yè)界的MEMS所需使用的生產(chǎn)制程工藝眾多，為有效降低成本以及提高供應(yīng)彈性卻又不犧牲規(guī)格性能，這是目前消費(fèi)類電子產(chǎn)品中加入MEMS器件所需突破的重要門檻。未來的應(yīng)用上會(huì)趨向?qū)⒏鱾€(gè)單項(xiàng)功能結(jié)合為單顆智能（多項(xiàng)檢測(cè)功能）產(chǎn)品。

　　EPCOS目前推出的主要產(chǎn)品業(yè)已結(jié)合檢測(cè)大氣壓力、溫度以及高度三種功能的傳感器。器件本身除了在尺寸高度上具有優(yōu)勢(shì)，且能夠在保證規(guī)格性能的同時(shí)提供高成本效益的產(chǎn)品。舉例來說，在定位系統(tǒng)產(chǎn)品的應(yīng)用上，EPCOS的壓力傳感器能夠提升精準(zhǔn)度高達(dá)25cm以內(nèi)。這有助于提高手持產(chǎn)品以及游戲機(jī)等消費(fèi)性產(chǎn)品在移動(dòng)中對(duì)靈敏度的判斷。在溫度及壓力的變化上也能夠以秒為單位來呈現(xiàn)差異。EPCOS公司的T5400是市場(chǎng)上最小型的數(shù)字壓力傳感器，專為滿足移動(dòng)設(shè)備及其周邊需求而開發(fā)（圖1）。T5400使得如心率監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)鞋或自行車計(jì)算機(jī)等健身與戶外領(lǐng)域的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)更加豐富，另外還可結(jié)合高度計(jì)來追蹤高度變化。此外還有助于在無可用GPS信號(hào)的情況下改進(jìn)室內(nèi)導(dǎo)航。

　　

　　飛思卡爾已經(jīng)量產(chǎn)的FXOS8700CQ是一顆內(nèi)部集成了一個(gè)12位三軸加速度傳感器和一個(gè)三軸磁力計(jì)的6軸IMU器件，而PCB占位僅為3mm×3mm。FXOS8700具有0.1度的方向分辨率，可提供誤差低于5度的航向精確度，為高性能運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和eCompass提供了理想的解決方案。FXOS8700具有低功耗特性和豐富的嵌入式功能，特別擁有磁場(chǎng)矢量幅度變化超限，磁場(chǎng)分量變化超限自動(dòng)中斷輸出，內(nèi)置嵌入式硬磁自校準(zhǔn)功能，支持低功耗硬磁偏移補(bǔ)償?？蓮V泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦及個(gè)人導(dǎo)航等設(shè)備，提供運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、電子羅盤、游戲、增強(qiáng)實(shí)境及位置服務(wù)等應(yīng)用。

　　ADXL362是ADI公司推出的業(yè)界功耗最低的MEMS加速度計(jì)（圖2）。這款3軸數(shù)字MEMS加速度計(jì)在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)喚醒模式下功耗僅為300nA，與最接近的競(jìng)爭(zhēng)傳感器相比，相同模式下的功耗低60%。在全速測(cè)量模式下，數(shù)據(jù)速率為100Hz時(shí)，功耗為2μA，比相同頻率下工作的競(jìng)爭(zhēng)MEMS加速度計(jì)低80%。除了固有的低功耗工作特性，ADXL362 MEMS加速度計(jì)還有其他能夠提高系統(tǒng)級(jí)功效的重要特性。ADXL362還內(nèi)置增強(qiáng)型樣本活動(dòng)檢測(cè)功能，可準(zhǔn)確區(qū)分不同種類的運(yùn)動(dòng)。該特性可避免誤檢，防止傳感器不必要地開啟系統(tǒng)且縮短電池壽命。ADXL362可用作智能型、連續(xù)工作、運(yùn)動(dòng)激活開關(guān)的一部分。當(dāng)配備喚醒狀態(tài)輸出引腳時(shí)，運(yùn)動(dòng)傳感器可繞過處理器即時(shí)觸發(fā)啟動(dòng)系統(tǒng)功能的開關(guān)，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。極低的功耗使ADXL362適合從醫(yī)療保健到基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控的各種極度注重電池壽命的應(yīng)用。

　　

　　MEMS為汽車、工業(yè)等領(lǐng)域帶來創(chuàng)新

　　MEMS壓力傳感器主要用于檢測(cè)流體或固體的壓力，并能進(jìn)行信號(hào)遠(yuǎn)傳。它是工業(yè)應(yīng)用中最為常用的一種傳感器，常常作為一種自動(dòng)化控制的前端組件，因此其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制環(huán)境，包括石油化工、造紙、水處理、電力、船舶、機(jī)床和公用設(shè)備等行業(yè)。MEMS壓力傳感器的封裝工藝，通常還可以將壓阻式敏感芯體做得體積小巧、靈敏度高，而且穩(wěn)定性好，并將壓敏電阻以惠司通電橋形式與應(yīng)變材料結(jié)合在一起，這樣就能確保壓阻式壓力傳感器過載能力強(qiáng)和抗沖擊壓力強(qiáng)。這相當(dāng)適合測(cè)量高量程范圍的壓力變化，尤其在1Mpa以上時(shí)，線性很好，精度也很高，并適合測(cè)量與應(yīng)變材料兼容的各類介質(zhì)。

　　EVG公司的Eric F. Pabo指出，除了消費(fèi)電子領(lǐng)域，MEMS傳感器在汽車市場(chǎng)的應(yīng)用也將持續(xù)增長(zhǎng)，因?yàn)楦嗟钠囀袌?chǎng)使用系統(tǒng)諸如TMPS（胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）和ESC（電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)）。一些過去的專用MEMS器件如微測(cè)輻射熱計(jì)會(huì)出現(xiàn)在高端汽車應(yīng)用領(lǐng)域然后隨著器件成本的下降逐步走向中低端市場(chǎng)。MEMS會(huì)持續(xù)應(yīng)用于更多的工業(yè)領(lǐng)域以及出現(xiàn)在耐用消費(fèi)品領(lǐng)域。不過，這兩個(gè)最新的應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模都不會(huì)大于消費(fèi)類MEMS器件。

　　MEMS傳感器在環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用中帶來的創(chuàng)新和突破來自于在降低成本基礎(chǔ)上的廣泛使用。對(duì)于環(huán)境應(yīng)用而言，可以想象一下如果傳感器已經(jīng)存在于全世界億萬智能手機(jī)中，那么它們可用來采集和報(bào)告環(huán)境信息。當(dāng)使用MEMS器件的傳感器每節(jié)點(diǎn)成本繼續(xù)下降，勢(shì)必MEMS器件的工業(yè)應(yīng)用會(huì)增加。一個(gè)MEMS麥克風(fēng)加上一個(gè)MPU（微處理單元）和一個(gè)無線電通信線路，可以用于監(jiān)控大型電機(jī)或旋轉(zhuǎn)電機(jī)的噪音級(jí)別并對(duì)噪音進(jìn)行頻譜分析，當(dāng)感測(cè)到的聲音和頻譜特征出錯(cuò)或探測(cè)到其他問題，就會(huì)發(fā)出信號(hào)傳送到中央監(jiān)控站要求檢修。

　　由于價(jià)格相對(duì)較高，以及在汽車、工業(yè)及醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，壓力傳感器有望成為銷售額最高的MEMS器件。由于補(bǔ)償水平、裸片校準(zhǔn)與封裝類型的不同，MEMS壓力傳感器的平均價(jià)格目前相差很大，面向高價(jià)值工業(yè)與醫(yī)療應(yīng)用的從幾美元到幾十美元不等，而面向飛機(jī)液壓系統(tǒng)或飛行數(shù)據(jù)測(cè)量等專業(yè)應(yīng)用的則高達(dá)幾百美元，包括在惡劣的介質(zhì)、溫度和壓力條件下的工業(yè)應(yīng)用組合。MEMS壓力傳感器在汽車中的一個(gè)新應(yīng)用是傳動(dòng)系統(tǒng)壓力感測(cè)。在工業(yè)領(lǐng)域，MEMS壓力傳感器的主要應(yīng)用包括采暖通風(fēng)及空調(diào)（HVAC）、水平面測(cè)量、各種工業(yè)過程與控制應(yīng)用。

　　MEMS最新發(fā)展集中在定時(shí)振蕩器

　　此外，污染和花粉探測(cè)正在成為環(huán)境傳感器的一個(gè)熱點(diǎn)話題，尤其是考慮到煙霧/過敏原在大城市呈現(xiàn)出高水平。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，機(jī)器人將繼續(xù)推動(dòng)對(duì)越來越精密傳感器的需求。

　　飛思卡爾公司的孫淙也表示，MEMS器件正越來越多地應(yīng)用到環(huán)境和工業(yè)中，例如MEMS化學(xué)氣體和壓力傳感器，這將促進(jìn)檢測(cè)和傳感設(shè)備的小型化和便攜化，更方便于環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)檢測(cè)。同時(shí)，預(yù)計(jì)采用MEMS傳感器的無線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)也將越來越多地應(yīng)用于環(huán)境和工業(yè)領(lǐng)域。針對(duì)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，飛思卡爾推出的MMA8491是一款低功耗的12位三軸加速度傳感器，逐秒采樣時(shí)運(yùn)行耗電低于400nA，關(guān)斷電流小于10nA。MMA8491非常適合于用于無線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，提供諸如設(shè)備追蹤，震動(dòng)以及傾斜檢測(cè)。MMA8491提供適用于高可靠性要求的工業(yè)領(lǐng)域的封裝外形。

　　ADI公司的ADXL377是業(yè)界首款商用高量程三軸加速度計(jì)。ADXL377可測(cè)量±200g滿量程范圍內(nèi)且無信號(hào)飽和情況下由沖擊和振動(dòng)引起的高沖擊事件的加速度。該測(cè)量范圍與可連續(xù)捕捉?jīng)_擊數(shù)據(jù)的模擬輸出相結(jié)合，使ADXL377成為接觸類運(yùn)動(dòng)的理想傳感器，可通過檢測(cè)沖擊力來了解創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）指標(biāo)。

　　IDT公司MEMS部門總經(jīng)理Harmeet Bhugra的觀點(diǎn)是，MEMS技術(shù)的最新發(fā)展集中在振蕩器（定時(shí)參考）領(lǐng)域?！暗侥壳盀橹?，MEMS僅在諸如手機(jī)傳感器這樣的消費(fèi)產(chǎn)品中獲得采用，下一階段的快速發(fā)展將圍繞定時(shí)振蕩器展開。MEMS振蕩器受到如高性能路由器、交換機(jī)和存儲(chǔ)集群這樣數(shù)據(jù)中心企業(yè)應(yīng)用的巨大推動(dòng)，性能已得到足夠提升?！盜DT公司針對(duì)云計(jì)算和企業(yè)應(yīng)用推出了計(jì)時(shí)振蕩器，其4H性能MEMS振蕩器具有100飛秒（fs）典型相位抖動(dòng)性能和集成的頻率裕量設(shè)定能力（圖3）。IDT高性能振蕩器的超低相位抖動(dòng)和可修改的輸出頻率顯著降低萬兆以太網(wǎng)（10GbE）交換器、路由器和其他相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的誤碼率（BER）。

　　

　　MEMS時(shí)鐘器件進(jìn)入手機(jī)市場(chǎng)

　　除了慣性傳感器，傳統(tǒng)的石英晶振也正在被硅MEMS器件取代，硅時(shí)鐘器件憑借標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝和可高量產(chǎn)的塑殼封裝技術(shù)，使得時(shí)鐘晶振器件的交貨周期和供貨發(fā)生革命性變化，尺寸也更小。“目前出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是用MEMS時(shí)鐘芯片替代傳統(tǒng)石英時(shí)鐘，這能夠?yàn)橛脩魩砀叩男阅堋㈧`活性、可靠性，更小的元件尺寸和更低的功耗。”SiTime公司市場(chǎng)營(yíng)銷執(zhí)行副總裁Piyush Sevalia談到。他認(rèn)為，在今后兩年內(nèi)，MEMS時(shí)鐘在各種應(yīng)用中的普及將會(huì)推動(dòng)MEMS產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)。面向MEMS時(shí)鐘的新應(yīng)用包括智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、運(yùn)動(dòng)健身器材（如手表），醫(yī)療健康設(shè)備（血壓計(jì)、血糖檢測(cè)儀等）、電子配件（如MP3、耳機(jī)）以及計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備（無線鼠標(biāo)、觸控板等）。

　　SiTime的MEMS時(shí)鐘器件包括振蕩器，諧振器和時(shí)鐘發(fā)生器已在各類消費(fèi)和移動(dòng)電子產(chǎn)品中被廣泛采納。此外，SiTime元件具有可編程的功能，為用戶提供了極強(qiáng)的靈活性和新功能，如頻率精度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)6位。SiTime的硅MEMS時(shí)種器件由低功耗MEMS與可編程的模擬電路集成，采用完全的硅制程工藝。繼推出針對(duì)系統(tǒng)設(shè)備、工業(yè)控制和消費(fèi)電子的高端硅MEMS后，SiTime公司最新的SiT15xx系列32kHz MEMS振蕩器（圖4）以多種方式克服了基于石英器件的限制，占位面積減小了85%，功耗降低了50%，可靠性提高了15倍，所有這些都有助于實(shí)現(xiàn)體積更小、功耗更低和更耐用的移動(dòng)電子產(chǎn)品。此外，各種醫(yī)療健身器件和目前非常熱門的各種智能配帶式產(chǎn)品如智能手表、智能眼鏡等等也非常適合使用硅MEMS時(shí)鐘振蕩器。