MEMS傳感器的市場應(yīng)用及未來發(fā)展

根據(jù)頂級市場研究公司的預(yù)測，微機(jī)電 （MEMS） 系統(tǒng)將繼續(xù)穩(wěn)步增長。 IHS 預(yù)計 2013 年增長 6.3%，行業(yè)收入將達(dá)到 16 億美元。 IHS 認(rèn)為，增長動力源自采用慣性、壓力傳感器的石油、天然氣和航空航天等細(xì)分市場。

另一家 MEMS 行業(yè)動向觀察公司，法國 Yole Developpement 指出（見圖 1），手機(jī)需求將繼續(xù)推動 MEMS 器件的強(qiáng)勁增長，證據(jù)是他們發(fā)現(xiàn)最近收購了 Analog Devices MEMS 麥克風(fēng)部門的 InvenSense 公司的慣性傳感器部分增長迅猛，銷售額增長了約 30%。

好消息是，這種增長趨勢至少持續(xù)到 2018 年，在今天的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下這是很難能可貴的。

圖 1：MEMS 芯片的市場份額到 2018 年將達(dá) 220 億美元，各種應(yīng)用將在繼續(xù)發(fā)展中壯大（數(shù)據(jù)承蒙 Yole Developpement 提供）。

MEMS 一直以來就被認(rèn)為有助于設(shè)計人員將各種各樣的電子系統(tǒng)微型化，能夠相對減少系統(tǒng)的重量和功耗，MEMS 獲得了突飛猛進(jìn)地發(fā)展。 當(dāng)然，MEMS 實(shí)際上幾乎不含運(yùn)動零件，對制造商來說制造更簡單，性價比更高；這些器件能提高設(shè)備可靠性，擁有保證吸引設(shè)計人員注意的性能。 所以，汽車系統(tǒng)、移動式手持設(shè)備、醫(yī)療電子器械、白色家電、軍用和航空航天領(lǐng)域的硬件大量使用了 MEMS。 MEMS 傳感器的集成化、可大幅縮短設(shè)計時間的各種功能，以及相比以前更低的集成成本，都成為這些傳感器現(xiàn)在和未來應(yīng)用的關(guān)鍵。

由 Analog Devices 提供的 ADIS16445 緊湊型、六自由度、精密慣性傳感器便是此類系統(tǒng)集成中的一種。 這個完整的慣性系統(tǒng)包括一個三軸陀螺儀和一個三軸加速計。 ADIS16445 中的每個傳感器均集成了 ADI 的 iMEMS? 技術(shù)和用于優(yōu)化動態(tài)性能的信號調(diào)節(jié)功能。 工廠校準(zhǔn)為傳感器設(shè)定了靈敏度、偏置、對準(zhǔn)和線性加速度（陀螺儀偏置）特性。 因此，各個傳感器都有自己的動態(tài)補(bǔ)償公式，從而實(shí)現(xiàn)精確的傳感器測量。

圖 2：外形緊湊的 ADIS16445 六自由度精密慣性傳感器系統(tǒng)集成度高，可簡化導(dǎo)航應(yīng)用設(shè)計。

ADIS16445 是一種簡單的高性價比集成方法，能夠?qū)⒕_的多軸慣性檢測功能集成到工業(yè)系統(tǒng)中。 器件出廠前已完成了所有必要的運(yùn)動測試和校準(zhǔn)，大大縮短了系統(tǒng)集成時間。 嚴(yán)格的正交對準(zhǔn)進(jìn)一步簡化了導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性坐標(biāo)對準(zhǔn)，而 SPI 和寄存器結(jié)構(gòu)又為數(shù)據(jù)收集、配置控制提供了簡單接口。 具體應(yīng)用包括導(dǎo)航、機(jī)器人、平臺穩(wěn)定與控制。

汽車行業(yè)仍然是 MEMS 傳感器的最大工業(yè)用戶。 直噴系統(tǒng)、汽車安全、輪胎壓力監(jiān)控、制動系統(tǒng)均依賴 MEMS 傳感器。

汽車安全包括車輛底盤側(cè)翻檢測，由 Analog Devices 提供的 ADXRS620 ±300°/s 偏航角速度 MEMS 陀螺儀便是滿足這一功能要求的器件（圖 3）

圖 3：針對汽車安全應(yīng)用的 Analog Devices ADXRS620 陀螺儀的功能框圖。

ADXRS620 陀螺儀采用表面微加工工藝，創(chuàng)造出一款集成在單芯片中的全功能、低成本角速度傳感器。 這款汽車級陀螺儀在引腳、封裝、溫度和功能方面完全兼容該供應(yīng)商的工業(yè)級 ADXRS652 陀螺儀。 輸出信號 RATEOUT（1B 、2A）為電壓值，與圍繞封裝上表面垂直軸轉(zhuǎn)動的角速度成比例。 輸出與給定的基準(zhǔn)電源成比例。 帶寬由外部電容器設(shè)定。 ADXRS620 采用 7 × 7 × 3 mm BGA 陶瓷封裝。

傾角傳感器是高精度調(diào)平和傾角測量儀器的關(guān)鍵元件。 Murata 的 SCA103T 系列（圖 4）是基于 3D MEMS 的單軸傾角儀產(chǎn)品家族，不但精度高，而且采用了不同的測量原理，可對共模誤差和噪聲影響進(jìn)行補(bǔ)償。

這款器件校準(zhǔn)精度高，具有極高的溫度穩(wěn)定性、高分辨率和低噪聲特性，設(shè)計采用堅固的檢測元件。 這款傾角儀基于過阻尼檢測元件，對振動不敏感。據(jù)報道，這款產(chǎn)品能承受 20，000 g 機(jī)械沖擊。

圖 4：Murata 的 SCA103T 系列傾角儀功能框圖，用于高精度找平和傾斜測量儀。

這些傳感器具有出色的穩(wěn)定性，不受時間和溫度的影響。 提供比例模擬輸出電壓、數(shù)字 SPI 傾斜和溫度輸出，具有全面的故障探測功能。 此外，還兼容無鉛回流焊工藝。 在移動機(jī)械、車輛、飛機(jī)、建筑機(jī)械和手持設(shè)備中，這些器件可進(jìn)行無故障測量。

展望

MEMS 傳感器使用的未來增長點(diǎn)在哪里？ 可穿戴和移動式保健設(shè)備會促進(jìn) MEMS 移動傳感器、加速計的銷售。 健身以及老年人健康護(hù)理監(jiān)測將繼續(xù)推動 MEMS 加速計、陀螺儀和電子羅盤的集成。 尤其在 MEMS 壓力傳感器方面，汽車將再次成為市場焦點(diǎn)。

其他應(yīng)用包括智能設(shè)備，如手表、眼鏡、熱成像相機(jī)和其它傳感器。 最新登場的產(chǎn)品是微測輻射熱計，這是一種對 IR 敏感的微型熱傳感器陣列。 這種設(shè)備可用在監(jiān)視系統(tǒng)、執(zhí)法行動、消防等領(lǐng)域，且可能很快會應(yīng)用到其它領(lǐng)域。

MEMS 麥克風(fēng)將會出現(xiàn)在從智能電話、筆記本電腦到助聽器、電視機(jī)和相機(jī)等大量消費(fèi)類設(shè)備中。 目前，蘋果 （Apple） 和三星 （Samsung） 是 MEMS 麥克風(fēng)的最大用戶，他們使用了 50% 以上的這種產(chǎn)品。 相信 MEMS 麥克風(fēng)不久也會在汽車應(yīng)用中出現(xiàn)。

例如 Knowles 的 SPM0437HD4H 便是一種采用單數(shù)位 PDM 輸出的微型、高性能、低功耗、頂部收音孔式數(shù)字硅麥克風(fēng)。 SPM0437HD4H 采用了 Knowles 的 SiSonic MEMS 技術(shù)，由一個音頻傳感器、一個低噪聲輸入緩沖器和一個積分型調(diào)制器組成。 該器件適用于許多應(yīng)用，如手機(jī)、智能電話、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、便攜式音樂播放器，以及其它需要寬帶音頻和抗 RF 干擾性能的便攜式電子設(shè)備。

對于所有與傳感器相關(guān)的設(shè)計，傳感器融合將繼續(xù)向前發(fā)展。 通過傳感器組合，設(shè)計工程師能以比使用單個傳感器更低的成本，在更短的時間內(nèi)更輕松地集成、實(shí)現(xiàn)各種性能和前所未有的功能。 盡管手持設(shè)備和平板電腦穩(wěn)居 MEMS 傳感器使用量榜首，但這些傳感器將會集成到我們周圍的幾乎每一個地方，尤其在消費(fèi)類應(yīng)用方面。