MEMS集成化及智能化是趋势 爆发点为定时振荡器

2013-11-19 13:15:48来源: 互联网 关键字:MEMS  集成化  智能化  振荡器
自1959年微机电系统(MEMS)的构想被提出,历经几十年的发展,今天,MEMS产品正成为推动半导体市场发展的巨大驱动力。根据Yole Development预测,在未来五年内,MEMS将以每年20%增长(远超其他半导体产品),而此在半导体产业中扮演了重要角色。从汽车安全、工业控制到消费性娱乐产品以及通讯产品,MEMS器件的应用范围早已无所不在,而未来在生物医学、宇航及国防感测控制应用等需求上,MEMS有望作出更多的贡献。

  亚德诺半导体(ADI)微机械产品线高级应用工程师赵延辉认为,MEMS技术在未来主要有以下几个发展趋势:

  第一,微型化的同时降低功耗。将会出现微米甚至纳米级别的微型器件,同时降低功耗;

  第二,微型化的同时提高精度,将MEMS加速度计做到石英加速度计的噪声特性,保证MEMS陀螺仪小体积的同时获得光纤陀螺仪的零偏稳定性;

  第三,集成化智能化趋势,即MEMS与IC的集成制造技术及多参量MEMS传感器的集成制造技术得到发展,以及在集成化基础上使得信号检测具有一定的智能。

  这些趋势要求半导体厂商提供更高精度、稳定性更好、更智能的高集成度MEMS传感器模块。

  2013年MEMS传感器市场的需求依然十分旺盛,这既有传统汽车和消费类市场的需求,也有新兴的工业、医疗、通信、测井、军工类的需求。室内导航应用会是促进新型MEMS气压计在2013起量的一个驱动因素;而随着人们对录音、视频通话等的质量要求越来越高,高信噪比的MEMS麦克风会用在越来越多的手机或平板电脑中。随着高温MEMS器件通过越来越多的客户验证,在测井等极端工作领域,也会看到越来越多的MEMS产品。而物联网和家庭医疗会是继汽车和消费类应用领域后,又一个杀手级的应用,其潜在的市场和增长趋势会像今天的智能手机一样。但由于目前该市场还缺乏统一的标准和客户的认知度,预计还需要2年左右的时间才会起量。

  消费电子要求融合多功能的高集成度MEMS

  智能手机、平板电脑、便携医疗设备、GPS仪器等多功能个人电子设备等强劲的市场需求加速了MEMS传感器技术的发展。飞思卡尔半导体(Freescale)传感器产品应用经理孙淙表示,在消费类领域,由智能手机和平板电脑市场的带动,MEMS运动传感器将继续保持快速发展。“现在独立的惯性传感器应用已经非常普遍,随着3D IC 和TSV技术的发展和成熟,我们会看到越来越多的多轴组合惯性传感器IMU(加速度+磁、加速度+陀螺、加速度+陀螺+磁)的出现,以适应更小体积、更低成本的要求。同时随着智能电视和类似电视盒等集成网络、影音和游戏的终端产品的应用普及和发展,集成IMU的手持遥控器也将越来越多。”

  由于成本优势和无可替代性,MEMS惯性传感器特别是加速度传感器目前还是消费电子中最主要的MEMS器件。MEMS惯性传感器主要用来实现运动捕捉、人机互动。例如在智能手机和平板电脑中屏幕显示横竖模式的自动切换,需要利用重力加速度传感器精确地检测角度的变化,同时还要满足苛刻的体积和功耗要求。

  在消费电子市场中,除了已有的MEMS惯性传感器、压力传感器、红外传感器和麦克风阵列,一些环境传感器和生物传感器也正逐渐被应用于该市场。“MEMS传感器的融合(也就是集成)将会继续推动创新。将传感器集成到一个单独封装中,有利于在消费产品中帮助简化传感器集成。”IDT公司MEMS部门总经理Harmeet Bhugra表示。

  EVG公司MEMS业务开发经理Eric F. Pabo认为,在设计中加入MEMS器件时,设计工程师所面临的最大挑战是如何将MEMS器件的输出最大程度上转化为对实现器件功能或器件拥有者有益的信息。这个A/D(模拟到数字)的转化和软件其实十分困难。使不同MEMS器件在一起工作以进行互相校准和纠正难度很大,但同时又具有突出优势——有时被称为传感器融合。有几家MEMS厂家已经通过将一个3轴加速计、一个3轴陀螺仪、一个3轴磁力计和ASIC封装在一起解决了这个问题。ASIC进行所有的信号处理并通过一个标准接口如USB输出所处理的信息。意法半导体(ST)、博世传感技术有限公司(Bosch Sensortec)和Invensense公司都提供该类型产品。

  TDK集团旗下的爱普科斯(EPCOS)大中华区MEMS产品市场部资深经理王纬瑛则指出,目前业界的MEMS所需使用的生产制程工艺众多,为有效降低成本以及提高供应弹性却又不牺牲规格性能,这是目前消费类电子产品中加入MEMS器件所需突破的重要门槛。未来的应用上会趋向将各个单项功能结合为单颗智能(多项检测功能)产品。

  EPCOS目前推出的主要产品业已结合检测大气压力、温度以及高度三种功能的传感器。器件本身除了在尺寸高度上具有优势,且能够在保证规格性能的同时提供高成本效益的产品。举例来说,在定位系统产品的应用上,EPCOS的压力传感器能够提升精准度高达25cm以内。这有助于提高手持产品以及游戏机等消费性产品在移动中对灵敏度的判断。在温度及压力的变化上也能够以秒为单位来呈现差异。EPCOS公司的T5400是市场上最小型的数字压力传感器,专为满足移动设备及其周边需求而开发(图1)。T5400使得如心率监控、运动鞋或自行车计算机等健身与户外领域的应用程序设计更加丰富,另外还可结合高度计来追踪高度变化。此外还有助于在无可用GPS信号的情况下改进室内导航。

  


  飞思卡尔已经量产的FXOS8700CQ是一颗内部集成了一个12位三轴加速度传感器和一个三轴磁力计的6轴IMU器件,而PCB占位仅为3mm×3mm。FXOS8700具有0.1度的方向分辨率,可提供误差低于5度的航向精确度,为高性能运动检测和eCompass提供了理想的解决方案。FXOS8700具有低功耗特性和丰富的嵌入式功能,特别拥有磁场矢量幅度变化超限,磁场分量变化超限自动中断输出,内置嵌入式硬磁自校准功能,支持低功耗硬磁偏移补偿。可广泛应用于智能手机、平板电脑及个人导航等设备,提供运动检测、电子罗盘、游戏、增强实境及位置服务等应用。

  ADXL362是ADI公司推出的业界功耗最低的MEMS加速度计(图2)。这款3轴数字MEMS加速度计在运动检测唤醒模式下功耗仅为300nA,与最接近的竞争传感器相比,相同模式下的功耗低60%。在全速测量模式下,数据速率为100Hz时,功耗为2μA,比相同频率下工作的竞争MEMS加速度计低80%。除了固有的低功耗工作特性,ADXL362 MEMS加速度计还有其他能够提高系统级功效的重要特性。ADXL362还内置增强型样本活动检测功能,可准确区分不同种类的运动。该特性可避免误检,防止传感器不必要地开启系统且缩短电池寿命。ADXL362可用作智能型、连续工作、运动激活开关的一部分。当配备唤醒状态输出引脚时,运动传感器可绕过处理器即时触发启动系统功能的开关,从而进一步降低系统功耗。极低的功耗使ADXL362适合从医疗保健到基础设施监控的各种极度注重电池寿命的应用。

  

  MEMS为汽车、工业等领域带来创新

  MEMS压力传感器主要用于检测流体或固体的压力,并能进行信号远传。它是工业应用中最为常用的一种传感器,常常作为一种自动化控制的前端组件,因此其广泛应用于各种工业控制环境,包括石油化工、造纸、水处理、电力、船舶、机床和公用设备等行业。MEMS压力传感器的封装工艺,通常还可以将压阻式敏感芯体做得体积小巧、灵敏度高,而且稳定性好,并将压敏电阻以惠司通电桥形式与应变材料结合在一起,这样就能确保压阻式压力传感器过载能力强和抗冲击压力强。这相当适合测量高量程范围的压力变化,尤其在1Mpa以上时,线性很好,精度也很高,并适合测量与应变材料兼容的各类介质。

  EVG公司的Eric F. Pabo指出,除了消费电子领域,MEMS传感器在汽车市场的应用也将持续增长,因为更多的汽车市场使用系统诸如TMPS(胎压监测系统)和ESC(电子稳定控制系统)。一些过去的专用MEMS器件如微测辐射热计会出现在高端汽车应用领域然后随着器件成本的下降逐步走向中低端市场。MEMS会持续应用于更多的工业领域以及出现在耐用消费品领域。不过,这两个最新的应用市场规模都不会大于消费类MEMS器件。

MEMS传感器在环境和工业应用中带来的创新和突破来自于在降低成本基础上的广泛使用。对于环境应用而言,可以想象一下如果传感器已经存在于全世界亿万智能手机中,那么它们可用来采集和报告环境信息。当使用MEMS器件的传感器每节点成本继续下降,势必MEMS器件的工业应用会增加。一个MEMS麦克风加上一个MPU(微处理单元)和一个无线电通信线路,可以用于监控大型电机或旋转电机的噪音级别并对噪音进行频谱分析,当感测到的声音和频谱特征出错或探测到其他问题,就会发出信号传送到中央监控站要求检修。

由于价格相对较高,以及在汽车、工业及医疗等领域的应用范围不断扩大,压力传感器有望成为销售额最高的MEMS器件。由于补偿水平、裸片校准与封装类型的不同,MEMS

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关键字:MEMS  集成化  智能化  振荡器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1119/article_20930.html
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