作者: 蔡培德
汽車智慧為我們開啟了一個可隨時隨地實現(xiàn)連接的新時代。

微機電系統(tǒng)(MEMS)一開始是以一種取代壓力感測器的形式出現(xiàn)在1980年代的工業(yè)與極端環(huán)境應(yīng)用中，由摩托羅拉(Motorola)采用矽晶蝕刻制造而成。

到了1990年代，以MEMS元件開發(fā)汽車安全氣囊感測器所用的加速度計，成為市場上的主流應(yīng)用。從那時起，在消費電子產(chǎn)品控制用的各種插槽出以前，MEMS元件持續(xù)為硬碟提供感測功能。

“對于MEMS的發(fā)展來說，汽車仍是一個很大的市場，較大的應(yīng)用之一仍然是安全氣囊。我們估計每部車輛中大約需要3~3.2個安全氣囊，”市場研究公司Yole Developpement的慣性感測器市場分析師Laurent Robin表示。

根據(jù)Yole的統(tǒng)計，2010年MEMS市場總值約87億美元；其中，汽車MEMS約有14.8億美元或占17%。Robin表示，以產(chǎn)值的觀點來看，這一市場還將在2011年時成長8%，但由于受到每年5~20%的強勁降價壓力抑制，產(chǎn)值成長數(shù)字并不能反映出這一市場強勁的單位成長態(tài)勢。

汽車中所使用的主要MEMS感測器類型包括壓力感測器，以及加速度計與陀螺儀。壓力感測器多用于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)設(shè)計；加速度計用于安全氣囊中，而陀螺儀則用于定向以及電子穩(wěn)定控制(ESC)系統(tǒng)。

盡管汽車生產(chǎn)的數(shù)量每年都在節(jié)節(jié)攀升，每部汽車中所用的電子子系統(tǒng)數(shù)量也不斷增加，但汽車MEMS市場主要還是受到法令與標(biāo)準(zhǔn)的影響與帶動。意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)汽車業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Marco Ferraresi表示。

例如美國在2007年啟動TPMS法令，歐盟也打算從2012年開始規(guī)定所有新的客用車都必須配備TPMS解決方案，而其TPMS方案的規(guī)格比美國的標(biāo)準(zhǔn)還更嚴格，F(xiàn)erraresi說。他并表示，在歐盟法令頒布的一年后，日本預(yù)期也將跟進采用歐盟法令，而韓國則計劃在2013年導(dǎo)入TPMS的法令要求。

“利用加速度計作為觸發(fā)器元件的安全氣囊已經(jīng)是美國與歐洲的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)了，但在巴西、俄羅斯、印度與中國等所謂的金磚四國(BRIC)則尚未采行，”Ferraresi補充道，不過，“巴西與中國已經(jīng)采用安全氣囊了”，最終也可能成為這些國家的強制法令，從而為MEMS帶來成長的機會。

同時，對于可作為追蹤失竊車輛的電子子系統(tǒng)在巴西也存在高需求。這種技術(shù)采用GPS定位，并以加速度計用于喚醒功能。汽車追蹤市場也為慣性感測器與陀螺儀帶來中期機會，F(xiàn)erraresi說。

轉(zhuǎn)向三軸架構(gòu)

MEMS加速度計是透過測量移動物件與(晶片)參考框架之間的電容值而實現(xiàn)的。除了嚴密建構(gòu)的懸置光束以外，該移動物件是以蝕刻掉兩旁及其下部份以便與晶片實體隔離所形成的。由于此組裝提供最大化電容，使得感測器的范圍與靈敏度常會產(chǎn)生復(fù)雜的矽晶叉合。該移動物件支援使其受限于以垂直方向移動的光束，從而實現(xiàn)單軸自由移動，并能在塊狀矽中保持一定位置。

采用一維和二維架構(gòu)的平面加速度計能用這種方式制造出來，但整合三維加速度計時就必須使用不同的結(jié)構(gòu)。透過為彈簧進行幾何與靈敏度校準(zhǔn)后，就能產(chǎn)生可為所有三軸元件進行加速的圖形。依據(jù)校準(zhǔn)與微調(diào)方式的不同，典型的低重力加速度計可測得高達16g的滿格加速度。

MEMS陀螺儀的常見應(yīng)用形式是振動，通常采用的是一種輪形的結(jié)構(gòu)；當(dāng)受力旋轉(zhuǎn)時，它能讓換能器以等量的運動方式檢測柯氏項(Coriolis Term)。

紅外線MEMS

根據(jù) Yole的Robin表示，MEMS還有一項新興的汽車市場應(yīng)用──采用微型輻射熱測定器與CMOS影像感測器，以實現(xiàn)具夜視功能的抬頭顯示器。

微型輻射熱測定器的操作原理與影像感測器類似，二者都具有可對紅外線輻射感光的畫素陣列。但微型輻射熱測定器必須隔絕吸熱陣列與矽晶基底層，因而必須蝕刻掉深達2微米的犧牲層。

因此，微型輻射熱測定器的制造原理更類似于慣性MEMS感測器。

同樣地，高效率的車用夜視攝影機要能成為主流的市場應(yīng)用也取決于法令的帶動。其中一種應(yīng)用的思考方向是可以在汽車擋風(fēng)玻璃上顯示有關(guān)用路人與動物行走的資訊，協(xié)助汽車駕駛避開路上的障礙物，并能在緊急情況下迅速啟動自動煞車系統(tǒng)。

現(xiàn)正審核中的歐盟法規(guī)將會強制實施這種行人偵測機制，Robin并預(yù)期在這一強制令頒布后可望在2014或2015年時開啟一個全新的應(yīng)用市場。

持續(xù)研究這種技術(shù)的ADOSE與ICU + FNIR兩項歐洲合作研究計劃最近已告一段落了，提出了有關(guān)的先進駕駛輔助系統(tǒng)；而包括豐田(Toyota)、BMW和福特(Ford)等一些高級車也都經(jīng)推出了夜視系統(tǒng)，Robin說。

此外，作為投影顯示驅(qū)動器應(yīng)用的掃描型微鏡光學(xué)MEMS元件，也可望在投射式抬頭顯示器應(yīng)用領(lǐng)域中占有一席之地，他補充說。

下一步：整合

目前車用MEMS市場的發(fā)展趨勢是整合多個感測器、可支援的處理器以及通訊功能──通常還是有線的形式居多，但偶爾也整合無線功能，如TPMS應(yīng)用。

然而，由于成本以及良率最佳化的考量，整合通常還是經(jīng)由系統(tǒng)以封裝技術(shù)來實現(xiàn)，而不是以單晶片的形式來進行整合。

“這一發(fā)展趨勢是在感測器模組中進行某種程度的整合；從兩款MEMS和兩款訊號調(diào)節(jié)IC整合為一，一直到兩款MEMS元件和一款A(yù)SIC，”ST的Ferraresi表示。

整合加速度計與陀螺儀感測器以實現(xiàn)電子穩(wěn)定性控制的發(fā)展趨勢則可說是由博世(Bosch)和VTI Technologies公司從2010年開始，Robin說，“在穩(wěn)定性控制方面，必須使用雙軸陀螺儀才能實現(xiàn)導(dǎo)航、電子停車、煞車以及坡道啟動輔助等應(yīng)用?！蓖瑫r，這些公司也開始采用三軸加速度計，以實現(xiàn)設(shè)備安裝的靈活度；三軸元件的安裝位置并不影響其性能。

除了MEMS壓力感測器以外，TMPS模組中也存在整合的需求，包括訊號調(diào)節(jié)ASIC、微控制器、RF晶片和電池。這些需求也推動以壓電能源采集作為為低功耗模組供電方法的研究，以及透過單晶片整合以實現(xiàn)節(jié)能等研究的各種可能性。另一項Bosch公司的成果是生產(chǎn)一種具有微控制器的2+1慣性感測器模組，它能以軟體來區(qū)分不同的汽車應(yīng)用。

然而，長遠來看，MEMS的發(fā)展仍然存在著困境。這主要與制造能力有關(guān)。盡管一些代工廠可制造MEMS元件，以因應(yīng)新創(chuàng)無晶圓MEMS公司的需求，但這些代工廠只能滿足對于產(chǎn)品可靠度與耐用性需求較低的消費市場。

因此，對于汽車電子市場而言，整合元件制造商(IDM)仍將在MEMS領(lǐng)域扮演主要供應(yīng)商的角色，包括Bosch或Denso等一線子系統(tǒng)制造商，以及如美商亞德諾(ADI)、飛思卡爾(Freescale)、英飛凌(IInfineon Technologies)與Panasonic等IDM廠商。[!--empirenews.page--]

對眾多新創(chuàng)業(yè)者而言，能在市場取得多大的成功，仍然受限于可掌握的制造技術(shù)與能力。

編譯：Susan Hong

(參考原文：Automotive MEMS drive themselves，by Peter Clarke)


圖一：意法半導(dǎo)體MEMS陀螺儀利用了柯氏力效應(yīng)(Coriolis effect)的原理。


圖二：亞德諾公司雙軸MEMS加速度計的晶片圖。


圖三：2009～2016年全球汽車電子MEMS市場統(tǒng)計。

單位：百萬美元/每項應(yīng)用

資料來源：Yole Developpement


圖四：CMOS影像感測器在汽車電子領(lǐng)域的主要應(yīng)用。

資料來源：Yole Developpement


圖五：顯微照片顯示雙指交叉時可使SensorDynamics公司的MEMS感測器實現(xiàn)最大電容值。