MEMS在汽车电子中的应用及发展分析

在二十世纪90年代早期，汽车安全气囊系统就开始大量采用MEMS加速度计。在其后的十年中，MEMS技术的第二次应用浪潮被掀起。期间，MEMS技术被大量应用，产品种类逐渐增多，相关技术被应用到各行各业。第二代技术和产品取代了前者，并很快成为主流。据统计，汽车传感器市场在2009年规模就达到了25亿美元。2004至2009年间，全球汽车传感器市场的年复合增长率已经达到了9%左右。而今，第三次MEMS应用浪潮正在逼近，越来越多的MEMS加速度计和陀螺仪将被用于更多更新的技术领域。
　　第三次应用浪潮的临近
　　在中国市场，政府正在不遗余力得加大对汽车产业的发展力度，其中汽车传感器市场成为发展最迅猛的市场。2009年中国汽车传感器市场销售额接近80亿美元，预计从2007年到2010年，中国市场上，汽车传感器销售额的年复合增长率将高于35%。这种增长力度和速度着实不容小视。中国的传感器市场分为两个方向：高端路线和低价路线，ADI的MEMS产品是一个大家庭，囊括了多种定位类别的产品，并致力于满足不同客户的需求。
　　在当前的MEMS领域，面临的挑战主要来自系统级设计、测试、分析、嵌入式软件的开发、以及电源管理技术。其中优化解决方案所需要的许多其它要素也为技术工程师提出了许多挑战。我们认为，也许在未来的10年中，MEMS传感器设计需要被供应商进一步优化，从而能够使其提供更加强大的功能，并为使用者降低整体成本做出贡献。而这对于MEMS的运动检测的发展和前进步伐也起着至关重要的作用。
　　对于MEMS传感器来说，适宜在汽车电控系统中应用是其一大特点。其于近年来被越来越多地应用于汽车的发动机控制系统、车身控制系统和底盘控制系统。其中加速度传感器在汽车中的应用包括电子稳定控制、气囊监测、GPS导航及安全系统、以及翻转监测等。ADI公司20多年来一直是MEMS创新产品的领导者，提供全面的惯性感测解决方案，包括iMEMS加速度计和陀螺仪、iSensor智能传感器以及惯性测量单元（IMU），并已通过TS-16949和QS9000认证。 ADI扩展了MEMS产品在诸如安全气囊，电子稳定系统等安全领域的应用。迄今为止，ADI公司久经验证的运动信号处理技术已经生产出超过4亿片的传感器产品。
　　MEMS在汽车电子中的应用及发展
　　多种能量的耦合构成了MEMS器件工作原理，微传感器将非电信号转变为电信号，而微执行器将电能转换为机械动作。与此同时，Integrated Design也在MEMS的设计过程中大显身手。但在MEMS系统的设计过程中，往往采用源于IC的技术方式，而且系统仿真与版图设计，以及器件分析等过程相互脱节，这就使得有机集成的设计环境不能够形成，从而不能够满足MEMS市场快速增长的需要。目前，人们往往使用自上而下（Top-down）的方法设计MEMS。由此可见，这种正向并行的方法集成了MEMS设计中的所有环节，避免了自下而上方式所出现的弊端，使设计效率和设计质量都得到了保证。
　　当前，手工设计仍然是MEMS的设计工作的主要方式，主要依靠于设计者的知识与专业水平，而VLSI中的数字逻辑综合则引领了自动化设计潮流。一种快速、优化的配置可以根据设计者提出的要求，利用优化算法以及综合工具实现。它可以帮助设计人员自动生成MEMS器件的拓扑图与器件结构尺寸，从而开始MEMS的自动化设计，节省人力成本。使非专业设计者也能参与器件的开发。这种系统综合，实现了单个器件的设计综合，但需要将MEMS系统间的耦合效应考虑进去，并对信号处理与控制电路部分进行调试，除此之外还必须具备完备的MEMS器件单元库。
　　MEMS芯片与半导体芯片整合、封装在一起是集成电路技术发展的新趋势，也是传统IC厂商的新机遇。ADI MEMS技术简化了运动检测在工业、医疗、消费电子、通信和汽车等众多领域中的应用。用户之所以选择ADI公司的iMEMS加速度计和陀螺仪，是因为其能提供业界最精确的运动测量，而且还具有最小的尺寸、最低的功耗和最高的性价比。
　　在汽车的主动与被动安全保护领域，市场趋势主要包括以下几个方面：首先，传感器趋于整合，例如将ESP与安全气囊放置在同一ECU之内；其次，传感器的界面将趋于标准化，其中包括数字界面，SPI、DSI以及PSI5。目前，市场上PSI5的采用率要高于DSI；第三，市场上对高性能陀螺仪的需求将逐渐增多，尤其是配有高级驾驶辅助系统如ACC的汽车；第四，中国和印度等国家已经在司法层面上做出规定，要求所有汽车100%装有安全气囊； 第五、欧洲国家也颁布了有关行人保护的法规，车载卫星导航将成为主要趋势，因此正面撞击传感器将成为主要的解决方案。
　　高性能MEMS产品
　　ADI的iSensor运动传感器产品系列新增两款高度集成的精密MEMS惯性传感器ADIS16135和ADIS16385，可以有效的帮助工业设备制造商实现稳定、导航和控制功能。新传感器能提供战术级（《 10度/小时）陀螺仪性能，iSensor集成度和工厂校准能力。ADIS16135 iSensor精密角速率陀螺仪和ADIS16385 iSensor 6自由度惯性测量单元（IMU）均基于ADI公司的iMEMS（集成微机电系统）惯性传感器核心技术，能够提供6度/小时偏置稳定性和0.75度/√hr角度随机游动。两款器件均经过全面的工厂校准，在-40°C至+85°C温度范围内，灵敏度达到无可比拟的16 ppm/°C，偏置稳定性在0.003度/秒以内。这些传感器采用动态补偿，通过标准SPI（串行外设接口）和寄存器接口提供简单的用户接口和控制。
　　iSensor运动传感器产品提供战术级陀螺仪性能，使复杂的稳定应用和GPS辅助导航推测更容易实现。对于要求在极端环境下提供最高陀螺仪偏置精度的工业系统设计人员，ADIS16135陀螺仪和ADIS16385多轴IMU是目前性价比最高的产品。
　　MEMS陀螺仪一直以来是最难设计和制造的MEMS器件，特别是当许多新兴工业自动化和仪器仪表应用要求高性能和低功耗时。与市场上的其它高性能MEMS陀螺仪相比，新款iMEMS 陀螺仪功耗仅为竞争性器件的十分之一，而且可以提供更高的稳定性和抗振性能。iMEMS陀螺仪是基于ADI公司前三代MEMS陀螺仪开发的第四代器件，采用先进的差分四传感器设计，可在强烈冲击和振动状态下精确地工作。这种MEMS陀螺仪具有鲁棒性能和仅6mA的低功耗特性，可有效地用于多种应用，如机器人、工业仪器、航空以及用于高速列车的平台稳定系统。
　　ADI的 ADXRS450 iMEMS陀螺仪，专门用于恶劣环境中的角速率（旋转）检测，以满足不断提高的精度、稳定度和抗振动抗冲击需求。与设计用于消费类应用的运动传感器相比，这些市场的MEMS传感器需要提供更高得多的性能。ADXRS450 有效地解决了汽车行业客户的策略和技术需求。若要更出色地服务有着广泛客户群的中国市场，则需要更为技术更为全面的陀螺仪，除了提供高品质技术策略还帮助降低成本并提高绩效和市场收益。为此，我们新推出了高性价比的ADXRS652 工业陀螺仪来满足这一市场需求。ADXRS652是一款偏航角速度陀螺仪。它不仅采用了表面微加工工艺，内置低成本、功能完整的角速率传感器，还集成了所有必要的信号调理电子器件以产生与Z轴的角速率成比例的稳定输出电压。通过外部电容建立0.01 Hz至2500 Hz的带宽，并利用温度输出对传感器执行温度校准。这款器件的自测输入还能提供机电激励，测试传感器和信号调理电路是否正常工作。ADXRS652抗冲击能力达到2000 g，专门针对工业应用、惯性测量单元和平台稳定性而设计。
　　综上所述，ADI在MEMS领域的主要竞争优势在于：首先，ADI是唯一一家在产品阵列中提供low-g/high-g以及陀螺仪的厂商；其次，ADI在汽车安全传感器领域具有非凡的经验，ADI自1989年起便以安全气囊传感器为先导开展MEMS业务；第三，ADI的解决方案在振动与冲撞稳健性（陀螺仪），加速器速率保持与宽频感应，超载反应，持续自测以及低功率传感器等方面具有卓越优势；最后，ADI可以提供用于ECU与卫星应用的全套模拟及数字传感器。