汽车+消费电子：双轮驱动下的MEMS市场，前景如何？

微机电系统（MEMS）是利用半导体制造工艺和材料，将传感器、执行器、机械机构、信号处理和控制电路等集成于一体的微型器件或系统，其内部结构在微米甚至纳米级。该技术主要用于制造传感器，例如数字罗盘、加速度计、惯性模块、陀螺仪、湿度传感器、麦克风和压力传感器等。在不到20年的时间里，MEMS技术已经从一项有趣的学术研究变成了许多常见产品的组成部分。

四类热门MEMS传感器

在早期的MEMS系统中，其中一个芯片作为传感元件，另一个芯片作为信号调理电子器件，是一种多芯片结构。这种实现方法比较简单，但缺点也很明显。从封装角度看，因硅片的总面积较大，所以需要更大的封装才能容纳双芯片结构。另外，多芯片模块需要额外的组装步骤，最终的成品率较低。在技术上，MEMS需要更大的传感器信号来克服芯片间互连形成的杂散电容。

历史告诉我们，集成是最具成本效益和高性能的解决方案。因此，将MEMS的传感器和信号调理器件集成在一个芯片上乃大势所趋。它带来的优点也是显而易见的。比如，MEMS器件在微米级上做到了既有机械元件又有电气元件，最大限度地减少了能源和材料的使用，有助于降低成本、提高精度和可靠性以及灵敏度。

MEMS传感器的种类繁多，分类方法也很多。比较常用的包括：加速度计、MEMS陀螺仪、压力传感器、磁场传感器等。而每种都有很多细分种类，如MEMS加速度计就有可变电容式、压阻式、压电式、谐振式和热电偶式等多种形式。

MEMS加速度计

这是一种用于测量加速度和力的微机电装置，其原理是基于牛顿的经典力学定律，主要由悬挂系统和检测质量块组成，通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测，目前大多用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等。在市场上存在着多种类型的MEMS加速度计，其中最常用的是压电加速度计，但因器件的体积过大，应用受限，这也是为什么急需尽快开发小型高性能压电加速度计的原因。值得一提的是，电容式MEMS加速度计因具有灵敏度高、受温度影响小等特点，逐渐成为MEMS加速度计中的主流产品。

MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪是一种角速率传感器，体积小，常常用于测量角速度或旋转位移。角速度的单位是每秒转数（RPS）或每秒度数。在机械上，陀螺仪是一个旋转的轮子或圆盘，安装在轴上，轴可以自由地选择方向，依靠的原理与振动旋转物体的原理相同。MEMS陀螺仪主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统。汽车转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道，通常它与低加速度计一起构成主动控制系统。此外，MEMS陀螺仪不仅能够测量角速率，也可以通过积分计算动态角度位移。现在市场上大热门的惯性导航单元（IMU）就是由加速度和陀螺仪组合而成，既可以测量旋转角速率又可以测量线性加速度。

MEMS压力传感器

作为采用MEMS技术加工的压阻式传感器件，MEMS压力传感器可以对外界压力进行监测和测量。目前主要有五种类型：绝对压力传感器、真空压力传感器、密封压力传感器、表压传感器、差压传感器，分别在工业、饮料机、洗衣机、航空航天、工业机械、汽车等应用领域发挥着重要的作用。比如，汽车的胎压监测就是MEMS压力传感器的典型应用。

MEMS磁场传感器

这类传感器是一种小型的微机械系统，主要用于工业、消费品和汽车中的线性角度、速度、转速、线性位置的测量。它离被测物越近，空间分辨率越高。

MEMS技术的发展让传感器的尺寸越来越小，成本效益也愈加突出，MEMS传感器的出现极大地满足了大家对产品小体积、高性能的要求。根据市场调研机构的预测，2019年，全球MEMS传感器市场约为542亿美元，2020年至2027年，市场增长率将超过11.3％。高增长背后的原因是MEMS的应用面越来越宽，从最早的工业、军用航空逐渐扩展到消费电子和IoT等领域。目前，汽车电子和消费电子已经成为MEMS应用最广的领域，这两大领域约占MEMS传感器市场的60%以上。

汽车应用解决方案

安全是汽车业最重要的考量之一。MEMS传感器在汽车上的应用之所以发展迅速，主要受益于各国政府推出的汽车安全规定，比如要求所有汽车配置TPMS（Tire Pressure Monitoring System，胎压监测系统）。同时，汽车智能化也进一步推动了MEMS传感器的应用。现在，压力传感器、加速计、陀螺仪与流量传感器等四类器件合计占到汽车MEMS系统的99%。这其中，又以MEMS压力传感器的应用居多。

据统计，全球平均每辆汽车包含至少10个MEMS传感器，在高档汽车中，采用的MEMS传感器数量更多，约有20至40个，BMW740i汽车上甚至有70多个。

图1：全球汽车MEMS营业收入预测（单位：100万美元）（图源：IHS）

Infineon TPMS方案

Infineon（英飞凌）TPMS方案SP370是目前市场上占用率最高的产品，也是业界最早集气压、温度、加速度、电源管理、RF于一体的单芯片方案。现在，该产品已升级到SP40。相比前代产品，SP40的体积更小，功耗更低，FLASH也增大至14KB，无线发射性能也更优。在SP370问世前，胎压监测功能通常需要由2~3个主芯片（传感器+无线RF收发+电源管理）来实现，不仅成本高，功耗大，模块的体积也比较大。

图2：Infineon SP40系统框图（图源：Infineon）

ADI汽车解决方案

ADI是汽车安全气囊领域的开拓者，如今市场上售出的汽车中约有1/4配备了ADI安全气囊传感器。ADI安全气囊传感器产品——ADXL251是双轴集成卫星传感器，用户可选g量程，符合PSI5 2.1版气囊标准并且向后兼容PSI5 1.3版标准。ADXL251可为前方撞击和侧面撞击气囊以及卫星传感器和电子控制单元（ECU）等主要传感器应用领域提供低成本解决方案。

在汽车稳定控制系统中，ADI推出的ADXC1501是一个值得称道的产品，它将三轴低重力加速度计和偏航陀螺仪组合到单个封装中，4自由度惯性组合可减小新一代ESC系统的尺寸和成本。此外，ADXC1501还能有效抑制冲击和振动的线性加速度效应，即使是在恶劣的工作环境下，产品也能正常工作。

图3：ADI MEMS传感器ADXC1501功能框图（图源：ADI）

消费电子解决方案

随着消费电子的发展及产品创新的不断涌现，特别智能手机和平板电脑的快速发展，消费电子大有取代汽车行业从而成为MEMS最大应用市场的趋势。在智能手机中，MEMS加速计、陀螺仪和硅麦克风都有广泛应用，加速度计更是该市场中第一大应用产品。不过，近期陀螺仪的应用增速明显，已上升为MEMS在智能手机中的第二大应用产品。MEMS麦克风的应用前景同样不容小觑，其销售额在2014年就已接近10亿美元。

虽然在可穿戴设备中MEMS目前所占的比例还比较小，不到10%，随着苹果、三星相继推出采用MEMS传感器的可穿戴式产品，市场前景可期。从发展潜力看，物联网（IoT）有望成为MEMS应用的主战场，这一市场也是MEMS传感器增长最快的市场。

图4：MEMS传感器在手机和平板电脑市场的应用情况（图源：网络）

麦克风设计人员通常必须在下面这些参数中权衡取舍，如高信噪比（SNR）、小封装、高声学过载点、低功耗等。因此，需要高性能麦克风的应用依然采用ECM而非MEMS。

Infineon新一代模拟MEMS麦克风

XENSIV系列MEMS麦克风IM73A135，凭借更好的声学性能，改变了这种状况。这款模拟MEMS麦克风IM73A135具有73dB的信噪比和135dB SPL的声学过载点，使其拥有高动态范围，并且体积小巧，具有紧密的频率曲线匹配，可实现最有效的音频信号处理和业界超低的170μA功耗。IM73A135可使设计出的产品达到ECM独有高水准的音频性能，同时兼具MEMS技术的固有优势。

IM73A135出色的音频性能极大地增强了耳机的主动降噪功能，该市场预计到2025年将成长至约2.5亿个出货量，复合年增长率将达到16%。此外，IM73A135具有的低自噪声特性，还特别适用于会议系统、摄影机或录音机所需的高品质音频获取，这也是另一个预期将大幅成长的市场。

ST IIS3DHHC 3D超低噪声传感器

STMicroelectronics (ST)拥有最广泛的MEMS和传感器产品组合，从用于IoT和电池供电应用的低功耗设备，到用于精确导航和定位、工业4.0、增强型虚拟现实组件和智能手机的高端设备，实现了全方位覆盖。其中，IIS3DHHC 3D超低噪声传感器，适用于工业天线定向/稳定及找平应用中的高精度测斜仪。iNEMO惯性测量单元（IMU）ISM330DLC，是3D加速度计和3D陀螺仪，具有数字输出，主要面向长续航电池供电应用。

图5：ST IIS3DHHC 3DMEMS传感器拥有10年产品长期供货保证（图源：ST）

与所有新技术一样，MEMS的技术发展和大规模应用还需经历一个长期的过程。多年来，研究人员已经发现了大量的微型传感器，几乎适用于温度、压力、惯性力、化学物质、磁场、辐射等各种形式。MEMS独有的特点，使其一经使用就赢得了用户和市场的认可，它的应用也从最初的汽车和工业领域，延伸至消费电子和IoT市场。虽说MEMS技术的应用始于汽车，但凭借海量的市场，消费电子正在奋起直追，大有赶超汽车市场之势。届时，汽车、消费电子很可能成为MEMS应用的市场双雄。