MEMS传感器 电子产品设计中的“明星”35981586
MEMS(微机电系统)就是在一个硅基板上集成了机械和电子元器件的微小机构。在代工厂中,通过对电子部分使用半导体工艺和对机械部分使用微机械工艺将其或者直接蚀刻到一片晶圆中,或者增加新的结构层来制作MEMS产品。作为纳米科技的一个分支,MEMS被称为电子产品设计中的“明星”。
MEMS传感器已经存在几十年了,并成功的渗透到一些大规模应用的市场,如医疗压力传感器和安全汽囊加速度计等。尽管取得了这些成功,但MEMS传感器很大程度上还是局限于这些零散的应用。受到汽车电子和消费类电子市场的驱动,这种状况在下一个十年中有望得到改变。
MEMS传感器正在当今的两大热门产品中起到不可或缺的作用。使用测量物理运动从而提供运动感知能力的MEMS加速度计,任天堂公司的Wii无线游戏机允许使用者通过运动和点击互相沟通和在屏幕上处理一些需求,其原理是将运动(例如挥舞胳膊模仿网球球拍的运动)转化为屏幕上的游戏行为。在2006年5月,任天堂和ADI宣布将ADI的ADXL330 iMEMS加速度计整合到任天堂的Wii游戏控制台中。加速度计帮助任天堂把视频游戏提升到一个新的水平。这种产品的全球销售量预计将在2007年底前达到一千万台,任天堂目前正在开足马力以满足汹涌而来的需求。
MEMS加速度计——数年来被用于汽车中起到模拟安全气囊展开动作的传感器的作用——同样被用于苹果公司的iPhone中,通过对旋转时运动的感知,iPhone可以自动地改变其显示格式,以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。当然iPhone并不是第一个采用加速度计来提升用户体验的手机,但是,正是iPhone把MEMS带到了大众消费品中。
然而,MEMS传感器在诸如医疗保健、航空航天和工业等市场也找到了用武之地。根据预测,下一个十年的关键推动力正是汽车和消费类电子市场。当供应商努力取得在消费类电子市场中的主导地位时,一场激烈的争夺战已经在进行之中了。
汽车市场
MEMS传感器在汽车工业中的主要应用是压力和惯性,这两个领域预期在未来的十年内都会蓬勃成长。
胎压传感器,美国国会在TREAD Act法案的引言中强制命令为所有的交通车辆安装压力传感器,要求传感器在侦测到轮胎充气不足时,在二十分钟内向司机发出警告。在2008年生产的所有模型车、小型货车、卡车和运动型车(SUVs)上都将具备这项功能。欧盟正在制定一项政策,强制在所有的汽车上安装胎压传感器,并且这一法案预期将在2-3年内实施。这一领域预计将以30.7%的年综合增长率成长,从而在2012年创造526.7百万美元的市场。
其它压力传感器,Frost & Sullivan预计2012年汽车中使用的其它传感器市场规模可达700百万美金。单位出货量成长率达12.8%,考虑到单位产品售价的下跌,会轻微影响到增长率。这一领域的压力传感器主要用于引擎管理、液压制动以及排气循环系统等。欧盟气体排放标准(Euro emission norms)(它对汽车尾气排放作出了严格规定)在新兴经济体的执行预期也会推动MEMS传感器的应用,因为正是燃料价格的上升增加了燃料节约型车辆的销售。
惯性传感器,加速度计在汽车中的应用包括了安全汽囊、倾翻侦测、电子动态控制系统、导航、安全系统和灵活性背负系统。陀螺仪应用于稳定性控制系统,抗倾翻系统和GPS导航系统。
推动MEMS传感器在汽车市场应用的关键增长动力之一是电子动态控制系统,这些系统使用三种传感器——陀螺仪、加速度计和转向角辩向器——来侦测司机意图与车辆实际动作之间的差异。一旦出现意外,系统将介入对车辆的控制。
目前在德国、瑞典、法国等国家稳定控制系统已经成为新车的标准,因此欧洲目前在这方面领先全球。预计其它国家的汽车制造商在客户需要和竞争的双重推动下也会跟随这一标准,包括电子动态控制系统(ESC)成为大部分新车型的标准配置。再者,如果欧盟通过一项法律要求在每一辆机动车上必须安装这些系统,那么市场的增长将更具爆发性。
美国市场对ESC系统的采用受到两个因素的驱动,一是美国全国公路交通安全管理局(the NationaHighway Traffic Safety Administratio,NHTSA)正在鼓励汽车制造商采用安全控制系统并且正在探索强制安装这项系统的可能性。第二,汽车制造商正在把安全作为竞争优势。Frost &Sullivan预测到2012年全球ESC系统市场规模将达3400万美元,如果要求强制安装这些系统的管理办法得以通过,这个数字还可能提前实现。
图1显示了用于安全气囊的加速度计市场。这种产品在北美和西欧市场已经进入成熟期,在世界其它地区正处于稳定增长期。在印度和中国,尽管没有强制安装安全气囊的政府管制,但安全性正在成为汽车制造商产品的差异化表现。Frost & Sullivan预计2012年这一领域将产生263.3百万美元的市场需求。
使用MEMS陀螺仪实现惯性导航(Dead Reckoning,即惯性导航技术,也称方位推估技术,让GPS断讯时仍能继续定位)的GPS系统在日本等国家被广泛采用,在这里它成为所有车辆的标准配置。日本市场见证了GPS导航系统在2002-2004年期间的巨大增长,当丰田等主要的汽车制造商向市场推出信息通讯业务和服务时刺激了销售增长。然而,交通基础设施的不足以及导航系统的高昂成本被认为抑制了这一市场的增长。
消费类电子
MEMS传感器首次在消费电子世界扮演重要的角色源于美国德州仪器公司开发了DMD(数字镜面显示),该产品位于德州仪器公司开发的用于投影电视的DLP系统的核心位置。这项伟大的工作最初由Larry Hornbeck于1987年展开,DMD实际上是一个由多达200万个安装在铰链上的微型铝镜组成的矩阵。这些微镜的尺寸不足人类头发丝的五分之一。在德州仪器公司最新一代的DLP芯片中,DMD被用于产生高清电视革命所需的展现立体效果(3-D)的向左和向右的视角。
相机
自从上世纪90年代后期,MEMS传感器已经被用于摄录像机和数码相机中来增强图像的稳定性。随着上述数码产品的尺寸越来越小以及像素越来越高,由于手的抖动,图片变得越来越容易模糊。为了解决这一问题,由ADI、InvenSense、意法半导体以及其他公司开发的MEMS陀螺仪测量相机的运动轨迹并向微控制器发送信号,微控制器直接控制镜头或者图像传感器进行微小的线性运动从而补偿意外的相机抖动。
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