MEMS爆发点为定时振荡器 下一个杀手级应用困于标准？

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，集成化及智能化趋势，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。


EPCOS公司数字压力传感器的T5400。
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。[!--empirenews.page--]


ADI公司3轴数字MEMS加速度计ADXL362。

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压力传感器的平均价格目前相差很大，面向高价值工业与医疗应用的从几美元到几十美元不等，而面向飞机液压系统或飞行数据测量等专业应用的则高达几百美元，包括在恶劣的介质、温度和压力条件下的工业应用组合。MEMS压力传感器在汽车中的一个新应用是传动系统压力感测。在工业领域，MEMS压力传感器的主要应用包括采暖通风及空调(HVAC)、水平面测量、各种工业过程与控制应用。

MEMS最新发展集中在定时振荡器

此外，污染和花粉探测正在成为环境传感器的一个热点话题，尤其是考虑到烟雾/过敏原在大城市呈现出高水平。在工业应用领域，机器人将继续推动对越来越精密传感器的需求。

飞思卡尔公司的孙淙也表示，MEMS器件正越来越多地应用到环境和工业中，例如MEMS化学气体和压力传感器，这将促进检测和传感设备的小型化和便携化，更方便于环境监测和工业检测。同时，预计采用MEMS传感器的无线物联网节点也将越来越多地应用于环境和工业领域。针对工业应用领域，飞思卡尔推出的MMA8491是一款低功耗的12位三轴加速度传感器，逐秒采样时运行耗电低于400nA，关断电流小于10nA。MMA8491非常适合于用于无线物联网节点，提供诸如设备追踪，震动以及倾斜检测。MMA8491提供适用于高可靠性要求的工业领域的封装外形。

ADI公司的ADXL377是业界首款商用高量程三轴加速度计。ADXL377可测量±200g满量程范围内且无信号饱和情况下由冲击和振动引起的高冲击事件的加速度。该测量范围与可连续捕捉冲击数据的模拟输出相结合，使ADXL377成为接触类运动的理想传感器，可通过检测冲击力来了解创伤性脑损伤(TBI)指标。

IDT公司MEMS部门总经理Harmeet Bhugra的观点是，MEMS技术的最新发展集中在振荡器(定时参考)领域。“到目前为止，MEMS仅在诸如手机传感器这样的消费产品中获得采用，下一阶段的快速发展将围绕定时振荡器展开。MEMS振荡器受到如高性能路由器、交换机和存储集群这样数据中心企业应用的巨大推动，性能已得到足够提升。”IDT公司针对云计算和企业应用推出了计时振荡器，其4H性能MEMS振荡器具有100飞秒(fs)典型相位抖动性能和集成的频率裕量设定能力(图3)。IDT高性能振荡器的超低相位抖动和可修改的输出频率显著降低万兆以太网(10GbE)交换器、路由器和其他相关网络设备的误码率(BER)。


IDT公司4H性能MEMS振荡器。

MEMS时钟器件进入手机市场

除了惯性传感器，传统的石英晶振也正在被硅MEMS器件取代，硅时钟器件凭借标准的半导体工艺和可高量产的塑壳封装技术，使得时钟晶振器件的交货周期和供货发生革命性变化，尺寸也更小。“目前出现显著增长的一个应用领域是用MEMS时钟芯片替代传统石英时钟，这能够为用户带来更高的性能、灵活性、可靠性，更小的元件尺寸和更低的功耗。”SiTime公司市场营销执行副总裁Piyush Sevalia谈到。他认为，在今后两年内，MEMS时钟在各种应用中的普及将会推动MEMS产业的增长。面向MEMS时钟的新应用包括智能手机、平板电脑、数码相机、运动健身器材(如手表)，医疗健康设备(血压计、血糖检测仪等)、电子配件(如MP3、耳机)以及计算机外围设备(无线鼠标、触控板等)。

SiTime的MEMS时钟器件包括振荡器，谐振器和时钟发生器已在各类消费和移动电子产品中被广泛采纳。此外，SiTime元件具有可编程的功能，为用户提供了极强的灵活性和新功能，如频率精度达到小数点6位。SiTime的硅MEMS时种器件由低功耗MEMS与可编程的模拟电路集成，采用完全的硅制程工艺。继推出针对系统设备、工业控制和消费电子的高端硅MEMS后，SiTime公司最新的SiT15xx系列32kHz MEMS振荡器(图4)以多种方式克服了基于石英器件的限制，占位面积减小了85%，功耗降低了50%，可靠性提高了15倍，所有这些都有助于实现体积更小、功耗更低和更耐用的移动电子产品。此外，各种医疗健身器件和目前非常热门的各种智能配带式产品如智能手表、智能眼镜等等也非常适合使用硅MEMS时钟振荡器。

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SiTime公司SiT15xx系列32kHz MEMS振荡器。