电气化和智能化，会给汽车上的MEMS带来什么变化？
作者：Doctor M
微机电系统（MEMS）是一种紧凑型设备，在单个硅芯片上组合各种功能，如机械、光学、流体和电子，是医疗、运输和电信领域发展的主要支持技术。MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS压力传感器、MEMS开关、MEMS振动能量采集器、MEMS生物传感器、MEMS振荡器，这些都是大家耳熟能详的产品。
MEMS器件具有重量轻、体积小、成本低、功耗小等优点，非常有利于MEMS器件在电信和消费电子等行业中的应用。近年来，MEMS技术在汽车行业尤其是包括安全气囊系统在内的车辆安全系统中越来越受到青睐。
MEMS的技术进步
MEMS器件的第一次实验室演示是在20世纪60年代，以MEMS压力传感器的形式进行的。而真正的商业开发和制造则始于20世纪90年代。如今，我们使用的智能手机、智能手表和健身跟踪器基本都配备有MEMS设备。
过去用于确定飞机座舱中横摇、俯仰和偏航的航空陀螺仪系统重达数公斤，现在用于智能手机中的MEMS陀螺仪重量还不到1毫克，大小相当于一粒沙子。随着尺寸的缩小，MEMS的制造成本显著降低，经济规模也得到改善。与传统机械设备相比，MEMS设备具有更低的功耗和更高的灵敏度。例如，MEMS谐振应变计仅消耗微瓦级的功率，就能在纳米应变范围内提供极高的灵敏度。
MEMS不仅用于传感器，还可用于通信模块、执行器和数据处理设备以及感知传感器，其部件大小从一微米到一毫米不等。由此产生的机器从没有任何运动部件的简单机器到具有多个运动部件的复杂机电系统。这些系统有许多不同的类型：磁性、电气、热、化学、光学和机械。
MEMS的市场潜力
根据Yole的数据，全球MEMS和传感器市场的价值将从2018年的480亿美元增至2024年的930亿美元，几乎翻一番。2018年，随着越来越多的MEMS设备和传感器（如MEMS、图像传感器和RF滤波器）集成到消费品和汽车等最终产品中，MEMS和传感市场占到整个IC市场的10%以上。
2019年至2024年，MEMS市场在压力、射频、惯性以及生物医学等应用的驱动下，每年将增长8.3%。受新冠疫情影响，2020年，MEMS市场价值约为121亿美元，比上年增长2%左右。
在经历了2019年和2020年的疲软之后，Yole的分析师预计，2021年的MEMS市场将增长11%，达到134亿美元。在此之后，MEMS的年收入在2026年前将增至182亿美元，复合年增长率约为7%。其中，传统的MEMS设备将继续增长，但增速较慢，相关的产品包括麦克风和光学MEMS等。MEMS的收入主要由消费市场驱动，消费者应用约占总市场的62%，汽车行业占总市场的16%。
图1：MEMS行业应用发展情况（图源：Yole）
来自Mordor intelligence的市场分析表明，2020年，全球MEMS市场估值约为109.2亿美元，预计到2026年将达到188.8亿美元，在2021至2026年的预测期内，复合年增长率为8.71%，这些数据略高于Yole的预测。
Mordor intelligence更加看重消费类市场的发展并认为，可穿戴设备是物联网发展的重要一步，也是MEMS传感器的新应用领域。采用MEMS后，最终产品将具有更好的产品外观，并增加了功能。同样，MEMS在自动化工业领域也发挥着关键作用。比如，MEMS加速度计和陀螺仪就是工业自动化应用的理想选择。
Report linker发布的“全球MEMS行业报告”中相关的市场数据低于Yole的预测。Report linker的数据显示，全球MEMS市场在2020年估计为115亿美元，预计到2026年将达到169亿美元的规模，期间以6.7%的复合年增长率增长。
过去几年，由于MEMS技术在智能手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备、数码相机、游戏控制台、媒体播放器和便携式导航设备中的使用越来越多，消费电子产品占据了最大份额。细分市场之一的消费电子产品预计会以7.3%的复合年增长率增长，到2026年将达到103亿美元。Report linker同样看好汽车市场的潜力并表示，汽车自动化需求的增加、无人驾驶汽车的增长趋势、电动汽车数量的增加以及汽车行业内的激烈竞争是推动汽车行业传感器需求的一些主要因素。汽车行业的增长在未来7年内的复合年增长率为5.9%，该细分市场目前占全球MEMS市场的15.1%。其中，美国市场预计在2021年达到21亿美元，中国市场预计在2026年达到39亿美元。
随着MEMS市场的不断扩大，市场竞争越来越激烈，整个市场目前主要由亚太地区的几家公司主导，其次是美洲和欧洲的公司。Broadcom（博通）、Bosch（博世）、STMicroelectronics（意法半导体）、TI (德州仪器)、Qorvo、Infineon (英飞凌)、NXP（恩智浦）等是目前市场上的一些主要参与者。
汽车中的MEMS传感器应用
多年来，传感器早已融合到车辆的整体设计和制造中。一辆汽车现在可以有100个或更多的传感器，用于监测和控制某些驱动参数。电动汽车的公众接受度和自动驾驶汽车的未来发展很大程度上将依赖于这些传感器的超可靠性。在这些传感器中，MEMS传感器约占三分之一。
Verified market research预计，汽车MEMS传感器市场规模在2020年估值为18.9亿美元，从2021到2028年以14.5%的复合年增长率（CAGR）增长，预计到2028年将达到50.3亿美元。节能环保技术是汽车MEMS传感器市场收入增长的关键因素，政府关于安全、效率和驾驶员辅助的法规将促进市场增长。欧洲和北美目前是汽车MEMS传感器的两个最大市场。然而，以中国和印度为代表的亚太地区市场的增长是极其显著的。
汽车MEMS传感器具有效率高、体积小、成本低等优点。当今车辆中最常见的MEMS传感器有：惯性传感器、磁强计、压力传感器、热传感器、气体传感器、微光学。惯性传感器包括加速计和陀螺仪，可以单独也可以组合在一起使用。其中，加速计用于测量静态（重力）和动态（运动或振动）加速度，陀螺仪则负责识别角度的变化。这些传感器是汽车行业的主导类型，并用于许多关键应用。
电气化和智能化是汽车行业的两个重要趋势，随着这一趋势的加速，正在影响着包括MEMS传感器在内的汽车半导体器件的设计和应用，高价值传感模块在汽车系统中也得到了快速集成。例如，MEMS传感器在包括安全气囊在内的车辆安全系统中越来越受到青睐。
Bosch SMA7xy系列MEMS传感器具有极快的信号处理能力，可直接集成到气囊ECU中，或位于A柱、B柱或C柱或前保险杠上，在几秒钟内就能检测到碰撞或汽车侧翻事件，并将此信息发送到气囊ECU。接下来，气囊ECU将迅速触发车辆的被动安全系统。SMA7xy系列产品之一的SMA760，能精确检测正面和侧面碰撞。同系列的另一个传感器SMA720包含一个x和一个z通道，可用于测量沿垂直轴的加速度，是车辆侧翻检测的理想伴侣。SMA7xy系列的所有传感器均符合ISO 26262的ASIL D安全级别，并符合VDA AK-LV27规范。
图2：Bosch SMA7xy系列MEMS传感器（图源：Bosch）
汽车中的陀螺仪可以测量或保持车辆的方向和角速度。ESP（电子稳定控制程序）中基于MEMS的陀螺仪是汽车工业中广泛接受且功能强大的安全系统。为此，MEMS传感器供应商纷纷加紧开发用于自动驾驶的惯性测量单元（IMU）以及用于锂离子电动汽车电池的电池压力监测传感器，以应对电气化和自动化车辆带来的新机遇。
汽车行业是高端IMU的新兴市场。随着高端汽车制造商在未来几年将逐步趋近L5自动驾驶，此举将为IMU驱动的MEMS传感器带来巨大发展机遇。汽车MEMS IMU可能是车内使用的最复杂的MEMS设备。这种类型的IMU由多个陀螺仪和加速度计传感元件以及信号处理模块组成，集成在一个封装中，构建了一个能够测量多达六个自由度（6DoF）的惯性传感器，包括：旋转运动的偏航、滚转和俯仰，以及线性运动的横向、纵向和垂直加速度。
STMicroelectronics的汽车级6轴惯性模块ASM330LHH具有3D数字加速计和3D数字陀螺仪，是一款车规传感器，符合AEC-Q100标准，其扩展温度范围高达+105°C，旨在解决汽车非安全应用问题。ASM330LHH的满标度加速度范围为±2/±4/±8/±16g，角速率范围为±125/±250/±500/±1000/±2000/±4000dps。ASM330LHH的所有设计方面都经过了优化，以达到卓越的输出稳定性、极低的噪声和完整的数据同步，有利于传感器辅助应用，如航位推算和传感器融合，可在广泛的汽车应用中使用。
图3：STMicroelectronics汽车级6轴惯性模块ASM330LHH（图源：Mouser）
TDK公司的IAM-20680HT同样是一款用于汽车非安全应用的6轴运动跟踪产品，它将3轴陀螺仪和3轴加速度计组合在一个3×3×0.75mm（16针LGA）的小封装中。它还具有4096字节的FIFO，通过允许系统处理器突发读取传感器数据，然后进入低功耗模式。
图4：TDK公司6轴运动跟踪产品IAM-20680HT（图源：TDK）
大型锂离子电池在电动汽车（EV）中的使用为MEMS传感器创造了新的应用。我们知道，电池单元进入热失控状态是锂离子电池的已知风险之一，此时的监测每一秒都很重要。研究表明，提前测量电池组内的压力并据此预判电池热失控是否已经开始是一个不错的解决方案。为了能够及时检测到这种压力脉冲，要求MEMS压力传感器必须时刻处于工作状态。即使在车辆完全关闭的情况下，该传感器也不能停止工作。
NXP开发了一种新型MEMS压力传感器，专门用于解决电动汽车中的这种新的安全应用。NBP8x/NBP9x是NXP压力传感器产品系列中的一个完全集成的电池压力监测传感器系列（BPMS），采用4x4mm小封装规格，提供低功耗、PWM、SPI、就绪/中断及电源启用功能。该电池压力监控传感器具有内置的MCU，能够感应压力变化，做出基于配置的决策，并根据此决策采取行动，同时将此信息提供给主机系统。
图5：NXP新型MEMS压力传感器NBP8x/NBP9x（图源：NXP）
本文小结
MEMS传感器广泛应用于当今的车辆中，其应用范围正在扩大。虽然分离的传感器、控制和执行器模块在几年前很常见，但这些功能现在被合并到微集成封装中。
目前，用于安全的惯性应用是MEMS传感器在汽车领域的最大作用。加速计或惯性传感器及其相关电子设备可识别正面碰撞引起的任何突然减速。通过MEMS技术，一个包含加速计和微处理器的微小芯片可以安装在安全气囊或安全带预张紧器组件附近或内部。对于侧面碰撞，MEMS传感器评估车门内空气压力的快速增加，以决定是否应部署侧面安全气囊。由于其体积小、可靠性高、功耗低、速度快和成本低等特点，MEMS传感器在性能和方便性方面具有广泛的应用前景。
在未来的自动驾驶汽车中，随着人类驾驶员越来越多地将控制权交给电子系统，自动驾驶汽车需要数十个传感器与周围环境进行交互。这些传感器也必须尽可能小，这样它们就不会占用其他设备所需的空间，比如载人和电池。因此，汽车行业也是MEMS传感器生产和使用增长最快的领域之一。自动驾驶汽车的发展将推动对MEMS的更大需求，尤其是与光学和射频相关的MEMS。突破这些挑战的公司将迎来MEMS的变革时期以及发展红利。
