汽車MEMS市場安裝率節(jié)節(jié)攀升 汽車安全性能要求越來越高

微機(jī)械（MEMS）是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫，即微電子機(jī)械系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的 21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和微系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）是近年來發(fā)展起來的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對未來人類生活產(chǎn)生革命性的影響。它涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。

微機(jī)械陀螺即MEMS陀螺，也稱為硅微陀螺，它的制作是通過采用半導(dǎo)體生產(chǎn)中成熟的沉積、蝕刻和摻雜等工藝，將機(jī)械裝置和電子線路集成在微小的硅芯片上完成的，最終形成的是一種集成電路芯片大小的微型陀螺儀。所有的微機(jī)械陀螺都是非旋轉(zhuǎn)裝置，通過獲取一個(gè)振動機(jī)械元件上的哥氏加速度效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)角速率檢測。即一個(gè)驗(yàn)證質(zhì)量在一個(gè)平面內(nèi)做正弦振動，如果此平面以角速率Ω旋轉(zhuǎn)，那么哥氏力就會使該質(zhì)量以垂直于該平面的方向做正弦振動，其幅值正比于Ω。對哥氏力所引起的運(yùn)動進(jìn)行測量，就可獲得Ω的信號，這就是微機(jī)械陀螺的基本工作原理。

傳統(tǒng)機(jī)械陀螺儀主要利用角動量守恒原理，即：對旋轉(zhuǎn)的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不會隨著承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。MEMS陀螺儀主要利用科里奧利力（旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動時(shí)所受到的切向力）原理，公開的微機(jī)械陀螺儀均采用振動物體傳感角速度的概念，利用振動來誘導(dǎo)和探測科里奧利力。

MEMS陀螺儀的核心是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制共振運(yùn)動，通過科里奧利力原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感測結(jié)構(gòu)的位移。以一個(gè)單軸偏移（偏航，YAW）陀螺儀為例，通過圖利探討最簡單的工作原理。

兩個(gè)相同的質(zhì)量塊以方向相反的做水平震蕩，如水平方向箭頭所示。當(dāng)外部施加一個(gè)角速率，就會出現(xiàn)一個(gè)科氏力，力的方向垂直于質(zhì)量運(yùn)動方向，如垂直方向箭頭所示。產(chǎn)生的科氏力使感測質(zhì)量發(fā)生位移，位移大小與所施加的角速率大小成正比。因?yàn)楦袦y器感測部分的動電極（轉(zhuǎn)子）位于固定電極（定子）的側(cè)邊，上面的位移將會在定子和轉(zhuǎn)子之間引起電容變化，因此，在陀螺儀輸入部分施加的角速率被轉(zhuǎn)化成一個(gè)專用電路可以檢測的電子參數(shù)---電容量。

下圖是一種MEMS陀螺儀的系統(tǒng)架構(gòu)，，陀螺儀的訊號調(diào)節(jié)電路可以分為馬達(dá)驅(qū)動和加速度計(jì)感測電路兩個(gè)部分。其中，馬達(dá)驅(qū)動部分是透過靜電引動方法，使驅(qū)動電路前后振動，為機(jī)械元件提供激勵(lì)；而感測部分透過測量電容變化來測量科氏力在感測質(zhì)量上產(chǎn)生的位移。

當(dāng)然，MEMS陀螺儀還具有其它功能模塊，比如自檢功能電路，低功耗以及運(yùn)動喚醒電路等等。

已進(jìn)入實(shí)用的微機(jī)械陀螺主要存在以下三種不同結(jié)構(gòu)：框架式角振動陀螺、音叉式梳狀諧振陀螺和振動輪式硅微陀螺（見下圖），這幾種結(jié)構(gòu)的陀螺當(dāng)前精度已達(dá)到1度/小時(shí)的量級。

隨著工藝的成熟，制造成千上萬個(gè)硅微陀螺將與制造一個(gè)硅微陀螺一樣的方便，這種大批量制造的特點(diǎn)使得硅微陀螺的生產(chǎn)成本大大降低，這是它的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。其他優(yōu)點(diǎn)有：體積小，質(zhì)量輕，功耗低，可靠性高，能承受高過載、高沖擊等惡劣的動態(tài)環(huán)境。

MEMS傳感器市場浪潮可以從最早的汽車電子到近些年來的消費(fèi)電子，和即將來到的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。如今單一的傳感器已不能滿足人們對功能、智能的需要，像包括MEMS慣性傳感器、MEMS環(huán)境傳感器、MEMS光學(xué)傳感器、甚至生物傳感器等多種傳感器數(shù)據(jù)融合將成為新時(shí)代傳感器應(yīng)用的趨勢。

在車載導(dǎo)航中，使用的就是MEMS陀螺儀,用來測量車輛轉(zhuǎn)角的角速度，并對時(shí)間進(jìn)行積分得到車輛的角度變化，根據(jù)前一時(shí)刻的車輛方向來確定當(dāng)前時(shí)刻車輛的行駛方向。

微機(jī)械陀螺儀用于測量汽車的旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)彎或者打滾），它與低加速度計(jì)一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)。所謂主動控制系統(tǒng)就是一旦發(fā)現(xiàn)汽車的狀態(tài)異常，系統(tǒng)在車禍尚未發(fā)生時(shí)及時(shí)糾正這個(gè)異常狀態(tài)或者正確應(yīng)對個(gè)異常狀態(tài)以阻止車禍的發(fā)生。比如在轉(zhuǎn)彎時(shí)，系統(tǒng)通過陀螺儀測量角速度就知道方向盤打得過多還是不夠，主動在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當(dāng)?shù)膭x車以防止汽車脫離車道?，F(xiàn)在這種系統(tǒng)主要安裝于高端汽車上。

目前在汽車MEMS市場，壓力計(jì)和加速度計(jì)還是占較大份額，但是隨著對汽車安全性能要求越來越高，尤其是在北美和歐洲穩(wěn)定性主控系統(tǒng)的安裝率節(jié)節(jié)攀升，陀螺儀的市場增長率明顯比前兩類要快，在2011年預(yù)期達(dá)到10%。