2016年汽车领域正驱动MEMS和功率器件市场发展情况
毫无疑问，智能手机需要大量的MEMS传感器和功率器件。然而，由于市场日趋饱和，智能手机呈现增长放缓的迹象，那么，下一个重要增长领域在何处？
产业界的主要分析师一致指向了汽车领域。过去几年，汽车电子元器件获得了显著增长。根据Gartner分析师Jim Hines预测，2016年，汽车电子元器件将从2000年的250美元/辆跃升至350美元/辆，2012年~2018年期间，车用半导体营收的复合年增长率为6.4%。据麦姆斯咨询报道，随着越来越多的传感器、功率器件和其它电子元器件进入到汽车系统，汽车电子元器件数量将大幅增长。今年年初，拉斯维加斯的消费电子展（Consumer Electronics Show, CES)上，汽车制造商们展示了多种基于电子元器件的新技术。尽管自动驾驶汽车占据了消费电子展的很大一部分，但是汽车制造商们也展示了一些已经获得应用的实用功能，如能检测驾驶员酒驾或车道偏离的传感器，以及碰撞预警系统。汽车制造商和技术供应商正快速结成联盟。2016年3月，通用汽车（General Motors）收购了一家位于旧金山的初创公司Cruise Automation，Cruise Automation可以为现有车辆提供自动驾驶系统。据麦姆斯咨询报道，这家成立仅3年、拥有40名员工的公司，收购价格高达十亿美元。最近，福特创立了一个新的业务部门——福特智能移动（Ford Smart Mobility），新部门位于加州帕洛阿尔托，之所以选址在该处，是因为福特想要引进硅谷的工程人才来发展无人驾驶汽车和车联网。上述应用引领电子元器件制造商进入新世界。2016年3月，在比利时布鲁塞尔举办的化合物半导体国际大会（Compound Semiconductor International Conference, CSIC）上，领先的功率器件厂商和供应商强调，功率器件需要更多创新型先进技术来支撑汽车和其它产品向5G无线即时通讯过渡。汽车领域已经“消费”了很大一部分的功率器件和MEMS传感器，预计还将保持健康增长。汽车领域占据了整个MEMS和传感器市场约26%的市场份额。根据市场调研公司Yole Développement（以下简称Yole）所给出的数据，预计未来15年，传统汽车及自动驾驶汽车中所包含的传感器，将以平均每年16%的速度增长。根据Yole所给出的数据，2014年，汽车功率器件占据整个功率器件市场18%的市场份额，市场规模为115亿美元。预计2020年汽车功率器件市场的市场规模将达到172亿美元，电动汽车和混合动力汽车（EV/HEV)将成为该领域市场增长的主要动力。此次汽车革命不仅仅是电动机替代内燃机的革新。例如，市场调研公司IHS Technology对特斯拉S型车进行了车载信息娱乐系统和仪表系统的拆解分析，揭示了其与平板电脑或智能手机在内容与设计方面的很多相似之处。特斯拉也积极的投入先进驾驶辅助系统（ADAS）开发。例如，2015年6月后生产的汽车可以收到软件更新信息，此次软件更新可以赋予汽车自动驾驶功能。软件更新费用为6000美元，有些人称它为最贵的待售APP。业内中坚汽车制造商对先进驾驶辅助系统（ADAS）也非常重视，最近，在加利福尼亚州纳帕举办了一场MEMS产业聚会，一位通用汽车的管理人员在的演讲中说道，他感受了其中一家公司的全自动驾驶原型车，带领他像“小马快递小分队”一样从美国东海岸驾驶到西海岸。先进驾驶辅助系统并不是科学幻想，多种形式的无人驾驶已然成为现实。先进驾驶辅助系统将先进传感器立体摄像机和远程/短程雷达组合在一起，加上驱动器、控制单元和集成软件，帮助汽车监控并响应周围环境。例如，一种用于先进驾驶辅助系统的重要技术——激光雷达（LIDAR），它将“光”和“雷达”组合起来，通过发射激光束探测目标距离。部分先进驾驶辅助系统解决方案已经投入使用，尤其是偏离车道警示系统、自适应巡航控制、倒车警报和停车辅助系统，其它先进的自动驾驶功能也将在未来几年逐步实现。除了先进驾驶辅助系统，汽车上基于传感器的管理系统还可以解决各种各样的问题，从发动机及传动系统状况到通讯、定位服务、疲劳驾驶监测，以及最为重要的驾驶安全。现有传感器，如压力传感器、温度传感器、气体传感器、惯性传感器、光学传感器和超声波传感器，将继续在汽车领域应用，同时仍需要能支持安全或自动驾驶功能的特定类型传感器。对如应用材料公司（Applied Materials）这样的公司而言，所面临的挑战在于不仅要为先进驾驶辅助系统应用开发下一代MEMS和传感器工艺技术，还需要满足汽车中现有应用不断增长的发展需求。，包括发动机管理传感器（满足严苛环境需求）、气体传感器（车厢内外气体检测，包括发动机与排气系统内部和周围环境）和其它类型传感器。在车厢内部，汽车公司青睐于提供全新的语音控制功能，这需要信噪比在60~70分贝区间的MEMS麦克风。和其它创新技术一样，这些需求推动了基于悬臂梁的MEMS麦克风的设计发展，这种MEMS麦克风需要工艺流程上的创新。汽车厂商已经开始应用这些新麦克风，而且至少有一家公司已计划将基于叉指技术的电容式MEMS麦克风投入生产。功率器件有不同的电压范围，电动汽车所需功率器件的电压范围介于300V到1200V之间，（例如，火车头机车需要高电压功率器件，介于1700V~6500V）。根据Yole预测，低压到中压范围的绝缘栅双极型晶体管（insulated-gate bipolar transistor, IGBT)功率器件，受电动汽车和混合动力汽车增长驱动，其增速将超过全球半导体市场增速。构建先进的功率器件需要改进的半导体加工设备。例如，应用材料公司的高增长率磊晶炉的磊晶硅生长，为串联电阻或导通电阻的精确控制提供均匀、超高纯度、低不良率的硅晶片。功率器件的电压处理需求可以超过1000V，磊晶层最薄可达到5μm，最厚可达到100μm或更甚。应用材料公司的高增长率磊晶炉跟以往相比，生长速度提高了50%，因而获得了客户的青睐。同样的，为了解决电流电压和器件散热需求，应用材料公司的高沉积率PVD(物理气相沉积)厚铝反应堆沉积厚度大约为3~6μm+。应用材料公司的高沉积率铝炉以2.3μm/分的速率进行铝沉积，并且没有任何缺陷与裂缝。例如， IGBT器件的特定电气性能需要独特的磊晶掺杂工艺。在汽车领域，更好的先进驾驶辅助系统性能要求将推动对更快（例如，数据和安全系统的即时通讯）、更高效（超快速开关和最小功耗）功率器件的需求增长。同时，为了在性能上超过硅晶片，芯片设计厂商也将继续挑战现有半导体制程技术的极限，下一代宽带隙（GaN和SiC）功率器件的开发任重而道远。上述改变将对GaN和SiC器件、磊晶、刻蚀、缺陷和检测、掺杂处理和退火处理的工艺产生重大影响。现在汽车的预防安全越来越受到人们重视，MEMS传感器应用于汽车安全技术许多领域，以下是对汽车领域中MEMS传感器的十大应用知识盘点：电子稳定性控制系统 (ESC、Electric Stability Control) 是用于防止车辆在雨后湿滑的道路或弯曲路段处发生侧滑的装置。该装置使用了Murata Electronics Oy (以下简称为MFI) 的加速度传感器。通常，仅靠ABS和牵引控制系统无法满足车辆在弯曲路段上的行车安全要求。该场合下电子稳定性控制系统 (ESC) 就能够通过修正驾驶员操作中的转向不足或过度转向，来控制车辆使其不偏离道路。该系统通过使用一个陀螺仪来测量车辆的偏航角，同时用一个低重力加速度传感器来测量横向加速度。将所得测量数据与通过行驶速度和车轮倾斜角两项数据计算得到的结果进行比对，从而调整车辆转向以防止发生侧滑。加速度传感器通常会被独立安装在车辆重心附近，或作为传感器组的一部分以贴装组件的形式被安装在印制电路板上。标准测量范围为±1.5～2.0g; 偏移量与温度或使用时间无关，稳定在100mg以下; 频带在0～50Hz范围内。电子稳定性控制系统 (ESC) 通常需要以车辆的横向为检测轴，以确保在受到纵向加速度或车辆减速时，将影响控制在最小限度。将MFI的加速度传感器安装在印制电路板上时，可选择两种安装方向，即检测轴是与安装面平行还是垂直。若使用的是独立型加速度传感器时，则需要根据安装位置选用相应的托架。EPB (电子驻车制动系统，Electronic Parking Brake) 取代了传统的基于机械杠杆和链条的驻车制动装置，为驾驶员提供了更有效的停车辅助。并且由于取消了主副驾驶位之间的驻车制动杆，驾驶席周围的空间便能得到更有效的利用。EPB系统可根据车体纵向的倾斜度不断调整刹车力度。仅需按下仪表盘上相应的按钮，刹车就会被锁定; 在车辆启动和加速时，刹车将自动解锁。该系统还能够对低速牵引状态下的车辆进行辅助控制，防止车辆在坡上自然下滑。该系统与距离传感器系统信号对接后，甚至可以在狭窄区域内完成平行停车。如果与发动机防盗系统整合，便可形成一套最为可靠的防盗机制。该系统内的传感器实际测量起点通常是在±3°以内; 对应的重力加速度值大约为50mg。这刚好与车辆在整个使用寿命和温度范围内的偏移稳定性要求相吻合。系统内部传感器的频率范围按要求尽量保持最低，上限不超过10-50Hz。在四轮驱动的车辆中，由于每个车轮都可能会打滑，所以ABS系统所需的车身速度和车轮速度参数无法通过传感器来测量。因此车辆的加/减速度信息只能通过对前后方向加速度的测量来获得。ABS系统的加速度传感器除了能够以独立元件或集成在印制电路板上的形式装入ABS控制器外，还能安装在其他的传感器类中。ABS系统使用的加速度传感器的测量范围通常在1～2G (G为重力加速度) 。在检测温度范围和车辆使用寿命内误差偏移能够始终低于100mg的状态。该传感器的检测轴的方向必须为车辆的前后方向。Murata Electronics Oy的加速度传感器可以满足各种传感器单元和印制电路板贴装情况下的应用。电子控制式悬架系统 (ECS) 的主要用途是根据行驶速度、路面状况、转向情况、变速状态等信息以及不同的驾驶条件调节悬挂系统，为驾驶者提供良好的操作稳定性和乘坐舒适度。ECS系统为用户呈现从平稳舒缓到高速畅快的多种驾驶体验。驾驶者仅需按下选择按钮就能在运动型、普通型和舒适型驾驶模式间自由切换。ECS系统内部的加速度传感器可用于检测车体的运动状态，有时还用于检测前轮垂直方向的运动状态。用于检测车体的运动状态的两个加速度传感器被安装在前减震器与弹簧顶部固定点附近。而靠近轮毂的加速度传感器则是被装在减震器和车轮弹簧附近区域。这样一来，就能够通过两组传感器的测量数据计算出车体与车轮的垂直距离差。在更先进的轮毂传感器系统中，加速度传感器则被距离传感器替代，用于直接测量车轮与车体之间的距离。另外，在许多ECS系统中，车辆的中部或后部还额外装有一个用于检测车辆颠簸的加速度传感器。能够略微消除车体在加速或减速时的倾斜。空气悬架系统如今被应用于包括运动型多功能车 (SUV) 在内的大多数中高档、豪华型车辆。可通过调节车体边角处气罐内的空气体积来修正悬架设置。该系统通常包括1个特殊的气体压缩机，1到2个气体储备罐，4个由空气弹簧和传统减震器构成的减震单元，2到5个独立的加速度传感器，以及电子控制单元 (ECU) 。由于空气悬架系统对中小型车辆来说较为昂贵，通常会使用以油取代空气的悬架系统。尽管调节油量的系统价格较低，但是无法达到空气式悬架系统的高效性和舒适度。油量的调节由特殊的电子阀门来实现，该系统中会使用3到5个独立的加速度传感器。作为车辆稳定性控制的一部分，车辆防翻滚稳定性控制系统 (ARC) 通常被整合进电子稳定控制系统 (ESC) 或悬架系统。防翻滚控制能够在启动刹车装置或平衡杆的异常动作时，防止车体发生大幅度的摇晃。在将ARC系统整合到ESC系统中时，需要额外使用一个用于检测车辆前后方向加速度的加速度传感器 (测量范围为1～2g) 。当该系统被用于SUV或越野车等车身整体较高或悬架位置较高的车辆时，有时也会被设计成一个独立的系统。此时，需将一个独立型传感器安装在车的顶部，另一个则装在下方地板处相应的位置。引擎和变速箱的防震控制如今正吸引业内人士越来越多的关注。其中一个重要的原因是新一代的引擎能够在无需满负荷运作时，通过关闭部分气缸来节省燃料。引擎中个别气缸的关闭会导致车体的震动。并且相对引擎重量而言，车体重量正在变得越来越轻。特别对于柴油动力的6气缸或8气缸引擎来说，引擎的震动将会导致车辆整体随之震动。而对于混合动力汽车，汽油和电力引擎间的频繁切换也会导致车体震动，该情况在小型柴油混合动力车中尤为突出。应对车体震动的最新解决方案是主动电子控制减震装置。这些装置在闭环控制系统 (反馈控制系统) 中使用了加速度传感器，并被装在车体的各个重要部位。HAS (Hill Start Assist) 是一个直接连接主刹车装置和ESC系统的电子驻车制动系统。当车辆在坡上发动时，它可以自动控制制动压力以防止车辆向后自然下滑。HAS系统需要使用高性能的传感器来感应车辆前后方向细微的倾斜，也就是道路的斜率。该系统对传感器稳定性的要求为在使用寿命和温度范围内测量出的倾角误差小于3° (换算为传感器输出值相当于50mg) 。在汽车装配时产生的所有“偏移误差”，都可以在生产线最后的“偏移校准”步骤中消除; 此外，还可通过电子稳定性控制 (ESC) 系统内的电子控制单元 (EUC) 所装的软件来对完成后的偏移信号进行校准。所谓心跳探测，是通过高灵敏度传感器和精密的电脑软件相互配合，从而在车辆已被上锁等应为空车状态的情况下，探测车内是否有人的新型系统。该系统可被用于检测由于父母疏忽而被留在车内的儿童或藏匿于车内的非法进入者。车辆防盗装置和引擎锁定防盗装置的原理是使用较为廉价的2轴加速度传感器来检测车辆的运动状态。如果与高精度的心跳探测传感器相结合，就能构成安全系数更高的先进防盗系统。翻滚传感器即侧翻检测传感器，作为乘客保护系统的一部分被整合在安全气囊控制系统中。所谓翻滚传感器，具体来说，是由1轴或2轴 (翻转角和俯仰角) 角速度传感器和加速度传感器构成的，用于检测车辆Z轴方向也就是上下方向的角速度和加速度的传感器。该系统中加速度传感器的测量范围基本上为3～5g，频带最大不超过400Hz，稳定偏移约为300mg。将压力传感器应用于汽车领域的车胎压力监测系统正在迅速推进中。虽然该系统基本上是通过对胎内气压的监控点亮警告指示灯，但若能与各类车辆安全系统进行关联，就可以实现爆胎预警之外的许多极具吸引力的功能。当车胎压力不正常时，将有可能发生以下几种问题：前胎气压过低将导致转向不足，后胎气压过低将导致过度转向。不论胎压是不足还是过高，都会显著缩短轮胎的使用寿命。当轮胎压力偏离最佳值0.4bar时，轮胎寿命将缩短30%; 胎压不足的情况下，压力每低0.6bar，就会额外增加4%的油耗。当以超过100km/h的速度高速行驶时，一旦发生轮胎打滑的现象，轮胎就会脱离路面，这是十分危险的。当车胎压力比正常值的50%还低时，即使使用了ABS系统，在湿滑路面以100km/h行驶的制动距离也会增加10m。
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