Микроэлектромеханические системы (МЭМС) на основе травленного кремния нашли свое применение в качестве альтернативы датчикам давления в промышленной технике и системах с жесткими условиями эксплуатации еще в 1980-х гг
В 1990-х гг. МЭМС-устройства получили массовое применение в датчиках автомобильных подушек безопасности. С тех пор МЭМС-устройства использовались в качестве датчиков «падения» для жестких дисков, прежде чем нашли применение в мириадах приложений по управлению цепями потребительской электроники.
Автомобильная электроника по-прежнему остается очень большим рынком для МЭМС. Эти системы, в первую очередь, используются в датчиках подушек безопасности, утверждает аналитик Лоран Робин (Laurent Robin), компания Yole Développement.
Объем рынка МЭМС составил около 8.7 млрд долл. в 2010 г. На долю МЭМС для автомобильных приложений пришлось около 1.48 млрд долл., или 17% всей продукции на основе этих устройств. По словам Робина, объем продаж на этом рынке должен вырасти на 8% в 2011 г., однако этот рост, на который ежегодно оказывает значительное влияние ценовое давление величиной 5–20%, не отражает истинного положения вещей.
К основным типам МЭМС-датчиков для автомобильной электроники относятся датчики давления, применяемые в системах мониторинга давления в шинах (TPMS), акселерометры для подушек безопасности и гироскопы для электронных систем ориентации и управления курсовой устойчивостью.
Несмотря на то что количество ежегодно производимых автомобилей увеличивается, как и число электронных систем в расчете на одно транспортное средство, рынок МЭМС, главным образом, определяется правилами и предписаниями, считает Марко Феррарези (Marco Ferraresi), менеджер по развитию автомобильного бизнеса, STMicroelectronics.
Например, предписания в отношении систем TPMS появились в США в 2007 г., а в Европейском Союзе они выйдут в 2012 г. Согласно этим требованиям, все новые пассажирские автомобили должны оснащаться системами мониторинга давления в шинах. Ожидается, что соответствующие предписания появятся в Японии и Корее в 2013 г.
Несмотря на то, что этот стандарт пока не действует в странах БРИК (Бразилия, Россия, Индия, Китай), их правительства будут вынуждены издать соответствующие законы, поскольку системы контроля давления в шинах уже установлены на импортируемые автомобили. Таким образом, перед рынками МЭМС открываются дальнейшие перспективы роста. При этом следует отметить высокий спрос в Бразилии на системы отслеживания украденных машин, в которые установлены акселерометры с функцией пробуждения. Соответствующий рынок представляет дополнительную возможность использования инерциальных датчиков, в т.ч. гироскопов.
Трехосевые МЭМС-акселерометры
МЭМС-акселерометры работают на основе измерения емкости между подвижной массой и подложкой микросхемы. Подвижная масса изготавливается путем вытравливания материала вокруг этой структуры таким образом, чтобы физически изолировать ее от подложки. Над подложкой эту массу, перемещающуюся вдоль одной оси, удерживают пружинные подвесы, которые также ограничивают ее перемещение в перпендикулярном направлении. Для максимального увеличения емкости устройства и, следовательно, чувствительности и рабочего диапазона датчика, как правило, на кристалле создается сложная встречно-гребенчатая структура.
Таким образом изготовлены одно- и двухосевые акселерометры. В создании трехосевого акселерометра применяется другая структура. В трехосевых акселерометрах используются различные конструкции, а также задаются разные значения жесткости пружинных подвесов. Типовые акселерометры измеряют ускорения вплоть до 16g в зависимости от калибровки и настройки.
Структура типового МЭМС-гироскопа имеет вид колеса: как только оно начинает вращаться, датчик детектирует поворотное ускорение.
Инфракрасные МЭМС
В настоящее время также развивается автомобильный рынок микроболометров и датчиков изображения для оснащения бортовых систем индикации функциями ночного зрения.
Принцип работы микроболометра аналогичен функционированию датчика изображения, в котором ИК-излучение улавливается массивом пикселов.
Для микроболометра требуется теплопоглощающая сетка, изолированная от поддерживающей кремниевой подложки, для чего вытравливается слой глубиной до 2 мкм.
Принцип производства микроболометра схож с изготовлением инерциальных МЭМС-датчиков. Микроболометры будут использоваться в камерах ночного видения для автомобилей, чтобы водитель имел возможность вовремя заметить пешеходов или животных на панели ветрового стекла и объехать препятствие. Такие системы обнаружения пешеходов появятся на рынке в 2014–2015 гг.
Две группы специалистов (ADOSE и ICU+FNIR) недавно завершили разработку этой технологии, и системы ночного видения уже появилась в старших моделях Toyota, BMW и Ford.
Интеграция
В последнее время наметилась тенденция интегрировать датчики в беспроводные или проводные сети, управляемые процессорами, как в случае с системой TPMS. Однако часто эта интеграция реализуется с помощью, скорее, системы в корпусе, чем в монолитном исполнении, что связано с экономическими соображениями и возможностью оптимизации решения.
По мнению Феррарези, все чаще компоненты системы интегрируются в датчиковые модули. Например, две МЭМС и две микросхемы по обработке сигнала становятся одним или двумя МЭМС-устройствами и одной ASIC.
Тенденция комбинировать акселерометр и датчик гироскопа в системах управления курсовой устойчивостью появилась в 2010 г., что наблюдается на примере продукции компаний Bosch и VTI Technologies. Для таких систем требуются двухосевые гироскопы, которые используются также в навигации, системах электронной парковки, торможения и помощи при трогании на подъеме. Компании все чаще начинают использовать трехосевые акселерометры для гибкости монтажа. Такая установка приборов не сказывается на их рабочих характеристиках.
Потребность в интеграции прослеживается на примере TPMS-модулей, в которых помимо МЭМС датчиков давления используются ASIC, микроконтроллер, РЧ-кристалл и батарея. Эти требования вынуждают искать возможность сбора энергии для питания модулей из окружающего пространства. Вполне вероятно, что монолитные ИС сыграют ключевую роль в этом вопросе. Со своей стороны, компания Bosch создает стандартный инерциальный датчиковый модуль с микроконтроллером, который можно было бы использовать в различных приложениях автомобильной электроники.
Отсутствие рынка фаблесс-услуг
Несмотря на то что некоторые МЭМС-фаундри поддерживают создание рынка фаблесс-стартапов, эти компании стремятся, в первую очередь, работать на рынках потребительской электроники, где требования к надежности и сроку службы продукции не столь строгие.
На рынке автомобильной электроники МЭМС-поставщики продолжают объединяться с производителями встраиваемых устройств, включая таких известных производителей подсистем как Bosch или Denso, а также IDM-компании – Analog Devices, Freescale, Infineon Technologies и Panasonic. По мнению Робина, эта ситуация не изменится, т.к. автомобильная продукция проходит самое строгое испытание – со стороны потребителей.
