ST MEMS的下一波發(fā)展機會(huì )：從消費轉向汽車(chē)和工業(yè)

　　近日，ST(意法半導體)在京舉辦MEMS傳感器的新聞發(fā)布會(huì )，大中華暨南亞區模擬和MEMS產(chǎn)品部市場(chǎng)總監吳衛東先生介紹了ST?MEMS的發(fā)展現狀，及將向汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)滲透的策略。

　　ST做了20年的MEMS?傳感器

　　ST公司2016年營(yíng)收接近70億美元，是一家完整的半導體公司。在MEMS傳感器方面，提供傳感器和致動(dòng)器(Actuator)，優(yōu)勢是經(jīng)過(guò)市場(chǎng)檢驗的制造技術(shù)，有大規模制造能力，有多傳感器集成能力，集成市場(chǎng)領(lǐng)先的智能功能等。

　　在傳感器集成和智能化方面，例如現在流行的微信計步，ST的傳感器可直接告訴你走了多少步，無(wú)需再經(jīng)過(guò)手機的處理器計算。

　　在致動(dòng)器方面，有四大類(lèi)產(chǎn)品及合作伙伴，例如壓電致動(dòng)器方面有poLight，超聲波測距傳感器方面有Chirp，微鏡投影方面有MicroVision，MEMS揚聲器方面有U-Sound公司正在做產(chǎn)品。值得一提的是，市場(chǎng)目前主要是MEMS麥克風(fēng)，揚聲器較少。MEMS揚聲器的特點(diǎn)是可以做得更小，例如用于智能眼鏡、智能手表、耳機等產(chǎn)品中。

　　就像陰陽(yáng)八卦一樣，傳感器的應用也在周而復始地輪回。MEMS傳感器起始于汽車(chē)和工業(yè)，但這十年真正推波助瀾的是消費類(lèi)電子。如今，MEMS的下一波浪潮有望重新回到汽車(chē)和工業(yè)。

　　ST現在主要做五類(lèi)產(chǎn)品：光學(xué)防抖陀螺儀、加速度計+陀螺儀/6軸IMU模塊、超低功耗加速度計、高精度壓力傳感器、加速度計+磁強計慣性測量單元。

　　在消費類(lèi)應用中有很多成功案例，例如華為手機采用ST的內置OIS光學(xué)防抖傳感器的6軸慣性測量單元，任天堂Switch主機和配件采用ST的6軸運動(dòng)傳感器，迪卡儂手表等可穿戴設備采用ST的MEMS器件，另有eMeet會(huì )議揚聲器采用了MP34DT04TR數字麥克風(fēng)等。

　　ST的拳頭產(chǎn)品很多，例如手機用的第一代LSM6DS3和第二代LSM6DSL/M合計銷(xiāo)量超過(guò)5.5億。LSM6DSL/M是可始終運行的iNEMO?6軸慣性測量模塊，在LGA-14?2.5x3x0.83mm封裝內整合3D加速度計和3D陀螺儀，具有超低功耗和強大性能。

　　LIS2DW12是應用靈活的超低功耗3軸智能加速度計，適用于消費類(lèi)電子，諸如物聯(lián)網(wǎng)、穿戴和移動(dòng)設備，特點(diǎn)是尺寸只有2x2x0.7mm，有編程功能。

　　在汽車(chē)應用方面，AIS2DW12是超低功耗3軸智能加速度計，用于無(wú)鑰匙進(jìn)入功能(PKE)。據IHS?2017年上半年市場(chǎng)報告，ST是第一大汽車(chē)非安全性應用MEMS廠(chǎng)商;在研發(fā)投入和研發(fā)熱情的具體表現方面，2016年ST市場(chǎng)份額同比增長(cháng)20%。

　　慣導系統中，符合車(chē)規的“3軸加速度計AIS328DQTR+3軸陀螺儀A3G4250DTR”組成了6軸慣性模塊，可用于從原來(lái)的OBD(車(chē)載診斷系統)到現在的T-box(Telematics?box)應用中，用于前裝、后裝或對汽車(chē)進(jìn)行裝機采集等。

　　新應用需要更高精度

　　高性能取決于應用的需求。汽車(chē)應用里，汽車(chē)導航通常用GPS，MEMS慣性傳感器作為輔助測量，以覆蓋GPS的盲區。因此MEMS傳感器就要有高精度，通常整個(gè)系統的精度要達到“米”級，也就是至少車(chē)輛、行人在你自己看得到的地方。這個(gè)米的級別并不是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，是累積的，因為傳感器的挑戰是參數會(huì )隨著(zhù)溫度、時(shí)間而漂移，有很多參數影響它。自動(dòng)駕駛對精度的要求更高，目前客戶(hù)要求精度要在20厘米以?xún)取?/p>

　　虛擬增強的實(shí)境感測約在10厘米以?xún)?。這就要求傳感器有更高的精度和靈敏度。在虛擬增強的實(shí)境領(lǐng)域，從Android?5.0開(kāi)始規定了傳感器的參數規格，甚至要對傳感器做認證，可見(jiàn)傳感器起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

　　提高M(jìn)EMS傳感器精度的方法

　　提高精度容易嗎?答案是既容易也不容易。如果不考慮功耗，較容易得到，因為功耗提升后，計算能力可以增強。目前的挑戰是，很多應用對功耗是非常在乎的，例如電池供電。

　　既然傳感器那么重要，設計上是不是有質(zhì)的改變或新的技術(shù)?從傳感器原理來(lái)看，通常采用著(zhù)名的傳感器精度衡量方法——阿倫方差(AVAR)。但做傳感器產(chǎn)品時(shí)有一些物理的局限性不可規避。例如MEMS傳感器里一部分是機械結構，它會(huì )老化，且會(huì )隨著(zhù)溫度和時(shí)間會(huì )有變化。這些參數解釋成電子的術(shù)語(yǔ)就是背景噪聲、白噪聲或者不穩定、隨機的抖動(dòng)。其控制方法要用生產(chǎn)或者矯正的方法來(lái)做。

　　*噪聲。有本身機械結構產(chǎn)生的噪聲;還有閃變噪聲和高頻噪聲。高頻噪聲是傳感器在應用時(shí)是數字輸出，在任何電子線(xiàn)路里會(huì )有電磁耦合現象。因此在處理時(shí)，傳感器廠(chǎng)商要有足夠的經(jīng)驗幫助客戶(hù)在算法上規避或抑制、消除掉這些噪聲。

　　*穩定性。時(shí)間的穩定性毋庸置疑是解決老化，例如今天輸入1出來(lái)100%，明天輸入1出來(lái)99%，就要控制輸入穩定性。溫度的穩定性，指產(chǎn)品特性在0℃和50℃時(shí)肯定不一樣，你要盡量在設計中盡量消除和平衡溫度的影響。重復測試的穩定性，數據線(xiàn)路中如果輸入1輸出0，如果達不到0就是錯。

　　*誤差。測量沒(méi)有百分之百的準確，因為它是模擬的(注：因為內部整個(gè)鏈路還是模擬的，信號產(chǎn)生源是模擬的。)，需要考慮偏移、靈敏度、非線(xiàn)性誤差(NL)、交叉軸誤差(CX)。

　　那么如何提高精度?需要改善設計和制造工藝。在MEMS器件中，設計和制程只占了20%工作量，還有80%是測試和校準。這意味著(zhù)同樣一個(gè)MEMS傳感器，如果測試、校準做得更精細的話(huà)，它完全可以從精度只有5%提升到1%甚至更低。

　　因為MEMS器件看起來(lái)輸出的是數字，但里面是非常模擬的，甚至比模擬電路還模擬，因為里面有機械結構。在測試和校準方面你是采用一點(diǎn)測試還是三點(diǎn)測試、十點(diǎn)測試?是隨時(shí)間調校還是只測一次?……這些方法都會(huì )影響到精度。

　　因此MEMS?傳感器是比較獨特的地方是精度與調校時(shí)間相關(guān)。例如消費類(lèi)MEMS傳感器的精度通常低一些，因為一天要保證出貨100萬(wàn)片，產(chǎn)線(xiàn)、產(chǎn)能不太可能支撐每一個(gè)器件都去校準、測試，因為花的時(shí)間按秒來(lái)算，因此精度可以保證應用即可。同樣的產(chǎn)品如果在測試上花更多的時(shí)間就是工業(yè)級的。更高一級是以小時(shí)來(lái)計。再高一級，一個(gè)芯片測試上百次，可以把傳感器調校得非常精準，這可以用幾星期來(lái)計算，精度就會(huì )不一樣。因此按單位1的概念來(lái)計算，消費級是x10，工業(yè)級是x100，戰略級x1000的概念。

　　ST目前所做的，是在消費類(lèi)產(chǎn)品測試和校準方面有豐富的經(jīng)驗，甚至有很多專(zhuān)利技術(shù)。

　　例如運動(dòng)MEMS傳感器有三個(gè)關(guān)鍵元件——采用特殊的微機械加工技術(shù)的微型傳感器，內置智能功能的專(zhuān)用ASIC電路，專(zhuān)用的封裝及校準功能。

　　制造設備、測試校準設備里也有很多核心技術(shù)。ST經(jīng)過(guò)多年積累，在測試和校正整個(gè)核心算法或流程方面有很大的積累。

　　看好汽車(chē)和工業(yè)

　　汽車(chē)是增長(cháng)點(diǎn)。另外智慧工業(yè)是真正推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應用的地方。

　　汽車(chē)和工業(yè)的特點(diǎn)是應用需求比消費類(lèi)更強，生命周期長(cháng)(注：不像消費電子，也許市場(chǎng)很大，但會(huì )很快退潮)。另外工作環(huán)境苛刻，目前還沒(méi)有形成完整的體系，而且還是niche?market(利基市場(chǎng))。工業(yè)市場(chǎng)也許要十年才能起來(lái)，消費電子方面，過(guò)去ST的新產(chǎn)品2年更新一次，現在一年更新2次;而工業(yè)要長(cháng)期供貨。

　　在傳感器方面，除了硬件，ST還有完整的軟件解決方案。例如在設備檢測和預知維護方面，過(guò)去馬達保護是過(guò)流、過(guò)壓等，你摸著(zhù)燙了才發(fā)現出了問(wèn)題，其實(shí)源頭是振動(dòng)，幾個(gè)星期前就會(huì )有預兆，改善的方法是在旋轉設備上安裝位置傳感器，定期接收傳感器數據，并將實(shí)測數據與基準數據比較，實(shí)現預知性維護。

　　此外，ST傳感器也有連接技術(shù)，可在新裝制造設備(下圖綠地)和現有制造設備上(下圖棕地)實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)連接。

　　ST至今已出貨130億片MEMS。下一步希望從消費類(lèi)擴展到汽車(chē)和工業(yè)應用，射頻方面提供短距離到中距離(Sub-1GHz)的全覆蓋。

　　精彩問(wèn)答

　　*ST如何進(jìn)軍工業(yè)市場(chǎng)?

　　答：ST在消費類(lèi)傳感器已布局完整，還需要具體細化。例如在運動(dòng)傳感方面用于電機控制的前瞻性預測方面，需要增加軟件等。

　　在提升精度方面，正通過(guò)校正測試，另外塑封改為陶瓷封裝等。

　　關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)連接，ST?RF有兩大產(chǎn)品：藍牙低功耗(BLE)芯片和Sub-1GHz芯片(法國Sixfox選ST作為唯一合作伙伴)。

　　實(shí)際上，關(guān)鍵技術(shù)ST都已具備，難點(diǎn)是怎樣和客戶(hù)一起做marketing(營(yíng)銷(xiāo))，例如和農業(yè)部和環(huán)保部去談。新加坡政府正在評估檢測大樹(shù)是否倒了的方案，問(wèn)題是誰(shuí)來(lái)買(mǎi)單。共享單車(chē)方面，可以做檢測腳蹬車(chē)的頻率和力度等，正在找合作伙伴。

　　*為何只有ST做MEMS揚聲器?

　　答：ST有智能揚聲器的制程，但系統及IP方面Usound很強，其技術(shù)難點(diǎn)是功率，加電的激勵形成形變去推動(dòng)空氣。特點(diǎn)是比普通喇叭小，因此可用于智能眼鏡、手表和耳機等產(chǎn)品。

　　*手機MEMS麥克風(fēng)的趨勢如何?

　　MEMS麥克風(fēng)正從一兩顆向三四顆發(fā)展。例如蘋(píng)果6以上的手機都是4個(gè)麥克風(fēng)，手機底端左右各一個(gè)主麥克風(fēng)，手機頂端測距傳感器旁邊有一個(gè)輔麥克風(fēng)，主要用于消除噪聲;手機背面攝像頭旁邊有一輔麥克風(fēng)，用于拍攝小視頻的聲音錄制。四個(gè)麥克風(fēng)需要大量軟件算法以保持聲音的一致性。

　　產(chǎn)品展示

　　eMeet公司的移動(dòng)會(huì )議揚聲器很有趣，據ST工作人員介紹，麥克風(fēng)就像耳朵，為何有的5米之外說(shuō)話(huà)還能聽(tīng)到，有的2米就不行了?是軟硬件技術(shù)的綜合，ST主要提供高精度的麥克風(fēng)。那么為何4個(gè)麥克風(fēng)?就像八爪魚(yú)會(huì )議系統一樣，聰明的麥克風(fēng)會(huì )識別聲源，誰(shuí)說(shuō)話(huà)波束就轉向誰(shuí)，因此是360°全方位拾音，同時(shí)避免了噪聲干擾。

　　圖：eMeet和華米手環(huán)

　　在手環(huán)展示環(huán)節，華米/新一代小米手環(huán)采用了ST的運動(dòng)傳感器。其實(shí)第一和第二代小米手環(huán)中也有ST的傳感器，用于感知手腕位置是否水平的傳感器(測心率時(shí)使用)。

　　圖：ST有兩種開(kāi)發(fā)套件，可檢測運動(dòng)、加速度和磁力等。

　　圖：ST藍牙芯片也已被眾多廠(chǎng)商采用，做成模塊以方面開(kāi)發(fā)者直接采用。