MEMS傳感器的應用走勢及提高精度的方法探討

作者 / 王瑩 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：近日，ST(意法半導體)大中華暨南亞區模擬和MEMS產(chǎn)品部市場(chǎng)總監吳衛東先生在京介紹了ST MEMS傳感器的發(fā)展概況，提高傳感器精度的方法，以及汽車(chē)、工業(yè)等市場(chǎng)對傳感器的需求特點(diǎn)。

ST做了20年的MEMS傳感器

　　在MEMS傳感器方面，ST已經(jīng)做了20年，至今出貨130億片MEMS傳感器。隨著(zhù)制程和調校的改進(jìn)，下一步希望從消費類(lèi)更多地擴展到汽車(chē)和工業(yè)應用。ST特點(diǎn)是提供傳感器和致動(dòng)器(Actuator)，有經(jīng)過(guò)市場(chǎng)檢驗的制造技術(shù)，擁有大規模制造能力，有多傳感器集成能力，集成了市場(chǎng)領(lǐng)先的智能功能等。

　　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、并使MEMS普及的是消費類(lèi)電子。如今，MEMS的下一波浪潮有望重回汽車(chē)和工業(yè)。

　　據IHS 2017年上半年市場(chǎng)報告，ST是世界第一大汽車(chē)非安全性應用MEMS廠(chǎng)商(如圖1);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%。非安全應用主要包括導航和信息娛樂(lè )系統等，需要用到加速度傳感器和陀螺儀(如圖2)。

新應用需要精度更高

　　高性能取決于應用的需求。汽車(chē)應用里，汽車(chē)導航通常采用GPS，MEMS慣性傳感器作為輔助測量，以覆蓋GPS的盲區(如圖3)。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。這個(gè)米級并不是一個(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)溫度和時(shí)間等漂移。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)?如圖4)。

　　虛擬增強實(shí)境的感測精度約在10厘米以?xún)?。在VR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。

　　此外，手機光學(xué)防抖的誤差是10厘米以?xún)?，是針對?huà)面之間的偏差。工業(yè)上的壓力監測要控制在10厘米以?xún)?。溫濕度檢測希望達到0.5℃以?xún)?，精?%以?xún)取?/p>

影響傳感器精度的因素

　　提高精度容易嗎?實(shí)際上既容易也不容易。如果不考慮功耗，較為容易，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，設計上是不是已有質(zhì)的改變或新的技術(shù)?從傳感器原理看，通常采用著(zhù)名的傳感器精度衡量方法——阿倫方差(AVAR)，如圖5。但做傳感器產(chǎn)品時(shí)有一些物理局限性不可規避。例如MEMS傳感器里一部分是機械結構，會(huì )老化，且會(huì )隨著(zhù)溫度和時(shí)間變化。這些參數解釋成電子術(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)或者校正的方法來(lái)彌補。

　　*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。高頻噪聲指傳感器在應用時(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、消除這些噪聲。如圖6。

　　*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，你要盡量在設計中消除和平衡溫度的影響。重復測試的穩定性，例如數據線(xiàn)路中如果輸入“1”時(shí)應該輸出“0”，如果達不到“0”就是錯。