MEMS傳感器的應用走勢及提高精度的方法探討

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

提高傳感器精度的方法

　　為了提高MEMS傳感器精度，需要改善設計和制造工藝。在MEMS器件中，設計和制程其實(shí)只占了20%工作量，還有80%是測試和校準(如圖7)。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，完全可以從精度5%提升到1%，甚至更高。

　　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(注：因為里面存在機械結構)。在測試和校準方面是采用一點(diǎn)測試還是三點(diǎn)測試、十點(diǎn)測試?是隨時(shí)間調校還是只調校一次?……這些方法都會(huì )影響到最后的精度。

　　因此MEMS傳感器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)能不可能支撐每一個(gè)器件都去校準、測試，因為花的時(shí)間要按秒來(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。因此如果按單位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。

　　因此，ST的優(yōu)勢是在消費類(lèi)產(chǎn)品測試和校準方面有豐富的算法和流程積累，甚至有很多專(zhuān)利技術(shù)，可以用到汽車(chē)和工業(yè)應用中。

　　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(如圖8)。在封裝上，為了滿(mǎn)足工業(yè)應用，把塑封改為陶瓷封裝，因為塑封會(huì )熱脹冷縮，隨溫度影響較大。

看好智慧工業(yè)

　　智慧工業(yè)也許是真正推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)普及的領(lǐng)域。因為工業(yè)應用種類(lèi)繁多，總量并不一定比其他應用大。在這個(gè)行業(yè)里如果挖得深，潛力是巨大的。

　　工業(yè)應用對傳感器的要求比消費類(lèi)要更高。例如生命周期長(cháng)(注：不像消費電子也許一夜暴富，但也許會(huì )很快退潮)。作為對比，對于消費電子，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，例如十年。另外工業(yè)應用的工作環(huán)境苛刻，目前還沒(méi)有形成完整的供應鏈體系，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)。

　　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，手摸著(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 )有征兆，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。

如何改造現有的制造設備?

　　通常人們稱(chēng)新的制造設備是綠地，現有的設備為棕地。為了改造現有設備，ST推出了無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)連接芯片技術(shù)，可在新裝制造設備(圖9的綠地)和現有制造設備上(圖9的棕地)實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)連接。

一些有趣的應用

　　*手機MEMS麥克風(fēng)的新趨勢。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，這些軟件通常是手機公司或第三方合作伙伴開(kāi)發(fā)的。

　　*eMeet公司的移動(dòng)會(huì )議揚聲器。麥克風(fēng)就像人的耳朵，為何有的5米之外說(shuō)話(huà)還能聽(tīng)到，有的2米就聽(tīng)不清了?答案是軟硬件技術(shù)的綜合。ST主要提供高精度的麥克風(fēng)。那么為何eMeet公司的產(chǎn)品有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(如圖10)，同時(shí)避免了噪聲干擾。

小結

　　過(guò)去十年消費電子使MEMS傳感器普及和繁榮。下一個(gè)十年將擴展到汽車(chē)和工業(yè)應用，這需要精度進(jìn)一步提高，需要制程尤其是調校技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)無(wú)線(xiàn)、軟件等技術(shù)的結合和促進(jìn)也是十分必要的。

　　參考文獻：

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第15頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。