MEMS傳感器迎來(lái)第二波浪潮——工業(yè)，傳感器廠(chǎng)商如何去改變？

　　第二波浪潮——工業(yè)

　　MEMS產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)在過(guò)去幾年里有過(guò)非常風(fēng)光的增長(cháng)歷程，尤其是手機產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)。但手機產(chǎn)業(yè)在過(guò)去一兩年里沒(méi)有像以前那樣出現數量增長(cháng)的紅利，因為第一，應用于手機的MEMS總量差不多持平，沒(méi)有增長(cháng);第二，在單機里，沒(méi)有新型的MEMS應用加入，造成單機MEMS的價(jià)值沒(méi)有提升，單機的傳感器數量也保持穩定。

　　ST模擬、MEMS及傳感器事業(yè)部副總裁，MEMS傳感器業(yè)務(wù)總經(jīng)理Andrea Onetti

　　因此業(yè)界有這樣一種質(zhì)疑聲：下一波MEMS怎么樣?現在看起來(lái)，下一波MEMS產(chǎn)業(yè)浪潮可能在工業(yè)和汽車(chē)、自動(dòng)駕駛。這個(gè)市場(chǎng)不單單讓傳感器單個(gè)價(jià)值的增加，在數量上也是非?？捎^(guān)的。

       MEMS產(chǎn)品第一波真正作為市場(chǎng)的井噴，是在2005年左右，主要驅動(dòng)力是“智能手機”，由于智能的需求，傳感器為手機的新功能立下了汗馬功勞。

　　但在過(guò)去的兩三年里，業(yè)內一直在講物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)，這些領(lǐng)域目前的關(guān)注點(diǎn)是“數據”，很多智能終端產(chǎn)品在采集數據，很多公司都在花巨資投入云服務(wù)。在工業(yè)和汽車(chē)方面，最近出現了自動(dòng)化、智能化趨勢，涵蓋智能工業(yè)、智能駕駛、無(wú)人駕駛等。如果這些最終實(shí)現，傳感器是必不可少的，而且傳感器在其中的作用比第一波的傳感器在手機里的作用大得多。

　　工業(yè)與消費類(lèi)電子的差別

　　在過(guò)去的20年，消費類(lèi)應用使不同類(lèi)別的MEMS傳感器實(shí)現了從雛形，到大批量生產(chǎn)、直至大批量應用的過(guò)程，這些傳感器包括加速計、陀螺儀、慣導模塊、磁力計、氣壓計、溫度計、氣體壓力計、以及最近幾年越來(lái)越多的環(huán)境類(lèi)傳感器。

　　第二波將在汽車(chē)和工業(yè)類(lèi)里面越來(lái)越多，要求的性能和精度更高。因為工業(yè)類(lèi)對性能和精度的特殊要求，可能同一類(lèi)別的工業(yè)傳感器和消費類(lèi)傳感器有幾倍的差別!

　　這對于整個(gè)產(chǎn)品的定義、規劃、制造、研發(fā)都會(huì )帶來(lái)新的挑戰。

　　*制造。要達到高性能和高精度主要通過(guò)兩個(gè)方面：1.純粹工藝的提升;2.測試和校正工藝/能力提升。

　　其中測試和校正是可以大為挖掘的地方，因同一類(lèi)別的傳感器，如果施予的校正方法和校正點(diǎn)位不一樣，可以達到更好的性能輸。而與其它半導體制造不同，其它半導體廠(chǎng)家產(chǎn)品的校正更多在于測試，主要是為了把不良品給剔除。而MEMS制造由于含有機械元素，因此校正的主要目的是要恢復參數，去拉到需要的規格范圍之內。

　　ST的特點(diǎn)在做的時(shí)候可以同時(shí)并行處理很多細節，例如友商做10個(gè)，ST可以一下做100個(gè)，這就意味著(zhù)效率的提升，從而節約器件的成本。另外，具備了這樣的能力，ST可以按照客戶(hù)的應用需求，更加靈活地去配置校正要達到什么樣的參數輸出——有的可以放寬精度，達到成本更好;有的可以提高精度，達到性能更高。

        *高性能。目前為止，大部分人對MEMS生產(chǎn)的理解還是在過(guò)去消費類(lèi)市場(chǎng)里的應用。例如，作為聲音采集的器件，到目前為止，麥克風(fēng)主要用來(lái)采集人的聲音，主要集中在20 Hz~20k Hz頻率范圍。但在智能制造、智能工業(yè)中，是機器與機器之間的對話(huà)、互動(dòng)，同樣要去檢測聲音，需要把聲音采集的帶寬上升到80k Hz，這樣才可以采集到水管是否漏水及一些在機器當中要去檢測的信息。

　　再例如，人機界面互動(dòng)的應用場(chǎng)景，即使對于同一款傳感器，它的應用不一樣，規格也會(huì )有區別。

　　*生命周期。消費類(lèi)電子的生命周期較短，有的只有兩三年;但整個(gè)工業(yè)設備的生命周期會(huì )跨過(guò)五年、十年、甚至更長(cháng)。那么在這類(lèi)應用里的產(chǎn)品，需要確保產(chǎn)品的生命周期與最終設備的生命周期是吻合的。針對這樣的需求，ST做出了鄭重的承諾，所有在工業(yè)類(lèi)里產(chǎn)品的生命周期超過(guò)十年。

　　可見(jiàn)，隨著(zhù)傳感器走出消費類(lèi)應用，走近工業(yè)類(lèi)應用，產(chǎn)品應用需求的變化導致了對于產(chǎn)品的需求不一樣，因此MEMS廠(chǎng)商向客戶(hù)做出的承諾也不同。

　　把機器升級到智能，前裝和后裝的市場(chǎng)分析

　　第一種是在新機器設備開(kāi)發(fā)的時(shí)候就把傳感器裝進(jìn)去，就可以把連接具體什么樣的傳輸方式定義好。根據市場(chǎng)報告，每年約有七八千萬(wàn)設備的市場(chǎng)容量，其中約有40%~50%的設備是智能的。

　　然而，整個(gè)行業(yè)里最大的市場(chǎng)在于既有的機器設備，有的裝了幾年，有的裝了幾十年。這時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)和傳感器的方式把機器設備進(jìn)行有效的連接。這部分的市場(chǎng)前景更大，約有8億的機器設備。但現在其改裝的比例卻很低，只有1%、2%。這個(gè)改裝過(guò)程會(huì )隨著(zhù)云服務(wù)的發(fā)展逐漸體現出來(lái)，相信這會(huì )是指數型增長(cháng)的趨勢。最近在歐洲的一個(gè)展會(huì )上，大家介紹的都是智能化的生產(chǎn)設備，預計在未來(lái)的一到三年之內，改裝市場(chǎng)的占比也會(huì )達到雙位數。

　　需要特別指出的是，如果真的在現有設備上加裝元器件，例如加一個(gè)傳感器單元，也不可能兩三個(gè)月就去換一個(gè)，所以低功耗非常重要。ST的傳感器是從消費類(lèi)衍生過(guò)來(lái)，功耗方面可以做得很好，既使是電池供電的應用，裝上去以后整個(gè)的生命周期有效期達到幾年以上。

       ST的高精度傾角計等新產(chǎn)品

　　說(shuō)了這么多理論，ST到底有何面向工業(yè)的明星產(chǎn)品?近日，ST推出了一款高精度傾角計——IS3DHHC，是2018年第一款亮相的新型傳感器，特點(diǎn)是新型低噪3軸加速度計，為工業(yè)傾角計廠(chǎng)商提供經(jīng)濟實(shí)惠的高精度傳感器解決方案。

　　據悉，在此之前，ST的3軸陀螺儀和6軸慣導模塊已經(jīng)在市場(chǎng)上應用，此次介紹的工業(yè)用傾角計的需求有了變化。

　　傾角計不是一個(gè)新產(chǎn)品，先前主要是用在重型車(chē)輛的搬運，例如鏟車(chē)。最近又看到一種新型的運動(dòng)傳感器，它不單單用于檢測，甚至用于有些智能自動(dòng)安裝設備過(guò)程中，這種安裝設備是由自動(dòng)化/電腦控制、甚至遠程遙控的。它可以知道設備在安裝的整個(gè)過(guò)程中是否符合安裝的流程，是否安裝到足夠的精度，是否在安裝的過(guò)程中碰到什么異常狀態(tài)。要達到這些標準，對傾斜、偏差的精度要求很高，要求有非常高精度的加速度計，可以用傾角計來(lái)實(shí)現這類(lèi)檢測。

　　運動(dòng)傳感器只是一個(gè)開(kāi)端。在ST的產(chǎn)品規劃中，智能工業(yè)應用的布局超過(guò)了運動(dòng)傳感器本身，例如溫度傳感器和濕度傳感器等對于傳感器本身的參數提升、高精度是很重要的。

　　傳感器的性能提升還有一個(gè)很重要的因素，如果你的校正得好，也可以提升精度，那怎么樣才能校正好?在做校正的過(guò)程當中，“溫度”是個(gè)很重要的參數，實(shí)際應用場(chǎng)景下，溫度并不是在常規下，有時(shí)會(huì )低到零下幾十度，或高到上百度。傳感器的特性會(huì )在不同溫度下有不同的表現，如果可以通過(guò)很好的溫度校正，就可以使整個(gè)的性能達到更優(yōu)的狀態(tài)。

　　ST后續的布局里除了有運動(dòng)、振動(dòng)、角度測量的MEMS傳感器外，還有溫/濕度、氣壓、聲音等。

　　案例：馬達感測+本地AI

　　說(shuō)了這么多，是否有些應用案例?

　　在智能工業(yè)里用最多、最普遍的就是馬達，在馬達檢測中有多種信息可以去檢測，諸如速度、加速度、噪音、角速度、力矩、電流、電壓等，可以單獨或同步進(jìn)行。理論上，這些信息可以告知系統馬達是否工作在正常狀態(tài);同時(shí)，既然是智能化，這些采集的數據都可以傳輸給后臺的云端去做數據處理。一般情況下，工廠(chǎng)里人停機不停，馬達一直開(kāi)著(zhù)。如果24小時(shí)一直在傳輸數據，會(huì )產(chǎn)生很大的數據量。而后臺的云一直在做滿(mǎn)負荷計算，也有很大的成本。

　　有沒(méi)有更好的方法呢?我們可以按照不同應用的需求量身訂做。例如要檢測振動(dòng)，可以加一個(gè)加速度傳感器/模塊;想要檢測噪音，可以加一個(gè)麥克風(fēng)模塊;檢測溫/濕度，加溫/濕度模塊;……總之，不同類(lèi)別的信息可以通過(guò)多種傳感器進(jìn)行本地采集，然后在本地的模塊里進(jìn)行信號處理，即可以進(jìn)行“預處理”，即本地化的人工智能判別 (local AI)。當本地化的幾個(gè)人工智能判別綜合起來(lái)覺(jué)得有異常，不符合先前定義的工作狀態(tài)表征時(shí)，再上報到云。因此平時(shí)產(chǎn)生的是小數據量。這樣整個(gè)系統就相對變得精簡(jiǎn)，而且真正采集到的信號多元性可以提升。

　　ST目前已有Local AI的方案，具體分為兩個(gè)層面。ST的傳感器已經(jīng)是智能的傳感器，一部分是傳感部分，另外一部分是做信號處理的。ST已在傳感器的信號處理部分做了一些“預處理”，簡(jiǎn)單來(lái)講，已經(jīng)可以告訴你振動(dòng)幅度多大，而不只是告訴你加速度值是多少;并已經(jīng)濾掉了一些噪音或者不需要的信號。ST馬上又會(huì )推出讓客戶(hù)可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的傳感器，這是可編程的傳感器，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的配置，就可以實(shí)現不同功能的需求。

　　在ST整個(gè)公司層面，ST的MCU(微控制器)部門(mén)有專(zhuān)門(mén)的、更復雜的AI算法，其開(kāi)發(fā)與ST的傳感器是緊密合作。

　　再次指出的是，ST所有Local AI的架構都會(huì )將低功耗作為第一優(yōu)先考慮的前提，因為L(cháng)ocal AI主要針對現有機器的改裝，而后裝市場(chǎng)一般都是電池供電的應用。

　　MEMS廠(chǎng)商的競爭焦點(diǎn)有二

　　一個(gè)是“供應鏈”。因為在智能制造、智能工業(yè)、汽車(chē)，特別是工業(yè)領(lǐng)域，很多都是客戶(hù)定制化的，產(chǎn)品的需求在數量上跨度很大，從幾十片、幾百片到上百萬(wàn)片，都是客制化的。

　　在這方面，ST有全控的供應鏈體系、有很好的測試校正能力、有可靠的供應鏈去服務(wù)市場(chǎng)大小不同的需求。

　　第二，是否有多品種的產(chǎn)品，以適合差異化的應用與客戶(hù)需求。

　　相比友商，ST有廣泛的產(chǎn)品布局，并不只是做幾個(gè)類(lèi)別的MEMS產(chǎn)品，幾乎在MEMS傳感器里的布局是最廣的，ST有能力把不同類(lèi)別的都可以做到工業(yè)應用里面，滿(mǎn)足各種應用需求的規格，特別是在高精度這部分。

　　ST制造的特點(diǎn)

　　ST在MEMS產(chǎn)品制造過(guò)程中，特點(diǎn)是所有制造部分由ST 100%掌控，包括生產(chǎn)、校正和測試等，好處是可以保證交貨期。另外方便多傳感器的整合優(yōu)化。

　　ST也在研發(fā)和推出更智能的傳感器，這在不少的應用里都可以在整體功能的集成和成本的控制方面帶來(lái)優(yōu)勢。

　　ST有很大的產(chǎn)能。截至目前為止(注：2018年5月初)，ST已經(jīng)向市場(chǎng)總共出貨超過(guò)130億顆MEMS產(chǎn)品，目前每天出貨超過(guò)500萬(wàn)片?？梢?jiàn)，ST還有大規模制造的經(jīng)驗，有足夠的基于產(chǎn)能的投資和產(chǎn)線(xiàn)的能力，另外內部還有很好的靈活性，便于在不同產(chǎn)品之間進(jìn)行調配，因此，即使工業(yè)類(lèi)應用的量后續爆發(fā)起來(lái)，需要大的產(chǎn)能支持，ST也可以有很好的基礎來(lái)支撐。

　　小結

　　智能工業(yè)時(shí)代，MEMS的機會(huì )剛剛開(kāi)始，需要更高的性能和精度，滿(mǎn)足多種工業(yè)場(chǎng)景需求，這需要制造、測試/校正等技術(shù)的進(jìn)一步提升。擅長(cháng)大規模制造消費類(lèi)MEMS傳感器的ST已做好了進(jìn)軍工業(yè)的準備，例如進(jìn)一步拓展產(chǎn)品線(xiàn)，有效地控制成本，并作出了十年供貨承諾。