ST傳感器總經(jīng)理談MEMS經(jīng)驗及新產(chǎn)品動(dòng)向

隨著(zhù)新技術(shù)、新產(chǎn)品和5G的到來(lái)，MEMS的應用一直在延伸。下一代MEMS傳感器的特點(diǎn)是什么？在“2019慕尼黑上海電子展”期間，意法半導體（ST）模擬、MEMS及傳感器事業(yè)部副總裁，MEMS傳感器產(chǎn)品部總經(jīng)理Andrea ONETTI先生專(zhuān)程來(lái)到上海，接受了電子產(chǎn)品世界等媒體的采訪(fǎng)。

1  如何做好MEMS傳感器？

已有20年MEMS經(jīng)驗的ST公司認為主要有四點(diǎn)。

首先有自有工藝和充足的產(chǎn)能。例如，ST是擁有很大的自有產(chǎn)能的半導體公司，很大一部分MEMS傳感器的產(chǎn)能是自給的。這里有兩點(diǎn)非常關(guān)鍵：一是機械部分，ST完全擁有自己的產(chǎn)能；二是因為MEMS和傳感器不僅要提供感應功能，同時(shí)非常重要的一點(diǎn)是精度。要達到高精度，不僅靠封裝，還需要有校正工具，不同的校正技術(shù)可以直接體現出傳感器的精度和傳感器的優(yōu)良特性。因此在校正方面，ST也是完全有自己的校正技術(shù)。

其次是重視研發(fā)。ST 在MEMS方面的投入非常大，2018年約有145項專(zhuān)利。實(shí)際上，ST每年都有不同的新專(zhuān)利產(chǎn)生，涵蓋設計、應用和生產(chǎn)等方面。

再有，重視軟件投入。要把傳感器用好、體現出其性能，需要把軟件作為一種產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。ST的產(chǎn)品和軟件庫有150種以上。

最后，重視線(xiàn)上推廣。ST的客戶(hù)目前已達3萬(wàn)，數量巨大。為了使產(chǎn)品零距離地觸及到客戶(hù)，現在ST網(wǎng)站上有很多產(chǎn)品 和設計資源，以方便研發(fā)工程師索取。

基于以上措施，ST每天的產(chǎn)能可達600萬(wàn)片傳感器。在現實(shí)世界中，已經(jīng)累計出貨超過(guò)150億片的產(chǎn)品。在應用上，每2臺手機里就有1個(gè)ST的傳感器在里面；在汽車(chē)產(chǎn)品中，每3個(gè)車(chē)載導航儀中就有1個(gè)裝有ST的傳感器；通信設備、計算機及外設里，每2個(gè)DRAM中就有一顆ST的溫度傳感器。

2  傳感器的特點(diǎn)和發(fā)展走勢

從ST的角度看，工業(yè)和汽車(chē)是潛力很大的應用。ST已推出了相關(guān)產(chǎn)品，例如在工業(yè)類(lèi)應用中已推出了帶防水性能的壓力傳感器。

其次，消費類(lèi)電子、工業(yè)類(lèi)、汽車(chē)類(lèi)的相互之間的融合會(huì )越來(lái)越強。其實(shí)消費類(lèi)電子中，有很多新技術(shù)會(huì )首先被采用和專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)出來(lái)。隨著(zhù)融合的發(fā)展，消費類(lèi)世界里的傳感器會(huì )越來(lái)越多拓展到工業(yè)類(lèi)和汽車(chē)類(lèi)的應用。例如，ST的壓力防水傳感器就是從消費類(lèi)開(kāi)始，現在達到了更高規格，可以滿(mǎn)足工業(yè)類(lèi)規格的需求。

再有，多種傳感器融合，且智能化提升，拓寬了更多需求和更大價(jià)值。

最后，從始至終的高精度。這不僅意味著(zhù)在用的時(shí)候是高精度，而且在整個(gè)產(chǎn)品生命周期里也維持高精度的性能。因為傳感器會(huì )隨著(zhù)時(shí)間和溫度有一定的漂移，但ST等傳感器廠(chǎng)商希望傳感器可以真正達到從始至終的高性能保證。

3  在個(gè)人電子市場(chǎng)找到產(chǎn)品差異化

個(gè)人電子市場(chǎng)是MEMS的熱點(diǎn)應用領(lǐng)域，每家MEMS廠(chǎng)商都會(huì )根據自身特點(diǎn)找優(yōu)勢。例如ST有三方面優(yōu)勢：人工智能，振動(dòng)與聲音融合，震動(dòng)感應。

3.1  人工智能

傳感器最初是感知數據，發(fā)展到現在，傳感器已經(jīng)可以預知下一步，或者把數據采集回來(lái)后，上報的數據越來(lái)越精確。在結構上，基本傳感器的功能大家都是有的，即：通過(guò)數字處理進(jìn)行濾波、溫度補償達到更好的數據。再下一步，可以看到機器學(xué)習的功能加入，可以把原本需要在處理器里做的一些任務(wù)，在傳感器本體上就可以去實(shí)現，甚至其他傳感器也可以接入到這個(gè)傳感器里做一些融合功能。

例如，現在我們跑步或者做其他運動(dòng)，需要在智能手表上啟動(dòng)相應的模式，選出是跑步、競走或是游泳。而把AI功能做進(jìn)去以后就不用選擇運動(dòng)模式了，因為通過(guò)人工智能（AI）、機器學(xué)習模式的算法，會(huì )知道你今天在什么狀態(tài)，例如會(huì )知道你的手表、手機是放在桌子上還是在口袋里，甚至是放在上衣的左邊還是右邊。這是因為有很多數據模型，這些數據模型經(jīng)過(guò)處理后，就可以判斷出你是在什么樣的姿態(tài)。這一切智能的實(shí)現，前提要保證數據質(zhì)量高、聽(tīng)得清晰、功耗足夠低、尺寸足夠小，這樣終端產(chǎn)品才可能承受得了。所以，未來(lái)的智能化傳感器將有一定的數據處理功能、一定的判斷功能，從而可以把在處理器里做的100%的工作降為20%~30%的工作量。

具體場(chǎng)景如上圖，未來(lái)的傳感器可以判斷你在什么樣的模式，是走路還是騎車(chē)？你做運動(dòng)時(shí)，它就知道你進(jìn)入了哪個(gè)環(huán)節，不需要人為觸發(fā)。有時(shí)候你會(huì )不小心碰到，比如誤觸發(fā)等，傳感器可以根據實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測，自動(dòng)規避掉錯誤發(fā)生。甚至現在有客戶(hù)在做這樣的功能：當你坐飛機時(shí)，會(huì )提醒你處在飛行模式，因此它已經(jīng)知道你起飛了，會(huì )直接切換到飛行模式，不需要人為再做任何操作。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的功能，但需要傳感器具備智能的能力。

3.2  振動(dòng)和聲音的算法融合

2019年無(wú)線(xiàn)耳機市場(chǎng)很火爆，相信2019年的增長(cháng)勢頭會(huì )更強勁。通常無(wú)線(xiàn)耳機里會(huì )有一個(gè)加速度傳感器，因為你用手敲它，就可以做一些功能控制。更進(jìn)一步，通過(guò)麥克風(fēng)和加速度傳感器的融合，可以使耳機分辨你的聲音，濾去周邊的雜音。

ST已開(kāi)發(fā)出這種加速度傳感器（如下圖），可以檢測骨振動(dòng)，由此可以知道你在說(shuō)話(huà)，和麥克風(fēng)融合，即把這兩個(gè)傳感器的信號融合在一起，這樣即使你在嘈雜環(huán)境下說(shuō)話(huà)，這個(gè)產(chǎn)品只會(huì )把你說(shuō)話(huà)的聲音采集下來(lái)，會(huì )把后臺背景噪音通過(guò)算法過(guò)濾掉，不管你在地鐵里還是大街上，還是房間里，對方聽(tīng)到的都是很清楚的聲音。

這種融合創(chuàng )新帶動(dòng)了加速度傳感器的應用市場(chǎng)。因為加速度傳感器在過(guò)去幾年已經(jīng)達到相對穩定的市場(chǎng)需求的狀態(tài)，一年全球需求量是15億顆，但2018年因為有了這樣的產(chǎn)品，增加了三四億顆的需求量。

實(shí)際上，這只是消費電子中一個(gè)融合的案例，還可以找到更多不同傳感器間配合應用的案例。在工業(yè)類(lèi)、汽車(chē)電子類(lèi)中，不同的傳感器把聲學(xué)、光學(xué)、運動(dòng)等融合在一起，也可以達到創(chuàng )新型的開(kāi)發(fā)。

3.3  撞擊檢測

在整個(gè)運輸、使用中加入檢測功能，可以防止一些潛在危險發(fā)生。

那么，為什么撞擊檢測是未來(lái)的一個(gè)趨勢和潛在市場(chǎng)？鋰電池是顯而易見(jiàn)的應用，因為鋰電池在多次撞擊狀態(tài)下會(huì )發(fā)生極端情形（如下圖），特別是當它撞擊時(shí)還在進(jìn)行大電流充電時(shí)。新型傳感器可以檢測物體的撞擊，這種撞擊不但是事件本身，甚至隨著(zhù)傳感器可以給到的信息更具體、更準確，可以演算出撞擊的能力和撞擊時(shí)的狀態(tài)，這些都可以給整個(gè)系統后臺電池的安全性或者其他的一些信息。

此外，還可用于貴重物品運輸時(shí)的狀態(tài)監測。

4   ST其他亮點(diǎn)產(chǎn)品

ST有豐富的MEMS產(chǎn)品（如下圖）。每類(lèi)圖標所示的產(chǎn)品所需求的工藝和校正能力都不同。ST起家與消費電子，擅長(cháng)大規模制造，現在正在把這種經(jīng)驗移植到富有潛力的汽車(chē)和工業(yè)市場(chǎng)。

圖 ST MEMS的近二十年發(fā)展歷程

    亮點(diǎn)產(chǎn)品有防水型氣壓計（如下圖）。最近幾年防水類(lèi)產(chǎn)品，諸如手表、手機中有一些型號已經(jīng)開(kāi)始廣泛應用。2017年ST和一家做電子煙的美國客戶(hù)合作，把電子煙技術(shù)提升，配合壓力傳感器應用，可以讓電子煙的特性完全具備傳統煙草的特性，最主要的功能是尼古丁的提取量。從專(zhuān)業(yè)人士分析來(lái)講，讓吸煙者真正有吸煙的感受。在這種環(huán)境下，相對傳統電子產(chǎn)品來(lái)講是不同的，它有煙、有潮濕、有顆粒的問(wèn)題。ST防水氣壓計的出現，就可以在這種電子煙產(chǎn)品中滿(mǎn)足各方面規格的需求。

    傳感器在工業(yè)類(lèi)應用中，可以看到越來(lái)越多的需求是在建筑物檢測。去年意大利發(fā)生了一起橋梁倒塌，原因是混凝土建筑或房屋建筑隨著(zhù)時(shí)間推移，幾十年后會(huì )有自然損耗，會(huì )存在一定的風(fēng)險系數。所以，工業(yè)類(lèi)傳感器，像高精度傾斜器，可以幫助計量房屋老化程度，是否存在安全隱患。這使得橋梁檢測等，特別是隨著(zhù)連接技術(shù)更加成熟，可以帶給社會(huì )整體安全一個(gè)很好的體現。

    在智能駕駛方面，MEMS傳感器可以做的是慣性導航精度和準度，而且只有慣性導航可以來(lái)實(shí)現。從客觀(guān)的情形要考慮到，隧道里什么信號都沒(méi)有，智能通過(guò)慣性導航系統對車(chē)輛達到實(shí)時(shí)檢測和安全實(shí)現。簡(jiǎn)單來(lái)看，在30秒中要達到20厘米精度停車(chē)或者制動(dòng)的精準度，一是要有很高精度的傳感器，二是在車(chē)規方面要達到精度和制造能量。Andrea ONETTI先生透露，2019年ST在國內的一家合作伙伴，已達到了L3等級的產(chǎn)品有上百萬(wàn)的出貨。

5  結論

      ST有近二十年的MEMS傳感器經(jīng)驗。在消費類(lèi)傳感器市場(chǎng)增長(cháng)趨緩的情況下，用多種傳感器融合的方法來(lái)拓寬傳感器的應用；同時(shí)利用在消費類(lèi)傳感器方面的成功經(jīng)驗，進(jìn)行改良優(yōu)化和提高校正精度，向汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)軍。ST的原生優(yōu)勢是批量制造能力，有自己的工廠(chǎng)和完整的校正工藝，及雙產(chǎn)能保證。