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近日,ST(意法半导体)在京举办MEMS传感器的新闻发布会,大中华暨南亚区模拟和MEMS产品部市场总监吴卫东先生介绍了ST MEMS的发展现状,及将向汽车和工业市场渗透的策略。
ST做了20年的MEMS 传感器
ST公司2016年营收接近70亿美元,是一家完整的半导体公司。在MEMS传感器方面,提供传感器和致动器(Actuator),优势是经过市场检验的制造技术,有大规模制造能力,有多传感器集成能力,集成市场领先的智能功能等。
在传感器集成和智能化方面,例如现在流行的微信计步,ST的传感器可直接告诉你走了多少步,无需再经过手机的处理器计算。
在致动器方面,有四大类产品及合作伙伴,例如压电致动器方面有poLight,超声波测距传感器方面有Chirp,微镜投影方面有MicroVision,MEMS扬声器方面有U-Sound公司正在做产品。值得一提的是,市场目前主要是MEMS麦克风,扬声器较少。MEMS扬声器的特点是可以做得更小,例如用于智能眼镜、智能手表、耳机等产品中。
就像阴阳八卦一样,传感器的应用也在周而复始地轮回。MEMS传感器起始于汽车和工业,但这十年真正推波助澜的是消费类电子。如今,MEMS的下一波浪潮有望重新回到汽车和工业。
ST现在主要做五类产品:光学防抖陀螺仪、加速度计+陀螺仪/6轴IMU模块、超低功耗加速度计、高精度压力传感器、加速度计+磁强计惯性测量单元。
在消费类应用中有很多成功案例,例如华为手机采用ST的内置OIS光学防抖传感器的6轴惯性测量单元,任天堂Switch主机和配件采用ST的6轴运动传感器,迪卡侬手表等可穿戴设备采用ST的MEMS器件,另有eMeet会议扬声器采用了MP34DT04TR数字麦克风等。
ST的拳头产品很多,例如手机用的第一代LSM6DS3和第二代LSM6DSL/M合计销量超过5.5亿。LSM6DSL/M是可始终运行的iNEMO 6轴惯性测量模块,在LGA-14 2.5x3x0.83mm封装内整合3D加速度计和3D陀螺仪,具有超低功耗和强大性能。
LIS2DW12是应用灵活的超低功耗3轴智能加速度计,适用于消费类电子,诸如物联网、穿戴和移动设备,特点是尺寸只有2x2x0.7mm,有编程功能。
在汽车应用方面,AIS2DW12是超低功耗3轴智能加速度计,用于无钥匙进入功能(PKE)。据IHS 2017年上半年市场报告,ST是第一大汽车非安全性应用MEMS厂商;在研发投入和研发热情的具体表现方面,2016年ST市场份额同比增长20%。
惯导系统中,符合车规的“3轴加速度计AIS328DQTR+3轴陀螺仪A3G4250DTR”组成了6轴惯性模块,可用于从原来的OBD(车载诊断系统)到现在的T-box(Telematics box)应用中,用于前装、后装或对汽车进行装机采集等。
下一代将追求更高精度
高性能取决于应用的需求。汽车应用里,汽车导航通常用GPS,MEMS惯性传感器作为辅助测量,以覆盖GPS的盲区。因此MEMS传感器就要有高精度,通常整个系统的精度要达到“米”级,也就是至少车辆、行人在你自己看得到的地方。这个米的级别并不是一个时间点,是累积的,因为传感器的挑战是参数会随着温度、时间而漂移,有很多参数影响它。自动驾驶对精度的要求更高,目前客户要求精度要在20厘米以内。
虚拟增强的实境感测约在10厘米以内。这就要求传感器有更高的精度和灵敏度。在VR领域,从Android 5.0开始规定了传感器的参数规格,甚至要对传感器做认证,可见传感器起着至关重要的作用。
提高精度的方法
提高精度容易吗?既容易也不容易。如果不考虑功耗,较容易得到,因为功耗提升后,计算能力可以增强。目前的挑战是,很多应用对功耗是非常在乎的,例如电池供电。
既然传感器那么重要,设计上是不是有质的改变或新的技术?从传感器原理来看,通常采用传感器精度衡量方法——阿伦方差(AVAR)。但做传感器产品时有一些物理的局限性不可规避。例如MEMS传感器里一部分是机械结构,它会老化,且会随着温度和时间会有变化。这些参数解释成电子的术语就是背景噪声、白噪声或者不稳定、随机的抖动。其控制方法要用生产或者矫正的方法来做。
*噪声。有本身机械结构产生的噪声;还有闪变噪声和高频噪声。高频噪声是传感器在应用时是数字输出,在任何电子线路里会有电磁耦合现象。因此在处理时,传感器厂商要有足够的经验帮助客户在算法上规避或抑制、消除掉这些噪声。
*稳定性。时间的稳定性毋庸置疑是解决老化,例如今天输入1出来100%,明天输入1出来99%,就要控制输入稳定性。温度的稳定性,指产品特性在0℃和50℃时肯定不一样,你要尽量在设计中尽量消除和平衡温度的影响。重复测试的稳定性,数据线路中如果输入1输出0,如果达不到0就是错。
*误差。测量没有百分之百的准确,因为它是模拟的(注:因为内部整个链路还是模拟的,信号产生源是模拟的。),需要考虑偏移、灵敏度、非线性误差(NL)、交叉轴误差(CX)。
那么如何提高精度?需要改善设计和制造工艺。在MEMS器件中,设计和制程只占了20%工作量,还有80%是测试和校准。这意味着同样一个MEMS传感器,如果测试、校准做得更精细的话,它完全可以从精度只有5%提升到1%甚至更低。
因为MEMS器件看起来输出的是数字,但里面是非常模拟的,甚至比模拟电路还模拟,因为里面有机械结构。在测试和校准方面你是采用一点测试还是三点测试、十点测试?是随时间调校还是只测一次?……这些方法都会影响到精度。
因此MEMS 传感器是比较独特的地方是精度与调校时间相关。例如消费类MEMS传感器的精度通常低一些,因为一天要保证出货100万片,产线、产能不太可能支撑每一个器件都去校准、测试,因为花的时间按秒来算,因此精度可以保证应用即可。同样的产品如果在测试上花更多的时间就是工业级的。更高一级是以小时来计。再高一级,一个芯片测试上百次,可以把传感器调校得非常精准,这可以用几星期来计算,精度就会不一样。因此按单位1的概念来计算,消费级是x10,工业级是x100,战略级x1000的概念。
ST目前所做的,是在消费类产品测试和校准方面有丰富的经验,甚至有很多专利技术。
例如运动MEMS传感器有三个关键元件——采用特殊的微机械加工技术的微型传感器,内置智能功能的专用ASIC电路,专用的封装及校准功能。
制造设备、测试校准设备里也有很多核心技术。ST经过多年积累,在测试和校正整个核心算法或流程方面有很大的积累。
看好汽车和工业
汽车是增长点。另外智慧工业是真正推动物联网应用的地方。
汽车和工业的特点是应用需求比消费类更强,生命周期长(注:不像消费电子,也许市场很大,但会很快退潮)。另外工作环境苛刻,目前还没有形成完整的体系,而且还是niche market(利基市场)。工业市场也许要十年才能起来,消费电子方面,过去ST的新产品2年更新一次,现在一年更新2次;而工业要长期供货。
在传感器方面,除了硬件,ST还有完整的软件解决方案。例如在设备检测和预知维护方面,过去马达保护是过流、过压等,你摸着烫了才发现出了问题,其实源头是振动,几个星期前就会有预兆,改善的方法是在旋转设备上安装位置传感器,定期接收传感器数据,并将实测数据与基准数据比较,实现预知性维护。
此外,ST传感器也有连接技术,可在新装制造设备(下图绿地)和现有制造设备上(下图棕地)实现物联网连接。
ST至今已出货130亿片MEMS。下一步希望从消费类扩展到汽车和工业应用,射频方面提供短距离到中距离(Sub-1GHz)的全覆盖。
精彩问答
*ST如何进军工业市场?
答:ST在消费类传感器已布局完整,还需要具体细化。例如在运动传感方面用于电机控制的前瞻性预测方面,需要增加软件等。
在提升精度方面,正通过校正测试,另外塑封改为陶瓷封装等。
关于物联网连接,ST RF有两大产品:蓝牙低功耗(BLE)芯片和Sub-1GHz芯片(法国Sixfox选ST作为唯一合作伙伴)。
实际上,关键技术ST都已具备,难点是怎样和客户一起做marketing(营销),例如和农业部和环保部去谈。新加坡政府正在评估检测大树是否倒了的方案,问题是谁来买单。共享单车方面,可以做检测脚蹬车的频率和力度等,正在找合作伙伴。
*为何只有ST在做MEMS扬声器?
答:ST有智能扬声器的制程,但系统及IP方面Usound很强,其技术难点是功率,加电的激励形成形变去推动空气。特点是比普通喇叭小,因此可用于智能眼镜、手表和耳机等产品。
*手机MEMS麦克风的趋势如何?
MEMS麦克风正从一两颗向三四颗发展。例如苹果6以上的手机都是4个麦克风,手机底端左右各一个主麦克风,手机顶端测距传感器旁边有一个辅麦克风,主要用于消除噪声;手机背面摄像头旁边有一辅麦克风,用于拍摄小视频的声音录制。四个麦克风需要大量软件算法以保持声音的一致性。
产品展示
eMeet公司的移动会议扬声器很有趣,据ST工作人员介绍,麦克风就像耳朵,为何有的5米之外说话还能听到,有的2米就不行了?是软硬件技术的综合,ST主要提供高精度的麦克风。那么为何4个麦克风?就像八爪鱼会议系统一样,聪明的麦克风会识别声源,谁说话波束就转向谁,因此是360°全方位拾音,同时避免了噪声干扰。
图:eMeet和华米手环
在手环展示环节,华米/新一代小米手环采用了ST的运动传感器。其实第一和第二代小米手环中也有ST的传感器,用于感知手腕位置是否水平的传感器(测心率时使用)。
图:ST有两种开发套件,可检测运动、加速度和磁力等。
图:ST蓝牙芯片也已被众多厂商采用,做成模块以方面开发者直接采用。
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