物聯(lián)網(wǎng)領域的先進MEMS傳感器

　　第五屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2016產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會

　　時間：2016.01.14 下午

　　地點：深圳南山軟件創(chuàng)業(yè)基地 IC咖啡

　　演講主題：物聯(lián)網(wǎng)領域的先進MEMS傳感器

　　演講人：趙延輝 - ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應用經(jīng)理

　　趙延輝先生現(xiàn)任亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應用經(jīng)理，主要負責ADI現(xiàn)有的MEMS加速度計和陀螺儀產(chǎn)品在亞太地區(qū)的推廣和應用，以及新產(chǎn)品的定義。他于2008年1月獲得北京航空航天大學通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士學位，而后加入ADI中國技術(shù)支持中心負責數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、運算放大器、無線、電源以及微機械IC的技術(shù)支持工作，2010年轉(zhuǎn)到MEMS產(chǎn)品線，開始專注于微機電產(chǎn)品的開發(fā)應用。他已先后在國內(nèi)外期刊雜志上發(fā)表論文十余篇，完成各種參考設計十余個，如碳氫比測井單芯傳輸設計等等。下面有請趙延輝先生。

　　趙延輝：謝謝Melody，對前沿市場的把握比我還熟悉，包括一些客戶信息。

　　今天跟各位行業(yè)專家介紹一下MEMS傳感器技術(shù)在IoT領域里面已經(jīng)有的一些成功應用案例，還有是針對現(xiàn)在快速發(fā)展的IoT市場，我們的MEMS產(chǎn)品都有哪些策略。我也會分享一下個人對MEMS傳感器的發(fā)展前景，包括它存在的一些技術(shù)瓶頸或者是技術(shù)挑戰(zhàn)的看法，大家如果有一些什么想法以及和我不同的觀點，大家可以隨時叫停，我們可以進行一個探討。

　　現(xiàn)在大家認為IoT市場有很多叫法，有的叫工業(yè)4.0，有的叫IoT，有的叫IoE。我們認為是萬物互聯(lián)，它的潛在的市場遠大于我們今天所說的手機或者我們大家現(xiàn)在所了解的可穿戴。也就是說，現(xiàn)在大家看到的很多可穿戴可能都是我們身上佩戴的手環(huán)、手表、手機或者是老人的體征監(jiān)測、跌倒保護等等。即使是可穿戴這個領域，它也是非常廣泛的。因為我們介紹的這些都是人的穿戴，你可以想象一下，實際上動物可能也有許多可穿戴產(chǎn)品。比如說我們現(xiàn)在有一個應用案例，就是監(jiān)測奶牛的運動，通過奶牛的運動判斷它什么時候進入發(fā)情期，判斷它什么時候生病了需要隔離。另外還可以做寵物的運動監(jiān)測，包括家里面的小貓、小狗。包括背了一個很貴重的LV包，這些物品也需要這種可穿戴設備。所以在IoT市場上來說，MEMS的發(fā)展前景還是非常樂觀的。

　　ADI在這一塊也會有持續(xù)的投入，就像剛才介紹的，我們傳統(tǒng)的MEMS ADI是先從汽車，后面主要在工業(yè)市場。實際上ADI的MEMS的產(chǎn)品里面，在消費品和可穿戴里面也是有自己的特色的。為什么之前大家了解的不是太多?因為ADI的IC給大家的第一印象是可靠性非常好，性能也很好，在業(yè)界的口碑非常不錯，但是它的價格很高，是不是能夠用在這種可穿戴產(chǎn)品里面，對價格敏感的市場，比如說小米手環(huán)剛發(fā)布79，現(xiàn)在賣到69，它能用ADI的東西嗎?為什么一個69的手環(huán)一定選擇ADI的傳感器，而不選擇價格是ADI三分之一或者五分之一的傳感器?你可以看到官網(wǎng)的賣點，他可以保證產(chǎn)品一個月不用充電?？赡苣愦饕粋€蘋果的手表用不了一天就要充電，這是一個非常大的痛點。所以小米定義之初就要解決這個痛點。它的產(chǎn)品在測試的時候，就是說如果不考慮振子頻繁振動的情況下，持續(xù)使用時間可以達到三個月，所以保守的說可以達到用戶一個月不用充電。這個時候能夠幫助他實現(xiàn)的愿望的就是低功耗的MEMS才能幫助他實現(xiàn)。我們在細分的可穿戴市場里面，或者IoT、IoE市場里面發(fā)力，而不是技術(shù)門檻相對較低的、完全紅海的，比如說類似手機這種市場，這是在IoT市場MEMS的定位。

　　簡單介紹一下ADI公司，實際上ADI公司已經(jīng)是有50年歷史了，今年應該是第51年的年頭了，這在IC領域也算是一個傳奇了，有這么長的生命周期。你可以看到ADI主要的生意也確實來自于我們的工業(yè)，我們現(xiàn)在的占有率也有越來越高的比重，主要是因為在一些特殊領域有一些特殊的功耗或者要求，這時候也會考慮到應用ADI的各種各樣的傳感器或者ADC一類的。

　　介紹一下MEMS的技術(shù)，ADI是最早投入MEMS研發(fā)的公司。我們在1987年的時候就有投入MEMS的研發(fā)。而后，到2002年的時候，我們發(fā)布了第一顆iMEMS的產(chǎn)品，就是這些(見PPT)是集成在一個晶片上，這是ADI最先實現(xiàn)的技術(shù)，并且在2002年的時候我們MEMS的出口量就達到了100million。2014年ADI的MEMS已經(jīng)有了28年的歷史，實現(xiàn)了很多業(yè)界的第一這樣的傳奇。包括2011年，ADI發(fā)布了第一顆能夠支持到175度高溫的MEMS傳感器，直到2016年的1月份，ADI還是目前唯一一家能夠做到支持175度高溫傳感器的廠商。我們也發(fā)明了小米手環(huán)里面應用的MEMS產(chǎn)品，大概三四年的時間過去了，我們現(xiàn)在這個功耗目前為止依然是業(yè)界最低的，我們后面還會發(fā)布更低功耗的一系列產(chǎn)品來滿足IoT市場的需求。當然，我們也有很多高集成的。剛才吃飯的時候聊到ADI有沒有集成的解決方案，其實針對不同市場，客戶拿到這個傳感器就是單芯片的系統(tǒng)式的解決方案。比如說我做工業(yè)的機械振動分析，可能一個傳感器輸出是一個原始數(shù)據(jù)，我希望你對這個傳感器輸出進行數(shù)字化，并且加上算法，算法的結(jié)果代表什么意義，你可以告訴我，針對這一塊市場ADI也有一系列的產(chǎn)品去做支持。到了2013年的時候ADI的MEMS出貨量到達1Billion，我們也持續(xù)投入，推出了很多傳感器，后面ADI無論在研發(fā)上還是在兼并購上，會推出更多的MEMS產(chǎn)品。

　　傳感器市場是ADI非常重要的一個環(huán)節(jié)，因為我們認為隨著IoT市場的發(fā)展，對傳感器的需求一定會是越來越多的，因為我們自然界中的信號全都是模擬的。你怎么才能實現(xiàn)萬物互聯(lián)?一個萬物互聯(lián)簡單的信號鏈就是把我們身邊的信號，或者你的體征信號，比如說早晨起來刷牙，如果一個智能牙刷告訴你第幾顆牙的位置上有出現(xiàn)齲齒的影像，你可能需要看醫(yī)生或者需要做一個檢查了;假如說冰箱使用一段時間以后，會自動檢測到你常用的一些物品沒有了或者量不夠了，根據(jù)你使用的頻率需求滿足不了你了，是不是需要我通過互聯(lián)網(wǎng)下單，在什么時候給你送過來。所有的這些信息都是敏感的自然界的信號，都是模擬的，所以要想把它們聯(lián)網(wǎng)，一定是通過數(shù)字算法和云處理的過程，最重要的核心就是各式各樣的傳感器。所以我們認為，一定是不缺少傳感器市場的這樣一個機會。

　　當然了，客戶對于傳感器市場的需求也是五花八門或者多種多樣的。比如說有一些可穿戴需要功耗非常的低，或者我認為你是零功耗的。比方說前面介紹到的高圓圓聯(lián)名發(fā)布的產(chǎn)品，實際上是預配的，非常小，需要所有元器件的體積非常小、非常薄，這時候就需要對你提出很高的要求。有可能家里面所有的家電、所有的門窗都要放一個MEMS傳感器。比如說我一推門進來，家里面的媒體產(chǎn)品打開，晚上起來還可以自動把夜燈打開，這個市場需求非常大，需要的功能又很簡單，這時候需要的產(chǎn)品價格肯定要足夠低。

　　如果客戶做奶牛的監(jiān)測，每一個奶牛的脖子上都戴一個MEMS傳感器。給人佩戴可能比較容易拆下來充電，但是佩戴在動物身上，一個農(nóng)場主管理幾千、上萬的奶牛，你讓他正常做電池的拆卸和充電，這是不現(xiàn)實的。2013年的時候中國通過了薄膜切斷型燃氣表的功能，如果實現(xiàn)五級以上的地震，要求燃氣表要能夠自動切斷，防止二次災害的發(fā)生。比如我們裝修房子或者怎么樣，燃氣表不是讓用戶動的，換電池可能都是有燃氣公司上門的。所有這些需要里面都希望你的產(chǎn)品永遠不要換電池。這頭奶牛直到死掉，或者燃氣表下一次更新?lián)Q代之前都不需要換電池，否則人力成本和時間成本太高了，對于長期的可靠性、漂移和功耗都提出很高的要求。

　　我們圖上用綠色標注(見PPT)的是我們認為已經(jīng)比較好的或者基本達到客戶需求的，比如說大疆的無人機，它為什么選擇ADI的產(chǎn)品?大家可能認為它是消費類的產(chǎn)品，雖然售價偏貴，但是也是消費類產(chǎn)品。它為什么選擇MEMS?實際上也是因為安全和可靠。我們畫虛線的四部分是我們努力的方向，也就是ADI傳感器努力的方向，我們會朝著這個方向去努力，滿足不同客戶的需求。當然我們也說了，如果滿足所有的這些東西，可能靠ADI一家之力也比較難實現(xiàn)，我們也會尋求和業(yè)界的一些合作伙伴去合作，達到這樣的一些目標。

　　這是2014年的市場調(diào)研(見PPT)，你可以發(fā)現(xiàn)未來幾年內(nèi)MEMS傳感器增長最快的一個市場是醫(yī)療。醫(yī)療這個市場主要是靠什么帶動的呢?實際上主要是靠Wearable。在這個市場里面最常用的是加速服務器，現(xiàn)在最大量的就是這個，它的也是持續(xù)穩(wěn)定增長最快的傳感器。

　　這是小米手環(huán)的拆解報告(見PPT)，它就是典型的Wearable的傳感器。9月17號發(fā)布會的時候，小米手環(huán)的出貨量已經(jīng)超過一千萬。實際上他們的產(chǎn)品出貨在2014年9月份的時候開始接受大量的預定，基本上不到一年的時間實現(xiàn)了超過一千萬枚的出貨量，所以我們可以看到可穿戴市場增長的速度是非常迅猛的。

　　前面我也說到了，除了大家熟悉的把小米手環(huán)這種叫做生命體征監(jiān)測以外，實際上Wearable的市場，也就是來輔助監(jiān)測這個領域方面的，比如說這個是美軍士兵身上佩戴的(見PPT)，他每天佩戴三個這種，比如說出去實行任務，有爆炸的沖擊有什么損害，士兵是不是需要馬上就醫(yī)，所有這些都可以通過傳感器自動實現(xiàn)智能監(jiān)測，并把這個信息發(fā)到網(wǎng)絡中心去做一個分析。這是我本人在客戶那里拍的照片(見PPT)，這個是跆拳道和拳擊運動員訓練時候傳的衣服。他們用了24個傳感器佩戴在衣服上不同的位置，兩個人打的時候，這個力度是從什么方向來的力，都可以通過無線傳輸在電腦上進行分析，達到智能訓練的目的。還有前面說到的奶牛、寵物，還有防丟，還有極限運動在頭盔上佩戴的傳感器。比如說現(xiàn)在美國運動學會有一個要求，像冰球，身體對抗很激烈的一些比賽，假如說腦部受到了重擊，即使運動員堅持說沒有事情，但是傳感器可能判斷說對你身體有潛在威脅，傳感器告訴你必須下場休息了。這是我們平常大家接觸不是特別多的，但是所有這些點都會是MEMS潛在的增長點。

　　為什么ADI在這些產(chǎn)品里面贏得了市場份額，或者說在我們的售價相對比較高的時候選擇ADI的MEMS傳感器?總結(jié)主要有三點：第一是功耗;第二是精度;第三是尺寸，正是這三點的存在才讓我們贏得了市場。

　　先說一下功耗，我們的ADXL362還是目前業(yè)界功耗最低的產(chǎn)品。比如說做人體的監(jiān)測，我們的功耗只有1.8μA，這個功耗是市場上最好的。我們知道一秒鐘采樣一個點，我怎么有可能看出人體的復雜運動，比如說我在跑步，我可能一秒鐘邁五步，你一秒鐘才采一個點，是沒有辦法做分析的。所以你要做分析，一定要有這么高的采集率，這時候我們功耗是最低的。如果產(chǎn)品不用的時候，比如說待機的時候，我們的產(chǎn)品也是功率很低的。比如說美國大兵頭盔的功耗可能只有270 nA，如果他拿回來放在架子上，傳感器會監(jiān)測到你沒有用，自動把電源切斷。他可以做一個電源開關，通過運動還是靜止實現(xiàn)開關。我們傳感器只需要270nA。用我們的器件去實現(xiàn)運動開關的功能，這樣的電池可以支持器件工作93年，所以功耗是非常低的。

　　我們還會考慮系統(tǒng)的功耗，一般的功耗主要消耗于MCU、藍牙、處理器。我們內(nèi)置一些濾波器，對于敲擊桌面或者我不想讓器件在規(guī)律的運動之前對MCU進行觸發(fā)喚醒，這些在器件里面都有實現(xiàn)，這樣可以幫助客戶實現(xiàn)一個系統(tǒng)的低功耗。

　　第二，精度。相對高端的可穿戴選擇我們MEMS傳感器的原因就是精度。假如說你戴上這個產(chǎn)品坐飛機做洲際旅行，比如說你在飛機上不可能有很大的運動量，但是你一下飛機這個手環(huán)就顯示你走了一千多步，這就是由于傳感器精度問題造成的。為什么傳感器在你不希望記錄的情況下依然記錄了呢?因為我們ADIS16360之前，所有的MEMS傳感器為了實現(xiàn)低功耗，他們用了一種周期采樣的技術(shù)。周期采樣怎么實現(xiàn)低功耗呢?比如說我的傳感器、我的ADC，你的前端的帶寬比如說是固定的800赫茲，一定是2倍的采樣率才可以，要求信號不會有混疊，然后信號才能進一步的做濾波。隨著系統(tǒng)的發(fā)展，需要傳感器的功耗越來越低，大家很快想到的一個解決辦法就是用這個技術(shù)，假如你用采樣技術(shù)，整個ADC和模擬前端只是10秒鐘采集一次，剩下的就把系統(tǒng)關掉，問題是你能進來的信號可能超過100赫茲了，超過100赫茲的信號都會進來。因為你的采樣率比較低，就采樣成低頻了，比如說傳感器采出來的就已經(jīng)是一個低頻，你的算法就認為這是一個規(guī)律的低頻運動，坐在飛機上也能計步，一個小時步行幾千步，實際上只是飛機高頻的振蕩，它就給你計步了。如果你的傳感器對你的高頻濾波不能很好的處理的話，你的傳感器不能實現(xiàn)對高頻信號濾除的干擾。之前也都會有混疊的問題，在ADIS16362以后的傳感器，ADI已經(jīng)解決了這個問題，這是我們在可穿戴這一塊精度上非常重要的一點。

　　第三，尺寸。這個很容易理解了，比如說頭盔上佩戴的和裝在護欄上的，這也是國內(nèi)的一個項目(見PPT)，裝在護欄上，如果車輛碰撞了都知道哪一塊出現(xiàn)碰撞，這都需要尺寸非常小，所以對尺寸上也是有很高的要求。

　　這是典型的IoT的信號量，我想大家都非常的熟悉，前面是傳感器的信號傳感，后面是信號處理，再通過無線傳輸，在云端進行分析處理，然后給客戶進行反饋?，F(xiàn)在越來越多客戶說，能不能把所有這些都集成在一個器件里面去做，有沒有廠商做這樣的一些想法或者在這里面有一些投入研發(fā)。我們可以告訴你，ADI怎么樣去實現(xiàn)在IoT市場里面的價值?現(xiàn)在傳統(tǒng)的傳感器市場，一般是傳感器提供一個原始數(shù)據(jù)，我們的傳感器會做越來越多的上層的處理，放到我們的單芯片里面，包括數(shù)據(jù)的處理、算法的處理，包括處理的結(jié)果代表什么意義。我們有一條產(chǎn)品線，我們叫Core sensor、Enhanced sensors，我們有專門的一條線，你拿到之后就可以使用了。

　　介紹一下這條線里面典型的產(chǎn)品。第一個是做振動分析的，比如說我們怎么用MEMS實現(xiàn)機械的振動分析?現(xiàn)在大家都知道在深圳這邊有很多的手機生產(chǎn)廠，大家都越來越寄托于機械化，用機器人取代人力。尤其你看最后一步，給主板打固定的螺釘，然后裝上外殼。如果打螺釘?shù)臋C器出現(xiàn)任何故障，這個螺釘打偏了，整個主板就廢了，而且你還不是馬上及時發(fā)現(xiàn)的，所以流水線作業(yè)會造成大量財產(chǎn)的損失。過去傳統(tǒng)的解決方法，比如說這個東西使用壽命一年，我現(xiàn)在半年要換，不會出現(xiàn)問題，或者到半年了每天都進行巡檢，看有沒有問題?，F(xiàn)在如果有一個傳感器在機器里面，如果機器要發(fā)生異常了，你及時告訴我，我不需要去巡檢，我不需要這個東西還沒有壞的時候就去換，這都可以通過MEMS傳感器實現(xiàn)。正常情況下，這個機器正常運行，可能有一個頻率的輸出，可能是單一的，一旦有任何異常，比如說螺絲松動或者零件老化，可能會出現(xiàn)一些高頻的波，我們就定制了這傳感器，我們把頻率分析全都做到一個器件里面去，客戶通過端口就可以了。你做好頻率分析了很好，但是我不想到你的近端用液晶顯示或者到你操作室里面看，我希望你用無線傳到我們的操控這里，所以我們又加上了無線傳輸?shù)墓δ?，也就是我們提供一個母板，一個母板可以帶六個子板，六個機房的都可以傳到這里?？蛻裟玫竭@個系統(tǒng)，通過這個接口就可以捕捉所有的信息。

　　這個ADIS16480是另外一個例子(見PPT)，必須說大家熟悉的機器人、無人機，檢測航行的姿態(tài)，比如說飛行的速度和飛行的距離等等。有很多客戶做系統(tǒng)的，可能對這一塊不了解，問能不能把所有傳感器做到一起，并且把算法集成，我們ADIS16480就做到這一點，也是為了滿足不同客戶的需求。

　　個人認為IoT市場或者MEMS市場的發(fā)展前景，最早MEMS是從汽車，大家熟知的任天堂的搖桿游戲，再后來到電話，再到后面的手環(huán)，到萬物互聯(lián)的時候一定是爆發(fā)式的增長。對于MEMS技術(shù)來說帶來了哪些最主要的挑戰(zhàn)?哪些是ADI的發(fā)展方向，去滿足這些挑戰(zhàn)呢?第一是功耗，就像我前面舉到的例子，很多場景下可能不是需要使用一年，可能需要使用五年、十年甚至更長時間，所以就要求功耗非常低。比如說監(jiān)測地震的，加速器必須持續(xù)工作，一旦檢測到振動才會觸發(fā)，所以要求前端傳感器需要低功耗?？赡艽蠹矣X得我們今天手環(huán)、手表的功能還是太單一了，如果有一天我們的手表可以實現(xiàn)智能的導航，我的手表可以記錄你在地下車庫什么地方下車，還可以導航讓你從商場準確的走到車旁邊，但是它對傳感器的需求就不僅僅是MEMS的加速服務器，可能需要陀螺儀和磁力器，所有的都需要做到低功耗，這就是對MEMS低功耗的挑戰(zhàn)。它的難點主要是在傳感器和設計上面都需要有技術(shù)的核心才能達到這樣一個市場的需求，尤其是對于陀螺儀來說，目前的陀螺儀都是毫安級的，市場的需求是要求降低到微安級。

　　第二個是市場需要MEMS的傳感器越來越小、越來越薄，這樣就可以把它用到奢侈的珠寶、隱藏的防爆的產(chǎn)品里面，甚至我們的信用卡里面，這些都要求MEMS夠小、夠薄。問題是，一旦MEMS做小做薄了以后，它對工藝的要求是非?？量痰?，因為MEMS和其他的產(chǎn)品不一樣，對外面的熱因力和集成因力要求非常高，這對MEMS工藝的呈現(xiàn)提出非常高的要求，也是MEMS產(chǎn)品的發(fā)展方向，有是ADI的MEMS產(chǎn)品關注的方向。

　　再往后是高集成度的，比如說三軸、四軸、六軸的，甚至九軸之后，我們要集成更多系統(tǒng)的程序進去，如果小體積的東西裝的東西越多，一定對工藝提出挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在市場上MEMS的工藝是6寸、8寸的，可以預見，兩年之內(nèi)一定有14寸的MEMS的工藝出現(xiàn)。今天MEMS的工藝或者說這個技術(shù)，往后一定會有SIP的技術(shù)用到這個MEMS里面，這都是實現(xiàn)高集成度的市場需求。

　　最后，介紹一下ADI的MEMS，也就是我們在IoT市場里面現(xiàn)在已有的和后面會持續(xù)發(fā)力的典型應用。比如說前兩年國內(nèi)有一個火災事故，有兩個救火員進入火場之后因為找不到回來的路而犧牲了。你想一下，如果他們有這個東西，可以在沒有GPS的情況下自動記錄你的運動軌跡，指導你在這個軌跡安全返回，就不會有這樣的事發(fā)生?，F(xiàn)在我們的MEMS傳感器也在精度方面支持，或者說我們已經(jīng)有一些客戶，包括大家剛才看到的宣傳片，基于MEMS的傳感器已經(jīng)有一些成功的應用了。由于時間關系，這里面各種各樣的應用不一一贅述了。