ST MEMS的下一波發(fā)展機會：從消費轉(zhuǎn)向汽車和工業(yè)

　　近日，ST(意法半導(dǎo)體)在京舉辦MEMS傳感器的新聞發(fā)布會，大中華暨南亞區(qū)模擬和MEMS產(chǎn)品部市場總監(jiān)吳衛(wèi)東先生介紹了ST?MEMS的發(fā)展現(xiàn)狀，及將向汽車和工業(yè)市場滲透的策略。

　　ST做了20年的MEMS?傳感器

　　ST公司2016年營收接近70億美元，是一家完整的半導(dǎo)體公司。在MEMS傳感器方面，提供傳感器和致動器(Actuator)，優(yōu)勢是經(jīng)過市場檢驗的制造技術(shù)，有大規(guī)模制造能力，有多傳感器集成能力，集成市場領(lǐng)先的智能功能等。

　　在傳感器集成和智能化方面，例如現(xiàn)在流行的微信計步，ST的傳感器可直接告訴你走了多少步，無需再經(jīng)過手機的處理器計算。

　　在致動器方面，有四大類產(chǎn)品及合作伙伴，例如壓電致動器方面有poLight，超聲波測距傳感器方面有Chirp，微鏡投影方面有MicroVision，MEMS揚聲器方面有U-Sound公司正在做產(chǎn)品。值得一提的是，市場目前主要是MEMS麥克風(fēng)，揚聲器較少。MEMS揚聲器的特點是可以做得更小，例如用于智能眼鏡、智能手表、耳機等產(chǎn)品中。

　　就像陰陽八卦一樣，傳感器的應(yīng)用也在周而復(fù)始地輪回。MEMS傳感器起始于汽車和工業(yè)，但這十年真正推波助瀾的是消費類電子。如今，MEMS的下一波浪潮有望重新回到汽車和工業(yè)。

　　ST現(xiàn)在主要做五類產(chǎn)品：光學(xué)防抖陀螺儀、加速度計+陀螺儀/6軸IMU模塊、超低功耗加速度計、高精度壓力傳感器、加速度計+磁強計慣性測量單元。

　　在消費類應(yīng)用中有很多成功案例，例如華為手機采用ST的內(nèi)置OIS光學(xué)防抖傳感器的6軸慣性測量單元，任天堂Switch主機和配件采用ST的6軸運動傳感器，迪卡儂手表等可穿戴設(shè)備采用ST的MEMS器件，另有eMeet會議揚聲器采用了MP34DT04TR數(shù)字麥克風(fēng)等。

　　ST的拳頭產(chǎn)品很多，例如手機用的第一代LSM6DS3和第二代LSM6DSL/M合計銷量超過5.5億。LSM6DSL/M是可始終運行的iNEMO?6軸慣性測量模塊，在LGA-14?2.5x3x0.83mm封裝內(nèi)整合3D加速度計和3D陀螺儀，具有超低功耗和強大性能。

　　LIS2DW12是應(yīng)用靈活的超低功耗3軸智能加速度計，適用于消費類電子，諸如物聯(lián)網(wǎng)、穿戴和移動設(shè)備，特點是尺寸只有2x2x0.7mm，有編程功能。

　　在汽車應(yīng)用方面，AIS2DW12是超低功耗3軸智能加速度計，用于無鑰匙進入功能(PKE)。據(jù)IHS?2017年上半年市場報告，ST是第一大汽車非安全性應(yīng)用MEMS廠商;在研發(fā)投入和研發(fā)熱情的具體表現(xiàn)方面，2016年ST市場份額同比增長20%。

　　慣導(dǎo)系統(tǒng)中，符合車規(guī)的“3軸加速度計AIS328DQTR+3軸陀螺儀A3G4250DTR”組成了6軸慣性模塊，可用于從原來的OBD(車載診斷系統(tǒng))到現(xiàn)在的T-box(Telematics?box)應(yīng)用中，用于前裝、后裝或?qū)ζ囘M行裝機采集等。

　　新應(yīng)用需要更高精度

　　高性能取決于應(yīng)用的需求。汽車應(yīng)用里，汽車導(dǎo)航通常用GPS，MEMS慣性傳感器作為輔助測量，以覆蓋GPS的盲區(qū)。因此MEMS傳感器就要有高精度，通常整個系統(tǒng)的精度要達到“米”級，也就是至少車輛、行人在你自己看得到的地方。這個米的級別并不是一個時間點，是累積的，因為傳感器的挑戰(zhàn)是參數(shù)會隨著溫度、時間而漂移，有很多參數(shù)影響它。自動駕駛對精度的要求更高，目前客戶要求精度要在20厘米以內(nèi)。

　　虛擬增強的實境感測約在10厘米以內(nèi)。這就要求傳感器有更高的精度和靈敏度。在虛擬增強的實境領(lǐng)域，從Android?5.0開始規(guī)定了傳感器的參數(shù)規(guī)格，甚至要對傳感器做認證，可見傳感器起著至關(guān)重要的作用。

　　提高MEMS傳感器精度的方法

　　提高精度容易嗎?答案是既容易也不容易。如果不考慮功耗，較容易得到，因為功耗提升后，計算能力可以增強。目前的挑戰(zhàn)是，很多應(yīng)用對功耗是非常在乎的，例如電池供電。

　　既然傳感器那么重要，設(shè)計上是不是有質(zhì)的改變或新的技術(shù)?從傳感器原理來看，通常采用著名的傳感器精度衡量方法——阿倫方差(AVAR)。但做傳感器產(chǎn)品時有一些物理的局限性不可規(guī)避。例如MEMS傳感器里一部分是機械結(jié)構(gòu)，它會老化，且會隨著溫度和時間會有變化。這些參數(shù)解釋成電子的術(shù)語就是背景噪聲、白噪聲或者不穩(wěn)定、隨機的抖動。其控制方法要用生產(chǎn)或者矯正的方法來做。

　　*噪聲。有本身機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲;還有閃變噪聲和高頻噪聲。高頻噪聲是傳感器在應(yīng)用時是數(shù)字輸出，在任何電子線路里會有電磁耦合現(xiàn)象。因此在處理時，傳感器廠商要有足夠的經(jīng)驗幫助客戶在算法上規(guī)避或抑制、消除掉這些噪聲。

　　*穩(wěn)定性。時間的穩(wěn)定性毋庸置疑是解決老化，例如今天輸入1出來100%，明天輸入1出來99%，就要控制輸入穩(wěn)定性。溫度的穩(wěn)定性，指產(chǎn)品特性在0℃和50℃時肯定不一樣，你要盡量在設(shè)計中盡量消除和平衡溫度的影響。重復(fù)測試的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)線路中如果輸入1輸出0，如果達不到0就是錯。

　　*誤差。測量沒有百分之百的準(zhǔn)確，因為它是模擬的(注：因為內(nèi)部整個鏈路還是模擬的，信號產(chǎn)生源是模擬的。)，需要考慮偏移、靈敏度、非線性誤差(NL)、交叉軸誤差(CX)。

　　那么如何提高精度?需要改善設(shè)計和制造工藝。在MEMS器件中，設(shè)計和制程只占了20%工作量，還有80%是測試和校準(zhǔn)。這意味著同樣一個MEMS傳感器，如果測試、校準(zhǔn)做得更精細的話，它完全可以從精度只有5%提升到1%甚至更低。

　　因為MEMS器件看起來輸出的是數(shù)字，但里面是非常模擬的，甚至比模擬電路還模擬，因為里面有機械結(jié)構(gòu)。在測試和校準(zhǔn)方面你是采用一點測試還是三點測試、十點測試?是隨時間調(diào)校還是只測一次?……這些方法都會影響到精度。

　　因此MEMS?傳感器是比較獨特的地方是精度與調(diào)校時間相關(guān)。例如消費類MEMS傳感器的精度通常低一些，因為一天要保證出貨100萬片，產(chǎn)線、產(chǎn)能不太可能支撐每一個器件都去校準(zhǔn)、測試，因為花的時間按秒來算，因此精度可以保證應(yīng)用即可。同樣的產(chǎn)品如果在測試上花更多的時間就是工業(yè)級的。更高一級是以小時來計。再高一級，一個芯片測試上百次，可以把傳感器調(diào)校得非常精準(zhǔn)，這可以用幾星期來計算，精度就會不一樣。因此按單位1的概念來計算，消費級是x10，工業(yè)級是x100，戰(zhàn)略級x1000的概念。

　　ST目前所做的，是在消費類產(chǎn)品測試和校準(zhǔn)方面有豐富的經(jīng)驗，甚至有很多專利技術(shù)。

　　例如運動MEMS傳感器有三個關(guān)鍵元件——采用特殊的微機械加工技術(shù)的微型傳感器，內(nèi)置智能功能的專用ASIC電路，專用的封裝及校準(zhǔn)功能。

　　制造設(shè)備、測試校準(zhǔn)設(shè)備里也有很多核心技術(shù)。ST經(jīng)過多年積累，在測試和校正整個核心算法或流程方面有很大的積累。

　　看好汽車和工業(yè)

　　汽車是增長點。另外智慧工業(yè)是真正推動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的地方。

　　汽車和工業(yè)的特點是應(yīng)用需求比消費類更強，生命周期長(注：不像消費電子，也許市場很大，但會很快退潮)。另外工作環(huán)境苛刻，目前還沒有形成完整的體系，而且還是niche?market(利基市場)。工業(yè)市場也許要十年才能起來，消費電子方面，過去ST的新產(chǎn)品2年更新一次，現(xiàn)在一年更新2次;而工業(yè)要長期供貨。

　　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(shè)備檢測和預(yù)知維護方面，過去馬達保護是過流、過壓等，你摸著燙了才發(fā)現(xiàn)出了問題，其實源頭是振動，幾個星期前就會有預(yù)兆，改善的方法是在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上安裝位置傳感器，定期接收傳感器數(shù)據(jù)，并將實測數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，實現(xiàn)預(yù)知性維護。

　　此外，ST傳感器也有連接技術(shù)，可在新裝制造設(shè)備(下圖綠地)和現(xiàn)有制造設(shè)備上(下圖棕地)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連接。

　　ST至今已出貨130億片MEMS。下一步希望從消費類擴展到汽車和工業(yè)應(yīng)用，射頻方面提供短距離到中距離(Sub-1GHz)的全覆蓋。

　　精彩問答

　　*ST如何進軍工業(yè)市場?

　　答：ST在消費類傳感器已布局完整，還需要具體細化。例如在運動傳感方面用于電機控制的前瞻性預(yù)測方面，需要增加軟件等。

　　在提升精度方面，正通過校正測試，另外塑封改為陶瓷封裝等。

　　關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)連接，ST?RF有兩大產(chǎn)品：藍牙低功耗(BLE)芯片和Sub-1GHz芯片(法國Sixfox選ST作為唯一合作伙伴)。

　　實際上，關(guān)鍵技術(shù)ST都已具備，難點是怎樣和客戶一起做marketing(營銷)，例如和農(nóng)業(yè)部和環(huán)保部去談。新加坡政府正在評估檢測大樹是否倒了的方案，問題是誰來買單。共享單車方面，可以做檢測腳蹬車的頻率和力度等，正在找合作伙伴。

　　*為何只有ST做MEMS揚聲器?

　　答：ST有智能揚聲器的制程，但系統(tǒng)及IP方面Usound很強，其技術(shù)難點是功率，加電的激勵形成形變?nèi)ネ苿涌諝?。特點是比普通喇叭小，因此可用于智能眼鏡、手表和耳機等產(chǎn)品。

　　*手機MEMS麥克風(fēng)的趨勢如何?

　　MEMS麥克風(fēng)正從一兩顆向三四顆發(fā)展。例如蘋果6以上的手機都是4個麥克風(fēng)，手機底端左右各一個主麥克風(fēng)，手機頂端測距傳感器旁邊有一個輔麥克風(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)，用于拍攝小視頻的聲音錄制。四個麥克風(fēng)需要大量軟件算法以保持聲音的一致性。

　　產(chǎn)品展示

　　eMeet公司的移動會議揚聲器很有趣，據(jù)ST工作人員介紹，麥克風(fēng)就像耳朵，為何有的5米之外說話還能聽到，有的2米就不行了?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4個麥克風(fēng)?就像八爪魚會議系統(tǒng)一樣，聰明的麥克風(fēng)會識別聲源，誰說話波束就轉(zhuǎn)向誰，因此是360°全方位拾音，同時避免了噪聲干擾。

　　圖：eMeet和華米手環(huán)

　　在手環(huán)展示環(huán)節(jié)，華米/新一代小米手環(huán)采用了ST的運動傳感器。其實第一和第二代小米手環(huán)中也有ST的傳感器，用于感知手腕位置是否水平的傳感器(測心率時使用)。

　　圖：ST有兩種開發(fā)套件，可檢測運動、加速度和磁力等。

　　圖：ST藍牙芯片也已被眾多廠商采用，做成模塊以方面開發(fā)者直接采用。