MEMS傳感器的應(yīng)用走勢及提高精度的方法探討

作者 / 王瑩 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：近日，ST(意法半導(dǎo)體)大中華暨南亞區(qū)模擬和MEMS產(chǎn)品部市場總監(jiān)吳衛(wèi)東先生在京介紹了ST MEMS傳感器的發(fā)展概況，提高傳感器精度的方法，以及汽車、工業(yè)等市場對傳感器的需求特點。

ST做了20年的MEMS傳感器

　　在MEMS傳感器方面，ST已經(jīng)做了20年，至今出貨130億片MEMS傳感器。隨著制程和調(diào)校的改進(jìn)，下一步希望從消費(fèi)類更多地擴(kuò)展到汽車和工業(yè)應(yīng)用。ST特點是提供傳感器和致動器(Actuator)，有經(jīng)過市場檢驗的制造技術(shù)，擁有大規(guī)模制造能力，有多傳感器集成能力，集成了市場領(lǐng)先的智能功能等。

　　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、并使MEMS普及的是消費(fèi)類電子。如今，MEMS的下一波浪潮有望重回汽車和工業(yè)。

　　據(jù)IHS 2017年上半年市場報告，ST是世界第一大汽車非安全性應(yīng)用MEMS廠商(如圖1);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%。非安全應(yīng)用主要包括導(dǎo)航和信息娛樂系統(tǒng)等，需要用到加速度傳感器和陀螺儀(如圖2)。

新應(yīng)用需要精度更高

　　高性能取決于應(yīng)用的需求。汽車應(yīng)用里，汽車導(dǎo)航通常采用GPS，MEMS慣性傳感器作為輔助測量，以覆蓋GPS的盲區(qū)(如圖3)。因此MEMS傳感器就要有高精度，通常整個系統(tǒng)的精度要達(dá)到“米”級。這個米級并不是一個時間點，是累積的，因為傳感器的挑戰(zhàn)是參數(shù)會隨著溫度和時間等漂移。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)(如圖4)。

　　虛擬增強(qiáng)實境的感測精度約在10厘米以內(nèi)。在VR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(rèn)證，可見傳感器起著至關(guān)重要的作用。

　　此外，手機(jī)光學(xué)防抖的誤差是10厘米以內(nèi)，是針對畫面之間的偏差。工業(yè)上的壓力監(jiān)測要控制在10厘米以內(nèi)。溫濕度檢測希望達(dá)到0.5℃以內(nèi)，精度3%以內(nèi)。

影響傳感器精度的因素

　　提高精度容易嗎?實際上既容易也不容易。如果不考慮功耗，較為容易，因為功耗提升后，計算能力可以增強(qiáng)。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)計上是不是已有質(zhì)的改變或新的技術(shù)?從傳感器原理看，通常采用著名的傳感器精度衡量方法——阿倫方差(AVAR)，如圖5。但做傳感器產(chǎn)品時有一些物理局限性不可規(guī)避。例如MEMS傳感器里一部分是機(jī)械結(jié)構(gòu)，會老化，且會隨著溫度和時間變化。這些參數(shù)解釋成電子術(shù)語就是背景噪聲、白噪聲或者不穩(wěn)定、隨機(jī)的抖動。其控制方法要用生產(chǎn)或者校正的方法來彌補(bǔ)。

　　*噪聲。有本身機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲，還有閃變噪聲和高頻噪聲。高頻噪聲指傳感器在應(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、消除這些噪聲。如圖6。

　　*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)計中消除和平衡溫度的影響。重復(fù)測試的穩(wěn)定性，例如數(shù)據(jù)線路中如果輸入“1”時應(yīng)該輸出“0”，如果達(dá)不到“0”就是錯。