MEMS傳感器的應(yīng)用走勢及提高精度的方法探討

　　*誤差。測量沒有百分之百的準(zhǔn)確，因?yàn)槭悄M的(注：因?yàn)樾盘柈a(chǎn)生源是模擬的，內(nèi)部整個(gè)鏈路是模擬的)，需要考慮偏移、靈敏度、非線性誤差(NL)、交叉軸誤差(CX)等。

提高傳感器精度的方法

　　為了提高MEMS傳感器精度，需要改善設(shè)計(jì)和制造工藝。在MEMS器件中，設(shè)計(jì)和制程其實(shí)只占了20%工作量，還有80%是測試和校準(zhǔn)(如圖7)。這意味著同樣一個(gè)MEMS傳感器，如果測試、校準(zhǔn)做得更精細(xì)，完全可以從精度5%提升到1%，甚至更高。

　　因?yàn)镸EMS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(注：因?yàn)槔锩娲嬖跈C(jī)械結(jié)構(gòu))。在測試和校準(zhǔn)方面是采用一點(diǎn)測試還是三點(diǎn)測試、十點(diǎn)測試?是隨時(shí)間調(diào)校還是只調(diào)校一次?……這些方法都會影響到最后的精度。

　　因此MEMS傳感器獨(dú)特的地方是精度與調(diào)校時(shí)間相關(guān)。例如消費(fèi)類MEMS傳感器的精度通常低一些，因?yàn)橐惶煲ＷC出貨100萬片，產(chǎn)線、產(chǎn)能不可能支撐每一個(gè)器件都去校準(zhǔn)、測試，因?yàn)榛ǖ臅r(shí)間要按秒來算，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(shí)間就是工業(yè)級的。更高一級是以小時(shí)來計(jì)。再高一級，一個(gè)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(jì)算，精度就會不一樣。因此如果按單位1的概念來計(jì)算，消費(fèi)級是x10，工業(yè)級是x100，戰(zhàn)略級x1000的概念。

　　因此，ST的優(yōu)勢是在消費(fèi)類產(chǎn)品測試和校準(zhǔn)方面有豐富的算法和流程積累，甚至有很多專利技術(shù)，可以用到汽車和工業(yè)應(yīng)用中。

　　例如運(yùn)動MEMS傳感器有三個(gè)關(guān)鍵元件——采用特殊的微機(jī)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(如圖8)。在封裝上，為了滿足工業(yè)應(yīng)用，把塑封改為陶瓷封裝，因?yàn)樗芊鈺崦浝淇s，隨溫度影響較大。

看好智慧工業(yè)

　　智慧工業(yè)也許是真正推動物聯(lián)網(wǎng)普及的領(lǐng)域。因?yàn)楣I(yè)應(yīng)用種類繁多，總量并不一定比其他應(yīng)用大。在這個(gè)行業(yè)里如果挖得深，潛力是巨大的。

　　工業(yè)應(yīng)用對傳感器的要求比消費(fèi)類要更高。例如生命周期長(注：不像消費(fèi)電子也許一夜暴富，但也許會很快退潮)。作為對比，對于消費(fèi)電子，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，例如十年。另外工業(yè)應(yīng)用的工作環(huán)境苛刻，目前還沒有形成完整的供應(yīng)鏈體系，而且還是niche market(利基市場)。工業(yè)市場也許要十年才能起來。

　　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(hù)方面，過去馬達(dá)保護(hù)是過流、過壓等，手摸著燙了才發(fā)現(xiàn)出了問題，其實(shí)源頭是振動，幾個(gè)星期前就會有征兆，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(shí)測數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，實(shí)現(xiàn)預(yù)知性維護(hù)。

如何改造現(xiàn)有的制造設(shè)備?

　　通常人們稱新的制造設(shè)備是綠地，現(xiàn)有的設(shè)備為棕地。為了改造現(xiàn)有設(shè)備，ST推出了無線、有線連接芯片技術(shù)，可在新裝制造設(shè)備(圖9的綠地)和現(xiàn)有制造設(shè)備上(圖9的棕地)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連接。

一些有趣的應(yīng)用

　　*手機(jī)MEMS麥克風(fēng)的新趨勢。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(jī)都是4個(gè)麥克風(fēng)，手機(jī)底端左右各一個(gè)主麥克風(fēng)，手機(jī)頂端測距傳感器旁邊有一個(gè)輔麥克風(fēng)，主要用于消除噪聲;手機(jī)背面攝像頭旁邊有一輔麥克風(fēng)，用于拍攝視頻的聲音錄制。四個(gè)麥克風(fēng)需要大量軟件算法以保持聲音的一致性，這些軟件通常是手機(jī)公司或第三方合作伙伴開發(fā)的。

　　*eMeet公司的移動會議揚(yáng)聲器。麥克風(fēng)就像人的耳朵，為何有的5米之外說話還能聽到，有的2米就聽不清了?答案是軟硬件技術(shù)的綜合。ST主要提供高精度的麥克風(fēng)。那么為何eMeet公司的產(chǎn)品有4個(gè)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(如圖10)，同時(shí)避免了噪聲干擾。

小結(jié)

　　過去十年消費(fèi)電子使MEMS傳感器普及和繁榮。下一個(gè)十年將擴(kuò)展到汽車和工業(yè)應(yīng)用，這需要精度進(jìn)一步提高，需要制程尤其是調(diào)校技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)無線、軟件等技術(shù)的結(jié)合和促進(jìn)也是十分必要的。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第15頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。