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ST MEMS的下一波发展机会:从消费转向汽车和工业

作者:王莹时间:2017-10-22来源:电子产品世界

  近日,(意法半导体)在京举办传感器的新闻发布会,大中华暨南亚区模拟和产品部市场总监吴卫东先生介绍了的发展现状,及将向汽车和工业市场渗透的策略。

本文引用地址:/article/201710/370375.htm

  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iNEMO6轴惯性测量模块,在LGA-142.5x3x0.83mm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IHS2017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(Telematicsbox)应用中,用于前装、后装或对汽车进行装机采集等。

  新应用需要更高精度

  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。在虚拟增强的实境领域,从Android5.0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MEMS传感器精度的方法

  提高精度容易吗?答案是既容易也不容易。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,通常采用著名的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nichemarket(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,STRF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。



关键词: ST MEMS

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