ST MEMS的下一波發(fā)展機(jī)會(huì)：從消費(fèi)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(huì)，大中華暨南亞區(qū)模擬和MEMS產(chǎn)品部市場(chǎng)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(chǎng)滲透的策略。

　　ST做了20年的MEMS?傳感器

　　ST公司2016年?duì)I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(dòng)器(Actuator)，優(yōu)勢(shì)是經(jīng)過(guò)市場(chǎng)檢驗(yàn)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(chǎng)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(jì)步，ST的傳感器可直接告訴你走了多少步，無(wú)需再經(jīng)過(guò)手機(jī)的處理器計(jì)算。

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

　　就像陰陽(yáng)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(fèi)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(jì)+陀螺儀/6軸IMU模塊、超低功耗加速度計(jì)、高精度壓力傳感器、加速度計(jì)+磁強(qiáng)計(jì)慣性測(cè)量單元。

　　在消費(fèi)類應(yīng)用中有很多成功案例，例如華為手機(jī)采用ST的內(nèi)置OIS光學(xué)防抖傳感器的6軸慣性測(cè)量單元，任天堂Switch主機(jī)和配件采用ST的6軸運(yùn)動(dòng)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(huì)議揚(yáng)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(jī)用的第一代LSM6DS3和第二代LSM6DSL/M合計(jì)銷量超過(guò)5.5億。LSM6DSL/M是可始終運(yùn)行的iNEMO?6軸慣性測(cè)量模塊，在LGA-14?2.5x3x0.83mm封裝內(nèi)整合3D加速度計(jì)和3D陀螺儀，具有超低功耗和強(qiáng)大性能。

　　LIS2DW12是應(yīng)用靈活的超低功耗3軸智能加速度計(jì)，適用于消費(fèi)類電子，諸如物聯(lián)網(wǎng)、穿戴和移動(dòng)設(shè)備，特點(diǎn)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(jì)，用于無(wú)鑰匙進(jìn)入功能(PKE)。據(jù)IHS?2017年上半年市場(chǎng)報(bào)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(chǎng)份額同比增長(zhǎng)20%。

　　慣導(dǎo)系統(tǒng)中，符合車規(guī)的“3軸加速度計(jì)AIS328DQTR+3軸陀螺儀A3G4250DTR”組成了6軸慣性模塊，可用于從原來(lái)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(jìn)行裝機(jī)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(cè)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(gè)系統(tǒng)的精度要達(dá)到“米”級(jí)，也就是至少車輛、行人在你自己看得到的地方。這個(gè)米的級(jí)別并不是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，是累積的，因?yàn)閭鞲衅鞯奶魬?zhàn)是參數(shù)會(huì)隨著溫度、時(shí)間而漂移，有很多參數(shù)影響它。自動(dòng)駕駛對(duì)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(qiáng)的實(shí)境感測(cè)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(qiáng)的實(shí)境領(lǐng)域，從Android?5.0開(kāi)始規(guī)定了傳感器的參數(shù)規(guī)格，甚至要對(duì)傳感器做認(rèn)證，可見(jiàn)傳感器起著至關(guān)重要的作用。

　　提高M(jìn)EMS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?yàn)楣奶嵘?，?jì)算能力可以增強(qiáng)。目前的挑戰(zhàn)是，很多應(yīng)用對(duì)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(jì)上是不是有質(zhì)的改變或新的技術(shù)?從傳感器原理來(lái)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(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu)，它會(huì)老化，且會(huì)隨著溫度和時(shí)間會(huì)有變化。這些參數(shù)解釋成電子的術(shù)語(yǔ)就是背景噪聲、白噪聲或者不穩(wěn)定、隨機(jī)的抖動(dòng)。其控制方法要用生產(chǎn)或者矯正的方法來(lái)做。

　　*噪聲。有本身機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲;還有閃變?cè)肼暫透哳l噪聲。高頻噪聲是傳感器在應(yīng)用時(shí)是數(shù)字輸出，在任何電子線路里會(huì)有電磁耦合現(xiàn)象。因此在處理時(shí)，傳感器廠商要有足夠的經(jīng)驗(yàn)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(shí)間的穩(wěn)定性毋庸置疑是解決老化，例如今天輸入1出來(lái)100%，明天輸入1出來(lái)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(shí)肯定不一樣，你要盡量在設(shè)計(jì)中盡量消除和平衡溫度的影響。重復(fù)測(cè)試的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)線路中如果輸入1輸出0，如果達(dá)不到0就是錯(cuò)。

　　*誤差。測(cè)量沒(méi)有百分之百的準(zhǔn)確，因?yàn)樗悄M的(注：因?yàn)閮?nèi)部整個(gè)鏈路還是模擬的，信號(hào)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(jì)和制造工藝。在MEMS器件中，設(shè)計(jì)和制程只占了20%工作量，還有80%是測(cè)試和校準(zhǔn)。這意味著同樣一個(gè)MEMS傳感器，如果測(cè)試、校準(zhǔn)做得更精細(xì)的話，它完全可以從精度只有5%提升到1%甚至更低。

　　因?yàn)镸EMS器件看起來(lái)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?yàn)槔锩嬗袡C(jī)械結(jié)構(gòu)。在測(cè)試和校準(zhǔn)方面你是采用一點(diǎn)測(cè)試還是三點(diǎn)測(cè)試、十點(diǎn)測(cè)試?是隨時(shí)間調(diào)校還是只測(cè)一次?……這些方法都會(huì)影響到精度。

　　因此MEMS?傳感器是比較獨(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(wàn)片，產(chǎn)線、產(chǎn)能不太可能支撐每一個(gè)器件都去校準(zhǔn)、測(cè)試，因?yàn)榛ǖ臅r(shí)間按秒來(lái)算，因此精度可以保證應(yīng)用即可。同樣的產(chǎn)品如果在測(cè)試上花更多的時(shí)間就是工業(yè)級(jí)的。更高一級(jí)是以小時(shí)來(lái)計(jì)。再高一級(jí)，一個(gè)芯片測(cè)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(lái)計(jì)算，精度就會(huì)不一樣。因此按單位1的概念來(lái)計(jì)算，消費(fèi)級(jí)是x10，工業(yè)級(jí)是x100，戰(zhàn)略級(jí)x1000的概念。

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

　　例如運(yùn)動(dòng)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。

　　制造設(shè)備、測(cè)試校準(zhǔn)設(shè)備里也有很多核心技術(shù)。ST經(jīng)過(guò)多年積累，在測(cè)試和校正整個(gè)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(zhǎng)點(diǎn)。另外智慧工業(yè)是真正推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的地方。

　　汽車和工業(yè)的特點(diǎn)是應(yīng)用需求比消費(fèi)類更強(qiáng)，生命周期長(zhǎng)(注：不像消費(fèi)電子，也許市場(chǎng)很大，但會(huì)很快退潮)。另外工作環(huán)境苛刻，目前還沒(méi)有形成完整的體系，而且還是niche?market(利基市場(chǎng))。工業(yè)市場(chǎng)也許要十年才能起來(lái)，消費(fèi)電子方面，過(guò)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(zhǎng)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(cè)和預(yù)知維護(hù)方面，過(guò)去馬達(dá)保護(hù)是過(guò)流、過(guò)壓等，你摸著燙了才發(fā)現(xiàn)出了問(wèn)題，其實(shí)源頭是振動(dòng)，幾個(gè)星期前就會(huì)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(shí)測(cè)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)。

　　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(shí)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(fèi)類擴(kuò)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(wèn)答

　　*ST如何進(jìn)軍工業(yè)市場(chǎng)?

　　答：ST在消費(fèi)類傳感器已布局完整，還需要具體細(xì)化。例如在運(yùn)動(dòng)傳感方面用于電機(jī)控制的前瞻性預(yù)測(cè)方面，需要增加軟件等。

　　在提升精度方面，正通過(guò)校正測(cè)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(lán)牙低功耗(BLE)芯片和Sub-1GHz芯片(法國(guó)Sixfox選ST作為唯一合作伙伴)。

　　實(shí)際上，關(guān)鍵技術(shù)ST都已具備，難點(diǎn)是怎樣和客戶一起做marketing(營(yíng)銷)，例如和農(nóng)業(yè)部和環(huán)保部去談。新加坡政府正在評(píng)估檢測(cè)大樹(shù)是否倒了的方案，問(wèn)題是誰(shuí)來(lái)買單。共享單車方面，可以做檢測(cè)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(yáng)聲器?

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

　　*手機(jī)MEMS麥克風(fēng)的趨勢(shì)如何?

　　MEMS麥克風(fēng)正從一兩顆向三四顆發(fā)展。例如蘋(píng)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(cè)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)，用于拍攝小視頻的聲音錄制。四個(gè)麥克風(fēng)需要大量軟件算法以保持聲音的一致性。

　　產(chǎn)品展示

　　eMeet公司的移動(dòng)會(huì)議揚(yáng)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(shuō)話還能聽(tīng)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(gè)麥克風(fēng)?就像八爪魚(yú)會(huì)議系統(tǒng)一樣，聰明的麥克風(fēng)會(huì)識(shí)別聲源，誰(shuí)說(shuō)話波束就轉(zhuǎn)向誰(shuí)，因此是360°全方位拾音，同時(shí)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(yùn)動(dòng)傳感器。其實(shí)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(cè)心率時(shí)使用)。

　　圖：ST有兩種開(kāi)發(fā)套件，可檢測(cè)運(yùn)動(dòng)、加速度和磁力等。

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