物联网领域的先进MEMS传感器

　　第五届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2016产业和技术展望研讨会

　　时间：2016.01.14 下午

　　地点：深圳南山软件创业基地 IC咖啡

　　演讲主题：物联网领域的先进MEMS传感器

　　演讲人：赵延辉 - ADI亚太区微机电产品市场和应用经理

　　赵延辉先生现任亚太区微机电产品市场和应用经理，主要负责ADI现有的MEMS加速度计和陀螺仪产品在亚太地区的推广和应用，以及新产品的定义。他于2008年1月获得北京航空航天大学通信与信息系统专业硕士学位，而后加入ADI中国技术支持中心负责数据转换器、运算放大器、无线、电源以及微机械IC的技术支持工作，2010年转到MEMS产品线，开始专注于微机电产品的开发应用。他已先后在国内外期刊杂志上发表论文十余篇，完成各种参考设计十余个，如碳氢比测井单芯传输设计等等。下面有请赵延辉先生。

　　赵延辉：谢谢Melody，对前沿市场的把握比我还熟悉，包括一些客户信息。

　　今天跟各位行业专家介绍一下MEMS传感器技术在IoT领域里面已经有的一些成功应用案例，还有是针对现在快速发展的IoT市场，我们的MEMS产品都有哪些策略。我也会分享一下个人对MEMS传感器的发展前景，包括它存在的一些技术瓶颈或者是技术挑战的看法，大家如果有一些什么想法以及和我不同的观点，大家可以随时叫停，我们可以进行一个探讨。

　　现在大家认为IoT市场有很多叫法，有的叫工业4.0，有的叫IoT，有的叫IoE。我们认为是万物互联，它的潜在的市场远大于我们今天所说的手机或者我们大家现在所了解的可穿戴。也就是说，现在大家看到的很多可穿戴可能都是我们身上佩戴的手环、手表、手机或者是老人的体征监测、跌倒保护等等。即使是可穿戴这个领域，它也是非常广泛的。因为我们介绍的这些都是人的穿戴，你可以想象一下，实际上动物可能也有许多可穿戴产品。比如说我们现在有一个应用案例，就是监测奶牛的运动，通过奶牛的运动判断它什么时候进入发情期，判断它什么时候生病了需要隔离。另外还可以做宠物的运动监测，包括家里面的小猫、小狗。包括背了一个很贵重的LV包，这些物品也需要这种可穿戴设备。所以在IoT市场上来说，MEMS的发展前景还是非常乐观的。

　　ADI在这一块也会有持续的投入，就像刚才介绍的，我们传统的MEMS ADI是先从汽车，后面主要在工业市场。实际上ADI的MEMS的产品里面，在消费品和可穿戴里面也是有自己的特色的。为什么之前大家了解的不是太多?因为ADI的IC给大家的第一印象是可靠性非常好，性能也很好，在业界的口碑非常不错，但是它的价格很高，是不是能够用在这种可穿戴产品里面，对价格敏感的市场，比如说小米手环刚发布79，现在卖到69，它能用ADI的东西吗?为什么一个69的手环一定选择ADI的传感器，而不选择价格是ADI三分之一或者五分之一的传感器?你可以看到官网的卖点，他可以保证产品一个月不用充电。可能你戴一个苹果的手表用不了一天就要充电，这是一个非常大的痛点。所以小米定义之初就要解决这个痛点。它的产品在测试的时候，就是说如果不考虑振子频繁振动的情况下，持续使用时间可以达到三个月，所以保守的说可以达到用户一个月不用充电。这个时候能够帮助他实现的愿望的就是低功耗的MEMS才能帮助他实现。我们在细分的可穿戴市场里面，或者IoT、IoE市场里面发力，而不是技术门槛相对较低的、完全红海的，比如说类似手机这种市场，这是在IoT市场MEMS的定位。

　　简单介绍一下ADI公司，实际上ADI公司已经是有50年历史了，今年应该是第51年的年头了，这在IC领域也算是一个传奇了，有这么长的生命周期。你可以看到ADI主要的生意也确实来自于我们的工业，我们现在的占有率也有越来越高的比重，主要是因为在一些特殊领域有一些特殊的功耗或者要求，这时候也会考虑到应用ADI的各种各样的传感器或者ADC一类的。

　　介绍一下MEMS的技术，ADI是最早投入MEMS研发的公司。我们在1987年的时候就有投入MEMS的研发。而后，到2002年的时候，我们发布了第一颗iMEMS的产品，就是这些(见PPT)是集成在一个晶片上，这是ADI最先实现的技术，并且在2002年的时候我们MEMS的出口量就达到了100million。2014年ADI的MEMS已经有了28年的历史，实现了很多业界的第一这样的传奇。包括2011年，ADI发布了第一颗能够支持到175度高温的MEMS传感器，直到2016年的1月份，ADI还是目前唯一一家能够做到支持175度高温传感器的厂商。我们也发明了小米手环里面应用的MEMS产品，大概三四年的时间过去了，我们现在这个功耗目前为止依然是业界最低的，我们后面还会发布更低功耗的一系列产品来满足IoT市场的需求。当然，我们也有很多高集成的。刚才吃饭的时候聊到ADI有没有集成的解决方案，其实针对不同市场，客户拿到这个传感器就是单芯片的系统式的解决方案。比如说我做工业的机械振动分析，可能一个传感器输出是一个原始数据，我希望你对这个传感器输出进行数字化，并且加上算法，算法的结果代表什么意义，你可以告诉我，针对这一块市场ADI也有一系列的产品去做支持。到了2013年的时候ADI的MEMS出货量到达1Billion，我们也持续投入，推出了很多传感器，后面ADI无论在研发上还是在兼并购上，会推出更多的MEMS产品。

　　传感器市场是ADI非常重要的一个环节，因为我们认为随着IoT市场的发展，对传感器的需求一定会是越来越多的，因为我们自然界中的信号全都是模拟的。你怎么才能实现万物互联?一个万物互联简单的信号链就是把我们身边的信号，或者你的体征信号，比如说早晨起来刷牙，如果一个智能牙刷告诉你第几颗牙的位置上有出现龋齿的影像，你可能需要看医生或者需要做一个检查了;假如说冰箱使用一段时间以后，会自动检测到你常用的一些物品没有了或者量不够了，根据你使用的频率需求满足不了你了，是不是需要我通过互联网下单，在什么时候给你送过来。所有的这些信息都是敏感的自然界的信号，都是模拟的，所以要想把它们联网，一定是通过数字算法和云处理的过程，最重要的核心就是各式各样的传感器。所以我们认为，一定是不缺少传感器市场的这样一个机会。

　　当然了，客户对于传感器市场的需求也是五花八门或者多种多样的。比如说有一些可穿戴需要功耗非常的低，或者我认为你是零功耗的。比方说前面介绍到的高圆圆联名发布的产品，实际上是预配的，非常小，需要所有元器件的体积非常小、非常薄，这时候就需要对你提出很高的要求。有可能家里面所有的家电、所有的门窗都要放一个MEMS传感器。比如说我一推门进来，家里面的媒体产品打开，晚上起来还可以自动把夜灯打开，这个市场需求非常大，需要的功能又很简单，这时候需要的产品价格肯定要足够低。

　　如果客户做奶牛的监测，每一个奶牛的脖子上都戴一个MEMS传感器。给人佩戴可能比较容易拆下来充电，但是佩戴在动物身上，一个农场主管理几千、上万的奶牛，你让他正常做电池的拆卸和充电，这是不现实的。2013年的时候中国通过了薄膜切断型燃气表的功能，如果实现五级以上的地震，要求燃气表要能够自动切断，防止二次灾害的发生。比如我们装修房子或者怎么样，燃气表不是让用户动的，换电池可能都是有燃气公司上门的。所有这些需要里面都希望你的产品永远不要换电池。这头奶牛直到死掉，或者燃气表下一次更新换代之前都不需要换电池，否则人力成本和时间成本太高了，对于长期的可靠性、漂移和功耗都提出很高的要求。

　　我们图上用绿色标注(见PPT)的是我们认为已经比较好的或者基本达到客户需求的，比如说大疆的无人机，它为什么选择ADI的产品?大家可能认为它是消费类的产品，虽然售价偏贵，但是也是消费类产品。它为什么选择MEMS?实际上也是因为安全和可靠。我们画虚线的四部分是我们努力的方向，也就是ADI传感器努力的方向，我们会朝着这个方向去努力，满足不同客户的需求。当然我们也说了，如果满足所有的这些东西，可能靠ADI一家之力也比较难实现，我们也会寻求和业界的一些合作伙伴去合作，达到这样的一些目标。

　　这是2014年的市场调研(见PPT)，你可以发现未来几年内MEMS传感器增长最快的一个市场是医疗。医疗这个市场主要是靠什么带动的呢?实际上主要是靠Wearable。在这个市场里面最常用的是加速服务器，现在最大量的就是这个，它的也是持续稳定增长最快的传感器。

　　这是小米手环的拆解报告(见PPT)，它就是典型的Wearable的传感器。9月17号发布会的时候，小米手环的出货量已经超过一千万。实际上他们的产品出货在2014年9月份的时候开始接受大量的预定，基本上不到一年的时间实现了超过一千万枚的出货量，所以我们可以看到可穿戴市场增长的速度是非常迅猛的。

　　前面我也说到了，除了大家熟悉的把小米手环这种叫做生命体征监测以外，实际上Wearable的市场，也就是来辅助监测这个领域方面的，比如说这个是美军士兵身上佩戴的(见PPT)，他每天佩戴三个这种，比如说出去实行任务，有爆炸的冲击有什么损害，士兵是不是需要马上就医，所有这些都可以通过传感器自动实现智能监测，并把这个信息发到网络中心去做一个分析。这是我本人在客户那里拍的照片(见PPT)，这个是跆拳道和拳击运动员训练时候传的衣服。他们用了24个传感器佩戴在衣服上不同的位置，两个人打的时候，这个力度是从什么方向来的力，都可以通过无线传输在电脑上进行分析，达到智能训练的目的。还有前面说到的奶牛、宠物，还有防丢，还有极限运动在头盔上佩戴的传感器。比如说现在美国运动学会有一个要求，像冰球，身体对抗很激烈的一些比赛，假如说脑部受到了重击，即使运动员坚持说没有事情，但是传感器可能判断说对你身体有潜在威胁，传感器告诉你必须下场休息了。这是我们平常大家接触不是特别多的，但是所有这些点都会是MEMS潜在的增长点。

　　为什么ADI在这些产品里面赢得了市场份额，或者说在我们的售价相对比较高的时候选择ADI的MEMS传感器?总结主要有三点：第一是功耗;第二是精度;第三是尺寸，正是这三点的存在才让我们赢得了市场。

　　先说一下功耗，我们的ADXL362还是目前业界功耗最低的产品。比如说做人体的监测，我们的功耗只有1.8μA，这个功耗是市场上最好的。我们知道一秒钟采样一个点，我怎么有可能看出人体的复杂运动，比如说我在跑步，我可能一秒钟迈五步，你一秒钟才采一个点，是没有办法做分析的。所以你要做分析，一定要有这么高的采集率，这时候我们功耗是最低的。如果产品不用的时候，比如说待机的时候，我们的产品也是功率很低的。比如说美国大兵头盔的功耗可能只有270 nA，如果他拿回来放在架子上，传感器会监测到你没有用，自动把电源切断。他可以做一个电源开关，通过运动还是静止实现开关。我们传感器只需要270nA。用我们的器件去实现运动开关的功能，这样的电池可以支持器件工作93年，所以功耗是非常低的。

　　我们还会考虑系统的功耗，一般的功耗主要消耗于MCU、蓝牙、处理器。我们内置一些滤波器，对于敲击桌面或者我不想让器件在规律的运动之前对MCU进行触发唤醒，这些在器件里面都有实现，这样可以帮助客户实现一个系统的低功耗。

　　第二，精度。相对高端的可穿戴选择我们MEMS传感器的原因就是精度。假如说你戴上这个产品坐飞机做洲际旅行，比如说你在飞机上不可能有很大的运动量，但是你一下飞机这个手环就显示你走了一千多步，这就是由于传感器精度问题造成的。为什么传感器在你不希望记录的情况下依然记录了呢?因为我们ADIS16360之前，所有的MEMS传感器为了实现低功耗，他们用了一种周期采样的技术。周期采样怎么实现低功耗呢?比如说我的传感器、我的ADC，你的前端的带宽比如说是固定的800赫兹，一定是2倍的采样率才可以，要求信号不会有混叠，然后信号才能进一步的做滤波。随着系统的发展，需要传感器的功耗越来越低，大家很快想到的一个解决办法就是用这个技术，假如你用采样技术，整个ADC和模拟前端只是10秒钟采集一次，剩下的就把系统关掉，问题是你能进来的信号可能超过100赫兹了，超过100赫兹的信号都会进来。因为你的采样率比较低，就采样成低频了，比如说传感器采出来的就已经是一个低频，你的算法就认为这是一个规律的低频运动，坐在飞机上也能计步，一个小时步行几千步，实际上只是飞机高频的振荡，它就给你计步了。如果你的传感器对你的高频滤波不能很好的处理的话，你的传感器不能实现对高频信号滤除的干扰。之前也都会有混叠的问题，在ADIS16362以后的传感器，ADI已经解决了这个问题，这是我们在可穿戴这一块精度上非常重要的一点。

　　第三，尺寸。这个很容易理解了，比如说头盔上佩戴的和装在护栏上的，这也是国内的一个项目(见PPT)，装在护栏上，如果车辆碰撞了都知道哪一块出现碰撞，这都需要尺寸非常小，所以对尺寸上也是有很高的要求。

　　这是典型的IoT的信号量，我想大家都非常的熟悉，前面是传感器的信号传感，后面是信号处理，再通过无线传输，在云端进行分析处理，然后给客户进行反馈。现在越来越多客户说，能不能把所有这些都集成在一个器件里面去做，有没有厂商做这样的一些想法或者在这里面有一些投入研发。我们可以告诉你，ADI怎么样去实现在IoT市场里面的价值?现在传统的传感器市场，一般是传感器提供一个原始数据，我们的传感器会做越来越多的上层的处理，放到我们的单芯片里面，包括数据的处理、算法的处理，包括处理的结果代表什么意义。我们有一条产品线，我们叫Core sensor、Enhanced sensors，我们有专门的一条线，你拿到之后就可以使用了。

　　介绍一下这条线里面典型的产品。第一个是做振动分析的，比如说我们怎么用MEMS实现机械的振动分析?现在大家都知道在深圳这边有很多的手机生产厂，大家都越来越寄托于机械化，用机器人取代人力。尤其你看最后一步，给主板打固定的螺钉，然后装上外壳。如果打螺钉的机器出现任何故障，这个螺钉打偏了，整个主板就废了，而且你还不是马上及时发现的，所以流水线作业会造成大量财产的损失。过去传统的解决方法，比如说这个东西使用寿命一年，我现在半年要换，不会出现问题，或者到半年了每天都进行巡检，看有没有问题。现在如果有一个传感器在机器里面，如果机器要发生异常了，你及时告诉我，我不需要去巡检，我不需要这个东西还没有坏的时候就去换，这都可以通过MEMS传感器实现。正常情况下，这个机器正常运行，可能有一个频率的输出，可能是单一的，一旦有任何异常，比如说螺丝松动或者零件老化，可能会出现一些高频的波，我们就定制了这传感器，我们把频率分析全都做到一个器件里面去，客户通过端口就可以了。你做好频率分析了很好，但是我不想到你的近端用液晶显示或者到你操作室里面看，我希望你用无线传到我们的操控这里，所以我们又加上了无线传输的功能，也就是我们提供一个母板，一个母板可以带六个子板，六个机房的都可以传到这里。客户拿到这个系统，通过这个接口就可以捕捉所有的信息。

　　这个ADIS16480是另外一个例子(见PPT)，必须说大家熟悉的机器人、无人机，检测航行的姿态，比如说飞行的速度和飞行的距离等等。有很多客户做系统的，可能对这一块不了解，问能不能把所有传感器做到一起，并且把算法集成，我们ADIS16480就做到这一点，也是为了满足不同客户的需求。

　　个人认为IoT市场或者MEMS市场的发展前景，最早MEMS是从汽车，大家熟知的任天堂的摇杆游戏，再后来到电话，再到后面的手环，到万物互联的时候一定是爆发式的增长。对于MEMS技术来说带来了哪些最主要的挑战?哪些是ADI的发展方向，去满足这些挑战呢?第一是功耗，就像我前面举到的例子，很多场景下可能不是需要使用一年，可能需要使用五年、十年甚至更长时间，所以就要求功耗非常低。比如说监测地震的，加速器必须持续工作，一旦检测到振动才会触发，所以要求前端传感器需要低功耗。可能大家觉得我们今天手环、手表的功能还是太单一了，如果有一天我们的手表可以实现智能的导航，我的手表可以记录你在地下车库什么地方下车，还可以导航让你从商场准确的走到车旁边，但是它对传感器的需求就不仅仅是MEMS的加速服务器，可能需要陀螺仪和磁力器，所有的都需要做到低功耗，这就是对MEMS低功耗的挑战。它的难点主要是在传感器和设计上面都需要有技术的核心才能达到这样一个市场的需求，尤其是对于陀螺仪来说，目前的陀螺仪都是毫安级的，市场的需求是要求降低到微安级。

　　第二个是市场需要MEMS的传感器越来越小、越来越薄，这样就可以把它用到奢侈的珠宝、隐藏的防爆的产品里面，甚至我们的信用卡里面，这些都要求MEMS够小、够薄。问题是，一旦MEMS做小做薄了以后，它对工艺的要求是非常苛刻的，因为MEMS和其他的产品不一样，对外面的热因力和集成因力要求非常高，这对MEMS工艺的呈现提出非常高的要求，也是MEMS产品的发展方向，有是ADI的MEMS产品关注的方向。

　　再往后是高集成度的，比如说三轴、四轴、六轴的，甚至九轴之后，我们要集成更多系统的程序进去，如果小体积的东西装的东西越多，一定对工艺提出挑战。现在市场上MEMS的工艺是6寸、8寸的，可以预见，两年之内一定有14寸的MEMS的工艺出现。今天MEMS的工艺或者说这个技术，往后一定会有SIP的技术用到这个MEMS里面，这都是实现高集成度的市场需求。

　　最后，介绍一下ADI的MEMS，也就是我们在IoT市场里面现在已有的和后面会持续发力的典型应用。比如说前两年国内有一个火灾事故，有两个救火员进入火场之后因为找不到回来的路而牺牲了。你想一下，如果他们有这个东西，可以在没有GPS的情况下自动记录你的运动轨迹，指导你在这个轨迹安全返回，就不会有这样的事发生。现在我们的MEMS传感器也在精度方面支持，或者说我们已经有一些客户，包括大家刚才看到的宣传片，基于MEMS的传感器已经有一些成功的应用了。由于时间关系，这里面各种各样的应用不一一赘述了。