ST MEMS的下一波发展机会：从消费转向汽车和工业

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

     ST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iNEMO 6轴惯性测量模块，在LGA-14 2.5x3x0.83mm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IHS 2017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（Telematics box）应用中，用于前装、后装或对汽车进行装机采集等。

下一代将追求更高精度

    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VR领域，从Android 5.0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。

提高精度的方法

    提高精度容易吗？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niche market（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，ST RF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在做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。