意法半導(dǎo)體MEMS傳感器的發(fā)展方向與領(lǐng)域

行業(yè)人士表示，MEMS產(chǎn)業(yè)未來智能化、微型化、集成化的趨勢(shì)越來越明顯。意法半導(dǎo)體（英文簡(jiǎn)稱：ST）從2006年率先在200毫米（8英寸）晶圓上量產(chǎn)MEMS傳感器至今，其MEMS經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)化到了第三代。在2022年11月中旬的慕尼黑華南展現(xiàn)場(chǎng)，筆者對(duì)意法半導(dǎo)體亞太區(qū)模擬、MEMS和傳感器產(chǎn)品部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理董愷進(jìn)行了專訪，同時(shí)深入地了解了意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品和技術(shù)。 ? 根據(jù)Yole研究預(yù)測(cè)，全球MEMS市場(chǎng)規(guī)模到2026年將增長(zhǎng)至182億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為7.2%。意法半導(dǎo)體（ST）作為全球MEMS技術(shù)的領(lǐng)先者，很早就開始了MEMS傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)，其在全球MEMS市場(chǎng)中位列前五，份額超過5%。 行業(yè)人士表示，MEMS產(chǎn)業(yè)未來智能化、微型化、集成化的趨勢(shì)越來越明顯。意法半導(dǎo)體從2006年率先在200毫米晶圓上量產(chǎn)MEMS傳感器至今，其MEMS經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)化到了第三代。 在2022年11月中旬的慕尼黑華南展現(xiàn)場(chǎng)，筆者對(duì)意法半導(dǎo)體亞太區(qū)模擬、MEMS和傳感器產(chǎn)品部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理董愷進(jìn)行了專訪，同時(shí)深入地了解了意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品和技術(shù)。

意法半導(dǎo)體MEMS傳感器的發(fā)展方向與領(lǐng)域

在現(xiàn)場(chǎng)，董愷簡(jiǎn)要介紹了關(guān)于MEMS傳感器產(chǎn)品的歷史起源：早期，MEMS技術(shù)應(yīng)用于汽車以及打印等行業(yè)，主要產(chǎn)品有傳感器和執(zhí)行器。此外，MEMS主要用在汽車上的安全氣囊，在碰撞時(shí)通過監(jiān)測(cè)加速度決定是否打開安全氣囊。在執(zhí)行器方面，需要配合打印機(jī)產(chǎn)品做噴墨打印，因此用MEMS產(chǎn)品做微流控，來控制液體顆粒的大小，將文字打印在紙張上。這也是MEMS技術(shù)衍生的兩個(gè)技術(shù)產(chǎn)品：一個(gè)是傳感器，一個(gè)是執(zhí)行器。 此外，他還介紹了意法半導(dǎo)體的主力MEMS產(chǎn)品起源于消費(fèi)類電子，借助手機(jī)行業(yè)的大發(fā)展，意法半導(dǎo)體在傳感器發(fā)展的第二波浪潮中獲得了很好的表現(xiàn)。目前，MEMS的第三波浪潮，主要是汽車電動(dòng)化，工業(yè)4.0、智能工業(yè)等領(lǐng)域，這也是意法半導(dǎo)體傳感器在下一階段瞄準(zhǔn)的市場(chǎng)目標(biāo)。同時(shí)，包括消費(fèi)類產(chǎn)品中針對(duì)智能眼鏡的MEMS微鏡投射方案，以及眼鏡上的顯示屏，這些都是未來的幾個(gè)發(fā)展方向。 意法半導(dǎo)體第三代傳感器的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域 在2022年，意法半導(dǎo)體發(fā)布了第三代MEMS傳感器，它支持一個(gè)ISPU功能，也叫做智能傳感器處理單元。這款產(chǎn)品可以滿足市場(chǎng)上低功耗、快速響應(yīng)的需求，同時(shí)在傳感器內(nèi)部增加了更加智能化的一個(gè)DSP，可以將傳感器數(shù)據(jù)在傳感器內(nèi)部做一些預(yù)處理。針對(duì)這種方式，在DSP上可以直接訪問傳感器，避免了用MCU訪問需要I2C總線的傳統(tǒng)方式。這樣帶來的好處是功耗更低，響應(yīng)速度更快。再加上一點(diǎn)是客戶可以將他原來在MCU上做好的算法直接移植到DSP里處理，用來實(shí)現(xiàn)在工業(yè)界環(huán)境中電池類應(yīng)用低功耗、長(zhǎng)時(shí)間工作的需求，這是第三代智能傳感器的基本狀況。

意法半導(dǎo)體將智能處理從“on the edge”轉(zhuǎn)向“in the edge”
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智能傳感器處理單元（ISPU）框圖

同時(shí)，意法半導(dǎo)體的第三代傳感器中有一個(gè)DSP的內(nèi)核支持BNN的模塊，支持邊緣計(jì)算等功能?？蛻艨梢詫⒃瓉碓贛CU上做好的算法直接移植到DSP中進(jìn)行處理，用來實(shí)現(xiàn)在工業(yè)界環(huán)境中電池類應(yīng)用低功耗、長(zhǎng)時(shí)間工作的需求。這是意法半導(dǎo)體第三代智能傳感器的核心技術(shù)及原理。

筆者了解到，目前已經(jīng)有一些頂級(jí)的工業(yè)行業(yè)客戶在使用意法半導(dǎo)體第三代傳感器。而其中的主要用途之一，是用于工業(yè)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用也是意法半導(dǎo)體第三代傳感器與智能工業(yè)發(fā)展需求契合的地方之一，也是其優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。 最大的優(yōu)勢(shì)之一：工業(yè)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù) 工業(yè)設(shè)備，需要運(yùn)維定期檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，這種傳統(tǒng)運(yùn)維主要是通過檢測(cè)電壓電流的方式，而針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的損傷，行業(yè)中以往沒有也沒辦法做到太多的關(guān)注。意法半導(dǎo)體第三代傳感器帶來的優(yōu)勢(shì)之一就是可以在工業(yè)設(shè)備最末端機(jī)械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)運(yùn)行上做監(jiān)測(cè)。

什么是預(yù)測(cè)性維護(hù)？

? ? 預(yù)測(cè)性維護(hù)，可以理解為人的體檢，人們?cè)谧鲶w檢時(shí)，希望檢查可能的疾病，從而在初期發(fā)現(xiàn)、預(yù)防，讓人處于健康狀態(tài)。工業(yè)設(shè)備因?yàn)橐鲩L(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行，也會(huì)遇到同樣的問題。 預(yù)測(cè)性維護(hù)，就是針對(duì)在生產(chǎn)線上或者工業(yè)設(shè)備運(yùn)行過程中可能遇到的一些問題，用主動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式早發(fā)現(xiàn)、早解決，避免產(chǎn)生更大的損失。 ?“意法半導(dǎo)體第三代傳感器帶來的價(jià)值之一就是在這種機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)，比如齒輪，機(jī)械結(jié)構(gòu)懸臂等方面監(jiān)測(cè)是否有異常情況，出現(xiàn)異常時(shí)，智能傳感器處理單元ISPU就會(huì)把數(shù)據(jù)處理的部分發(fā)送到傳感器端，實(shí)現(xiàn)更智能化、更實(shí)時(shí)的響應(yīng)，同時(shí)還能夠以低功耗化狀態(tài)監(jiān)測(cè)運(yùn)行?！倍瓙饘?duì)此特別強(qiáng)調(diào)。 聚焦工業(yè)領(lǐng)域 目前，智能手機(jī)等消費(fèi)類MEMS市場(chǎng)已經(jīng)充分應(yīng)用，而隨著智能制造，工業(yè)4.0不斷深入，未來MEMS傳感器的市場(chǎng)方面，將主要是針對(duì)工業(yè)4.0，除了上面的預(yù)測(cè)性維護(hù)、工業(yè)設(shè)備健康監(jiān)測(cè)外，智能建筑、智能安裝，橋梁、古舊建筑以及高層建筑，都需要監(jiān)測(cè)其健康狀態(tài)。通過介紹，筆者了解到，意法半導(dǎo)體也在用MEMS傳感器深入這些領(lǐng)域，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于水壩邊坡橋梁的建筑結(jié)構(gòu)中，這是一個(gè)針對(duì)工業(yè)的重要方向之一。 另一個(gè)應(yīng)用方向是汽車電動(dòng)化。在傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車中，應(yīng)用到傳感器的部分主要是安全相關(guān)的安全氣囊、ESP、ESC等。隨著汽車的電動(dòng)化，現(xiàn)在已經(jīng)形成了一個(gè)新的概念：智能座艙。智能座艙不僅涉及到高精度導(dǎo)航，還有像汽車內(nèi)部的降噪，汽車智能底盤等。 在這三大工業(yè)領(lǐng)域，MEMS傳感器在未來會(huì)有一個(gè)很大的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

下一代消費(fèi)領(lǐng)域：意法半導(dǎo)體MEMS傳感器在智能眼鏡中的作用

盡管目前MEMS傳感器在消費(fèi)類市場(chǎng)上已經(jīng)有很大的占有率，但在可能成為未來新的下一代智能終端：智能眼鏡方面，MEMS傳感器的作用將會(huì)越來越重要。 意法半導(dǎo)體的MEMS產(chǎn)品在智能眼鏡上的應(yīng)用方向，主要是兩個(gè)方面。

第一個(gè)方面是傳感器，主要作用于感知人的頭部動(dòng)作以及在空間上的方向。其實(shí)在這方面意法半導(dǎo)體已經(jīng)有比較成熟的應(yīng)用，譬如在耳機(jī)上就已經(jīng)有成熟的空間音效，未來配合智能眼鏡，可以再追蹤頭部的動(dòng)作，或者實(shí)現(xiàn)人和眼鏡的交互應(yīng)用，這是MEMS傳感器在這類產(chǎn)品和市場(chǎng)的方向。

第二個(gè)方面是執(zhí)行器，意法半導(dǎo)體主要專注于近眼顯示功能?，F(xiàn)階段的智能眼鏡產(chǎn)品，由于尺寸的限制，依然是作為關(guān)鍵信息的分享，沒辦法做太多的娛樂性項(xiàng)目，僅僅偏向于一些實(shí)際應(yīng)用，譬如作為手機(jī)屏幕的拓展，來電提醒，短消息文字顯示等簡(jiǎn)單的內(nèi)容交互。在未來，在實(shí)際生活場(chǎng)景中，智能眼鏡可以幫助用戶做導(dǎo)航應(yīng)用的輔助，譬如樓宇等建筑物的識(shí)別、交通引導(dǎo)及辨別，甚至各種身份驗(yàn)證等都會(huì)直接在智能眼鏡上實(shí)現(xiàn)。 特色產(chǎn)品 在這次慕尼黑華南展現(xiàn)場(chǎng)，筆者注意到意法半導(dǎo)體的幾款特色的傳感器應(yīng)用產(chǎn)品，分別是智能呼吸口罩、可用于魔術(shù)骰子的姿態(tài)識(shí)別加速度計(jì)、智能窗簾機(jī)器人、陀螺轉(zhuǎn)角儀以及熱釋電傳感器TMOS。

智能口罩 ? ?

這是一個(gè)內(nèi)置氣壓傳感器的智能口罩，用來監(jiān)測(cè)有呼吸系統(tǒng)疾病的病人，監(jiān)測(cè)其呼吸頻率，可以與手機(jī)連接，如果發(fā)現(xiàn)呼吸急促，或者頻率變慢，就會(huì)通過手機(jī)報(bào)告給醫(yī)生或者家人，這款產(chǎn)品比較新，目前還屬于消費(fèi)級(jí)的產(chǎn)品，已經(jīng)有終端廠商在做醫(yī)療方面的認(rèn)證。 同時(shí)，它還可以做得更小一點(diǎn)，更易于佩戴。

姿態(tài)識(shí)別加速度計(jì) ? ?

魔術(shù)骰子

上面是內(nèi)置姿態(tài)識(shí)別加速度計(jì)的魔術(shù)骰子，這是一套典型的IoT產(chǎn)品，可以監(jiān)測(cè)骰子每一面的方向，在骰子里面有藍(lán)牙模塊，可以把數(shù)據(jù)傳到接收端（如上圖下方的顯示模塊），里面有電池，還可以進(jìn)行無線充電。這是給魔術(shù)師開發(fā)的道具，可以做心靈預(yù)測(cè)，同時(shí)可以與VR眼鏡結(jié)合起來，在眼鏡上顯示，從而做得更加隱蔽。 當(dāng)然，這只是姿態(tài)識(shí)別加速度計(jì)在魔術(shù)方面的應(yīng)用，由于其小型化，并內(nèi)置了藍(lán)牙、電池以及無線充電等模塊，同樣可以用在其他消費(fèi)類或者工業(yè)領(lǐng)域中。 智能窗簾機(jī)器人 ? ?

智能窗簾機(jī)器人不是簡(jiǎn)單的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它里面內(nèi)置了加速度計(jì)，只需要輕輕拉一下窗簾給它一點(diǎn)勢(shì)能，機(jī)器人就知道需要往哪個(gè)方向拉，內(nèi)置模塊就會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)往對(duì)應(yīng)的方向自動(dòng)拉動(dòng)窗簾。當(dāng)然，這個(gè)智能窗簾機(jī)器人可以與手機(jī)連接，通過遠(yuǎn)程或者時(shí)間計(jì)劃控制窗簾的動(dòng)作。 陀螺轉(zhuǎn)角儀 ? ?

上圖中的藍(lán)盒中內(nèi)置了一個(gè)陀螺轉(zhuǎn)角儀，平板顯示系統(tǒng)是一個(gè)開發(fā)套件，其中實(shí)際上是做了一個(gè)虛擬的骰子，但這個(gè)比骰子更精確，可以根據(jù)陀螺轉(zhuǎn)角儀傳感器的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算得出當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)的精確角度。

熱釋電人數(shù)傳感器TMOS ? ?

TMOS人數(shù)檢測(cè)傳感器

利用意法半導(dǎo)體TMOS產(chǎn)品根據(jù)熱釋電原理制作的人數(shù)檢測(cè)儀可以在公園、廣場(chǎng)、車站等人口聚集的地方統(tǒng)計(jì)人數(shù)。 上面這些只是意法半導(dǎo)體展示的部分特色傳感器應(yīng)用產(chǎn)品，基于意法半導(dǎo)體第三代傳感器優(yōu)秀的設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的功能，它們還可以應(yīng)用在更多的消費(fèi)或工業(yè)領(lǐng)域。此外，這次意法半導(dǎo)體展覽還展出了更多汽車電子、新能源等領(lǐng)域的眾多優(yōu)秀產(chǎn)品。

編輯：黃飛

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