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探讨MEMS下一次机遇,意法半导体划重点“汽车”和“工业”市场

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多年耕耘,也让ST收获不错的市场成绩。数据统计,2017年底ST MEMS市场份额将达到60%-65%。除了瞄准电子消费类,ST MEMS还将目光又重新拉回到汽车和工业应用上,即智能驾驶和智慧工业。

作者:黄雅琦 来源:至顶网商用办公频道 【原创】 2017年10月23日

关键字:MEMS 意法半导体

至顶网个人商用频道 10月23日 北京消息 (文/黄当当):提到MEMS,全称Micro Electromechanical System,简称微机电系统。它是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置,其内部结构一般在微米甚至纳米量级,是一个独立的智能系统,主要由传感器、、动作器(执行器)和微能源三大部分组成。

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当然,可别小瞧了这个比“指甲盖”还要小的薄片装备。它的存在遍布了各大领域,包括物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术,为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。

MEMS之所以有今天的成绩单,有一家厂商的默默无闻必须载入功劳簿。它就是意法半导体,简称ST。在探寻MEMS的路上,ST一直在努力,秉承“传感器技术向智能化和独立化发展”的思路,目前ST已进击为MEMS圈子重要玩家之一。

ST来自欧洲,但却对中国情有独钟。ST是目前为数不多,拥有全功能的一家“完整”的半导体公司(其研发、前道、后道、营销体系全亲手包办)。ST在中国的主要业务来自手机,譬如华为采用ST内置OIS光学防抖传感器的6轴惯性测量单位,以及很多穿戴设备采用ST的压力传感器和六轴惯性模块、加速度和陀螺仪等MEMS器件。

探讨MEMS下一次机遇,意法半导体划重点“汽车”和“工业”市场意法半导体大中华暨南亚区模拟和MEMS产品部市场总监 吴卫东

多年耕耘,也让ST收获不错的市场成绩。数据统计,2017年底ST MEMS市场份额将达到60%-65%。之所以ST能在客户端持续地让产品有吸引力,吴卫东认为关键的三点:

1、ST MEMS能够提供多元化的产品。“如果把每一个类别的MEMS产品比作一块砖的话,ST这堵墙是垒得最高的,我们有MEMS & sensor。第一,客户可以从ST这边拿到所有他所需要的;第二,真正在应用层面,有的传感器需要组合应用,即硬件上和软件上的组合,不同参数上的组合,ST可以给到客户更完整的方案。”

2、OSI模型,即开放式通信系统互联参考模型。“大家一提到手机就会说到防抖,防抖有物理和光学防抖。华为发布的几款手机里都有类似的功能在里面。当我们每天使用这类产品时碰到的挑战就是功耗,而我们的sensor就能很好地解决这一问题。”

3、高度计、压力传感器。“在美国有规定,2019年之后你的手机必须有压力计,当你有紧急时刻,打了报警电话,但他只知道你具体的平面位置,不知道具体高度,压力计就可以提供这样的信息给到你的后台。”

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吴卫东现任意法半导体大中华暨南亚区模拟、MEMS和传感器产品部市场总监。他负责市场开发,推动意法半导体相关产品在工业类、消费类、汽车类等市场领域的拓展,紧密贴合公司的产品发展蓝图和公司的本地策略。

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他用一张“太极图”来诠释 ST MEMS产品线的理念。“就像是一个轮回,MEMS & sensors(传感器)其实是从Actuator(致动器)开始的。而MEMS最初的目标应用是工业和汽车,但真正推波助澜的是消费类。而且这个发展过去经历了差不多十年,也是因为这十年,让整个行业和大众都知道了MEMS技术。”

言下之意,除了瞄准电子消费类,ST MEMS还将目光又重新拉回到汽车和工业应用上,即智能驾驶和智慧工业。以下是吴卫东针对这两个方面做出的详细宣讲,至顶网做了不改变原意的整理:

智能驾驶-汽车非安全性应用

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ST在消费类市场涉足很广,甚至在过去几年里我们就已经在汽车领域里开始成长、目前的高端车里,钥匙是智能化的,带蓝牙,带sensor,可以起到超低功耗和远程操控各方面的功能。

智能驾驶我们过去谈的很多,ST MEMS sensor有很多解决方案是针对汽车的应用。目前的MEMS sensor在非安全领域里已经有非常好的业绩,尤其在娱乐设备里。IHS对今年上半年和去年业绩报告,ST差不多有六成的份额,我们卖什么东西?就是车规的加速度和陀螺仪。目前,我们和行业主流的汽车品牌都有合作,如果你买的车里本身就配备自动导航功能,说不定就有ST的MEMS sensor,国内做导航、娱乐设备的客户也是我们重要的客户。这两颗罗列出来的产品就是符合汽车登记的MEMS sensor,一个是加速度传感器,一个是陀螺仪。原来的OBD,现在的T-box,有的是前装的,有的是后装的,有的也要对汽车行进行装机采集,客户普遍用的比较多的就是我们的六轴惯性模块。

高精度传感器推动新应用发展

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高性能取决于应用的需求,汽车应用里,汽车导航有GPS,为什么要用MEMS sensor,为什么要用惯性传感器?简单来讲GPS并不是无处不在,GPS的信号有强有弱,MEMS sensor做这个功能是辅助GPS,覆盖GPS的盲区,一旦在这种情形下,你的sensor就要有好的精度。好的精度是什么?从我的理解来讲,整个系统的精度要达到米的级别,也就是至少车子、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sensor的挑战是会随温度、时间漂移,有很多参数影响它,你对sensor要有很好的控制。

自动驾驶要求更高,目前客户要求,自动驾驶,靠sensor做事的时候要在20厘米以下。

虚拟增强实境,差不多要在10厘米以内,如果戴虚拟现实的头盔,在这样的范围之内,用户体验就很好,不至于明明你已经转了,实际里面的画面还停留在某一位置,那样的互动性就会很差,甚至有一些感觉做得不好的你就会觉得滞后感和头晕的感觉。这对sensor来讲要求有更好的精度和灵敏度。光学防抖,这个10厘米是针对画面之间的偏差。压力检测,检测高度,目前看到要控制在10厘米以内,这样带回来的信息才是比较有效、有用的。温湿度检测,我们希望达到0.5摄氏度,温湿度比例要达到3%。目前具体应用里,(数据)越低越好,我们正朝着这个方向在做。

虚拟现实来讲,Google出了Android各种规格,从Android 5.0开始,规定了sensor在某些参数规格是有要求的,针对VR来讲,甚至对sensor做认证,因为他也知道,目前sensor正在推这些应用,起的作用至关重大。如果不去控制的话,可能在整个系统里的应用就不太好,大家就会说你的手机可能Design有问题。在sensor上先要把关,有一定的门槛,整个系统才会有好的效果。所以,连做软件、系统的厂家也知道,sensor在整个应用里多么得重要。

是不是把MEMS sensor的精度提高很容易?既容易也不容易,如果你不考虑功耗的话,是可以做得到,因为功耗的提升,你的计算能力,推动力都可以做得更大。目前的挑战是,这些东西还是应用在消费类,或者工业类,我们对功耗是非常顾虑的。比如今天我做个检测单元放某一个机器上,用电磁供电,因为不希望每个礼拜换电池,希望这样的单元能用几年或者至少用上几个月,甚至一些农业检测,我放了这个东西以后,具体位置我都不知道。但我要用它十年,十年之后我再放一个而已。这就需要你既要有很好的精度,同时功耗不能增加,这就是挑战。

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既然sensor那么重要,设计上是不是有质的改变或新的技术。原理来讲,有个著名的参数,阿伦方差(阿伦是位数学家),做sensor产品时有一些物理的局限性不可规避。sensor里一部分是机械结构,通俗来说就是它会老化,随着温度会有温度的变化,随着时间会有时间的变化。这些参数解释成电子的术语就是背景噪声、白色噪声或者不稳定,随机的走动,也就是说今天的sensor是这个工作表现,明天在同一条件,同一环境下就会有一定的偏差。怎么样控制?控制的方法除非是要用生产或者矫正的方法来做。

精度——传感器的重要参数

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1、噪声。有本身机械结构产生的造成;还有高频噪声,sensor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,sensor本身是在某一个频率谐振,让它有工作,但在周边线路里,是不可规避的,产生一个频率对它进行耦合,就会对传感器有变化,处理的时候,你要有足够的经验帮助客户在算法上规避或抑制掉、消除掉这样的噪声。

2、稳定性。时间的稳定性毋庸置疑,解决老化的概念。温度的稳定性,它的特性在0度和50度时肯定不一样,你要尽量在设计当中做好,可以做到可消除和平衡。重复测试的稳定性,数据线路,输入1出来0,如果达不到0就是错。时间的稳定性,输入1出来100%,明天输入1出来99%,就要控制输入稳定性是多少,这没有百分之百的事情,因为它是模拟的,最终内部整个链还是模拟的,信号产生源还是模拟的。偏差、线性度、灵敏度都压去考虑。

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3、提高精度。提高精度怎么做?你要改善设计和制造工艺,对MEMS器件来讲,即使在半导体或很多产品里不会考虑到的或者不适用的,MEMS除了硅晶圆,提升它性能很重要的是,设计制程它只占了20%,还有80%是测试和校准。这是什么概念?同样一个MEMS传感器,如果我的测试、校准做得更精细的话,它完完全全可以从精度只有5%提升到1%甚至更低。MEMS器件从今天的输出是个数字,但里面其实是非常模拟,比模拟还模拟,它甚至有机械结构。在测试和校准方面你是一点测试还是三点测试,还是十点测试?是随时间校准,随时间测试还是只测一次?
消费类的,因为一天要保证出货100万片,产线、产能不可能支撑每一个器件都要去校准、测试,我花的时间按秒来算,我的精度可以保证我的space。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。更高一级,一个芯片测试上百次,可以把这个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。按单位1的概念来讲,消费级是乘以10,工业级乘以100,战略级乘以1000的概念。这一点,MEMS sensor是比较独特的。

ST目前在做什么?消费类产品通过我测试和校准方面的经验,甚至有很多专利技术在里面。同样的一个设备你是可以买的,但你的校正测试的program方案不一样,可能调校出来的结果会有不一样性。

这是机械性的传感器,这是惯性单元,这是陀螺仪,这是加速度,这是数字电路,里面有Flash,有处理运算单元,有寄存器。这是打开我们sensor内部到底是什么样的,它是堆叠式结构在里面。

制造设备、测试设备里的核心技术,只有一定规模公司,一套设备就上百万美金,你要有这样的投资去支撑这样的生产。ST经过这么多年,在测试和校正整个核心算法或流程方面有很大的积累。

ST在今天的智能驾驶有什么样的机会,在座各位都是媒体从业记者,很多比我还熟悉,现在一台中高档车里sensor越来越多,可能有的车已经超过200、300个sensor,MEMS sensor是中间的一部分,有很多是专业类的气体sensor、油体sensor。

MEMS传感器与安全要求

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目前在非安全性方面,因为要设计汽车是漫长的过程,因为它要经过对市场认证。在这一块我们已经得到了很好的市场认可,有60%的市场份额。安全气囊上,目前我们已经有产品出来,我们和国内的一些公司做产品开发,做后续合作。未来我们会在主动安全和自动驾驶会涉及到要求更高一点的产品去开发。

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ST有ADAS系统、整体解决方案,作为MEMS sensor的组成部分,我们提供MEMS解决方案;包括雷达,有一些合作伙伴也借助我们的Actuator技术和我们的汽车部门进行合作开发。

我们的MEMS提供sensor信号单元,当整个系统没有GPS、导航信号时,完完全全通过sensor来做到,除了硬件本身,算法方面,我们已经有相应的成功方案,像OBD、Telemax、Box黑盒子项目已经集成了一部分功能,我们已经提供给客户一些需求。

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微镜也是属于消费类的,投影、3D扫描,投影我们是和MicroVision合作;在两三年前,大家知道英特尔的RealSense,那时候是用我们的技术,静电线性和静电谐振,当时是用微镜,但控制这个微镜也有很大的学问。不同的控制方式对于微镜的结构和原理都不一样。ST目前针对消费类已经有两个技术在和客户合作。后续,ADAS、汽车电子,我们的微镜技术也看到非常好的激光雷达、智能照明,智能照明要求的功率都会更大一点。我们在这方面会做积极的合作,有一些合作伙伴在做。这方面的挑战,我们基于MEMS sensor的工艺有很多是可以复用的,对我们来讲没有什么门槛。

车载的麦克风,ST的麦克风也有悠久的历史,在消费市场里也可以看到有一些客户对我们麦克风产品的需求,对整个解决方案我们也可以提供很好的需求。我相信国内的麦克风产业也在蓬勃发展,有起有落。我相信,ST的技术可以支撑中高端产品,在整体产品特性方面提供客户更好的产品,打个比较通俗易懂的比方,麦克风像人的耳朵,听的越清晰,频率越广,听的更远。有的只是听得到,这些相对在应用上和高端应用上会受到瓶颈。我们的理念是,在波载点和信道都达到世界一流的水平。

智慧工业MEMS

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智慧工业在我个人认为,真正推动着物联网的普及。为什么?就是因为它很多,数量并不一定比其他大。在这个行业里,如果我们挖得深,对于物联网企业来说,其潜力是巨大的。它的生命周期很长,并不像消费类企业可能一夜暴富。

从工业方面来讲,它的要求其实很高,需要很好的性能特性。拿sensor来讲,所有工业里的sensor需求绝对比消费类要更强。在连接方面也会比传统的技术更严苛。打个比方,传统4G功耗太大,蓝牙或Wi-Fi距离太大。所以,工业方面要解决的是距离和功耗。用什么样的解决方案? RF既可以解决长距离,用Sub-1GHz,也可以用短距离BLE。在距离和传输方面,至今还没有完整成熟的供应链体系,大家称其为小众市场。但这个市场整体的体量其实很大。在高效性和安全性,因为涉及到工业,不像有些消费类的产品不能用就不能用了,一套工业设备,不单单是这个设备坏了,它带来的后果是非常严重、损失也是非常大的。

目前我们有个产品,它的测距是用激光的,也是个传感器,而且还是手持的,但精度已经可以达到相应的认证,产品具备防跌感测。智慧工业是在现有产品上附加一些传感器达到智能化,附加一些连接的技术达到物联。

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这是我刚才讲的产品,激光测距,我们还有加速度传感和倾角的检测,你在计算面积、直线距离,通过这个sensor的信号就可以实现一步到位,无需人工检测,这也是个多用途的产品。

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我们还有客户做地震监测,用的是高精度加速度传感器,超低功耗。像这类产品它不可能时时放电。它可能是埋在地下按年计算,无需任何操作,只需要一直连接,它就能一直有信号报给我们。

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针对这样的应用领域,我们保证客户这类产品、元器件至少十年的生产周期,十年的生命周期,去迎合工业类市场对于sensor的需求。现在的产品,因为消费类市场更新得很快,差不多6个月就会有新一代产品。在工业和汽车类领域,我们承诺客户,保证产品的市场供应时间超过10年。

我们还有做隧道检测的客户,检测隧道里的震动和物理信息情况。还有重型叉车,它要求的精度就更高了。传统的产品我们都是用塑封的LGA,但也有局限性,就是热胀冷缩。目前,并不是它不能用,而是有偏差,精度会受影响。要达到更好的效果,就用陶瓷封装。现在,为了迎合工业类、汽车类应用,也有陶瓷类封装产品推向市场。

除了所有硬件之外,我们有完整的软件解决方案,在座各位可能以前也看到过类似的开发套件。这个开发套件可以自己去开发,另一种呈现形式是放在STM32开发平台上,只要你知道你想要什么,先不做任何的投入,拿着我们这样的开发套件去实现你的功能,最后再把这个方案移植你的平台和产品上。

像施耐德、霍尼韦尔、GE,我们都有全方位的合作,对于后续传感器的需求,ST往往是他们的第一选择。包括在整个工厂里,MEMS的应用其实是检测一些噪音。我们在马达控制方面有很成熟的解决方案,原来是步进电机、直流电机、交流电机、FOC,而且以前我们对马达也是有保护的,保护过流、过压、功率,真正从原理上来讲,可以看到过流、过压、功率无非是在这边,我们自己能看到的是怎么冒烟了,过流过压以后,没有示波器,摸马达觉得比以前烫了,有热量;或者马达转得不对,有噪声出来,源头震动,你的马达运行在不对的条件下,可能倾斜了。洗衣机为什么有时候突然出现怪声?没有电频。有时候在真正马达冒火之前,甚至几个月之前,一些大型设备就可以预测到,加入这样的震动检测。这一块ST也在用。我们是做晶圆的,晶圆是用马达控制的,如果马达工作不正常,晶圆就会损坏。在机械设备、生产线上,如果马达控制不了,精度要求很高,细微的偏差都会有问题。

按照目前的检测,功率等已经做得很好,但有个方案,它可以做到更好,可以更好地去预测,在问题发生之前就通知系统。除了sensor,对于算法和经验也有一定的要求,ST则结合马达控制系统做全方位深入的开发。

那老的设备怎么办?就智能工业和其他智能行业来讲,新的东西一旦被接受了,还是需要一段时间才能看到效果。但是大家的尝试率是非常高的。我在几年之前就和北京某知名大学的教授一起探讨桥梁检测。其实中国的桥梁非常多,有些桥梁不管是时间原因还是建造时的质量原因,存在一定的危险,如果不加检测,只有桥梁断了才知道断了。但在桥梁从开始有危险到断之间其实有一段较长的时间。还有像海水检测、土壤检测都是这样的布局方式。我们有客户做重型卡车上的功能,检测这些工业设备运转是否在正常范围内,主要就是对马达的监测。

今天的主题是MEMS&sensor,我们强调,ST已经出货超过130亿片;第二,我们看到的,真正支撑整个行业再次蓬勃发展的,是从消费类持续增长拓展到工业类和汽车类。第三,MEMS &sensor的延伸,在物联网、射频方面,ST可以提供短距离和中长距离,中长距离Sub-1GHz可以达到几十公里的速度,对于智慧城市的应用可以达到全覆盖。

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