摘要： 以加速度計、陀螺儀、壓力傳感器為代表的MEMS傳感器，因為低成本、小尺寸、低功耗和高性能，近幾年來正被大量集成到便攜設(shè)備內(nèi)。而新興的移動消費電子應(yīng)用，例如增強實境(AR)、數(shù)碼影像防抖技術(shù)、定位服務(wù)(LBS)、室內(nèi)及多樓層盲區(qū)導(dǎo)航功能等，也需要復(fù)雜程度更高的感應(yīng)功能，導(dǎo)致MEMS的用途不再局限于當(dāng)前的屏幕旋轉(zhuǎn)、運動檢測、數(shù)字羅盤和3D游戲等應(yīng)用領(lǐng)域。
關(guān)鍵字： MEMS傳感器， 高智能， 人機界面，
以加速度計、陀螺儀、壓力傳感器為代表的MEMS傳感器，因為低成本、小尺寸、低功耗和高性能，近幾年來正被大量集成到便攜設(shè)備內(nèi)。而新興的移動消費電子應(yīng)用，例如增強實境(AR)、數(shù)碼影像防抖技術(shù)、定位服務(wù)(LBS)、室內(nèi)及多樓層盲區(qū)導(dǎo)航功能等，也需要復(fù)雜程度更高的感應(yīng)功能，導(dǎo)致MEMS的用途不再局限于當(dāng)前的屏幕旋轉(zhuǎn)、運動檢測、數(shù)字羅盤和3D游戲等應(yīng)用領(lǐng)域。
從高集成走向高智能
“智能手機與平板是驅(qū)動今年增長的關(guān)鍵力量，這些產(chǎn)品中很多已經(jīng)具有3軸加速計、3軸陀螺儀、麥克風(fēng)、立體聲波濾波器等標準MEMS器件?！币夥ò雽?dǎo)體MEMS事業(yè)部業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理Roberto De Nuccio強調(diào)說，提供在一個封裝內(nèi)整合多個傳感器的一體化解決方案，是ST最為擅長提供的領(lǐng)域，iNEMO就是這種發(fā)展趨勢的一個典型實例。
該引擎被ST稱作“業(yè)界首款完整可定制的多軸MEMS傳感器軟硬件解決方案”，可實現(xiàn)自主和自動系統(tǒng)，監(jiān)測特定的條件，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作，用戶無需干預(yù)或只需稍加介入。而近年來由WIN 8引發(fā)的Sensor hub概念，更是加速了MCU+iNEMO這種“智能傳感器”形式在手持終端中普及。ST正是看到了這一契機，宣布與微軟合作，以確保在基于Windows 8的平板電腦和計算機中快速采用其MEMS傳感器及相關(guān)技術(shù)。
Roberto De Nuccio表示，由于“智能傳感器”在一個封裝內(nèi)整合了MEMS器件和處理器功能，無需主處理器介入，獨立運行傳感器算法，能夠大幅降低系統(tǒng)級功耗。因此，對耗電量極大的手持設(shè)備而言非常重要。未來，具備高度微型化、集成化和智能化特性的MEMS傳感器，將在單一芯片上實現(xiàn)從信號采集、處理到輸出的全過程，為今后實現(xiàn)更多功能，將更多想象變?yōu)楝F(xiàn)實奠定基礎(chǔ)。
至于MCU+Sensor組合和單純的MEMS傳感器模塊今后哪種會成為主流?ST大中華區(qū)暨南亞區(qū)微電機系統(tǒng)及傳感器高級市場部經(jīng)理吳衛(wèi)東在此前的采訪中曾評價稱，盡管ST已經(jīng)推出能夠檢測9個自由度并內(nèi)置32位處理器的INEMO-M1智能多傳感器模塊，技術(shù)上不存在任何問題。但對此話題不可一概而論，ST將奉行兩者并行的策略。
INEMO-M1智能多傳感器模塊
“首先，只有真正商用化的量產(chǎn)方案才有實際意義?！眳切l(wèi)東說，“更重要的是，不同應(yīng)用市場對MCU的需求不同，在為客戶開發(fā)帶來便利性的同時有可能是以犧牲靈活性為代價的，所以集成并非絕對的好，需要針對應(yīng)用具體分析;其次，消費類市場對成本極為敏感，模塊化方案的性價比是否就一定優(yōu)于單個器件，也需要仔細斟酌?！?/P>
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盡管業(yè)界不斷熱炒9軸、12軸MEMS傳感器概念，但仍有部分人士認為今后一兩年內(nèi)，市場上的主流方案仍會以3+3的6軸方案為主。對此，Roberto De Nuccio分析稱，多傳感器集成是大勢所趨，目前看到的市場趨勢確實以9軸方案為主，包括以加速度、陀螺儀、地磁計為代表的運動傳感器，和以濕度、溫度、壓力為代表的環(huán)境檢測傳感器。根據(jù)他的判斷，2013年，加速度計市場仍將保持提升態(tài)勢，陀螺儀附帶率將由2012年的10%升至30%，地磁計附帶率將上升至70%;環(huán)境傳感器方面，濕度傳感器將首次入住手機參考設(shè)計中。
面向更自然人機界面的MEMS
吳衛(wèi)東特別提到了MEMS領(lǐng)域最成功的產(chǎn)品之一：MEMS麥克風(fēng)。據(jù)IHS iSuppli的MEMS市場簡報，風(fēng)頭強勁的蘋果iPhone把MEMS麥克風(fēng)市場推到了新的高度，幫助其出貨量在短短三年內(nèi)就劇增了將近四倍。2012年MEMS麥克風(fēng)出貨量估計達到20.6億個，是2009年出貨量4.329億的4.8倍。
這點并不難理解。因為每部智能手機可能只需要一個加速計、羅盤和陀螺儀，但通常會需要兩個或更多的MEMS麥克風(fēng)以獲得額外好處，比如加強支持噪聲抑制以及視頻的高清錄音。另一方面，不同于加速計，MEMS麥克風(fēng)價格一直保持堅挺，據(jù)稱這主要是因為蘋果等公司不是只看重價格。例如，為了獲得高性能MEMS麥克風(fēng)，蘋果支付的價格是競爭對手的三到四倍，從而幫助穩(wěn)定了整體MEMS麥克風(fēng)的價格。
吳衛(wèi)東稱，ST的MEMS麥克風(fēng)已經(jīng)有幾千萬顆的市場銷售量。除了采用新的堆疊和封裝方式外，他們還使用了音頻主動降噪技術(shù)STANCO，能夠保證產(chǎn)品頂部端口和底部端口的SNR無差異，并且把AOP從120dbs提高到140dbs，從而具有更寬的音域。
此外，下一代手機和平板電腦，以及可變形超級本等所擁有的手勢識別、觸摸、室內(nèi)導(dǎo)航等功能，也正推動著MEMS傳感器的大發(fā)展。例如，目前在筆記本電腦中的運動傳感器只有加速度計一種，用于防止筆記本電腦跌落時SSD硬盤受損。而隨著可變形超級本的出現(xiàn)，陀螺儀和地磁感應(yīng)器也將被引入其中，用于實現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航與增強實現(xiàn)功能。
除了消費和手機應(yīng)用，很多技術(shù)和商業(yè)專家也認為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、打印機、投影機、復(fù)印機、汽車和其他高附加價值的工業(yè)、醫(yī)療、有線通訊、航天、國防等，將是MEMS傳感器的下一次商業(yè)機會。例如，ST已經(jīng)開發(fā)出的可以安裝在一次性敷貼內(nèi)的微型胰島素注射泵和5節(jié)點無線壓力傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的胎壓監(jiān)測系統(tǒng);或是能夠24小時檢測和觀察眼壓變化的智能隱形眼鏡，用以幫助專家提前發(fā)現(xiàn)并進行青光眼的治療。[!--empirenews.page--]
如何獲得成功?
要想在消費電子市場取得成功，廠商就必須通過規(guī)模經(jīng)濟取勝，并且能夠提供廣泛的解決方案。ST稱，他們是市場上唯一能夠為客戶的應(yīng)用設(shè)計提供傳感器整體解決方案的廠商，產(chǎn)品包括加速度計、陀螺儀、羅盤、壓力傳感器、麥克風(fēng)、接近檢測傳感器、觸控傳感器等。 而競爭對手專注較小的產(chǎn)品組合，當(dāng)他們進行集成功能時，需要完全依賴外部廠商為其提供其它的傳感器。目前，ST MEMS傳感器的產(chǎn)能已達400萬顆/天，且是世界上第一家制造基于8英寸晶圓工藝MEMS器件制造商。
不過，多傳感器集成化在現(xiàn)階段對于MEMS制造工藝依然是不小的挑戰(zhàn)。這是因為集成模塊的制作工藝更難，生產(chǎn)良率也會顯著下降，只有充分掌握其中每一門技術(shù)，才能保證器件的性能穩(wěn)定性。ST目前已經(jīng)能夠?qū)⒐柰准夹g(shù)(TSV)應(yīng)用于大批量MEMS生產(chǎn)中，這對在智能傳感器和多軸慣性模塊中實現(xiàn)高性能3D芯片集成來說，是具有里程碑性質(zhì)的事件。
Roberto De Nuccio表示，ST曾嘗試將MEMS的機械部分與ASIC進行整合，但沒有成功。因此，從效率、經(jīng)濟性、出貨量等多方面考慮，ST未來還將堅持系統(tǒng)級封裝策略(System-in-package)，但會在小型化技術(shù)上更為創(chuàng)新。比如今后的加速度計和陀螺儀可以共享一個MEMS芯片，六軸系統(tǒng)可集成到更小的封裝中，而不用像現(xiàn)在加速度和陀螺儀分別使用兩個MEMS Die，占用較大的面積。
運用經(jīng)過市場檢驗的內(nèi)部制造鏈優(yōu)勢，也被ST方面視作戰(zhàn)勝對手的法寶之一。吳衛(wèi)東稱，相比ST靈活的產(chǎn)品開發(fā)和系統(tǒng)級封裝方法，大多數(shù)競爭對手只能依靠分散的供應(yīng)鏈，在出廠前需要在芯片供應(yīng)商和封裝外包商之間往返多次，需要經(jīng)過系統(tǒng)級芯片制造工序，這些過程很容易引起晶片污染、質(zhì)量和交貨等問題。
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