MEMS传感器的应用走势及提高精度的方法探讨

作者 / 王莹 《电子产品世界》编辑

摘要：近日，ST(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先生在京介绍了ST MEMS传感器的发展概况，提高传感器精度的方法，以及汽车、工业等市场对传感器的需求特点。

ST做了20年的MEMS传感器

　　在MEMS传感器方面，ST已经做了20年，至今出货130亿片MEMS传感器。随着制程和调校的改进，下一步希望从消费类更多地扩展到汽车和工业应用。ST特点是提供传感器和致动器(Actuator)，有经过市场检验的制造技术，拥有大规模制造能力，有多传感器集成能力，集成了市场领先的智能功能等。

　　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、并使MEMS普及的是消费类电子。如今，MEMS的下一波浪潮有望重回汽车和工业。

　　据IHS 2017年上半年市场报告，ST是世界第一大汽车非安全性应用MEMS厂商(如图1);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%。非安全应用主要包括导航和信息娱乐系统等，需要用到加速度传感器和陀螺仪(如图2)。

新应用需要精度更高

　　高性能取决于应用的需求。汽车应用里，汽车导航通常采用GPS，MEMS惯性传感器作为辅助测量，以覆盖GPS的盲区(如图3)。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。这个米级并不是一个时间点，是累积的，因为传感器的挑战是参数会随着温度和时间等漂移。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(如图4)。

　　虚拟增强实境的感测精度约在10厘米以内。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。

　　此外，手机光学防抖的误差是10厘米以内，是针对画面之间的偏差。工业上的压力监测要控制在10厘米以内。温湿度检测希望达到0.5℃以内，精度3%以内。

影响传感器精度的因素

　　提高精度容易吗?实际上既容易也不容易。如果不考虑功耗，较为容易，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，设计上是不是已有质的改变或新的技术?从传感器原理看，通常采用著名的传感器精度衡量方法——阿伦方差(AVAR)，如图5。但做传感器产品时有一些物理局限性不可规避。例如MEMS传感器里一部分是机械结构，会老化，且会随着温度和时间变化。这些参数解释成电子术语就是背景噪声、白噪声或者不稳定、随机的抖动。其控制方法要用生产或者校正的方法来弥补。

　　*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。高频噪声指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、消除这些噪声。如图6。

　　*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，你要尽量在设计中消除和平衡温度的影响。重复测试的稳定性，例如数据线路中如果输入“1”时应该输出“0”，如果达不到“0”就是错。