MEMS传感器的应用走势及提高精度的方法探讨

　　*误差。测量没有百分之百的准确，因为是模拟的(注：因为信号产生源是模拟的，内部整个链路是模拟的)，需要考虑偏移、灵敏度、非线性误差(NL)、交叉轴误差(CX)等。

提高传感器精度的方法

　　为了提高MEMS传感器精度，需要改善设计和制造工艺。在MEMS器件中，设计和制程其实只占了20%工作量，还有80%是测试和校准(如图7)。这意味着同样一个MEMS传感器，如果测试、校准做得更精细，完全可以从精度5%提升到1%，甚至更高。

　　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(注：因为里面存在机械结构)。在测试和校准方面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调校一次?……这些方法都会影响到最后的精度。

　　因此MEMS传感器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、产能不可能支撑每一个器件都去校准、测试，因为花的时间要按秒来算，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。因此如果按单位1的概念来计算，消费级是x10，工业级是x100，战略级x1000的概念。

　　因此，ST的优势是在消费类产品测试和校准方面有丰富的算法和流程积累，甚至有很多专利技术，可以用到汽车和工业应用中。

　　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(如图8)。在封装上，为了满足工业应用，把塑封改为陶瓷封装，因为塑封会热胀冷缩，随温度影响较大。

看好智慧工业

　　智慧工业也许是真正推动物联网普及的领域。因为工业应用种类繁多，总量并不一定比其他应用大。在这个行业里如果挖得深，潜力是巨大的。

　　工业应用对传感器的要求比消费类要更高。例如生命周期长(注：不像消费电子也许一夜暴富，但也许会很快退潮)。作为对比，对于消费电子，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，例如十年。另外工业应用的工作环境苛刻，目前还没有形成完整的供应链体系，而且还是niche market(利基市场)。工业市场也许要十年才能起来。

　　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，手摸着烫了才发现出了问题，其实源头是振动，几个星期前就会有征兆，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。

如何改造现有的制造设备?

　　通常人们称新的制造设备是绿地，现有的设备为棕地。为了改造现有设备，ST推出了无线、有线连接芯片技术，可在新装制造设备(图9的绿地)和现有制造设备上(图9的棕地)实现物联网连接。

一些有趣的应用

　　*手机MEMS麦克风的新趋势。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，这些软件通常是手机公司或第三方合作伙伴开发的。

　　*eMeet公司的移动会议扬声器。麦克风就像人的耳朵，为何有的5米之外说话还能听到，有的2米就听不清了?答案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eMeet公司的产品有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(如图10)，同时避免了噪声干扰。

小结

　　过去十年消费电子使MEMS传感器普及和繁荣。下一个十年将扩展到汽车和工业应用，这需要精度进一步提高，需要制程尤其是调校技术的进步，同时无线、软件等技术的结合和促进也是十分必要的。

　　参考文献：

　　[1]王曦.物联网时代的传感器和材料创新.电子产品世界(1):27-29.

　　[2]迎九.尤政院士谈中国制造与传感器/MEMS的发展前景.电子产品世界,2017(1):3-9.

　　[3]迎九,金旺.可穿戴设备中的传感器应用需求及趋势.电子产品世界(6):21-24.

　　[4]杨航,董维杰.基于压电薄膜传感器的肘部运动检测系统设计.电子产品世界(1):41-43.

　　[5]张文瑞,张丕状.基于MEMS传感器的运动物体轨迹仿真研究.电子产品世界(7):62-65.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第11期第15页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。