ST对MEMS传感器的定位和研发考虑

　　Consideration of ST's positioning and development for MEMS Sensors

      作者/迎九 《电子产品世界》编辑

      不久前，意法半导体（ST）模拟、MEMS及传感器事业部副总裁 、MEMS传感器产品部总经理 AndreaONETTI，及ST大中华暨南亚区模拟及MEMS产品部市场总监吴卫东，向《电子产品世界》等媒体介绍了其传感器的市场定位及研发理念。

　　1 个人电子市场的传感器方向

      个人电子市场是MEMS的热点领域，ST正把人工智能（AI）和传感器融合应用进来。

　　1.1 人工智能可实现智能感知和低功耗

      1.1.1智能感知

       传感器最初是感知数据，现在已经可以预知下一步，或者把数据采集回来后，上报的数据越来越精确。在结构上，基本传感器的功能各厂家都有，即：通过数字处理进行滤波、温度补偿达到更好的数据。再下一步，可以看到机器学习的功能加入，可以把原本需要在处理器里做的一些任务，在传感器本体上就可以去实现，甚至其他传感器也可以接入进来做一些融合功能。

　　例如，现在人们跑步或者做其他运动，需要在智能手表上启动相应的模式，选择是跑步、竞走或是游泳。而把AI功能做进来以后，就不用选择运动模式了，因为通过AI、机器学习模式的算法，会知道用户正处于的状态，例如会知道手表、手机是放在桌子上还是在口袋里，甚至是放在上衣的左边还是右边⋯⋯。这是因为有很多数据模型，数据经过处理后，就可以判断出用户的姿态。

　　所以，未来的智能化传感器将有一定的数据处理和判断功能，从而可以把在处理器里做的100%的工作量降为20%~30%。

　　1.1.2 从低功耗传感器到低功耗系统

      当然，这一切智能的实现，前提要保证数据质量高、功耗足够低、产品尺寸足够小，这样终端产品才可能承受得起。

　　ST的LSM6DSOX是典型的从低功耗传感器到低功耗系统的案例。如图1，该产品是带有机器学习内核的低功耗惯性测量单元，双模高性能功耗0.55 mA，传感器硬件运行机器学习算法节能10到1000倍（相对于应用处理器方法）。其精简系统的概念基于两个主流内核：①可配置的功耗模式和高速通信接口，②灵活的硬件运行精密算法解决方案。

　　1.2 如何实现低功耗

       目前很多厂家推崇电子设备的功能多、待机时间长。传感器就成为了去实现很多功能、同时又保证功耗低的一个必备产品。为了实现低功耗，需要有几个环节。

　　首先，MEMS是半导体产品，它和传统数字电路不同，里面具有模拟结构，是三维产品。因为MEMS是空间结构，一大挑战是在这样的结构里不能有杂质和颗粒，越工整越好，这样的制造能力就决定了它的精度。

　　ST在这方面很有经验，也有很好的制造能力。

　　第二，ST在模拟电子部分也是相辅相成的，可以有更少的激励给机械结构，因而整体功耗会更低。因为MEMS机械结构是有移动的，需要有激励给它，要有一定的运算能力。

　　第三，智能和算法是怎么实现的？基本传感器的作用是拿到数据，通过I 2 C或者其他接口传给主控（即处理器），主控再去运行。假设要实现一个计步器，需要有一个主控在一直计算数据，这产生了功耗。ST可以做到把这一段软件算法的代码优化并固化到芯片里，这种固化的概念是用硬件的方式实现软件功能（注：在半导体制程中，这是很常用的方式）。但因为把软件部分变成了硬件，所以一定要保证精度，在这方面，ST已经有很好的技术可以实现。

　　1.3 传感器融合的新案例：实现无线耳机的噪音消除

       2019年无线耳机市场很火爆。通常无线耳机里会有一个加速度传感器，这样你用手敲它，就可以做一些功能控制。更进一步，通过麦克风和加速度传感器的融合，可以使耳机分辨出用户的声音，滤除周边的杂音。

　　ST已开发出这种加速度传感器（如图2），可以检测骨振动，由此可以知道是否是用户在说话。因此，不管用户是在地铁里还是大街上、房间里，对方听到的都是一样清晰的声音。

　　那么，很多公司直接用软件算法就可以实现背景噪音消除，ST的加速度传感器方法有何优势？的确，用纯软件也可以实现噪音消除，但是在无线耳机这个应用场景下，要考虑一种折中方案，以取舍功耗。如果用软件做，同类产品的质量暂且不论，但功耗上肯定有很大不同。例如本案例，需要骨传导传感器配合麦克风，它们是两个不一样的硬件。从系统来讲，还是要用一定的算法去融合这两种传感器，才能得到更好地效果，以大大降低计算的功耗，同时提高了语音的识别度。

　　创新带动了加速度传感器的应用市场。因为加速度传感器在过去几年已经达到相对饱和的市场状态，一年全球需求量约15亿颗，但2018年因为有了这样的产品，增加了三四亿颗的需求量。

　　实际上，这只是消费电子中一个融合的案例，还可以找到更多不同传感器间配合应用的案例。在工业类、汽车电子类中，不同的传感器把声学、光学、运动等融合在一起，也可以达到创新型的开发。

　　1.4 智能传感器在边缘智能的发展方向

      ST的智能传感器设计，未来选择的是软件定义芯片的路线，还是以“通用芯片+软件”去满足不同的市场需求？

　　用一个词来解释智能传感器就是“便利性”。智能传感器的基本功能还是传感器，今天智能的实现，从整个系统来看，在ST做综合评估和折中时，把一些部分移到传感器里，这样既可以去维系传感器原来该做的事情，同时又能降低一些计算量，以便降低系统功耗。

　　那么，会不会把智能全部集成进来？在ST看来，技术层面可能是封装变换一下，但不一定经济，因为通用性、便利性并不能体现出来。同样，就像上述的计步器功能，如果把这些算法通过硬件制程实现之后，除了传感器外还有一些预测功能等，其实在整个系统里会更好。

　　另外，还要考虑到生产。如果还是在主流产品的基础上改动的话，这是一个提升。但不是生产一个全新的、外在进来的产品。

　　2 消费、汽车和工业用传感器的异同

      2.1 消费、汽车和工业用传感器的不同之处

      Andrea ONETTI体会最深的是：各个市场、客户正融合到ST，同时，这些市场、客户的需求也在融合。

　　对于消费类，以前对于质量的需求没有像工业类和汽车类那样要求高，但现在已经提升，有很多客户提出的口号是没有质量就没有生意。客户需要产品有非常短的开发周期、非常短的时间通知批量供货下，还有一个需求：即使一个月内量产，提供的产品也要有非常高的质量保证和时效保证。

　　汽车类对质量的需求毋庸置疑，没有任何折扣。除此之外，随着汽车电气化，汽车变得更加消费化，例如你家里所有电子产品的功能都可以在汽车上得到体现。另外一个需求是生命周期，随着今后无人驾驶和共享汽车的实现，汽车使用的频率肯定比传统汽车高很多。例如驾驶里程方面，现在一辆车两年时间就可达到原来汽车驾驶十年的距离。

　　工业类产品，因为它的生命周期和时效更长一些，所以，除了产品规格，它对于产品生命周期的要求没有打任何折扣，甚至这一需求可能会更长一点，从原来的十年、十五年甚至更长到二十年。

　　因此，以ST的经验综合来看，传感器从消费类拓展到工业类、汽车类，对于产品精度提升的需求毋庸置疑，另外从对产品生命周期和质量保证来看，各个市场都维系了高要求。

　　2.2 传感器融合，还是传感器数据的融合？

　　汽车和工业上的定位是传感器融合，但是在消费电子中的定位是传感器数据融合，是这样吗？

　　实际上，工业绝对比消费类更复杂。以电动车引擎检测为例，一个完整的系统应该有很多传感器，如果每个传感器都是单独报数据的话，数据量会很大，所以，最好的融合方式是各个传感器都提供很高质量的数据，然后在本地做融合，最后再上传。

　　而对于消费类电子， Andrea ONETTI的理解是融合就在传感器里做了。

　　因而主要区别是架构。因为在传感器中做，就投资回报率来看，可能在消费类里是够经济的，但到了工业类中，若在单一传感器上把其他传感器来做融合，一定程度上其灵活性是降低的，所带来的价值并不一定高。

　　但融合若在系统级，这肯定是很重要的。

　　2.3 与友商的竞合

       相比友商，例如博世和霍尼韦尔，ST的优势在哪里？

　　Andrea ONETTI称，ST的同行和竞争对手可以分为两类：一类是博世等公司，和ST专注的领域非常接近，区别是博世是从汽车起家，ST从消费起家，现在两家越来越接近。

　　优势方面，值得一提的是ST的校正能力更友好。另外，ST是IDM（集成器件制造商），有能力开发技术和整个制程，因而在产能、精度和成本方面可以做到进一步提升（笔者注：博世也是IDM）。

　　另一类是霍尼韦尔等传统的工业类传感器公司，这些传感器的体现主要是模块的形式，数量较小，开发周期会较长一些。

　　实际上，工业和消费类的体量相差非常悬殊。但传感器在消费类市场的性能规格越来越高，因此与工业相比，在性能和需求方面差距在缩小。ST有起家于消费类这样一种先天条件，如果市场上有好的工业机会的话，可以到工业类去尝试。

　　当然，ST有合作伙伴的理念。其实在工业和汽车部分，与同行的合作是多于竞争的，也不排除和同行有更多的合作，一起把市场做得更好。

　　3 电子烟市场的机会

     电子烟是传感器应用的热门市场之一，这个市场未来前景怎样？

　　在这方面ST和客户接触很多，所以有很多数据。首先，相信有一些政治因素存在，这是毋庸置疑的。第二，健康风险，本身抽烟对健康有害，不管是抽哪种烟。

　　但从技术方面看，电子烟并不是一种新鲜事物，已经有很多年了，有的公司还非常强大。但电子烟也在不断改进中，例如从吸烟者反馈来看，传统电子烟释放尼古丁比较平稳；但如果去抽传统香烟，前两口提取到的尼古丁是指数提升，然后再缓慢下降。现在从技术层面看，有些美国公司已经做出来仿真程度很高的电子烟。有数据表明，2018年美国约有10%以上的烟民转到了电子烟，因为新型电子烟使吸烟者在头两口就有和吸传统烟同样的尼古丁摄取量。

　　因此可以看到的是，这确实和各个国家的政策有关。有的是作为法律来明令的；还有一点这和医疗保障系统有关，有的国家觉得这是对医疗保障系统额外的负担。综合来看，美国的发展趋势良好，欧洲在2018年是开放的。所以，从技术层面去判断，现在的电子烟和传统香烟至少在尼古丁摄取量的曲线上已经非常接近。但是电子烟市场的后续发展，技术不是唯一的因素，还有政策和其他很多因素在里面。这会影响到不同地区和国家不一样的发展趋势。

　　再补充两点：一是纯粹从技术角度来讲，因为这是电子烟，是把液体气化以后吸进去，这样的原理在医疗中也有同样的应用类型，因为服药或吸一些东西，可以通过这样的技术来实现。二是跟产业有关，传统烟草公司都在收购或者是投入，像生产万宝路的烟草公司已经注资30%的股份到美国最大的一家电子烟公司。所以，后续主要是看未来政策怎么引导电子烟市场。

      本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第5期第26页，欢迎您写论文时引用，并注明出处