MEMS傳感器迎來第二波浪潮——工業(yè)，傳感器廠商如何去改變？

　　第二波浪潮——工業(yè)

　　MEMS產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)在過去幾年里有過非常風(fēng)光的增長歷程，尤其是手機(jī)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)。但手機(jī)產(chǎn)業(yè)在過去一兩年里沒有像以前那樣出現(xiàn)數(shù)量增長的紅利，因?yàn)榈谝?，?yīng)用于手機(jī)的MEMS總量差不多持平，沒有增長;第二，在單機(jī)里，沒有新型的MEMS應(yīng)用加入，造成單機(jī)MEMS的價(jià)值沒有提升，單機(jī)的傳感器數(shù)量也保持穩(wěn)定。

　　ST模擬、MEMS及傳感器事業(yè)部副總裁，MEMS傳感器業(yè)務(wù)總經(jīng)理Andrea Onetti

　　因此業(yè)界有這樣一種質(zhì)疑聲：下一波MEMS怎么樣?現(xiàn)在看起來，下一波MEMS產(chǎn)業(yè)浪潮可能在工業(yè)和汽車、自動(dòng)駕駛。這個(gè)市場不單單讓傳感器單個(gè)價(jià)值的增加，在數(shù)量上也是非常可觀的。

       MEMS產(chǎn)品第一波真正作為市場的井噴，是在2005年左右，主要驅(qū)動(dòng)力是“智能手機(jī)”，由于智能的需求，傳感器為手機(jī)的新功能立下了汗馬功勞。

　　但在過去的兩三年里，業(yè)內(nèi)一直在講物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)，這些領(lǐng)域目前的關(guān)注點(diǎn)是“數(shù)據(jù)”，很多智能終端產(chǎn)品在采集數(shù)據(jù)，很多公司都在花巨資投入云服務(wù)。在工業(yè)和汽車方面，最近出現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化趨勢，涵蓋智能工業(yè)、智能駕駛、無人駕駛等。如果這些最終實(shí)現(xiàn)，傳感器是必不可少的，而且傳感器在其中的作用比第一波的傳感器在手機(jī)里的作用大得多。

　　工業(yè)與消費(fèi)類電子的差別

　　在過去的20年，消費(fèi)類應(yīng)用使不同類別的MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)了從雛形，到大批量生產(chǎn)、直至大批量應(yīng)用的過程，這些傳感器包括加速計(jì)、陀螺儀、慣導(dǎo)模塊、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、溫度計(jì)、氣體壓力計(jì)、以及最近幾年越來越多的環(huán)境類傳感器。

　　第二波將在汽車和工業(yè)類里面越來越多，要求的性能和精度更高。因?yàn)楣I(yè)類對(duì)性能和精度的特殊要求，可能同一類別的工業(yè)傳感器和消費(fèi)類傳感器有幾倍的差別!

　　這對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品的定義、規(guī)劃、制造、研發(fā)都會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)。

　　*制造。要達(dá)到高性能和高精度主要通過兩個(gè)方面：1.純粹工藝的提升;2.測試和校正工藝/能力提升。

　　其中測試和校正是可以大為挖掘的地方，因同一類別的傳感器，如果施予的校正方法和校正點(diǎn)位不一樣，可以達(dá)到更好的性能輸。而與其它半導(dǎo)體制造不同，其它半導(dǎo)體廠家產(chǎn)品的校正更多在于測試，主要是為了把不良品給剔除。而MEMS制造由于含有機(jī)械元素，因此校正的主要目的是要恢復(fù)參數(shù)，去拉到需要的規(guī)格范圍之內(nèi)。

　　ST的特點(diǎn)在做的時(shí)候可以同時(shí)并行處理很多細(xì)節(jié)，例如友商做10個(gè)，ST可以一下做100個(gè)，這就意味著效率的提升，從而節(jié)約器件的成本。另外，具備了這樣的能力，ST可以按照客戶的應(yīng)用需求，更加靈活地去配置校正要達(dá)到什么樣的參數(shù)輸出——有的可以放寬精度，達(dá)到成本更好;有的可以提高精度，達(dá)到性能更高。

        *高性能。目前為止，大部分人對(duì)MEMS生產(chǎn)的理解還是在過去消費(fèi)類市場里的應(yīng)用。例如，作為聲音采集的器件，到目前為止，麥克風(fēng)主要用來采集人的聲音，主要集中在20 Hz~20k Hz頻率范圍。但在智能制造、智能工業(yè)中，是機(jī)器與機(jī)器之間的對(duì)話、互動(dòng)，同樣要去檢測聲音，需要把聲音采集的帶寬上升到80k Hz，這樣才可以采集到水管是否漏水及一些在機(jī)器當(dāng)中要去檢測的信息。

　　再例如，人機(jī)界面互動(dòng)的應(yīng)用場景，即使對(duì)于同一款傳感器，它的應(yīng)用不一樣，規(guī)格也會(huì)有區(qū)別。

　　*生命周期。消費(fèi)類電子的生命周期較短，有的只有兩三年;但整個(gè)工業(yè)設(shè)備的生命周期會(huì)跨過五年、十年、甚至更長。那么在這類應(yīng)用里的產(chǎn)品，需要確保產(chǎn)品的生命周期與最終設(shè)備的生命周期是吻合的。針對(duì)這樣的需求，ST做出了鄭重的承諾，所有在工業(yè)類里產(chǎn)品的生命周期超過十年。

　　可見，隨著傳感器走出消費(fèi)類應(yīng)用，走近工業(yè)類應(yīng)用，產(chǎn)品應(yīng)用需求的變化導(dǎo)致了對(duì)于產(chǎn)品的需求不一樣，因此MEMS廠商向客戶做出的承諾也不同。

　　把機(jī)器升級(jí)到智能，前裝和后裝的市場分析

　　第一種是在新機(jī)器設(shè)備開發(fā)的時(shí)候就把傳感器裝進(jìn)去，就可以把連接具體什么樣的傳輸方式定義好。根據(jù)市場報(bào)告，每年約有七八千萬設(shè)備的市場容量，其中約有40%~50%的設(shè)備是智能的。

　　然而，整個(gè)行業(yè)里最大的市場在于既有的機(jī)器設(shè)備，有的裝了幾年，有的裝了幾十年。這時(shí)，可以通過無線和傳感器的方式把機(jī)器設(shè)備進(jìn)行有效的連接。這部分的市場前景更大，約有8億的機(jī)器設(shè)備。但現(xiàn)在其改裝的比例卻很低，只有1%、2%。這個(gè)改裝過程會(huì)隨著云服務(wù)的發(fā)展逐漸體現(xiàn)出來，相信這會(huì)是指數(shù)型增長的趨勢。最近在歐洲的一個(gè)展會(huì)上，大家介紹的都是智能化的生產(chǎn)設(shè)備，預(yù)計(jì)在未來的一到三年之內(nèi)，改裝市場的占比也會(huì)達(dá)到雙位數(shù)。

　　需要特別指出的是，如果真的在現(xiàn)有設(shè)備上加裝元器件，例如加一個(gè)傳感器單元，也不可能兩三個(gè)月就去換一個(gè)，所以低功耗非常重要。ST的傳感器是從消費(fèi)類衍生過來，功耗方面可以做得很好，既使是電池供電的應(yīng)用，裝上去以后整個(gè)的生命周期有效期達(dá)到幾年以上。

       ST的高精度傾角計(jì)等新產(chǎn)品

　　說了這么多理論，ST到底有何面向工業(yè)的明星產(chǎn)品?近日，ST推出了一款高精度傾角計(jì)——IS3DHHC，是2018年第一款亮相的新型傳感器，特點(diǎn)是新型低噪3軸加速度計(jì)，為工業(yè)傾角計(jì)廠商提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高精度傳感器解決方案。

　　據(jù)悉，在此之前，ST的3軸陀螺儀和6軸慣導(dǎo)模塊已經(jīng)在市場上應(yīng)用，此次介紹的工業(yè)用傾角計(jì)的需求有了變化。

　　傾角計(jì)不是一個(gè)新產(chǎn)品，先前主要是用在重型車輛的搬運(yùn)，例如鏟車。最近又看到一種新型的運(yùn)動(dòng)傳感器，它不單單用于檢測，甚至用于有些智能自動(dòng)安裝設(shè)備過程中，這種安裝設(shè)備是由自動(dòng)化/電腦控制、甚至遠(yuǎn)程遙控的。它可以知道設(shè)備在安裝的整個(gè)過程中是否符合安裝的流程，是否安裝到足夠的精度，是否在安裝的過程中碰到什么異常狀態(tài)。要達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)傾斜、偏差的精度要求很高，要求有非常高精度的加速度計(jì)，可以用傾角計(jì)來實(shí)現(xiàn)這類檢測。

　　運(yùn)動(dòng)傳感器只是一個(gè)開端。在ST的產(chǎn)品規(guī)劃中，智能工業(yè)應(yīng)用的布局超過了運(yùn)動(dòng)傳感器本身，例如溫度傳感器和濕度傳感器等對(duì)于傳感器本身的參數(shù)提升、高精度是很重要的。

　　傳感器的性能提升還有一個(gè)很重要的因素，如果你的校正得好，也可以提升精度，那怎么樣才能校正好?在做校正的過程當(dāng)中，“溫度”是個(gè)很重要的參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用場景下，溫度并不是在常規(guī)下，有時(shí)會(huì)低到零下幾十度，或高到上百度。傳感器的特性會(huì)在不同溫度下有不同的表現(xiàn)，如果可以通過很好的溫度校正，就可以使整個(gè)的性能達(dá)到更優(yōu)的狀態(tài)。

　　ST后續(xù)的布局里除了有運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、角度測量的MEMS傳感器外，還有溫/濕度、氣壓、聲音等。

　　案例：馬達(dá)感測+本地AI

　　說了這么多，是否有些應(yīng)用案例?

　　在智能工業(yè)里用最多、最普遍的就是馬達(dá)，在馬達(dá)檢測中有多種信息可以去檢測，諸如速度、加速度、噪音、角速度、力矩、電流、電壓等，可以單獨(dú)或同步進(jìn)行。理論上，這些信息可以告知系統(tǒng)馬達(dá)是否工作在正常狀態(tài);同時(shí)，既然是智能化，這些采集的數(shù)據(jù)都可以傳輸給后臺(tái)的云端去做數(shù)據(jù)處理。一般情況下，工廠里人停機(jī)不停，馬達(dá)一直開著。如果24小時(shí)一直在傳輸數(shù)據(jù)，會(huì)產(chǎn)生很大的數(shù)據(jù)量。而后臺(tái)的云一直在做滿負(fù)荷計(jì)算，也有很大的成本。

　　有沒有更好的方法呢?我們可以按照不同應(yīng)用的需求量身訂做。例如要檢測振動(dòng)，可以加一個(gè)加速度傳感器/模塊;想要檢測噪音，可以加一個(gè)麥克風(fēng)模塊;檢測溫/濕度，加溫/濕度模塊;……總之，不同類別的信息可以通過多種傳感器進(jìn)行本地采集，然后在本地的模塊里進(jìn)行信號(hào)處理，即可以進(jìn)行“預(yù)處理”，即本地化的人工智能判別 (local AI)。當(dāng)本地化的幾個(gè)人工智能判別綜合起來覺得有異常，不符合先前定義的工作狀態(tài)表征時(shí)，再上報(bào)到云。因此平時(shí)產(chǎn)生的是小數(shù)據(jù)量。這樣整個(gè)系統(tǒng)就相對(duì)變得精簡，而且真正采集到的信號(hào)多元性可以提升。

　　ST目前已有Local AI的方案，具體分為兩個(gè)層面。ST的傳感器已經(jīng)是智能的傳感器，一部分是傳感部分，另外一部分是做信號(hào)處理的。ST已在傳感器的信號(hào)處理部分做了一些“預(yù)處理”，簡單來講，已經(jīng)可以告訴你振動(dòng)幅度多大，而不只是告訴你加速度值是多少;并已經(jīng)濾掉了一些噪音或者不需要的信號(hào)。ST馬上又會(huì)推出讓客戶可以進(jìn)行二次開發(fā)的傳感器，這是可編程的傳感器，經(jīng)過簡單的配置，就可以實(shí)現(xiàn)不同功能的需求。

　　在ST整個(gè)公司層面，ST的MCU(微控制器)部門有專門的、更復(fù)雜的AI算法，其開發(fā)與ST的傳感器是緊密合作。

　　再次指出的是，ST所有Local AI的架構(gòu)都會(huì)將低功耗作為第一優(yōu)先考慮的前提，因?yàn)長ocal AI主要針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器的改裝，而后裝市場一般都是電池供電的應(yīng)用。

　　MEMS廠商的競爭焦點(diǎn)有二

　　一個(gè)是“供應(yīng)鏈”。因?yàn)樵谥悄苤圃臁⒅悄芄I(yè)、汽車，特別是工業(yè)領(lǐng)域，很多都是客戶定制化的，產(chǎn)品的需求在數(shù)量上跨度很大，從幾十片、幾百片到上百萬片，都是客制化的。

　　在這方面，ST有全控的供應(yīng)鏈體系、有很好的測試校正能力、有可靠的供應(yīng)鏈去服務(wù)市場大小不同的需求。

　　第二，是否有多品種的產(chǎn)品，以適合差異化的應(yīng)用與客戶需求。

　　相比友商，ST有廣泛的產(chǎn)品布局，并不只是做幾個(gè)類別的MEMS產(chǎn)品，幾乎在MEMS傳感器里的布局是最廣的，ST有能力把不同類別的都可以做到工業(yè)應(yīng)用里面，滿足各種應(yīng)用需求的規(guī)格，特別是在高精度這部分。

　　ST制造的特點(diǎn)

　　ST在MEMS產(chǎn)品制造過程中，特點(diǎn)是所有制造部分由ST 100%掌控，包括生產(chǎn)、校正和測試等，好處是可以保證交貨期。另外方便多傳感器的整合優(yōu)化。

　　ST也在研發(fā)和推出更智能的傳感器，這在不少的應(yīng)用里都可以在整體功能的集成和成本的控制方面帶來優(yōu)勢。

　　ST有很大的產(chǎn)能。截至目前為止(注：2018年5月初)，ST已經(jīng)向市場總共出貨超過130億顆MEMS產(chǎn)品，目前每天出貨超過500萬片?？梢?，ST還有大規(guī)模制造的經(jīng)驗(yàn)，有足夠的基于產(chǎn)能的投資和產(chǎn)線的能力，另外內(nèi)部還有很好的靈活性，便于在不同產(chǎn)品之間進(jìn)行調(diào)配，因此，即使工業(yè)類應(yīng)用的量后續(xù)爆發(fā)起來，需要大的產(chǎn)能支持，ST也可以有很好的基礎(chǔ)來支撐。

　　小結(jié)

　　智能工業(yè)時(shí)代，MEMS的機(jī)會(huì)剛剛開始，需要更高的性能和精度，滿足多種工業(yè)場景需求，這需要制造、測試/校正等技術(shù)的進(jìn)一步提升。擅長大規(guī)模制造消費(fèi)類MEMS傳感器的ST已做好了進(jìn)軍工業(yè)的準(zhǔn)備，例如進(jìn)一步拓展產(chǎn)品線，有效地控制成本，并作出了十年供貨承諾。