ST對(duì)MEMS傳感器的定位和研發(fā)考慮

　　Consideration of ST's positioning and development for MEMS Sensors

      作者/迎九 《電子產(chǎn)品世界》編輯

      不久前，意法半導(dǎo)體（ST）模擬、MEMS及傳感器事業(yè)部副總裁 、MEMS傳感器產(chǎn)品部總經(jīng)理 AndreaONETTI，及ST大中華暨南亞區(qū)模擬及MEMS產(chǎn)品部市場(chǎng)總監(jiān)吳衛(wèi)東，向《電子產(chǎn)品世界》等媒體介紹了其傳感器的市場(chǎng)定位及研發(fā)理念。

　　1 個(gè)人電子市場(chǎng)的傳感器方向

      個(gè)人電子市場(chǎng)是MEMS的熱點(diǎn)領(lǐng)域，ST正把人工智能（AI）和傳感器融合應(yīng)用進(jìn)來(lái)。

　　1.1 人工智能可實(shí)現(xiàn)智能感知和低功耗

      1.1.1智能感知

       傳感器最初是感知數(shù)據(jù)，現(xiàn)在已經(jīng)可以預(yù)知下一步，或者把數(shù)據(jù)采集回來(lái)后，上報(bào)的數(shù)據(jù)越來(lái)越精確。在結(jié)構(gòu)上，基本傳感器的功能各廠家都有，即：通過(guò)數(shù)字處理進(jìn)行濾波、溫度補(bǔ)償達(dá)到更好的數(shù)據(jù)。再下一步，可以看到機(jī)器學(xué)習(xí)的功能加入，可以把原本需要在處理器里做的一些任務(wù)，在傳感器本體上就可以去實(shí)現(xiàn)，甚至其他傳感器也可以接入進(jìn)來(lái)做一些融合功能。

　　例如，現(xiàn)在人們跑步或者做其他運(yùn)動(dòng)，需要在智能手表上啟動(dòng)相應(yīng)的模式，選擇是跑步、競(jìng)走或是游泳。而把AI功能做進(jìn)來(lái)以后，就不用選擇運(yùn)動(dòng)模式了，因?yàn)橥ㄟ^(guò)AI、機(jī)器學(xué)習(xí)模式的算法，會(huì)知道用戶正處于的狀態(tài)，例如會(huì)知道手表、手機(jī)是放在桌子上還是在口袋里，甚至是放在上衣的左邊還是右邊??。這是因?yàn)橛泻芏鄶?shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，就可以判斷出用戶的姿態(tài)。

　　所以，未來(lái)的智能化傳感器將有一定的數(shù)據(jù)處理和判斷功能，從而可以把在處理器里做的100%的工作量降為20%~30%。

　　1.1.2 從低功耗傳感器到低功耗系統(tǒng)

      當(dāng)然，這一切智能的實(shí)現(xiàn)，前提要保證數(shù)據(jù)質(zhì)量高、功耗足夠低、產(chǎn)品尺寸足夠小，這樣終端產(chǎn)品才可能承受得起。

　　ST的LSM6DSOX是典型的從低功耗傳感器到低功耗系統(tǒng)的案例。如圖1，該產(chǎn)品是帶有機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核的低功耗慣性測(cè)量單元，雙模高性能功耗0.55 mA，傳感器硬件運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法節(jié)能10到1000倍（相對(duì)于應(yīng)用處理器方法）。其精簡(jiǎn)系統(tǒng)的概念基于兩個(gè)主流內(nèi)核：①可配置的功耗模式和高速通信接口，②靈活的硬件運(yùn)行精密算法解決方案。

　　1.2 如何實(shí)現(xiàn)低功耗

       目前很多廠家推崇電子設(shè)備的功能多、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。傳感器就成為了去實(shí)現(xiàn)很多功能、同時(shí)又保證功耗低的一個(gè)必備產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)低功耗，需要有幾個(gè)環(huán)節(jié)。

　　首先，MEMS是半導(dǎo)體產(chǎn)品，它和傳統(tǒng)數(shù)字電路不同，里面具有模擬結(jié)構(gòu)，是三維產(chǎn)品。因?yàn)镸EMS是空間結(jié)構(gòu)，一大挑戰(zhàn)是在這樣的結(jié)構(gòu)里不能有雜質(zhì)和顆粒，越工整越好，這樣的制造能力就決定了它的精度。

　　ST在這方面很有經(jīng)驗(yàn)，也有很好的制造能力。

　　第二，ST在模擬電子部分也是相輔相成的，可以有更少的激勵(lì)給機(jī)械結(jié)構(gòu)，因而整體功耗會(huì)更低。因?yàn)镸EMS機(jī)械結(jié)構(gòu)是有移動(dòng)的，需要有激勵(lì)給它，要有一定的運(yùn)算能力。

　　第三，智能和算法是怎么實(shí)現(xiàn)的？基本傳感器的作用是拿到數(shù)據(jù)，通過(guò)I 2 C或者其他接口傳給主控（即處理器），主控再去運(yùn)行。假設(shè)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)步器，需要有一個(gè)主控在一直計(jì)算數(shù)據(jù)，這產(chǎn)生了功耗。ST可以做到把這一段軟件算法的代碼優(yōu)化并固化到芯片里，這種固化的概念是用硬件的方式實(shí)現(xiàn)軟件功能（注：在半導(dǎo)體制程中，這是很常用的方式）。但因?yàn)榘衍浖糠肿兂闪擞布?，所以一定要保證精度，在這方面，ST已經(jīng)有很好的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)。

　　1.3 傳感器融合的新案例：實(shí)現(xiàn)無(wú)線耳機(jī)的噪音消除

       2019年無(wú)線耳機(jī)市場(chǎng)很火爆。通常無(wú)線耳機(jī)里會(huì)有一個(gè)加速度傳感器，這樣你用手敲它，就可以做一些功能控制。更進(jìn)一步，通過(guò)麥克風(fēng)和加速度傳感器的融合，可以使耳機(jī)分辨出用戶的聲音，濾除周邊的雜音。

　　ST已開發(fā)出這種加速度傳感器（如圖2），可以檢測(cè)骨振動(dòng)，由此可以知道是否是用戶在說(shuō)話。因此，不管用戶是在地鐵里還是大街上、房間里，對(duì)方聽到的都是一樣清晰的聲音。

　　那么，很多公司直接用軟件算法就可以實(shí)現(xiàn)背景噪音消除，ST的加速度傳感器方法有何優(yōu)勢(shì)？的確，用純軟件也可以實(shí)現(xiàn)噪音消除，但是在無(wú)線耳機(jī)這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景下，要考慮一種折中方案，以取舍功耗。如果用軟件做，同類產(chǎn)品的質(zhì)量暫且不論，但功耗上肯定有很大不同。例如本案例，需要骨傳導(dǎo)傳感器配合麥克風(fēng)，它們是兩個(gè)不一樣的硬件。從系統(tǒng)來(lái)講，還是要用一定的算法去融合這兩種傳感器，才能得到更好地效果，以大大降低計(jì)算的功耗，同時(shí)提高了語(yǔ)音的識(shí)別度。

　　創(chuàng)新帶動(dòng)了加速度傳感器的應(yīng)用市場(chǎng)。因?yàn)榧铀俣葌鞲衅髟谶^(guò)去幾年已經(jīng)達(dá)到相對(duì)飽和的市場(chǎng)狀態(tài)，一年全球需求量約15億顆，但2018年因?yàn)橛辛诉@樣的產(chǎn)品，增加了三四億顆的需求量。

　　實(shí)際上，這只是消費(fèi)電子中一個(gè)融合的案例，還可以找到更多不同傳感器間配合應(yīng)用的案例。在工業(yè)類、汽車電子類中，不同的傳感器把聲學(xué)、光學(xué)、運(yùn)動(dòng)等融合在一起，也可以達(dá)到創(chuàng)新型的開發(fā)。

　　1.4 智能傳感器在邊緣智能的發(fā)展方向

      ST的智能傳感器設(shè)計(jì)，未來(lái)選擇的是軟件定義芯片的路線，還是以“通用芯片+軟件”去滿足不同的市場(chǎng)需求？

　　用一個(gè)詞來(lái)解釋智能傳感器就是“便利性”。智能傳感器的基本功能還是傳感器，今天智能的實(shí)現(xiàn)，從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，在ST做綜合評(píng)估和折中時(shí)，把一些部分移到傳感器里，這樣既可以去維系傳感器原來(lái)該做的事情，同時(shí)又能降低一些計(jì)算量，以便降低系統(tǒng)功耗。

　　那么，會(huì)不會(huì)把智能全部集成進(jìn)來(lái)？在ST看來(lái)，技術(shù)層面可能是封裝變換一下，但不一定經(jīng)濟(jì)，因?yàn)橥ㄓ眯浴⒈憷圆⒉荒荏w現(xiàn)出來(lái)。同樣，就像上述的計(jì)步器功能，如果把這些算法通過(guò)硬件制程實(shí)現(xiàn)之后，除了傳感器外還有一些預(yù)測(cè)功能等，其實(shí)在整個(gè)系統(tǒng)里會(huì)更好。

　　另外，還要考慮到生產(chǎn)。如果還是在主流產(chǎn)品的基礎(chǔ)上改動(dòng)的話，這是一個(gè)提升。但不是生產(chǎn)一個(gè)全新的、外在進(jìn)來(lái)的產(chǎn)品。

　　2 消費(fèi)、汽車和工業(yè)用傳感器的異同

      2.1 消費(fèi)、汽車和工業(yè)用傳感器的不同之處

      Andrea ONETTI體會(huì)最深的是：各個(gè)市場(chǎng)、客戶正融合到ST，同時(shí)，這些市場(chǎng)、客戶的需求也在融合。

　　對(duì)于消費(fèi)類，以前對(duì)于質(zhì)量的需求沒有像工業(yè)類和汽車類那樣要求高，但現(xiàn)在已經(jīng)提升，有很多客戶提出的口號(hào)是沒有質(zhì)量就沒有生意?？蛻粜枰a(chǎn)品有非常短的開發(fā)周期、非常短的時(shí)間通知批量供貨下，還有一個(gè)需求：即使一個(gè)月內(nèi)量產(chǎn)，提供的產(chǎn)品也要有非常高的質(zhì)量保證和時(shí)效保證。

　　汽車類對(duì)質(zhì)量的需求毋庸置疑，沒有任何折扣。除此之外，隨著汽車電氣化，汽車變得更加消費(fèi)化，例如你家里所有電子產(chǎn)品的功能都可以在汽車上得到體現(xiàn)。另外一個(gè)需求是生命周期，隨著今后無(wú)人駕駛和共享汽車的實(shí)現(xiàn)，汽車使用的頻率肯定比傳統(tǒng)汽車高很多。例如駕駛里程方面，現(xiàn)在一輛車兩年時(shí)間就可達(dá)到原來(lái)汽車駕駛十年的距離。

　　工業(yè)類產(chǎn)品，因?yàn)樗纳芷诤蜁r(shí)效更長(zhǎng)一些，所以，除了產(chǎn)品規(guī)格，它對(duì)于產(chǎn)品生命周期的要求沒有打任何折扣，甚至這一需求可能會(huì)更長(zhǎng)一點(diǎn)，從原來(lái)的十年、十五年甚至更長(zhǎng)到二十年。

　　因此，以ST的經(jīng)驗(yàn)綜合來(lái)看，傳感器從消費(fèi)類拓展到工業(yè)類、汽車類，對(duì)于產(chǎn)品精度提升的需求毋庸置疑，另外從對(duì)產(chǎn)品生命周期和質(zhì)量保證來(lái)看，各個(gè)市場(chǎng)都維系了高要求。

　　2.2 傳感器融合，還是傳感器數(shù)據(jù)的融合？

　　汽車和工業(yè)上的定位是傳感器融合，但是在消費(fèi)電子中的定位是傳感器數(shù)據(jù)融合，是這樣嗎？

　　實(shí)際上，工業(yè)絕對(duì)比消費(fèi)類更復(fù)雜。以電動(dòng)車引擎檢測(cè)為例，一個(gè)完整的系統(tǒng)應(yīng)該有很多傳感器，如果每個(gè)傳感器都是單獨(dú)報(bào)數(shù)據(jù)的話，數(shù)據(jù)量會(huì)很大，所以，最好的融合方式是各個(gè)傳感器都提供很高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，然后在本地做融合，最后再上傳。

　　而對(duì)于消費(fèi)類電子， Andrea ONETTI的理解是融合就在傳感器里做了。

　　因而主要區(qū)別是架構(gòu)。因?yàn)樵趥鞲衅髦凶觯屯顿Y回報(bào)率來(lái)看，可能在消費(fèi)類里是夠經(jīng)濟(jì)的，但到了工業(yè)類中，若在單一傳感器上把其他傳感器來(lái)做融合，一定程度上其靈活性是降低的，所帶來(lái)的價(jià)值并不一定高。

　　但融合若在系統(tǒng)級(jí)，這肯定是很重要的。

　　2.3 與友商的競(jìng)合

       相比友商，例如博世和霍尼韋爾，ST的優(yōu)勢(shì)在哪里？

　　Andrea ONETTI稱，ST的同行和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手可以分為兩類：一類是博世等公司，和ST專注的領(lǐng)域非常接近，區(qū)別是博世是從汽車起家，ST從消費(fèi)起家，現(xiàn)在兩家越來(lái)越接近。

　　優(yōu)勢(shì)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），有能力開發(fā)技術(shù)和整個(gè)制程，因而在產(chǎn)能、精度和成本方面可以做到進(jìn)一步提升（筆者注：博世也是IDM）。

　　另一類是霍尼韋爾等傳統(tǒng)的工業(yè)類傳感器公司，這些傳感器的體現(xiàn)主要是模塊的形式，數(shù)量較小，開發(fā)周期會(huì)較長(zhǎng)一些。

　　實(shí)際上，工業(yè)和消費(fèi)類的體量相差非常懸殊。但傳感器在消費(fèi)類市場(chǎng)的性能規(guī)格越來(lái)越高，因此與工業(yè)相比，在性能和需求方面差距在縮小。ST有起家于消費(fèi)類這樣一種先天條件，如果市場(chǎng)上有好的工業(yè)機(jī)會(huì)的話，可以到工業(yè)類去嘗試。

　　當(dāng)然，ST有合作伙伴的理念。其實(shí)在工業(yè)和汽車部分，與同行的合作是多于競(jìng)爭(zhēng)的，也不排除和同行有更多的合作，一起把市場(chǎng)做得更好。

　　3 電子煙市場(chǎng)的機(jī)會(huì)

     電子煙是傳感器應(yīng)用的熱門市場(chǎng)之一，這個(gè)市場(chǎng)未來(lái)前景怎樣？

　　在這方面ST和客戶接觸很多，所以有很多數(shù)據(jù)。首先，相信有一些政治因素存在，這是毋庸置疑的。第二，健康風(fēng)險(xiǎn)，本身抽煙對(duì)健康有害，不管是抽哪種煙。

　　但從技術(shù)方面看，電子煙并不是一種新鮮事物，已經(jīng)有很多年了，有的公司還非常強(qiáng)大。但電子煙也在不斷改進(jìn)中，例如從吸煙者反饋來(lái)看，傳統(tǒng)電子煙釋放尼古丁比較平穩(wěn)；但如果去抽傳統(tǒng)香煙，前兩口提取到的尼古丁是指數(shù)提升，然后再緩慢下降?，F(xiàn)在從技術(shù)層面看，有些美國(guó)公司已經(jīng)做出來(lái)仿真程度很高的電子煙。有數(shù)據(jù)表明，2018年美國(guó)約有10%以上的煙民轉(zhuǎn)到了電子煙，因?yàn)樾滦碗娮訜熓刮鼰熣咴陬^兩口就有和吸傳統(tǒng)煙同樣的尼古丁攝取量。

　　因此可以看到的是，這確實(shí)和各個(gè)國(guó)家的政策有關(guān)。有的是作為法律來(lái)明令的；還有一點(diǎn)這和醫(yī)療保障系統(tǒng)有關(guān)，有的國(guó)家覺得這是對(duì)醫(yī)療保障系統(tǒng)額外的負(fù)擔(dān)。綜合來(lái)看，美國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)良好，歐洲在2018年是開放的。所以，從技術(shù)層面去判斷，現(xiàn)在的電子煙和傳統(tǒng)香煙至少在尼古丁攝取量的曲線上已經(jīng)非常接近。但是電子煙市場(chǎng)的后續(xù)發(fā)展，技術(shù)不是唯一的因素，還有政策和其他很多因素在里面。這會(huì)影響到不同地區(qū)和國(guó)家不一樣的發(fā)展趨勢(shì)。

　　再補(bǔ)充兩點(diǎn)：一是純粹從技術(shù)角度來(lái)講，因?yàn)檫@是電子煙，是把液體氣化以后吸進(jìn)去，這樣的原理在醫(yī)療中也有同樣的應(yīng)用類型，因?yàn)榉幓蛭恍〇|西，可以通過(guò)這樣的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。二是跟產(chǎn)業(yè)有關(guān)，傳統(tǒng)煙草公司都在收購(gòu)或者是投入，像生產(chǎn)萬(wàn)寶路的煙草公司已經(jīng)注資30%的股份到美國(guó)最大的一家電子煙公司。所以，后續(xù)主要是看未來(lái)政策怎么引導(dǎo)電子煙市場(chǎng)。

      本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第5期第26頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處