MEMS產業(yè)未來智能化、微型化、集成化的趨勢越來越明顯。意法半導體(以下簡稱ST)從2006年率先在200毫米晶圓上量產MEMS傳感器至今,其MEMS經過不斷的發(fā)展,現(xiàn)在已經進化到了第三代。在2022年11月中旬的慕尼黑華南展現(xiàn)場,筆者對意法半導體亞太區(qū)模擬、MEMS和傳感器產品部技術市場經理董愷進行了專訪,同時深入地了解了ST的產品和技術。
根據(jù)Yole 研究預測,全球MEMS市場規(guī)模到2026年將增長至182億美元,年復合增長率為7.2%。意法半導體(ST)作為全球MEMS技術的領先者,很早就開始了MEMS傳感器的研發(fā)和生產,據(jù)中商情報網的數(shù)據(jù)分析,其在全球MEMS市場中位列前五,份額超過5%。
MEMS產業(yè)未來智能化、微型化、集成化的趨勢越來越明顯。意法半導體(以下簡稱ST)從2006年率先在200毫米晶圓上量產MEMS傳感器至今,其MEMS經過不斷的發(fā)展,現(xiàn)在已經進化到了第三代。
在2022年11月中旬的慕尼黑華南展現(xiàn)場,筆者對意法半導體亞太區(qū)模擬、MEMS和傳感器產品部技術市場經理董愷進行了專訪,同時深入地了解了ST的產品和技術。
ST MEMS傳感器的發(fā)展方向與領域
在現(xiàn)場,董愷簡要介紹了關于MEMS傳感器產品的歷史起源:早期,MEMS技術應用于汽車以及打印等行業(yè),主要產品有傳感器和執(zhí)行器。此外,MEMS主要用在汽車上的安全氣囊,在碰撞時通過監(jiān)測加速度決定是否打開安全氣囊。在執(zhí)行器方面,需要配合打印機產品做噴墨打印,因此用MEMS產品做微流控,來控制液體顆粒的大小,將文字打印在紙張上。這也是MEMS技術衍生的兩個技術產品:一個是傳感器,一個是執(zhí)行器。
此外,他還介紹了ST的主力MEMS產品起源于消費類電子,借助手機行業(yè)的大發(fā)展,ST在傳感器發(fā)展的第二波浪潮中獲得了很好的表現(xiàn)。目前,MEMS的第三波浪潮,主要是汽車電動化,工業(yè)4.0、智能工業(yè)等領域,這也是ST傳感器在下一階段瞄準的市場目標。同時,包括消費類產品中針對智能眼鏡的微鏡投射方案,以及眼鏡上的顯示屏,這些都是未來的幾個發(fā)展方向。
ST第三代傳感器的優(yōu)勢特點與應用領域
在2022年,ST發(fā)布了第三代MEMS傳感器,它支持一個ISPU功能,也叫做智能傳感器處理單元。這款產品可以滿足市場上低功耗、快速響應的需求,同時在傳感器內部增加了更加智能化的一個DSP,可以將sensor數(shù)據(jù)在傳感器內部做一些預處理。針對這種方式,在DSP上可以直接訪問傳感器,避免了用MCU訪問需要I2C總線的傳統(tǒng)方式。這樣帶來的好處是功耗更低,響應速度更快。再加上一點是客戶可以將他原來在MCU上做好的算法直接移植到DSP里處理,用來實現(xiàn)在工業(yè)界環(huán)境中電池類應用低功耗、長時間工作的需求,這是第三代智能傳感器的基本狀況。
同時,ST的第三代傳感器的Sensor中有一個DSP的內核支持BNN的模塊,支持邊緣計算等功能??蛻艨梢詫⒃瓉碓贛CU上做好的算法直接移植到DSP中進行處理,用來實現(xiàn)在工業(yè)界環(huán)境中電池類應用低功耗、長時間工作的需求。這是ST第三代智能傳感器的核心技術及原理。
筆者了解到,目前已經有一些頂級的工業(yè)行業(yè)客戶在使用ST的第三代傳感器。而其中的主要用途之一,是用于工業(yè)設備的預測性維護。預測性維護應用也是ST第三代傳感器與智能工業(yè)發(fā)展需求契合的地方之一,也是其優(yōu)勢領域。
最大的優(yōu)勢之一:工業(yè)設備的預測性維護
工業(yè)設備,需要運維定期檢測設備運行狀況,這種傳統(tǒng)運維主要是通過檢測電壓電流的方式,而針對機械結構的損傷,行業(yè)中以往沒有也沒辦法做到太多的關注。ST第三代傳感器帶來的優(yōu)勢之一就是可以在工業(yè)設備最末端機械結構的狀態(tài)運行上做監(jiān)測。
什么是預測性維護?
預測性維護,可以理解為人的體檢,人們在做體檢時,希望檢查可能的疾病,從而在初期發(fā)現(xiàn)、預防,讓人處于健康狀態(tài)。工業(yè)設備因為要做長時間的連續(xù)運行,也會遇到同樣的問題。
預測性維護,就是針對在生產線上或者工業(yè)設備運行過程中可能遇到的一些問題,用主動監(jiān)測的方式早發(fā)現(xiàn)、早解決,避免產生更大的損失。
“ST第三代傳感器帶來的價值之一就是在這種機械設備結構,比如齒輪,機械結構懸臂等方面監(jiān)測是否有異常情況,出現(xiàn)異常時,智能傳感器處理單元ISPU就會把數(shù)據(jù)處理的部分發(fā)送到Sensor端,實現(xiàn)更智能化、更實時的響應,同時還能夠以低功耗化狀態(tài)監(jiān)測運行?!倍瓙饘Υ颂貏e強調。
聚焦工業(yè)領域
目前,智能手機等消費類MEMS市場已經充分應用,而隨著智能制造,工業(yè)4.0不斷深入,未來MEMS傳感器的市場方面,將主要是針對工業(yè)4.0,除了上面的預測性維護、工業(yè)設備健康監(jiān)測外,智能建筑、智能安裝,橋梁、古舊建筑以及高層建筑,都需要監(jiān)測其健康狀態(tài)。通過介紹,筆者了解到,ST也在用MEMS傳感器深入這些領域,并且已經成功應用于水壩邊坡橋梁的建筑結構中,這是一個針對工業(yè)的重要方向之一。
另一個應用方向是汽車電動化。在傳統(tǒng)的電動汽車中,應用到傳感器的部分主要是安全相關的安全氣囊、ESP、ESC等等。隨著汽車的電動化,現(xiàn)在已經形成了一個新的概念:智能座艙。智能座艙不僅涉及到高精度導航,還有像汽車內部的降噪,汽車智能底盤等。
在這三大工業(yè)領域,MEMS傳感器在未來會有一個很大的增長趨勢。
下一代消費領域:ST MEMS傳感器在智能眼鏡中的作用
盡管目前MEMS傳感器在消費類市場上已經有很大的占有率,但在可能成為未來新的下一代智能終端:智能眼鏡方面,MEMS傳感器的作用將會越來越重要。
ST的MEMS產品在智能眼鏡上的應用方向,主要是兩個方面。第一個方面是傳感器,主要作用于感知人的頭部動作以及在空間上的方向。其實在這方面ST已經有比較成熟的應用,譬如在耳機上就已經有成熟的空間音效,未來配合智能眼鏡,可以再追蹤頭部的動作,或者實現(xiàn)人和眼鏡的交互應用,這是MEMS傳感器在這類產品和市場的方向。
第二個方面是執(zhí)行器,ST主要專注于近眼顯示功能。現(xiàn)階段的智能眼鏡產品,由于尺寸的限制,依然是作為關鍵信息的分享,沒辦法做太多的娛樂性項目,僅僅偏向于一些實際應用,譬如作為手機屏幕的拓展,來電提醒,短消息文字顯示等簡單的內容交互。在未來,在實際生活場景中,智能眼鏡可以幫助用戶做導航應用的輔助,譬如樓宇等建筑物的識別、交通引導及辨別,甚至各種身份驗證等都會直接在智能眼鏡上實現(xiàn)。
特色產品
在這次慕尼黑華南展現(xiàn)場,筆者注意到ST的幾款特色產品,分別是智能呼吸口罩、可用于魔術骰子的姿態(tài)識別加速度計、智能窗簾機器人、陀螺轉角儀以及熱釋電傳感器TMOS。
智能口罩
這是一個內置氣壓傳感器的智能口罩,用來監(jiān)測有呼吸系統(tǒng)疾病的病人,監(jiān)測其呼吸頻率,可以與手機連接,如果發(fā)現(xiàn)呼吸急促,或者頻率變慢,就會通過手機報告給醫(yī)生或者家人,這款產品比較新,目前還屬于消費級的產品,已經有終端廠商在做醫(yī)療方面的認證。
同時,它還可以做得更小一點,更易于佩戴。
姿態(tài)識別加速度計
魔術骰子
上面是內置姿態(tài)識別加速度計的魔術骰子,這是一套典型的IoT產品,可以監(jiān)測骰子每一面的方向,在骰子里面有藍牙模塊,可以把數(shù)據(jù)傳到接收端(如上圖下方的顯示模塊),里面有電池,還可以進行無線充電。這是給魔術師開發(fā)的道具,可以做心靈預測,同時可以與VR眼鏡結合起來,在眼鏡上顯示,從而做得更加隱蔽。
當然,這只是姿態(tài)識別加速度計在魔術方面的應用,由于其小型化,并內置了藍牙、電池以及無線充電等模塊,同樣可以用在其他消費類或者工業(yè)領域中。
智能窗簾機器人
ST的智能窗簾機器人不是簡單的電機驅動,它里面內置了加速度計,只需要輕輕拉一下窗簾給它一點勢能,機器人就知道需要往哪個方向拉,內置模塊就會驅動電機往對應的方向自動拉動窗簾。當然,這個智能窗簾機器人可以與手機連接,通過遠程或者時間計劃控制窗簾的動作。
陀螺轉角儀
上圖中的藍盒中內置了一個陀螺轉角儀,平板顯示系統(tǒng)是一個開發(fā)套件,其中實際上是做了一個虛擬的骰子,但這個比骰子更精確,可以根據(jù)陀螺轉角儀傳感器的數(shù)據(jù)動態(tài)計算得出當前轉動的精確角度。
熱釋電人數(shù)傳感器TMOS
TMOS人數(shù)檢測傳感器
利用ST TMOS產品根據(jù)熱釋電原理制作的人數(shù)檢測儀可以在公園、廣場、車站等人口聚集的地方統(tǒng)計人數(shù)。
上面這些只是ST展會上的部分特色產品,其展示的也只是傳感器在某一個方面的應用,基于ST第三代傳感器優(yōu)秀的設計和強大的功能,它們還可以應用在更多的消費或工業(yè)領域。此外,這次ST展覽還展出了更多汽車電子、新能源等領域的眾多優(yōu)秀產品。