探访意法半导体第三代MEMS传感器

MEMS 2022-12-05 00:00
✦ 文章来源:电子技术设计
✦ 作者:Challey

行业人士表示,MEMS产业未来智能化、微型化、集成化的趋势越来越明显。意法半导体(英文简称:ST)从2006年率先在200毫米(8英寸)晶圆上量产MEMS传感器至今,其MEMS经过不断的发展,现在已经进化到了第三代。在2022年11月中旬的慕尼黑华南展现场,笔者对意法半导体亚太区模拟、MEMS和传感器产品部技术市场经理董恺进行了专访,同时深入地了解了意法半导体的产品和技术。

根据Yole研究预测,全球MEMS市场规模到2026年将增长至182亿美元,年复合增长率为7.2%。意法半导体(ST)作为全球MEMS技术的领先者,很早就开始了MEMS传感器的研发和生产,其在全球MEMS市场中位列前五,份额超过5%。
行业人士表示,MEMS产业未来智能化、微型化、集成化的趋势越来越明显。意法半导体从2006年率先在200毫米晶圆上量产MEMS传感器至今,其MEMS经过不断的发展,现在已经进化到了第三代。
在2022年11月中旬的慕尼黑华南展现场,笔者对意法半导体亚太区模拟、MEMS和传感器产品部技术市场经理董恺进行了专访,同时深入地了解了意法半导体的产品和技术。

意法半导体MEMS传感器的发展方向与领域
在现场,董恺简要介绍了关于MEMS传感器产品的历史起源:早期,MEMS技术应用于汽车以及打印等行业,主要产品有传感器和执行器。此外,MEMS主要用在汽车上的安全气囊,在碰撞时通过监测加速度决定是否打开安全气囊。在执行器方面,需要配合打印机产品做喷墨打印,因此用MEMS产品做微流控,来控制液体颗粒的大小,将文字打印在纸张上。这也是MEMS技术衍生的两个技术产品:一个是传感器,一个是执行器。
此外,他还介绍了意法半导体的主力MEMS产品起源于消费类电子,借助手机行业的大发展,意法半导体在传感器发展的第二波浪潮中获得了很好的表现。目前,MEMS的第三波浪潮,主要是汽车电动化,工业4.0、智能工业等领域,这也是意法半导体传感器在下一阶段瞄准的市场目标。同时,包括消费类产品中针对智能眼镜的MEMS微镜投射方案,以及眼镜上的显示屏,这些都是未来的几个发展方向。
意法半导体第三代传感器的优势特点与应用领域
在2022年,意法半导体发布了第三代MEMS传感器,它支持一个ISPU功能,也叫做智能传感器处理单元。这款产品可以满足市场上低功耗、快速响应的需求,同时在传感器内部增加了更加智能化的一个DSP,可以将传感器数据在传感器内部做一些预处理。针对这种方式,在DSP上可以直接访问传感器,避免了用MCU访问需要I2C总线的传统方式。这样带来的好处是功耗更低,响应速度更快。再加上一点是客户可以将他原来在MCU上做好的算法直接移植到DSP里处理,用来实现在工业界环境中电池类应用低功耗、长时间工作的需求,这是第三代智能传感器的基本状况。

意法半导体将智能处理从“on the edge”转向“in the edge”

智能传感器处理单元(ISPU)框图

同时,意法半导体的第三代传感器中有一个DSP的内核支持BNN的模块,支持边缘计算等功能。客户可以将原来在MCU上做好的算法直接移植到DSP中进行处理,用来实现在工业界环境中电池类应用低功耗、长时间工作的需求。这是意法半导体第三代智能传感器的核心技术及原理。
笔者了解到,目前已经有一些顶级的工业行业客户在使用意法半导体第三代传感器。而其中的主要用途之一,是用于工业设备的预测性维护。预测性维护应用也是意法半导体第三代传感器与智能工业发展需求契合的地方之一,也是其优势领域。
最大的优势之一:工业设备的预测性维护
工业设备,需要运维定期检测设备运行状况,这种传统运维主要是通过检测电压电流的方式,而针对机械结构的损伤,行业中以往没有也没办法做到太多的关注。意法半导体第三代传感器带来的优势之一就是可以在工业设备最末端机械结构的状态运行上做监测。
什么是预测性维护?


预测性维护,可以理解为人的体检,人们在做体检时,希望检查可能的疾病,从而在初期发现、预防,让人处于健康状态。工业设备因为要做长时间的连续运行,也会遇到同样的问题。
预测性维护,就是针对在生产线上或者工业设备运行过程中可能遇到的一些问题,用主动监测的方式早发现、早解决,避免产生更大的损失。
 “意法半导体第三代传感器带来的价值之一就是在这种机械设备结构,比如齿轮,机械结构悬臂等方面监测是否有异常情况,出现异常时,智能传感器处理单元ISPU就会把数据处理的部分发送到传感器端,实现更智能化、更实时的响应,同时还能够以低功耗化状态监测运行。”董恺对此特别强调。
聚焦工业领域
目前,智能手机等消费类MEMS市场已经充分应用,而随着智能制造,工业4.0不断深入,未来MEMS传感器的市场方面,将主要是针对工业4.0,除了上面的预测性维护、工业设备健康监测外,智能建筑、智能安装,桥梁、古旧建筑以及高层建筑,都需要监测其健康状态。通过介绍,笔者了解到,意法半导体也在用MEMS传感器深入这些领域,并且已经成功应用于水坝边坡桥梁的建筑结构中,这是一个针对工业的重要方向之一。
另一个应用方向是汽车电动化。在传统的电动汽车中,应用到传感器的部分主要是安全相关的安全气囊、ESP、ESC等。随着汽车的电动化,现在已经形成了一个新的概念:智能座舱。智能座舱不仅涉及到高精度导航,还有像汽车内部的降噪,汽车智能底盘等。
在这三大工业领域,MEMS传感器在未来会有一个很大的增长趋势。
下一代消费领域:意法半导体MEMS传感器在智能眼镜中的作用
尽管目前MEMS传感器在消费类市场上已经有很大的占有率,但在可能成为未来新的下一代智能终端:智能眼镜方面,MEMS传感器的作用将会越来越重要。
意法半导体的MEMS产品在智能眼镜上的应用方向,主要是两个方面。第一个方面是传感器,主要作用于感知人的头部动作以及在空间上的方向。其实在这方面意法半导体已经有比较成熟的应用,譬如在耳机上就已经有成熟的空间音效,未来配合智能眼镜,可以再追踪头部的动作,或者实现人和眼镜的交互应用,这是MEMS传感器在这类产品和市场的方向。
第二个方面是执行器,意法半导体主要专注于近眼显示功能。现阶段的智能眼镜产品,由于尺寸的限制,依然是作为关键信息的分享,没办法做太多的娱乐性项目,仅仅偏向于一些实际应用,譬如作为手机屏幕的拓展,来电提醒,短消息文字显示等简单的内容交互。在未来,在实际生活场景中,智能眼镜可以帮助用户做导航应用的辅助,譬如楼宇等建筑物的识别、交通引导及辨别,甚至各种身份验证等都会直接在智能眼镜上实现。
特色产品
在这次慕尼黑华南展现场,笔者注意到意法半导体的几款特色的传感器应用产品,分别是智能呼吸口罩、可用于魔术骰子的姿态识别加速度计、智能窗帘机器人、陀螺转角仪以及热释电传感器TMOS。
智能口罩


这是一个内置气压传感器的智能口罩,用来监测有呼吸系统疾病的病人,监测其呼吸频率,可以与手机连接,如果发现呼吸急促,或者频率变慢,就会通过手机报告给医生或者家人,这款产品比较新,目前还属于消费级的产品,已经有终端厂商在做医疗方面的认证。
同时,它还可以做得更小一点,更易于佩戴。
姿态识别加速度计



魔术骰子

上面是内置姿态识别加速度计的魔术骰子,这是一套典型的IoT产品,可以监测骰子每一面的方向,在骰子里面有蓝牙模块,可以把数据传到接收端(如上图下方的显示模块),里面有电池,还可以进行无线充电。这是给魔术师开发的道具,可以做心灵预测,同时可以与VR眼镜结合起来,在眼镜上显示,从而做得更加隐蔽。
当然,这只是姿态识别加速度计在魔术方面的应用,由于其小型化,并内置了蓝牙、电池以及无线充电等模块,同样可以用在其他消费类或者工业领域中。
智能窗帘机器人


智能窗帘机器人不是简单的电机驱动,它里面内置了加速度计,只需要轻轻拉一下窗帘给它一点势能,机器人就知道需要往哪个方向拉,内置模块就会驱动电机往对应的方向自动拉动窗帘。当然,这个智能窗帘机器人可以与手机连接,通过远程或者时间计划控制窗帘的动作。
陀螺转角仪


上图中的蓝盒中内置了一个陀螺转角仪,平板显示系统是一个开发套件,其中实际上是做了一个虚拟的骰子,但这个比骰子更精确,可以根据陀螺转角仪传感器的数据动态计算得出当前转动的精确角度。
热释电人数传感器TMOS



TMOS人数检测传感器

利用意法半导体TMOS产品根据热释电原理制作的人数检测仪可以在公园、广场、车站等人口聚集的地方统计人数。
上面这些只是意法半导体展示的部分特色传感器应用产品,基于意法半导体第三代传感器优秀的设计和强大的功能,它们还可以应用在更多的消费或工业领域。此外,这次意法半导体展览还展出了更多汽车电子、新能源等领域的众多优秀产品。

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