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  MEMS產(chǎn)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(chǎn)MEMS傳感器至今，其MEMS經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)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(chǎn)品部技術(shù)市場經(jīng)理董愷進行了專訪，同時深入地了解了ST的產(chǎn)品和技術(shù)。

  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(shù)的領(lǐng)先者，很早就開始了MEMS傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)，據(jù)中商情報網(wǎng)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(chǎn)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(chǎn)MEMS傳感器至今，其MEMS經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)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(chǎn)品部技術(shù)市場經(jīng)理董愷進行了專訪，同時深入地了解了ST的產(chǎn)品和技術(shù)。

  ST MEMS傳感器的發(fā)展方向與領(lǐng)域

  在現(xiàn)場，董愷簡要介紹了關(guān)于MEMS傳感器產(chǎn)品的歷史起源：早期，MEMS技術(shù)應(yīng)用于汽車以及打印等行業(yè)，主要產(chǎn)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(chǎn)品做噴墨打印，因此用MEMS產(chǎn)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(shù)衍生的兩個技術(shù)產(chǎn)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(chǎn)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(lǐng)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(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)品可以滿足市場上低功耗、快速響應(yīng)的需求，同時在傳感器內(nèi)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(nèi)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(yīng)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(shù)及原理。

  筆者了解到，目前已經(jīng)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(shè)備的預測性維護。預測性維護應(yīng)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(lǐng)域。

  最大的優(yōu)勢之一：工業(yè)設(shè)備的預測性維護

  工業(yè)設(shè)備，需要運維定期檢測設(shè)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(jié)構(gòu)的損傷，行業(yè)中以往沒有也沒辦法做到太多的關(guān)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(shè)備最末端機械結(jié)構(gòu)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(shè)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(chǎn)線上或者工業(yè)設(shè)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(chǎn)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(shè)備結(jié)構(gòu)，比如齒輪，機械結(jié)構(gòu)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(yīng)，同時還能夠以低功耗化狀態(tài)監(jiān)測運行。”董愷對此特別強調(diào)。

  聚焦工業(yè)領(lǐng)域

  目前，智能手機等消費類MEMS市場已經(jīng)充分應(yīng)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(shè)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(lǐng)域，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于水壩邊坡橋梁的建筑結(jié)構(gòu)中，這是一個針對工業(yè)的重要方向之一。

  另一個應(yīng)用方向是汽車電動化。在傳統(tǒng)的電動汽車中，應(yīng)用到傳感器的部分主要是安全相關(guān)的安全氣囊、ESP、ESC等等。隨著汽車的電動化，現(xiàn)在已經(jīng)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(nèi)部的降噪，汽車智能底盤等。

  在這三大工業(yè)領(lǐng)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(lǐng)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(jīng)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(chǎn)品在智能眼鏡上的應(yīng)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(jīng)有比較成熟的應(yīng)用，譬如在耳機上就已經(jīng)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(yīng)用，這是MEMS傳感器在這類產(chǎn)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?，F(xiàn)階段的智能眼鏡產(chǎn)品，由于尺寸的限制，依然是作為關(guān)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)品，分別是智能呼吸口罩、可用于魔術(shù)骰子的姿態(tài)識別加速度計、智能窗簾機器人、陀螺轉(zhuǎn)角儀以及熱釋電傳感器TMOS。

  智能口罩

  這是一個內(nèi)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(chǎn)品比較新，目前還屬于消費級的產(chǎn)品，已經(jīng)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(shù)骰子

  上面是內(nèi)置姿態(tài)識別加速度計的魔術(shù)骰子，這是一套典型的IoT產(chǎn)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(shù)師開發(fā)的道具，可以做心靈預測，同時可以與VR眼鏡結(jié)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(shù)方面的應(yīng)用，由于其小型化，并內(nèi)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(lǐng)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(qū)動，它里面內(nèi)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(nèi)置模塊就會驅(qū)動電機往對應(yīng)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(zhuǎn)角儀

  上圖中的藍盒中內(nèi)置了一個陀螺轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角儀傳感器的數(shù)據(jù)動態(tài)計算得出當前轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)品，其展示的也只是傳感器在某一個方面的應(yīng)用，基于ST第三代傳感器優(yōu)秀的設(shè)計和強大的功能，它們還可以應(yīng)用在更多的消費或工業(yè)領(lǐng)域。此外，這次ST展覽還展出了更多汽車電子、新能源等領(lǐng)域的眾多優(yōu)秀產(chǎn)品。