Consideration of ST's positioning and development for MEMS Sensors

      作者/迎九 《電子產品世界》編輯

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

　　1 個人電子市場的傳感器方向

      個人電子市場是MEMS的熱點領域，ST正把人工智能（AI）和傳感器融合應用進來。

　　1.1 人工智能可實現智能感知和低功耗

      1.1.1智能感知

       傳感器最初是感知數據，現在已經可以預知下一步，或者把數據采集回來后，上報的數據越來越精確。在結構上，基本傳感器的功能各廠家都有，即：通過數字處理進行濾波、溫度補償達到更好的數據。再下一步，可以看到機器學習的功能加入，可以把原本需要在處理器里做的一些任務，在傳感器本體上就可以去實現，甚至其他傳感器也可以接入進來做一些融合功能。

　　例如，現在人們跑步或者做其他運動，需要在智能手表上啟動相應的模式，選擇是跑步、競走或是游泳。而把AI功能做進來以后，就不用選擇運動模式了，因為通過AI、機器學習模式的算法，會知道用戶正處于的狀態(tài)，例如會知道手表、手機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??。這是因為有很多數據模型，數據經過處理后，就可以判斷出用戶的姿態(tài)。

　　所以，未來的智能化傳感器將有一定的數據處理和判斷功能，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

      當然，這一切智能的實現，前提要保證數據質量高、功耗足夠低、產品尺寸足夠小，這樣終端產品才可能承受得起。

　　ST的LSM6DSOX是典型的從低功耗傳感器到低功耗系統的案例。如圖1，該產品是帶有機器學習內核的低功耗慣性測量單元，雙模高性能功耗0.55 mA，傳感器硬件運行機器學習算法節(jié)能10到1000倍（相對于應用處理器方法）。其精簡系統的概念基于兩個主流內核：①可配置的功耗模式和高速通信接口，②靈活的硬件運行精密算法解決方案。

　　1.2 如何實現低功耗

       目前很多廠家推崇電子設備的功能多、待機時間長。傳感器就成為了去實現很多功能、同時又保證功耗低的一個必備產品。為了實現低功耗，需要有幾個環(huán)節(jié)。

　　首先，MEMS是半導體產品，它和傳統數字電路不同，里面具有模擬結構，是三維產品。因為MEMS是空間結構，一大挑戰(zhàn)是在這樣的結構里不能有雜質和顆粒，越工整越好，這樣的制造能力就決定了它的精度。

　　ST在這方面很有經驗，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，可以有更少的激勵給機械結構，因而整體功耗會更低。因為MEMS機械結構是有移動的，需要有激勵給它，要有一定的運算能力。

　　第三，智能和算法是怎么實現的？基本傳感器的作用是拿到數據，通過I 2 C或者其他接口傳給主控（即處理器），主控再去運行。假設要實現一個計步器，需要有一個主控在一直計算數據，這產生了功耗。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現軟件功能（注：在半導體制程中，這是很常用的方式）。但因為把軟件部分變成了硬件，所以一定要保證精度，在這方面，ST已經有很好的技術可以實現。

　　1.3 傳感器融合的新案例：實現無線耳機的噪音消除

       2019年無線耳機市場很火爆。通常無線耳機里會有一個加速度傳感器，這樣你用手敲它，就可以做一些功能控制。更進一步，通過麥克風和加速度傳感器的融合，可以使耳機分辨出用戶的聲音，濾除周邊的雜音。

　　ST已開發(fā)出這種加速度傳感器（如圖2），可以檢測骨振動，由此可以知道是否是用戶在說話。因此，不管用戶是在地鐵里還是大街上、房間里，對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現背景噪音消除，ST的加速度傳感器方法有何優(yōu)勢？的確，用純軟件也可以實現噪音消除，但是在無線耳機這個應用場景下，要考慮一種折中方案，以取舍功耗。如果用軟件做，同類產品的質量暫且不論，但功耗上肯定有很大不同。例如本案例，需要骨傳導傳感器配合麥克風，它們是兩個不一樣的硬件。從系統來講，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，以大大降低計算的功耗，同時提高了語音的識別度。

　　創(chuàng)新帶動了加速度傳感器的應用市場。因為加速度傳感器在過去幾年已經達到相對飽和的市場狀態(tài)，一年全球需求量約15億顆，但2018年因為有了這樣的產品，增加了三四億顆的需求量。

　　實際上，這只是消費電子中一個融合的案例，還可以找到更多不同傳感器間配合應用的案例。在工業(yè)類、汽車電子類中，不同的傳感器把聲學、光學、運動等融合在一起，也可以達到創(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的智能傳感器設計，未來選擇的是軟件定義芯片的路線，還是以“通用芯片+軟件”去滿足不同的市場需求？

　　用一個詞來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，今天智能的實現，從整個系統來看，在ST做綜合評估和折中時，把一些部分移到傳感器里，這樣既可以去維系傳感器原來該做的事情，同時又能降低一些計算量，以便降低系統功耗。

　　那么，會不會把智能全部集成進來？在ST看來，技術層面可能是封裝變換一下，但不一定經濟，因為通用性、便利性并不能體現出來。同樣，就像上述的計步器功能，如果把這些算法通過硬件制程實現之后，除了傳感器外還有一些預測功能等，其實在整個系統里會更好。

　　另外，還要考慮到生產。如果還是在主流產品的基礎上改動的話，這是一個提升。但不是生產一個全新的、外在進來的產品。

　　2 消費、汽車和工業(yè)用傳感器的異同

      2.1 消費、汽車和工業(yè)用傳感器的不同之處

      Andrea ONETTI體會最深的是：各個市場、客戶正融合到ST，同時，這些市場、客戶的需求也在融合。

　　對于消費類，以前對于質量的需求沒有像工業(yè)類和汽車類那樣要求高，但現在已經提升，有很多客戶提出的口號是沒有質量就沒有生意?？蛻粜枰a品有非常短的開發(fā)周期、非常短的時間通知批量供貨下，還有一個需求：即使一個月內量產，提供的產品也要有非常高的質量保證和時效保證。

　　汽車類對質量的需求毋庸置疑，沒有任何折扣。除此之外，隨著汽車電氣化，汽車變得更加消費化，例如你家里所有電子產品的功能都可以在汽車上得到體現。另外一個需求是生命周期，隨著今后無人駕駛和共享汽車的實現，汽車使用的頻率肯定比傳統汽車高很多。例如駕駛里程方面，現在一輛車兩年時間就可達到原來汽車駕駛十年的距離。

　　工業(yè)類產品，因為它的生命周期和時效更長一些，所以，除了產品規(guī)格，它對于產品生命周期的要求沒有打任何折扣，甚至這一需求可能會更長一點，從原來的十年、十五年甚至更長到二十年。

　　因此，以ST的經驗綜合來看，傳感器從消費類拓展到工業(yè)類、汽車類，對于產品精度提升的需求毋庸置疑，另外從對產品生命周期和質量保證來看，各個市場都維系了高要求。

　　2.2 傳感器融合，還是傳感器數據的融合？

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

　　實際上，工業(yè)絕對比消費類更復雜。以電動車引擎檢測為例，一個完整的系統應該有很多傳感器，如果每個傳感器都是單獨報數據的話，數據量會很大，所以，最好的融合方式是各個傳感器都提供很高質量的數據，然后在本地做融合，最后再上傳。

　　而對于消費類電子， 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。因為在傳感器中做，就投資回報率來看，可能在消費類里是夠經濟的，但到了工業(yè)類中，若在單一傳感器上把其他傳感器來做融合，一定程度上其靈活性是降低的，所帶來的價值并不一定高。

　　但融合若在系統級，這肯定是很重要的。

　　2.3 與友商的競合

       相比友商，例如博世和霍尼韋爾，ST的優(yōu)勢在哪里？

　　Andrea ONETTI稱，ST的同行和競爭對手可以分為兩類：一類是博世等公司，和ST專注的領域非常接近，區(qū)別是博世是從汽車起家，ST從消費起家，現在兩家越來越接近。

　　優(yōu)勢方面，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)技術和整個制程，因而在產能、精度和成本方面可以做到進一步提升（筆者注：博世也是IDM）。

　　另一類是霍尼韋爾等傳統的工業(yè)類傳感器公司，這些傳感器的體現主要是模塊的形式，數量較小，開發(fā)周期會較長一些。

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

　　當然，ST有合作伙伴的理念。其實在工業(yè)和汽車部分，與同行的合作是多于競爭的，也不排除和同行有更多的合作，一起把市場做得更好。

　　3 電子煙市場的機會

     電子煙是傳感器應用的熱門市場之一，這個市場未來前景怎樣？

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

　　但從技術方面看，電子煙并不是一種新鮮事物，已經有很多年了，有的公司還非常強大。但電子煙也在不斷改進中，例如從吸煙者反饋來看，傳統電子煙釋放尼古丁比較平穩(wěn)；但如果去抽傳統香煙，前兩口提取到的尼古丁是指數提升，然后再緩慢下降?，F在從技術層面看，有些美國公司已經做出來仿真程度很高的電子煙。有數據表明，2018年美國約有10%以上的煙民轉到了電子煙，因為新型電子煙使吸煙者在頭兩口就有和吸傳統煙同樣的尼古丁攝取量。

　　因此可以看到的是，這確實和各個國家的政策有關。有的是作為法律來明令的；還有一點這和醫(yī)療保障系統有關，有的國家覺得這是對醫(yī)療保障系統額外的負擔。綜合來看，美國的發(fā)展趨勢良好，歐洲在2018年是開放的。所以，從技術層面去判斷，現在的電子煙和傳統香煙至少在尼古丁攝取量的曲線上已經非常接近。但是電子煙市場的后續(xù)發(fā)展，技術不是唯一的因素，還有政策和其他很多因素在里面。這會影響到不同地區(qū)和國家不一樣的發(fā)展趨勢。

　　再補充兩點：一是純粹從技術角度來講，因為這是電子煙，是把液體氣化以后吸進去，這樣的原理在醫(yī)療中也有同樣的應用類型，因為服藥或吸一些東西，可以通過這樣的技術來實現。二是跟產業(yè)有關，傳統煙草公司都在收購或者是投入，像生產萬寶路的煙草公司已經注資30%的股份到美國最大的一家電子煙公司。所以，后續(xù)主要是看未來政策怎么引導電子煙市場。

      本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第5期第26頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處