面向更自然人机界面的MEMS

【导读】以加速度计、陀螺仪、压力传感器为代表的MEMS传感器，因为低成本、小尺寸、低功耗和高性能，近几年来正被大量集成到便携设备内。而新兴的移动消费电子应用，例如增强实境(AR)、数码影像防抖技术、定位服务(LBS)、室内及多楼层盲区导航功能等，也需要复杂程度更高的感应功能，导致MEMS的用途不再局限于当前的屏幕旋转、运动检测、数字罗盘和3D游戏等应用领域。

摘要：  以加速度计、陀螺仪、压力传感器为代表的MEMS传感器，因为低成本、小尺寸、低功耗和高性能，近几年来正被大量集成到便携设备内。而新兴的移动消费电子应用，例如增强实境(AR)、数码影像防抖技术、定位服务(LBS)、室内及多楼层盲区导航功能等，也需要复杂程度更高的感应功能，导致MEMS的用途不再局限于当前的屏幕旋转、运动检测、数字罗盘和3D游戏等应用领域。

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以加速度计、陀螺仪、压力传感器为代表的MEMS传感器，因为低成本、小尺寸、低功耗和高性能，近几年来正被大量集成到便携设备内。而新兴的移动消费电子应用，例如增强实境(AR)、数码影像防抖技术、定位服务(LBS)、室内及多楼层盲区导航功能等，也需要复杂程度更高的感应功能，导致MEMS的用途不再局限于当前的屏幕旋转、运动检测、数字罗盘和3D游戏等应用领域。

从高集成走向高智能

“智能手机与平板是驱动今年增长的关键力量，这些产品中很多已经具有3轴加速计、3轴陀螺仪、麦克风、立体声波滤波器等标准MEMS器件。”意法半导体MEMS事业部业务拓展经理Roberto De Nuccio强调说，提供在一个封装内整合多个传感器的一体化解决方案，是ST最为擅长提供的领域，iNEMO就是这种发展趋势的一个典型实例。

该引擎被ST称作“业界首款完整可定制的多轴MEMS传感器软硬件解决方案”，可实现自主和自动系统，监测特定的条件，并根据监测结果执行相应的操作，用户无需干预或只需稍加介入。而近年来由WIN 8引发的Sensor hub概念，更是加速了MCU+iNEMO这种“智能传感器”形式在手持终端中普及。ST正是看到了这一契机，宣布与微软合作，以确保在基于Windows 8的平板电脑和计算机中快速采用其MEMS传感器及相关技术。

Roberto De Nuccio表示，由于“智能传感器”在一个封装内整合了MEMS器件和处理器功能，无需主处理器介入，独立运行传感器算法，能够大幅降低系统级功耗。因此，对耗电量极大的手持设备而言非常重要。未来，具备高度微型化、集成化和智能化特性的MEMS传感器，将在单一芯片上实现从信号采集、处理到输出的全过程，为今后实现更多功能，将更多想象变为现实奠定基础。

至于MCU+Sensor组合和单纯的MEMS传感器模块今后哪种会成为主流?ST大中华区暨南亚区微电机系统及传感器高级市场部经理吴卫东在此前的采访中曾评价称，尽管ST已经推出能够检测9个自由度并内置32位处理器的INEMO-M1智能多传感器模块，技术上不存在任何问题。但对此话题不可一概而论，ST将奉行两者并行的策略。

INEMO-M1智能多传感器模块

“首先，只有真正商用化的量产方案才有实际意义。”吴卫东说，“更重要的是，不同应用市场对MCU的需求不同，在为客户开发带来便利性的同时有可能是以牺牲灵活性为代价的，所以集成并非绝对的好，需要针对应用具体分析;其次，消费类市场对成本极为敏感，模块化方案的性价比是否就一定优于单个器件，也需要仔细斟酌。”

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尽管业界不断热炒9轴、12轴MEMS传感器概念，但仍有部分人士认为今后一两年内，市场上的主流方案仍会以3+3的6轴方案为主。对此，Roberto De Nuccio分析称，多传感器集成是大势所趋，目前看到的市场趋势确实以9轴方案为主，包括以加速度、陀螺仪、地磁计为代表的运动传感器，和以湿度、温度、压力为代表的环境检测传感器。根据他的判断，2013年，加速度计市场仍将保持提升态势，陀螺仪附带率将由2012年的10%升至30%，地磁计附带率将上升至70%;环境传感器方面，湿度传感器将首次入住手机参考设计中。

面向更自然人机界面的MEMS

吴卫东特别提到了MEMS领域最成功的产品之一：MEMS麦克风。据IHS iSuppli的MEMS市场简报，风头强劲的苹果iPhone把MEMS麦克风市场推到了新的高度，帮助其出货量在短短三年内就剧增了将近四倍。2012年MEMS麦克风出货量估计达到20.6亿个，是2009年出货量4.329亿的4.8倍。

这点并不难理解。因为每部智能手机可能只需要一个加速计、罗盘和陀螺仪，但通常会需要两个或更多的MEMS麦克风以获得额外好处，比如加强支持噪声抑制以及视频的高清录音。另一方面，不同于加速计，MEMS麦克风价格一直保持坚挺，据称这主要是因为苹果等公司不是只看重价格。例如，为了获得高性能MEMS麦克风，苹果支付的价格是竞争对手的三到四倍，从而帮助稳定了整体MEMS麦克风的价格。

吴卫东称，ST的MEMS麦克风已经有几千万颗的市场销售量。除了采用新的堆叠和封装方式外，他们还使用了音频主动降噪技术STANCO，能够保证产品顶部端口和底部端口的SNR无差异，并且把AOP从120dbs提高到140dbs，从而具有更宽的音域。

此外，下一代手机和平板电脑，以及可变形超级本等所拥有的手势识别、触摸、室内导航等功能，也正推动着MEMS传感器的大发展。例如，目前在笔记本电脑中的运动传感器只有加速度计一种，用于防止笔记本电脑跌落时SSD硬盘受损。而随着可变形超级本的出现，陀螺仪和地磁感应器也将被引入其中，用于实现室内导航与增强实现功能。

除了消费和手机应用，很多技术和商业专家也认为无线传感器网络、打印机、投影机、复印机、汽车和其他高附加价值的工业、医疗、有线通讯、航天、国防等，将是MEMS传感器的下一次商业机会。例如，ST已经开发出的可以安装在一次性敷贴内的微型胰岛素注射泵和5节点无线压力传感器网络组成的胎压监测系统;或是能够24小时检测和观察眼压变化的智能隐形眼镜，用以帮助专家提前发现并进行青光眼的治疗。[!--empirenews.page--]

如何获得成功?

要想在消费电子市场取得成功，厂商就必须通过规模经济取胜，并且能够提供广泛的解决方案。ST称，他们是市场上唯一能够为客户的应用设计提供传感器整体解决方案的厂商，产品包括加速度计、陀螺仪、罗盘、压力传感器、麦克风、接近检测传感器、触控传感器等。 而竞争对手专注较小的产品组合，当他们进行集成功能时，需要完全依赖外部厂商为其提供其它的传感器。目前，ST MEMS传感器的产能已达400万颗/天，且是世界上第一家制造基于8英寸晶圆工艺MEMS器件制造商。

不过，多传感器集成化在现阶段对于MEMS制造工艺依然是不小的挑战。这是因为集成模块的制作工艺更难，生产良率也会显著下降，只有充分掌握其中每一门技术，才能保证器件的性能稳定性。ST目前已经能够将硅通孔技术(TSV)应用于大批量MEMS生产中，这对在智能传感器和多轴惯性模块中实现高性能3D芯片集成来说，是具有里程碑性质的事件。

Roberto De Nuccio表示，ST曾尝试将MEMS的机械部分与ASIC进行整合，但没有成功。因此，从效率、经济性、出货量等多方面考虑，ST未来还将坚持系统级封装策略(System-in-package)，但会在小型化技术上更为创新。比如今后的加速度计和陀螺仪可以共享一个MEMS芯片，六轴系统可集成到更小的封装中，而不用像现在加速度和陀螺仪分别使用两个MEMS Die，占用较大的面积。

运用经过市场检验的内部制造链优势，也被ST方面视作战胜对手的法宝之一。吴卫东称，相比ST灵活的产品开发和系统级封装方法，大多数竞争对手只能依靠分散的供应链，在出厂前需要在芯片供应商和封装外包商之间往返多次，需要经过系统级芯片制造工序，这些过程很容易引起晶片污染、质量和交货等问题。