物联网时代，MEMS传感器发展面临更多挑战

摘要：上海微技术工业研究院（SITRI）协办的第二届MIG亚洲会议上，全球传感器巨头畅谈了未来的MEMS传感器发展战略；会后本刊还采访了其他MEMS厂商，请他们谈了关注的方向。本文网络版地址：http：//.cn/article/2 80682.htm

关键词：MEMS；数据分析；物联网；DLP；语音控制

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.9.005

你的手机有光线传感器可以自动调节屏幕亮度，手环温度传感器可以记录你的体温。你习惯的计步器，或是你常用测量心跳的APP上都有各式各样传感器。正如联芯科技总裁钱国良在MIG亚洲大会上讲道，“传感器产品已无处不在！”

目前消费类MEMS传感器面临着四个挑战：尺寸、智能、应用和价格。在追逐万物互联，智能生活的今天，传感器产品的发展变化将成为物联网时代“智能化”的关键因素。

智能终端、可穿戴设备的体积限制，MEMS产品的尺寸越来越小。传感器芯片已经从三轴、六轴、九轴的集成化方向发展，未来甚至还有“9+1”的传感器产品出现，集成化不仅解决了传感器产品的尺寸问题，同样降低了芯片成本，物联网时代MEMS传感器的性能与功耗的权衡同样重要。意法半导体（ST）执行副总裁兼模拟、MEMS和传感器事业部总经理Benedetto Vigna表示，基于不同应用领域将有更加多元化的传感器产品出现，微执行器也许会成为传感器的明天，少花钱多做事是我们的目标。

在现有市场下更多客户关注的是价格，并不在乎MEMS产品的封装形式、芯片性能等。华为技术传感器应用实验室首席专家丁险峰表示，“可穿戴领域，我们需要特殊应用、性能更好的传感器产品，传感器厂商不要一味的降低成本，要坚持创新，最终使我们的整机产品能够打败竞争对手。因此好的传感器仍旧稀缺，我们渴望这样的产品。”

做为全球排名第一的MEMS传感器供应商，Bosch Sensortec最大的优势是制造工艺。

目前，Bosch拥有惯性传感器、环境传感器、智能传感器、声学传感器四类产品，为客户提供传感器融合软件以实现产品的最佳应用性能，提供标准操作系统/平台的完整解决方案。Bosch Sensortec亚太区总裁Leopold Beer指出，未来传感器将延伸至IoT解决方案的每个细分领域，Bosch Sensortec已经为物联网发展做好准备。

目前MEMS市场仍旧以智能手机为核心，全球3/4的智能机使用了Bosch Sensortec的传感器。在手机领域，多轴传感器是趋势，目前三轴、四轴产品最受市场欢迎。可穿戴方面，人们曾以为2015年就应该可穿戴的天下，但是实行起来并不是很成功。问题是你不能用同样的器件既用在手机上，又用到可穿戴设备上，同时人们不希望身上带有太多的设备。可穿戴现在是刚开始阶段。为此。Bosch为可穿戴开发了超小型传感器。环境传感器的应用将带来更多新的应用市场，环境传感器的快速创新，将为新应用带来新的驱动力，Bosch的BMP280、BME280和BME680等产品，帮助客户实现自我量化、个性化控制和环境测量。

ST： We can do more withless

Benedetto Vigna对ST产品总结道，“We can do more withless！”

深耕MEMS传感器和执行器领域10年，ST拥有完整的产品组合，莫产品覆盖运动传感器、环境传感器、麦克风、触控产品到执行器、低功耗模拟器件和射频芯片等领域。

在MEMS运动传感器方面，MEMS运动传感器不断创新，其销量更是超过50亿，发布业界领先的6轴传感器。MEMS麦克风销量超过5亿件，市场份额从2012年不足2%增长到2014年的10%。此外，压力传感器、紫外传感器均都取得不错的成绩。

MEMS微执行器是能够用较小的力使液态或固态微型物体运动一小段距离的微型奇迹，采用不同的换能机制，将电能转换成机械能输出，引起机械结构发生位移或旋转。目前STMEMS微执行器有压电式、静电式、热学和电磁等四个方向，可以应用在相机自动对焦、打印头、HUB抬头显示驾驶信息、投影扩大手机显示、人机界面、穿戴式装置、虚拟实境、3D打印、医疗监测等领域应用。

未来十年，ST MEMS传感器产品将走入智慧城市、智能汽车、智慧家居、Smart Me医疗和Smart Me健身等各个领域。

飞思卡尔：传感器数据分析是什么？

数据分析是研究原始数据的科学，旨在发现内在规律并形成结论。一些企业已经根据消费者的购买历史、网站浏览模式、阅读清单以及电影喜好，采用数据分析，以便更好地了解消费者的需求，使公司更有针对性地为目标而努力。随着行业的不断发展，分析可以而且应该应用于原始传感器数据，这通常被称为传感器数据分析。创建直观的用户界面已经非常普遍，通过传感器进行导航或出于健康目的的用户运动追踪，这些应用的用户界面都非常直观。然而，传感器数据可提供的不仅仅是运动监测，当采用算法来分析数据中的微妙变化时，可以挖掘出不同的信息层。例如，转动中的电机给出一个振动信号，这个信号可由加速度传感器记录。当电机正常工作时，振动随着给定的齿轮传动比围绕一个窄幅频率做运动，频域中的能量模式保持相对恒定。当电机磨损时，有缺陷的滚珠轴承或齿轮中的滑动会导致电机以更宽的振动频谱剧烈振动。通过检测频率组成的变化，分析传感器数据，根据加速度传感器历史数据推导出电机健康状况。借助这些信息，工厂管理人员能更有效地制订预防性维护计划。

传感器数据分析的应用并不局限于预防性维护和预测。飞思卡尔的工程师正与关键客户携手合作，利用传感器数据分析发掘潜藏在传感器数据中的信息并以此获利，同时创建新型智能电器。InvenSense：在物联网时代的传感器寻求新战略

面临物联网的到来，InvenSence先进技术高级总监Peter Hartwell指出，物联网时代，更多机会将留给在传感器尺寸、成本、功耗、制造能力等各方面做得好的厂商，少数供应商每年的出货量可达到十亿级别。传感器“实时”感知世界，物联网将云端互连，体现在应用层面上，便能够帮助人们做出“实时”的决策。

同时他也分享了未来物联网时代的发展战略，“物联网的性能与功耗往往是矛盾的，提高性能的同时要降低功耗，那是不可能的。可以看到随着集成度的提升，MEMS ASP（平均售价）却在急速下滑。要提升ASP，就要增加更多附加价值。”PeterHartwell表示，构建智能传感器，需要以扩大的技能组合来提升价值，包括传感器知识、系统知识以及大数据知识。

楼氏：未来更多的产品将通过语音控制

可穿戴设备开创了电子设备互联互通的新时代，并能前所未有地获得海量的用户和环境数据。尽管尚未有可穿戴设备实现大规模的普及，目前运动跟踪器和智能手表等腕带设备是市场主流。

创新是可穿戴设备成功的关键。对软硬件融合工艺的改进能创造出体积更小、速度更快的腕带设备。而更小巧、性能更好的零部件则为新产品带来了更广阔的市场前景。

未来的可穿戴设备将会围绕用户需求和物联网两大中心发展。因此可穿戴设备是否能与其他电子产品有效互动、是否能控制环境、预测用户需求并捕捉数据就显得尤为重要。这些功能都能为用户生活提供更大的便利。

在不久的将来，我们将看到更多通过语音控制而使操作更便捷的产品。它们可以自动为您开门、开灯，调节您需要的房间温度，并将电视调到您喜欢的节目。而您只需要在门口说一声“我回家了”，这一切就可轻松实现。

对于可穿戴产品等受到体积限制的设备而言，创新至关重要。这些产品的电路板尺寸非常小，这也就对零部件尺寸提出了严格的要求。

通过使用MEMS（微机电系统）麦克风上的集成电路内置音频总线（Inter-IC Sound或I²S）接口，电子产品制造商能使麦克风直接与应用程序处理器或微控制器相连接。这项新技术可轻易与现有移动设备结构的结合，并通过与信号处理器直接连接的方式简化系统集成。

今年早些时候，楼氏推出了最先进的I2S MEMS麦克风，用于可穿戴设备、远程控制器、汽车以及智能家庭自动化和安全设备等领域。该解决方案在尺寸和功耗方面拥有卓越的优越性，与竞争产品相比，其封装尺寸缩小了2590，耗电量降低40%。

楼氏开发的这一智能音频解决方案旨在满足市场对更小巧、更高效设备日益增长的需求，我们非常高兴地看到该解决方案已被广泛应用到可穿戴设备的参考设计中，并受到多家消费电子厂商青睐。

Tl： DLP进军徽投与沉浸式投影

最令TI（德州仪器）DLP（数字投影技术）骄傲的当属今天10家数字影院中有8家以上采用了DLP技术。为此，TI还荣获了奥斯卡奖 2015年2月，凭藉发明用于DLP Cinema投影机的DMD（数字微镜器件）技术，Larry Hornbeck博士荣膺2014年学院奖（奥斯卡奖）的科学技术奖。

不过，TI DLP不满足已有成就，把目光投向了微投和沉浸式投影。TI DLP Pico产品线业务拓展经理BillBommersbach于2015年8月底造访北京，称推出了更小型的显示技术与方案。

众所周知，对于数字投影来说，亮度、分辨率和效率是DLP主要方向。如今TI DLP（数字投影）投影的像素已从7.5微米降低到5.4微米，为此TI发明了TRP像素技术，可使微镜密度增加l倍：同时微镜可旋转角度更小，由此光亮可更集中。因此密度可达720p，亮度从501m提升到2001m。

如今，DLP不仅用于影院，在无屏电视显示领域（微投）和可穿戴显示（沉浸式）领域也跃跃欲试。为此，2015年6月，TI向微投影市场推出了DLP Pic0 0.47英寸TRP全高清1080p芯片组，适用于微投产品和沉浸式显示应用，特点是尺寸更小。另外，为了让客户不纠结于怎么做，而是如何应用，目前TI已创建了由50家厂商组成的生态圈。

例如，在无屏电视显示领域，DLP可与互联网设备完美结合。TIDLP中国区业务经理王洋昔展示了中兴通讯（ZTE）推出的便携式设备显示（如图），适合三五人的小型会议投影需要。另由于可以随意摆放角度，还可投射在天花板上，躺着就可以看大片。

头戴式显示等可穿戴显示是当前的研发热门，也是显示中最复杂的，技术难点包括计算、图像捕捉、电池功耗等。如果单是显示，挑战有头晕、过重、过大等。DLP的优势是由于地低延时，可避免头晕现象；另外DLP的画面清晰，可把两个显示内部显示与外界显示叠加。

ADI： MEMS传感器，左右可穿戴设备的设计走向的中枢

MEMS传感器在可穿戴设备上的应用设计与传统的手机等终端的应用设计有着不同的侧重点。ADI亚太区微机电产品市场和应用经理赵延辉：“与传统的手机市场不同，MEMS传感器会在穿戴设备里起到举足轻重的作用。这是因为手机最基本的功能是通话，而穿戴设备最基本的功能是运动传感。且由于穿戴设备一般都是电池供电，还要求产品重量轻、体积小、待机时间长，这就对核心传感器提出了更高精度，更低功耗，更小体积的要求。”

一些专家认为，传感器的精确度是左右可穿戴设备未来市场发展的一个重要因素，对此赵延辉表示： “穿戴设备的主要目的就是用来监测用户的各种运动或是健康指标，如果用来做这些事情的传感器精度不够，那相应的穿戴设备就失去了意义。一个好的传感器可以正确反应用户的在不同状态下，可能引起的传感器输出变化，而对于干扰信息可以有效滤除，而不是让其混叠到有效信息里。再有就是功耗，对于穿戴式产品来说，由于是7x24小时佩戴，功耗问题是非常重要的。”

在MEMS传感器未来的应用设计方面，可创新的方向会有许多例如精度，功能等。赵延辉在提及未来创新方向时列举了这样几个点：第一，微型化的同时降低功耗。将会出现微米甚至纳米级别的微型器件，同时降低功耗：第二，微型化的同时提高精度，将MEMS加速度计做到石英加速度计的噪声特性，保证MEMS陀螺仪小体积的同时获得光纤陀螺仪的零偏稳定性，且可提供远优于光纤陀螺仪的抗冲击特性；第三，集成化及智能化趋势，即MEMS与IC的集成制造技术及多参量MEMS传感器的集成制造技术得到发展，以及在集成化基础上使得信号检测具有一定的自动化。

MEMS传感器制造的难点

MEMS制造需要标准吗？

ST的Benedtto Vigna称，目前几家大公司有各自的生产工艺，没有一个共同的生产工艺标准。飞思卡尔的IanChen解释道：白猫黑猫，只要能抓住老鼠就是好猫。因此所谓的制造标准完全没必要的，但某一个部件或者是这个部件的应用是可以有标准的。

至于测试的方法，也不需要统一的标准。因为测试跟成本是有关系的。MEMS的测试是厂商货品成本中相当重要的—部分，所以每家公司有自己不同的心得，怎样做得最省钱、最好，所以各家的测试并没有一定的标准，但是各家做出来的产品可以互用。

MEMS和CMOS整合趋势

飞思卡尔Ian Chen称，MIG（传感器协会）正在制定路线图，比如MEMS怎么用到radio（无线电）上面，怎么适应供电的需求等等，但是目前集成电路运用MEMS还处在很初级的阶段。MEMS和CMOS的整合可以应对radio.供电等各个方面挑战的唯一途径。

MEMS封装方式

各家主要的重点放在效益上，比如TSV（硅通孔）又小又好；但是确实遇到了一些客户，他说就要大一点、便宜一点的就行了。

目前，WCSP、TSV等是封装的主流，客户会更倾向于哪种？用一句话高度概括地回答：最终客户并不在乎封装在里面的是什么，他们根据规格参数购买部件，无所谓是不是晶圆级芯片尺寸封装（WCSP）还是TSV封装，客户通常不会问这些问题。本土MEMS制造需建立平台，做出特色

应用材料公司全球服务产品事业部200毫米半导体及动力辅助设备副总裁原铮博士：中国MEMS制造发展快，例如应用材料公司过去三年在华的业绩迅速。

本土MEMS传感器企业越来越多。但是世界领军企业还是欧美的那几大厂商，原因一是因为MEMS传感器需要漫长的打基础时间，另外企业需要有远见，并坚持去实现。

中国MEMS企业自己要创造一个平台，提升技术，而不是搞价格战。同时做满足本土应用的传感器。中国人口众多，物联网市场的多样性、可变性就很多。而且以应用为导向的产品是中国的强项，但是没有一个基本的技术平台就显得水平较低了，如果估值都不准确也不行，像PM2.5感测一样。

同时必须要要有远见，因为国内有一些政府投资的企业的审批时间较长。例如到底上6英寸还是上8英寸？最好选择8英寸，因为现在人们都考虑12英寸了。

关于先进工艺和成熟工艺的关系，先进工艺还是会继续往前走，今后三五年没问题。但是随着物联网的发展，人们也会在原有制程基础上开发出不同的应用，但遗留的300毫米和200毫米应用会和现在有很大的区别。就像现在有些设备可能不会有竞争力了，又转到制造功率器件，接着还可以继续转到MEMS制造。