MEMS与传感器的二次开发，如何发扬光大

不可否认，各类传感器的创新应用造就了电子产品的智慧，从智能终端、可穿戴、再到物联网，处在连接物理世界的节点，如何将传感器的创新应用发扬光大值得任何一个工程师、公司为之探索。 在智能手机领域，意法半导体（ST）的MEMS与传感器产品已经赢得包括华为、小米、中兴、等主流智能手机市场的广泛青睐，如今，来自可穿戴市场、IoT领域的前景又万分令人向往。面对前者，一个较成熟的市场，面向后者，一个摆在眼前的新市场，如何继往开来，将技术的创新与应用的创新发扬光大。EDN China独家专访意法半导体大中华暨南亚区AMS（模拟、MEMS和传感器）产品部市场总监吴卫东先生，为大家探索MEMS与传感器的技术趋势与开发应用机会。 硬件之余二次开发，创新应用与算法很关键 对于工程人员如何把握来自可穿戴和IoT领域的应用机会，吴卫东首先建议：“未来智能手机与可穿戴设备将进一步融合，可穿戴设备将向手机领域扩展。智能手机必将出现大量针对可穿戴设备的App，成为可穿戴设备后方巨大的处理器。而这样一个市场趋势带给广大开发人员的下一个发展，必将是带给用户差异化，这是一种应用级别的差异化。单从器件角度而言，传感器毕竟是硬件，应用是软件和服务，这方面如果能够进行二次开发，或者说加入更多人文的特性，让传感器发挥更大的功效，是开发人员可以针对传感器展开的创新探索。目前来说这方面还没有非常明显的突破，通俗来讲就是开发的产品粘度不够，即便是出自大品牌的产品，我们看到差距也不大。我相信，如果新产品中能有更多类别传感器的加入，有更多的应用可以开发，例如目前大家似乎都认为可穿戴设备就是手腕类产品，后续如果能结合衣服或鞋子这种传统行业，潜力会更大。”

图1：Apple Watch Teardown，ST所提供陀螺仪与加速度器
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基于二次开发，吴卫东也表示，硬件之余算法很关键。“依托ST持续的技术创新，可以通过先进制程、先进封装等技术带给开发人员高性能、精准的器件，就好比给一个人1.5视力的眼睛去看，去摄取信息，但最终思考，后台算法是很庞大的部分。为此，与合作伙伴，包括算法公司、APP公司，以及客户的深入合作很关键。其中，ST可以提供硬件平台，确保器件有很好的特性，同时做好开发包，让软件工程师用的便捷。” 对于优秀的算法，吴卫东认为：“现如今算法很热，也因为其还没有一个标准，在没标准的情况下，可以无限发挥，但对开发人员来说也是一种困惑，因为无法评价好与坏。无论是算法+硬件或是算法与应用的衔接，ST希望能通过自身强大的生态系统带给客户优势，包括个性化的设计，快速找到方法、又或是对整体方案的选择更优化。ST一直和包括Google，iOS厂家保持着密切配合。对于一些已经成熟的应用领域，后续对传感器的要求也会越来越严格，对算法也有所延伸，大家都会趋向于把一致性规定好。而对于一些新兴应用来说，算法还有漫长的一段路去标准化。基本上，基于ST的生态环境，提供硬件到算法，会在一致性方面表现更好。另外，ST的环境也可以提供类似一站式的服务，包括开发平台、MCU、运动传感器、声音、环境传感器、甚至低功耗蓝牙，可以去做数据融合。这也是后台数据算法挖掘的目标。” “应用的创新远比传感器技术或器件创新来的重要。”在谈到应用创新的重要性时，吴卫东表示：“我们看到很多合作伙伴很成功，将元器件做成模块，然后去做系统集成，应用于很多非传统行业，例如可以用在桥梁保护的机会，食品运输的机会。当开发者把单体做好，可以推动系统集成，应用于更多领域，物联网的机会还是很好的。”

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{pagination} 功耗、尺寸之余，传感器正走向更融合、更智能 一谈及半导体发展的趋势，减少芯片体积、降低功耗永远是个方向，为此吴卫东也认可：“我们都认为传感器的功耗越小越好，但sensor的耗电在整个系统里面已经很小，这是一个系统的问题，传感器本身耗电是一方面，算法也是很贡献功耗的。现在ST的传感器在Active mode的状态下最低功耗可以做到2uA，已经很低了，当然技术继续提升的话，ST也会朝更小的方面去做。” 除此之外，传感器的趋势更多倾向于传感器的融合与智能化。“以前传感器都是单个的，现在有二合一，三合一，或者把MCU放在里面，技术层面讲，集成完全是没有问题的，反过来，起决定性作用的是终端产品对于集成的需求，或带来的优势在哪里。尺寸做小，功率做低是绝对的优势，再进一步，你为什么要集成，这个集成没有前面两个要求那么迫切。在应用量没有上升到一定高度的时候，有些集成反而带来更高的成本。”但对于传感器融合的趋势，吴卫东也表示，“这是毋庸置疑，例如最近的天津爆炸事件，为什么没有预警，其实应该提供更多的数据给消防员，光一个相机提供的数据是不够的，还有其他很多信息可以通过各类传感器拿到，这都是需要去推进的智能。再例如现在的手机，多个传感器可以放在一起，其应用的组合取决于需要实现什么样的操作，要实现几种功能的组合，这些也是通过算法去做判断，如果算法是智能的，可通过经验公式去进行总结。” 对于传感器智能的趋势，吴卫东则表示，“这确实是我们看到的一个趋势，以我们最新为计步器提出的架构为例，我们看到低功耗的计步器是现在应用的一大趋势，比如在Wechat中就引入了计步功能，手机计步器会记录24小时的步数，所以24小时始终开启（always-on）和低功耗的计步成为关键（图2）。ST尝试将计步算法植入到运动传感器中（图3），提供低功耗，不耗外部资源的步数直接输出。这种算法植入的做法顺应传感器智能化的趋势，也会考虑在其它有需要的功能实现上做进一步的应用。”

图2：Wechat中引入计步功能，手机计步器会记录24小时的步数。
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图:3： ST尝试将计步算法植入到运动传感器中（最右），与传统做法相比，更能提供低功耗，不耗外部资源的步数直接输出。
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{pagination} 微执行器（Micro-Actuators）会带来什么机会 微执行器，相对于传感器，这个名字似乎比较陌生。但ST却在MEMS领域提供更为完整的产品链与竞争力，其中微执行器就是重要的一方面。作为物理世界和电信号的中间节点，传感器和微执行器各自担负着自己的使命（图4）。据吴卫东介绍：“微执行器这一块业务ST已经做了很久，可以追溯到MENS刚起步阶段，当时有应用在诸如打印机的喷墨头部分。但目前这个技术的应用对于用户而言仍有一定距离。对于这一技术，最新的应用是这次ST为Intel的3D建模产品的核心模组提供MEMS微镜（Micro-Mirrors），用来控制3D扫描的镜子反光角度（图5），执行逐行扫描。同时现在也有另一个应用机会在手机上的微型投影仪，类似这些光机产业如何把他产业化是另一个挑战。同时，ST已经开始生产压电执行器 (piezoelectric actuator)产品。我们的下一代薄膜压电式MEMS 产品也即将面世，该技术将改写 MEMS的商业运作方式，大幅度提高产品运行效率。”

图4：作为物理世界和电信号的中间节点，传感器和微执行器各自担负着自己的使命。ST则拥有完整的传感器和微执行器产品线。
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图5： ST最新为Intel的3D建模产品的核心模组提供MEMS微镜（Micro-Mirrors），用来控制3D扫描的镜子反光角度。
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