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ST:微机电助阵,让传感器更轻薄省电

时间:2016-10-13 15:09来源:CompoTech China 作者:任苙萍 点击:
运动传感器可透过监视物体及其周遭的相对位置变化,来侦测或追踪动作,常被应用在各类电子装置的人机互动,或透过收集到的有用信息监测环境变化。随着微机电 (MEMS) 技术的加入,大幅缩减感测装置体积,让运动传感器市场更见宽广;消费类加速计需求的上扬,亦促使 MEMS 与运动传感器更加合作无间。日前甫于微机电全球高峰会荣获年度 MEMS 制造商奖的意法半导体 (ST) 援引 Semico Research 统计表示,2015 年全球 MEMS 销售额逾 142 亿美元,预计 2020 年将上看 287 亿美元,其间年复合成长率 (CAGR) 达 15.1%。
 
MEMS 与模拟技术互补,如手眼紧密合作
ST 执行副总裁暨模拟、MEMS 事业群总经理 Benedetto Vigna 以「and」这个连接词,来妙喻 MEMS 的独特地位,认为 MEMS 体现的是「多元化」(diversification) 意涵,可与各类产品、技术合体;其中高性能六轴 MEMS 传感器模块已成消费电子和物联网装置的重要组件,在推动智能型手机转换至智能型个人助理的过程扮演要角。Vigna 指出,物联网 (IoT) 的真谛在于任何系统都能利用网络及其生态,硬件上可分为三大区块:节点、网关和云端,而云端运算、低成本嵌入式计算机、可靠无线连接与低成本传感器的快速创新是决胜关键。

 
照片人物:ST 执行副总裁暨模拟、MEMS 事业群总经理 Benedetto Vigna
 
位居最前线的「节点」,由形式多元的智能产品负责感测、讯号处理、传输、电源管理及资料保全等工作,以完成数据采集及交付。Vigna 强调,MEMS 与感测接口、连接、讯号调节和功耗等模拟技术具有互补性,一如手、眼互动;而 ST 是业界唯一拥有完整微加工硅组件研发能力的厂商 (包括传感器和微致动器),并在多项应用深耕已久,包括:穿戴装置、活动追踪、虚拟现实、心率监测、无人机、防盗系统、车用和环境侦测等。「低功耗」则是 ST 另一个强项,对于电池供电的全功能消费类马达驱动尤其具有优势,迄今 MEMS 出货量已超过 110 亿件。
 

图1:ST 在 MEMS 感测及致动拥有广泛的产品组合
数据源:ST 提供
 
Vigna 表示,传感器、致动器与相关模拟科技为创造真实与数字世界沟通接口的核心元素,载体则以智能手机与穿戴装置为大宗。除了传统认知的运动传感器,ST 还开发出光学防抖、快速对焦等产品;手机的推陈出新,为 MEMS 提供更大的舞台。近来在全球造成骚动的 Pokémon GO (精灵宝可梦 GO),可谓是 MEMS 连手扩增实境 (AR) 具体实现的里程碑;MEMS 下一波部署将扩及家庭、工作场所、城市和交通工具。特别一提的是,在微控制器 (MCU) 领域享有盛名的 ST 并未采取将 MCU 与复合式 (Combo) 传感器整合成一个器件的产品策略。
 
不盲从「感测融合」,MCU 不在常态整合之列
有别于同业主打「传感器中枢」(Sensor Hub) 的作法,ST 仍主张以单一或复合式传感器出货。模拟、微机电与感测组件应用经理陈建成说明,会倾向整合多是着眼于电路板面积有限或减少组件数量以降低功耗,但因顾及有些用户希望将磁力计独立出来,以免产生干扰,故复合式产品仍以加速度计与陀螺仪版本 (A+G) 为主流;若用户需要获得更多资源达成「感测融合」(Sensor Fusion) 目标,ST 凭借本身雄厚的 MCU 实力及丰富传感器产品线,也能协同 IDH (Independent Design House,独立设计公司) 和第三方软件厂商提供 turkey solution。
 
「把 MCU 放进传感器,相对会限制设计弹性;且尊重用户对 MCU 可能有特定偏好、只想挑选适当的感测组件来搭配的意愿,故让传感器另行发展会是较佳方式,利于客制化需求」,陈建成强调。他详述,目前 Android 5.0 以上的手机所内建的计步器,以及微信运动计步功能皆是以硬件传感器实现,不过陈建成坦言,硬件在定义手机翻转和屏幕敲击动作的微调时,自由度不如软件细腻;由于软件可透过收集很多测试结果后区分强度等级,但硬件的辨识级别可能只有八至九成。因此,算法软件支持十分重要。
 

图2:ST 独立式加速计及陀螺仪产品
数据源:ST 提供
 

图3:ST 整合加速度计及陀螺仪的复合运动传感器产品
数据源:ST 提供
 
ST 在软件方面亦不断精进,为提升行动设备性能并最大限度降低功耗,与高通 (Qualcomm) 合作增加惯性传感器解决方案的软件支持,包括 ST 获奖的 iNEMO 惯性传感器模块;就传感器硬件特性,新增软件支持功能,有助手机厂商快速推出基于 Qualcomm Snapdragon 处理器的 Android 智能手机。初期研发锁定 LSM6DS3 不间断运行的低功耗惯性传感器模块,借助 Qualcomm All-WaysAware 安全后台传感器控制功能,以及传感器数据与定位技术、调制解调器和摄像子系统的数据整合,感测模块可支持更长的电池续航时间。该参考软件现已问世。
 
光学防抖震、车载 HUD、建筑 MR,传感器新兴应用
ST 资深技术营销工程师谢景翔补充,六轴加速计及陀螺仪加上三轴磁力计,是目前手机或消费电子主流规格,最看好光学防抖震 (OIS) 感测模块结合相机模块的 VCM 马达校正;于是,ST A+G 复合产品也从要求人机接口 (UI)—— LSM6DS3,渐次进化到 UI/电子防抖震 (EIS)—— LSM6DSL,以及支持 UI / OIS 的 LSM6DSM。人机接口及防抖震的「双通道架构」特色是:可维持数据传输的同步性和一致性,能大幅改善录像质量。ST 透露,OIS 自 2015 年以来出货有急遽拉升的现象,预估今年会有不错的市占率表现。
 
至于未来最具潜力的应用,谢景翔首推车用微致动器 HUD (抬头显示器),结合 Pico 微投影技术,不用贴片就可直接把信息显示在挡风玻璃上;辅以加速度计控制安全气囊、陀螺仪侦测车道偏移,可让驾驶安全多几分保障。事实上,机车亦已大量引进传感器,Gogoro 就有利用加速度计做防撞侦测的设计,一旦发生碰撞,会自动断电以策安全;而陀螺仪会在龙头转弯后回正时,自动熄灭方向灯。另在售价不斐的重机装备,安全帽亦配有防撞感测系统。此外,「智能建筑」则是另一个兵家必争之地,不过须融合温、湿度等环境感测。
 
例如,运用 AR 原理衍生而来的「MR」(Mixed Reality) 技术,透过事先汇入建筑管线图资,结合热像仪可进行漏水检测。若涉及室内定位、行人航位推算 (PDR) 等楼层或高度的应用,则需加装气压传感器 (Pressure Sensors)。在整合趋势方面,虽然为解决系统耗电量遽增问题,有些厂商会实行 MEMS 传感器中枢 (Sensor Hub) 结合先进「传感器融合」(Sensor Fusion) 架构;但考虑到与应用处理器 (AP) 整合方便性,Combo 传感器在某些场景,似乎较 MCU 传感器中枢更受青睐;ST 透露,其实早先也曾推出内建 MCU 的传感器,但市场反应似乎不如预期。
 
「因为,动辄透过内建 MCU 执行有时更耗电。当传感器只须读取简单数据,MCU 改以外置可在不工作时进入休眠状态;从整个系统角度来看,反能进一步降低功耗」,谢景翔最后做了精辟批注。
 

照片人物:ST 模拟、微机电与感测组件应用经理陈建成 (右) 及资深技术营销工程师谢景翔 (左)
(责任编辑:helen)
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