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MEMS能否代替传统传感器,开启产业新篇章?

半导体行业观察 ·2017-06-01 08:57·半导体行业观察
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智能手机已经成为我们生活中不可或缺的一部分。智能手机市场的爆发也带来了多个市场的增长,MEMS传感器就是其中之一。


提到MEMS传感器就不得不说到ADI,今年对于ADI来说也是意义非凡的一年。从1987年开始投入MSMS Sensor研发至今,ADI已经走过的三十个年头,可以说是业界最早开始做MEMS研发的公司之一。


在这期间,1987年,ADI发布了第一颗High-G MEMS传感器用于汽车安全气囊碰撞监测,1996年发布了第一颗Low-G传感器用于人体运动监测,再到2011年发布“能够承受170度高温的MEMS加速计传感器”。


“2012年的时候,,AID推出了业界最低功耗的MEMS产品——ADXL362,后来这一产品广泛应用到智能手环等可穿戴产品中,到目前位置,这一系列产品市场上都占有着非常高的份额。”ADI亚太区微机电产品市场和应用经理赵延辉最近一次的发布会上表示。


经过三十年的发展,ADI为什么对于MEMS传感器的发展和未来的主要市场也有着自己独到的理解。在越来越多的企业开始关注MEMS传感器市场的现在,如何树立自己的品牌优势,为市场提供更好的发展动能,也是ADI目前所关注的。



不一样的市场关注点


从2008年,智能手机开始替代传统的功能手机开始,手机市场对于MEMS传感器的需求就迎来了持续性的增长,“在那个时候,ADI就已经注意到了智能手机在MEMS市场特殊的需求,更准确的说是便携式设备对于传感器的需求。”赵延辉表示。


与现在很多大厂将注意力放在消费类电子产品上一样,2008年,ADI就投入了很多精力,推出了很多具有新颖功能的产品,“但是,随着手机市场趋于成熟,MEMS的功能也开始同化,竞争对手的大量涌入,拉低了整个市场成本,使得MEMS技术越来越平民化。所以ADI也逐渐将市场研发重点进行了转移,不是推出更加低成本产品,而是推出更加新颖的产品。”赵延辉强调。


目前,在ADI看来,其MEMS业务的主要研发重点有四个:


首先,是陀螺和惯性单元。这样的模块中,现在可以集成很多类的传感器,比如加速度传感器、磁力计、气压计等等,高度的集成可以为客户相对简单的单芯片解决方案。但是在ADI来说,这样的单芯片解决方案,虽然适用于智能手机这样的日常使用环境,绝大多数情况下都是在室温情况下使用的,但是在工业、无人机等新兴的使用场景中,传统的单芯片解决方案并不适用。


“比如说,iphone中使用的MEMS传感器,在气温过高或者过低的时候就会出现停摆的状况,这样的产品明显不适用于工业场景。”赵延辉表示,“ADI所要做的产品,就是能够上天入地,应付各种复杂的高温高压环境。这是ADI重点关注的市场之一,据了解,目前还没有厂商专门做这方面的产品。”


其次,超低噪声。与超低功耗产品不同,在ADI推出超低功耗的ADXL 362芯片之后,有越来越多的厂商开始跟进这一市场,“因为大家都看到了可穿戴设备对于这一系列产品的需求。现在超低噪声产品与当时超低功耗的情形非常类似,ADI可以说是第一个关注到这一市场的企业,目前还没有厂商在做。”


为什么ADI会想得到做这一方面的产品呢?赵延辉表示,超低噪声的产品主要是针对对于高分辨率和高性能有需求的市场,譬如工业物联网市场


手机加工自动化的难度远远高于汽车等大型产品的自动化,这主要是由智能手机的小型化决定的。如何更加精准的进行定位,进行状态的监控,其难度也比汽车自动化生产要高。这就要求,自动化生产所采用的传感器能够进行更精准的判断。“ADI推出的新产品就是针对这一高精度市场的。”


第三个市场重点就是低功耗。从之前提到的ADXL 362开始,超低功耗的芯片就是ADI发展的重点,也是目前MEMS传感器市场关注的重点。


智慧城市、智能家居这些概念的逐渐深入,要求电池在为产品供电的同时能够实现超长的使用时间,超低功耗的要求也就势在必行。


第四点就是相对极端的环境。譬如现在比较热门的无人机市场,“以农业无人机为例,由于需要比较长的续航时间,这一类无人机一般采用油动机构,这就使得无人机的整体震动非常距离,那么在这种高温和高震动的情况下,如何保证传感器的精度呢?”


“可以说,ADI关注的四个重点市场,在传感器的要求方面与智能手机市场都有着非常大的区别。虽然成本是客户关心的一件事情,但是如何通过具有新颖功能的产品为客户提供更高的产品价值,才是作为传感器厂商真正应该关注的。”赵延辉指出。



能否取代传统传感器


在提到ADI最新推出的新品时,赵延辉表示,现在有非常明显的趋势,在某些产品方面,MEMS传感器能够代替传统的传感器,而且这种确实正变得越来越明显。


据了解,MEMS传感器与传统的传感器相比主要有以下优势:


微型化:MEMS器件体积小,一般单个MEMS传感器的尺寸以毫米甚至微米为计量单位,重量轻、耗能低。同时微型化以后的机械部件具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。MEMS更高的表面体积比(表面积比体积)可以提高表面传感器的敏感程度。


硅基加工工艺,可兼容传统IC生产工艺:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨,同时可以很大程度上兼容硅基加工工艺


批量生产:以单个5mm*5mm尺寸的MEMS传感器为例,用硅微加工工艺在一片8英寸的硅片晶元上可同时切割出大约1000个MEMS芯片,批量生产可大大降低单个MEMS的生产成本


集成化:一般来说,单颗MEMS往往在封装机械传感器的同时,还会集成ASIC芯片,控制MEMS芯片以及转换模拟量为数字量输出。


“ADI此次推出的新品之中,ADXL1001/1002振动传感器就能够非常好的代替传统的压电传感器。”


ADI七种新品


ADXL354/355超低噪声三轴加速度计:具备20µg/Hz噪声密度、最大0.15mg/C零点漂移、150uA低功耗等特性。相对于上一代ADXL103/203,噪声密度改善5倍;提供模拟和数字输出两种型号,数字接口支持SPI和I2C,直接可以访问传感器,不需要信号调理,也不需要ADC。预计10年内的±3.5mg零点重复性是该系列的最大特点,这对于结构健康监测的无线传感应用来说非常重要。


ADXL356/357 ±40g三轴加速度计:其噪声密度可低至80µg/Hz,可选测量范围从±10g到±40g,最大0.75mg/C零点漂移以及< 0.1g振动整流误差,只需极少量的校准工作即可实现精密测量。赵延辉解释说,之所以要在小量程之后再推出大量程测量,主要是考虑到旋翼无人机、固定翼飞机在飞行时振动强烈,要求量程足够大且振动整流误差要小,这与楼宇桥梁等静态倾角测量完全不同,所以ADXL356/357更适合这种大量程动态倾角应用。


ADXL1001/1002振动传感器:ADXL1001的典型噪声密度为30μg/√Hz,灵敏度为20mV/g;ADXL1002的典型噪声密度为25μg/√Hz,灵敏度为40mV/g,其满量程范围分别为±100g(ADXL1001)和±50g(ADXL1002)。


ADXL372超低功耗200g大量程三轴加速度计:ADXL372具备±200g量程,有小加速度事件检测能力,并且与ADXL362引脚兼容。其快速唤醒模式能够在检测到触发事件后立即唤醒以获取完整波形,从而大大减少待机功耗。典型的应用场景例如珍贵物品运输时,可以通过安装这样的传感器进行全程运输记录,从而判断损毁时间;或者参加比赛的运动员通过佩戴内置该传感器的检测设备,一旦比赛中发生严重碰撞,就可及时就医,避免耽误病情等。(文/刘燚)


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