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ST:微機電助陣，讓傳感器更輕薄省電

本文作者：任苙萍點擊： 2016-10-13 15:09

前言：

運動傳感器可透過監(jiān)視物體及其周遭的相對位置變化，來偵測或追蹤動作，常被應用在各類電子裝置的人機互動，或透過收集到的有用信息監(jiān)測環(huán)境變化。隨著微機電 (MEMS) 技術的加入，大幅縮減感測裝置體積，讓運動傳感器市場更見寬廣；消費類加速計需求的上揚，亦促使 MEMS 與運動傳感器更加合作無間。日前甫于微機電全球高峰會榮獲年度 MEMS 制造商獎的意法半導體 (ST) 援引 Semico Research 統(tǒng)計表示，2015 年全球 MEMS 銷售額逾 142 億美元，預計 2020 年將上看 287 億美元，其間年復合成長率 (CAGR) 達 15.1%。

MEMS 與模擬技術互補，如手眼緊密合作
ST 執(zhí)行副總裁暨模擬、MEMS 事業(yè)群總經理 Benedetto Vigna 以「and」這個連接詞，來妙喻 MEMS 的獨特地位，認為 MEMS 體現(xiàn)的是「多元化」(diversification) 意涵，可與各類產品、技術合體；其中高性能六軸 MEMS 傳感器模塊已成消費電子和物聯(lián)網裝置的重要組件，在推動智能型手機轉換至智能型個人助理的過程扮演要角。Vigna 指出，物聯(lián)網 (IoT) 的真諦在于任何系統(tǒng)都能利用網絡及其生態(tài)，硬件上可分為三大區(qū)塊：節(jié)點、網關和云端，而云端運算、低成本嵌入式計算機、可靠無線連接與低成本傳感器的快速創(chuàng)新是決勝關鍵。

照片人物：ST 執(zhí)行副總裁暨模擬、MEMS 事業(yè)群總經理 Benedetto Vigna

位居最前線的「節(jié)點」，由形式多元的智能產品負責感測、訊號處理、傳輸、電源管理及資料保全等工作，以完成數(shù)據(jù)采集及交付。Vigna 強調，MEMS 與感測接口、連接、訊號調節(jié)和功耗等模擬技術具有互補性，一如手、眼互動；而 ST 是業(yè)界唯一擁有完整微加工硅組件研發(fā)能力的廠商 (包括傳感器和微致動器)，并在多項應用深耕已久，包括：穿戴裝置、活動追蹤、虛擬現(xiàn)實、心率監(jiān)測、無人機、防盜系統(tǒng)、車用和環(huán)境偵測等。「低功耗」則是 ST 另一個強項，對于電池供電的全功能消費類馬達驅動尤其具有優(yōu)勢，迄今 MEMS 出貨量已超過 110 億件。

圖1：ST 在 MEMS 感測及致動擁有廣泛的產品組合
數(shù)據(jù)源：ST 提供

Vigna 表示，傳感器、致動器與相關模擬科技為創(chuàng)造真實與數(shù)字世界溝通接口的核心元素，載體則以智能手機與穿戴裝置為大宗。除了傳統(tǒng)認知的運動傳感器，ST 還開發(fā)出光學防抖、快速對焦等產品；手機的推陳出新，為 MEMS 提供更大的舞臺。近來在全球造成騷動的 Pokémon GO (精靈寶可夢 GO)，可謂是 MEMS 連手擴增實境 (AR) 具體實現(xiàn)的里程碑；MEMS 下一波部署將擴及家庭、工作場所、城市和交通工具。特別一提的是，在微控制器 (MCU) 領域享有盛名的 ST 并未采取將 MCU 與復合式 (Combo) 傳感器整合成一個器件的產品策略。

不盲從「感測融合」，MCU 不在常態(tài)整合之列
有別于同業(yè)主打「傳感器中樞」(Sensor Hub) 的作法，ST 仍主張以單一或復合式傳感器出貨。模擬、微機電與感測組件應用經理陳建成說明，會傾向整合多是著眼于電路板面積有限或減少組件數(shù)量以降低功耗，但因顧及有些用戶希望將磁力計獨立出來，以免產生干擾，故復合式產品仍以加速度計與陀螺儀版本 (A+G) 為主流；若用戶需要獲得更多資源達成「感測融合」(Sensor Fusion) 目標，ST 憑借本身雄厚的 MCU 實力及豐富傳感器產品線，也能協(xié)同 IDH (Independent Design House，獨立設計公司) 和第三方軟件廠商提供 turkey solution。

「把 MCU 放進傳感器，相對會限制設計彈性；且尊重用戶對 MCU 可能有特定偏好、只想挑選適當?shù)母袦y組件來搭配的意愿，故讓傳感器另行發(fā)展會是較佳方式，利于客制化需求」，陳建成強調。他詳述，目前 Android 5.0 以上的手機所內建的計步器，以及微信運動計步功能皆是以硬件傳感器實現(xiàn)，不過陳建成坦言，硬件在定義手機翻轉和屏幕敲擊動作的微調時，自由度不如軟件細膩；由于軟件可透過收集很多測試結果后區(qū)分強度等級，但硬件的辨識級別可能只有八至九成。因此，算法軟件支持十分重要。

圖2：ST 獨立式加速計及陀螺儀產品
數(shù)據(jù)源：ST 提供

圖3：ST 整合加速度計及陀螺儀的復合運動傳感器產品
數(shù)據(jù)源：ST 提供

ST 在軟件方面亦不斷精進，為提升行動設備性能并最大限度降低功耗，與高通 (Qualcomm) 合作增加慣性傳感器解決方案的軟件支持，包括 ST 獲獎的 iNEMO 慣性傳感器模塊；就傳感器硬件特性，新增軟件支持功能，有助手機廠商快速推出基于 Qualcomm Snapdragon 處理器的 Android 智能手機。初期研發(fā)鎖定 LSM6DS3 不間斷運行的低功耗慣性傳感器模塊，借助 Qualcomm All-WaysAware 安全后臺傳感器控制功能，以及傳感器數(shù)據(jù)與定位技術、調制解調器和攝像子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合，感測模塊可支持更長的電池續(xù)航時間。該參考軟件現(xiàn)已問世。

光學防抖震、車載 HUD、建筑 MR，傳感器新興應用
ST 資深技術營銷工程師謝景翔補充，六軸加速計及陀螺儀加上三軸磁力計，是目前手機或消費電子主流規(guī)格，最看好光學防抖震 (OIS) 感測模塊結合相機模塊的 VCM 馬達校正；于是，ST A+G 復合產品也從要求人機接口 (UI)—— LSM6DS3，漸次進化到 UI／電子防抖震 (EIS)—— LSM6DSL，以及支持 UI / OIS 的 LSM6DSM。人機接口及防抖震的「雙通道架構」特色是：可維持數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院鸵恢滦裕艽蠓纳其浵褓|量。ST 透露，OIS 自 2015 年以來出貨有急遽拉升的現(xiàn)象，預估今年會有不錯的市占率表現(xiàn)。

至于未來最具潛力的應用，謝景翔首推車用微致動器 HUD (抬頭顯示器)，結合 Pico 微投影技術，不用貼片就可直接把信息顯示在擋風玻璃上；輔以加速度計控制安全氣囊、陀螺儀偵測車道偏移，可讓駕駛安全多幾分保障。事實上，機車亦已大量引進傳感器，Gogoro 就有利用加速度計做防撞偵測的設計，一旦發(fā)生碰撞，會自動斷電以策安全；而陀螺儀會在龍頭轉彎后回正時，自動熄滅方向燈。另在售價不斐的重機裝備，安全帽亦配有防撞感測系統(tǒng)。此外，「智能建筑」則是另一個兵家必爭之地，不過須融合溫、濕度等環(huán)境感測。

例如，運用 AR 原理衍生而來的「MR」(Mixed Reality) 技術，透過事先匯入建筑管線圖資，結合熱像儀可進行漏水檢測。若涉及室內定位、行人航位推算 (PDR) 等樓層或高度的應用，則需加裝氣壓傳感器 (Pressure Sensors)。在整合趨勢方面，雖然為解決系統(tǒng)耗電量遽增問題，有些廠商會實行 MEMS 傳感器中樞 (Sensor Hub) 結合先進「傳感器融合」(Sensor Fusion) 架構；但考慮到與應用處理器 (AP) 整合方便性，Combo 傳感器在某些場景，似乎較 MCU 傳感器中樞更受青睞；ST 透露，其實早先也曾推出內建 MCU 的傳感器，但市場反應似乎不如預期。

「因為，動輒透過內建 MCU 執(zhí)行有時更耗電。當傳感器只須讀取簡單數(shù)據(jù)，MCU 改以外置可在不工作時進入休眠狀態(tài)；從整個系統(tǒng)角度來看，反能進一步降低功耗」，謝景翔最后做了精辟批注。

照片人物：ST 模擬、微機電與感測組件應用經理陳建成 (右) 及資深技術營銷工程師謝景翔 (左)

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