MEMS市场重点:从消费电子重回汽车及工业 | 智慧产品圈

原创 慕容素娟 2017-10-24

  手机中的计步功能、自动调节屏幕亮度、自动解锁等锁屏功能等,都是在MEMS传感器的技术下实现的。而MEMS传感器早期主要应用在汽车和工业以及国防领域,由于技术过于高精尖,当时的生产和应用都有挑战,所以一直局限在小规模和特定的领域。推动MEMS大规模发展的是消费类市场,以智能手机为代表的消费电子把整个MEMS从加速度引申到陀螺仪、磁力计、压力传感器。智能手机、PAD发展的这十年,整个行业和大众知道了MEMS技术。

  当前,MEMS传感器的发展应用将进入一个新的轮回,市场重心从消费电子重新转向汽车及工业领域。


  消费电子高速增长的势头已经过去

  游戏机是最早应用MEMS传感器的消费电子产品。而智能手机和PAD,则带来了MEMS传感器在消费电子领域的大爆发。


  在游戏机的应用中,以前是用手指在摁游戏柄,现在可以挥手来玩。这也是通过传感器的技术来实现的。

  在智能手机和PAD中,通过光线传感器的支持,可以实现手机和PAD感知环境的光线亮度,进而自动调节手机屏幕的亮度。在距离传感器的支持下,通过时可以自动熄灭屏幕达到省电的目的,也可以实现屏锁和解锁的功能。在重力传感器的支持下,手机可以实现自动转换模竖屏幕的功能。如手机的计步功能,则是在加速度传感器的技术支持下实现的。手机摇一摇的功能,则是能过陀螺仪来实现的。手机的指纹解锁能力,则是依据纹传感器实现的。

  此外,应用在手机上的还有心率传感器、紫外线传感器、血氧传感器、气压传感器、磁场传感器等等。

  世界上公认的第一部智能手机IBM公司1993年推出的Simon,它也是世界上第一款使用触摸屏的智能手机;第一代iPhone于2007年发布;随着三星、HTC、小米、华米等安卓、微软操作系统的各大品牌智能手机陆续出现,进而催生了智能手机的蓬勃发展。智能手机蓬勃发展的十多年时间里,推动了MEMS传感器在消费电子领域的大爆发。

  当前,智能手机为代表的消费电子领域市场接近饱和,高速增长的势头已经过去。据群智咨询(Sigmaintell)最新调查数据显示, 2017年上半年全球智能手机出货量约6.7亿部,同比增长1.8%,其中中国市场出货量约2.3亿部,同比下降约1.4%。相应地,传感器大规模增速也大大减缓。

  市场重心重回汽车及工业领域

  随着消费电子市场的日趋饱和,市场应用重心开始从消费电子领域向“汽车及工业领域”转移。物联网的推地,工业、农业和汽车领域都要连起来,甚至2020年将有500亿终端要连接起来。这些节点形成一个连接的网络,进行源源不断地产生信息。而采集信息,是依赖于传感器。

  “MEMS在这一领域里属于新兴的事物。从汽车电子、工业控制中,我们看到了很多机会。从单个机会来讲,MEMS传感器的数量在上百万,但其门类、种类可能上百、上千的。所以,汽车、工业领域未来几年将是MEMS传感器非常蓬勃、非常有潜力的应用领域。”意法半导体大中华暨南亚区模拟和MEMS产品部市场总监吴卫东指出。

  在汽车领域的应用中,比如:高端车的钥匙是智能化的,带蓝牙,带sensor,可以起到超低功耗和远程操控各方面的功能,以及无钥匙进入等功能。同时,汽车中的自动导航功能,则主要通过加速度传感器和陀螺仪来实现。此外,车载设备中的麦克风,实现汽车的免提通话,这需要麦克风保证失真度;紧急情况下的呼叫,这需要具备抗撞击能力;以及噪声抑制,减少周边环境的噪声干扰。

  在工业智能制造上,要求机器的感知力更高、更高效、更安全、连接选择更多,这依赖于运动传感器、测距传感器、环境传感器等等。

  以设备监测和预知维护为例,工况监测方法是在旋转设备上安装传感器,定期接收传感器数据,并将实测数据与基准数据比较,查看机器 运行状态不良趋势,实现预知性维护,这就需要运动传感器来进行。

  在连接选择上,新装的制造设备通过新设备预装智能传感器,通过线缆(IO-Link)或无线互联;现有制造设备上,通过增装智能传感器,本地传感器通过无线网络连接到云端。

  此外还有倾斜检测的激光测距仪、地震监测仪等也需要传感器。

  新应用对传感器的精度和安全提出高要求

  在新的应用领域,从汽车领域到工业应用,对传感器的精度和要求要求开始越来越高。

  在定位的准确度方面,对传感器的精度提出更高要求。当前汽车的定位导航中,不管是GPS还是北斗+GPS双模或多模卫星导航系统定位,这些定位都会存在信号时强时弱的情况。尤其是建筑物内部的定位,则更是其盲区。为此MEMS传感器的高精度,实现了辅助导航定位的功能。吴卫东指出:“整个系统的精度要达到米的级别,也就是至少车子、行人能准确找到。这个米的级别并不是一个时间点,是累积的,因为sensor的挑战是会随温度、时间漂移,有很多参数影响传感器,因此对sensor要有很好的控制。”此外,自动驾驶则对传感器的要求同样很高,传感器的精度要在20厘米以下。


  测量精度是车用及工业传感器企业面临的一个巨大挑战。如果不考虑功耗,提升精度很容易实现。但是工业应用和汽车领域,对功耗仍是非常在乎。比如一个农业中的检测,需要放置在土壤中,一用就是十年。既要做得高精度,同时又要兼顾功耗。

  实现传感器的精度需要考虑几个重要参数,分别是噪声、稳定性、误差。除了考虑这几个参数之外,还要改善设计和制造工艺。目前,业界有企业通过改进的传感器设计和陶瓷封装技术,实现了传感器的高分辨率和测量精度。


  除了高精度,对传感器安全性的要求也越来越高。比如在车辆导航上,当整个系统没有GPS、导航信号时,完全通过传感器来保证。除了硬件本身,还需要算法方面的支撑,比如航位推算和传感器数据整合来实现。此外,在主动安全和自动驾驶的实现上,也对传感器提出更高要求,需要开发出更高安全标准的产品。

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