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面对MEMS传感器的第二波浪潮——工业,传感器厂商将如何去改变?

发布时间:2018-05-15 责任编辑:xueqi

访ST模拟、MEMS及传感器事业部副总裁,MEMS传感器业务总经理Andrea Onetti
 
第二波浪潮——工业
 
MEMS产品产业在过去几年里有过非常风光的增长历程,尤其是手机产业的带动。但手机产业在过去一两年里没有像以前那样出现数量增长的红利,因为第一,应用于手机的MEMS总量差不多持平,没有增长;第二,在单机里,没有新型的MEMS应用加入,造成单机MEMS的价值没有提升,单机的传感器数量也保持稳定。
    
ST模拟、MEMS及传感器事业部副总裁,MEMS传感器业务总经理Andrea Onetti
  
因此业界有这样一种质疑声:下一波MEMS怎么样?现在看起来,下一波MEMS产业浪潮可能在工业和汽车、自动驾驶。这个市场不单单让传感器单个价值的增加,在数量上也是非常可观的。
  
 
MEMS产品第一波真正作为市场的井喷,是在2005年左右,主要驱动力是“智能手机”,由于智能的需求,传感器为手机的新功能立下了汗马功劳。
  
但在过去的两三年里,业内一直在讲物联网、云服务,这些领域目前的关注点是“数据”,很多智能终端产品在采集数据,很多公司都在花巨资投入云服务。在工业和汽车方面,最近出现了自动化、智能化趋势,涵盖智能工业、智能驾驶、无人驾驶等。如果这些最终实现,传感器是必不可少的,而且传感器在其中的作用比第一波的传感器在手机里的作用大得多。
  
工业与消费类白菜网的差别
  
在过去的20年,消费类应用使不同类别的MEMS传感器实现了从雏形,到大批量生产、直至大批量应用的过程,这些传感器包括加速计、陀螺仪、惯导模块、磁力计、气压计、温度计、气体压力计、以及最近几年越来越多的环境类传感器。
  
第二波将在汽车和工业类里面越来越多,要求的性能和精度更高。因为工业类对性能和精度的特殊要求,可能同一类别的工业传感器和消费类传感器有几倍的差别!
  
  
这对于整个产品的定义、规划、制造、研发都会带来新的挑战。
  
*制造。要达到高性能和高精度主要通过两个方面:1.纯粹工艺的提升;2.测试和校正工艺/能力提升。
  
其中测试和校正是可以大为挖掘的地方,因同一类别的传感器,如果施予的校正方法和校正点位不一样,可以达到更好的性能输。而与其它半导体制造不同,其它半导体厂家产品的校正更多在于测试,主要是为了把不良品给剔除。而MEMS制造由于含有机械元素,因此校正的主要目的是要恢复参数,去拉到需要的规格范围之内。
  
ST的特点在做的时候可以同时并行处理很多细节,例如友商做10个,ST可以一下做100个,这就意味着效率的提升,从而节约器件的成本。另外,具备了这样的能力,ST可以按照客户的应用需求,更加灵活地去配置校正要达到什么样的参数输出——有的可以放宽精度,达到成本更好;有的可以提高精度,达到性能更高。
  
        
*高性能。目前为止,大部分人对MEMS生产的理解还是在过去消费类市场里的应用。例如,作为声音采集的器件,到目前为止,麦克风主要用来采集人的声音,主要集中在20 Hz~20k Hz频率范围。但在智能制造、智能工业中,是机器与机器之间的对话、互动,同样要去检测声音,需要把声音采集的带宽上升到80k Hz,这样才可以采集到水管是否漏水及一些在机器当中要去检测的信息。
  
再例如,人机界面互动的应用场景,即使对于同一款传感器,它的应用不一样,规格也会有区别。
  
*生命周期。消费类白菜网的生命周期较短,有的只有两三年;但整个工业设备的生命周期会跨过五年、十年、甚至更长。那么在这类应用里的产品,需要确保产品的生命周期与最终设备的生命周期是吻合的。针对这样的需求,ST做出了郑重的承诺,所有在工业类里产品的生命周期超过十年。
  
可见,随着传感器走出消费类应用,走近工业类应用,产品应用需求的变化导致了对于产品的需求不一样,因此MEMS厂商向客户做出的承诺也不同。
  
把机器升级到智能,前装和后装的市场分析
  
第一种是在新机器设备开发的时候就把传感器装进去,就可以把连接具体什么样的传输方式定义好。根据市场报告,每年约有七八千万设备的市场容量,其中约有40%~50%的设备是智能的。
  
然而,整个行业里最大的市场在于既有的机器设备,有的装了几年,有的装了几十年。这时,可以通过无线和传感器的方式把机器设备进行有效的连接。这部分的市场前景更大,约有8亿的机器设备。但现在其改装的比例却很低,只有1%、2%。这个改装过程会随着云服务的发展逐渐体现出来,相信这会是指数型增长的趋势。最近在欧洲的一个展会上,大家介绍的都是智能化的生产设备,预计在未来的一到三年之内,改装市场的占比也会达到双位数。
  
需要特别指出的是,如果真的在现有设备上加装元器件,例如加一个传感器单元,也不可能两三个月就去换一个,所以低功耗非常重要。ST的传感器是从消费类衍生过来,功耗方面可以做得很好,既使是电池供电的应用,装上去以后整个的生命周期有效期达到几年以上。
 
       
ST的高精度倾角计等新产品
  
说了这么多理论,ST到底有何面向工业的明星产品?近日,ST推出了一款高精度倾角计——IS3DHHC,是2018年第一款亮相的新型传感器,特点是新型低噪3轴加速度计,为工业倾角计厂商提供经济实惠的高精度传感器解决方案。
  
据悉,在此之前,ST的3轴陀螺仪和6轴惯导模块已经在市场上应用,此次介绍的工业用倾角计的需求有了变化。
  
倾角计不是一个新产品,先前主要是用在重型车辆的搬运,例如铲车。最近又看到一种新型的运动传感器,它不单单用于检测,甚至用于有些智能自动安装设备过程中,这种安装设备是由自动化/电脑控制、甚至远程遥控的。它可以知道设备在安装的整个过程中是否符合安装的流程,是否安装到足够的精度,是否在安装的过程中碰到什么异常状态。要达到这些标准,对倾斜、偏差的精度要求很高,要求有非常高精度的加速度计,可以用倾角计来实现这类检测。
  
运动传感器只是一个开端。在ST的产品规划中,智能工业应用的布局超过了运动传感器本身,例如温度传感器和湿度传感器等对于传感器本身的参数提升、高精度是很重要的。
  
  
传感器的性能提升还有一个很重要的因素,如果你的校正得好,也可以提升精度,那怎么样才能校正好?在做校正的过程当中,“温度”是个很重要的参数,实际应用场景下,温度并不是在常规下,有时会低到零下几十度,或高到上百度。传感器的特性会在不同温度下有不同的表现,如果可以通过很好的温度校正,就可以使整个的性能达到更优的状态。
  
ST后续的布局里除了有运动、振动、角度测量的MEMS传感器外,还有温/湿度、气压、声音等。
  
案例:马达感测+本地AI
  
说了这么多,是否有些应用案例?
  
在智能工业里用最多、最普遍的就是马达,在马达检测中有多种信息可以去检测,诸如速度、加速度、噪音、角速度、力矩、电流、电压等,可以单独或同步进行。理论上,这些信息可以告知系统马达是否工作在正常状态;同时,既然是智能化,这些采集的数据都可以传输给后台的云端去做数据处理。一般情况下,工厂里人停机不停,马达一直开着。如果24小时一直在传输数据,会产生很大的数据量。而后台的云一直在做满负荷计算,也有很大的成本。
  
有没有更好的方法呢?我们可以按照不同应用的需求量身订做。例如要检测振动,可以加一个加速度传感器/模块;想要检测噪音,可以加一个麦克风模块;检测温/湿度,加温/湿度模块;……总之,不同类别的信息可以通过多种传感器进行本地采集,然后在本地的模块里进行信号处理,即可以进行“预处理”,即本地化的人工智能判别 (local AI)。当本地化的几个人工智能判别综合起来觉得有异常,不符合先前定义的工作状态表征时,再上报到云。因此平时产生的是小数据量。这样整个系统就相对变得精简,而且真正采集到的信号多元性可以提升。
  
  
ST目前已有Local AI的方案,具体分为两个层面。ST的传感器已经是智能的传感器,一部分是传感部分,另外一部分是做信号处理的。ST已在传感器的信号处理部分做了一些“预处理”,简单来讲,已经可以告诉你振动幅度多大,而不只是告诉你加速度值是多少;并已经滤掉了一些噪音或者不需要的信号。ST马上又会推出让客户可以进行二次开发的传感器,这是可编程的传感器,经过简单的配置,就可以实现不同功能的需求。
  
在ST整个公司层面,ST的MCU(微控制器)部门有专门的、更复杂的AI算法,其开发与ST的传感器是紧密合作。
  
再次指出的是,ST所有Local AI的架构都会将低功耗作为第一优先考虑的前提,因为Local AI主要针对现有机器的改装,而后装市场一般都是电池供电的应用。
  
MEMS厂商的竞争焦点有二
  
一个是“供应链”。因为在智能制造、智能工业、汽车,特别是工业领域,很多都是客户定制化的,产品的需求在数量上跨度很大,从几十片、几百片到上百万片,都是客制化的。
  
在这方面,ST有全控的供应链体系、有很好的测试校正能力、有可靠的供应链去服务市场大小不同的需求。
  
第二,是否有多品种的产品,以适合差异化的应用与客户需求。
  
相比友商,ST有广泛的产品布局,并不只是做几个类别的MEMS产品,几乎在MEMS传感器里的布局是最广的,ST有能力把不同类别的都可以做到工业应用里面,满足各种应用需求的规格,特别是在高精度这部分。
  
ST制造的特点
  
ST在MEMS产品制造过程中,特点是所有制造部分由ST 100%掌控,包括生产、校正和测试等,好处是可以保证交货期。另外方便多传感器的整合优化。
  
ST也在研发和推出更智能的传感器,这在不少的应用里都可以在整体功能的集成和成本的控制方面带来优势。
  
ST有很大的产能。截至目前为止(注:2018年5月初),ST已经向市场总共出货超过130亿颗MEMS产品,目前每天出货超过500万片。可见,ST还有大规模制造的经验,有足够的基于产能的投资和产线的能力,另外内部还有很好的灵活性,便于在不同产品之间进行调配,因此,即使工业类应用的量后续爆发起来,需要大的产能支持,ST也可以有很好的基础来支撑。
  
小结
  
智能工业时代,MEMS的机会刚刚开始,需要更高的性能和精度,满足多种工业场景需求,这需要制造、测试/校正等白菜网的进一步提升。擅长大规模制造消费类MEMS传感器的ST已做好了进军工业的准备,例如进一步拓展产品线,有效地控制成本,并作出了十年供货承诺。
 
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