MEMS傳感器:從啞設備到系統平臺

傳感器等感知設備是物聯網發展的基礎，也是物聯網技術突破的核心。我國芯片廠商普遍規模較小，尤其涉及高端芯片研發的企業更是寥寥無幾。意法半導體、高通、飛思卡爾等芯片企業都在提供物聯網所需的基礎通信芯片，其中，MEMS （Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統)傳感器扮演了物聯網底層很重要的一個角色。3月底在美國舉辦的第九屆電子峰會（Electronics Summit2011）期間，飛思卡爾全球市場營銷總監Glen Burchers為大家介紹了MEMS傳感器的最新發展趨勢。

“MEMS傳感器在電子設備和日常生活中的重要性越來越大，它使人類能夠感知到自己所處的環境，如位置、方向、速度、高度、角度、溫度等。”Burchers認為，MEMS傳感器非常可靠，它把物理環境如溫度、加速度、壓力、全球定位系統翻譯成機器語言，具有功耗低、速度快、性價比高等優點。

應用無孔不入

除了傳統的傳感器外，還有手勢傳感器、GPS傳感器、Wi-Fi傳感器等范圍更廣的傳感器，Wii和iPhone的熱銷使得MEMS的功效得以顯現，MEMS使得電子產品更娛樂化、智能化。不光是智能終端，MEMS產品還廣泛地應用于噴墨打印頭、投影機、游戲機、麥克風等產品中。

以麥克風為例，提供更好的音質已成為消費性電子與手機廠商的主要選擇之一，傳統麥克風價格固然便宜，但是音質表現與尺寸卻始終無法突破。而MEMS麥克風的架構多為MEMS感測器加上控制IC與電路，容易與CMOS工藝及其他音頻電路相集成，更好地消除噪音。因此，全球MEMS麥克風市場正在迅速壯大。

“除了應用得較早的汽車行業外，目前市場上MEMS傳感器的主要應用分布在移動電話（方向檢測、手勢感應）、游戲、醫療（血壓監測、睡眠窒息監測、醫療呼吸設備）、工業領域。”Burchers介紹說。

“我們是唯一一家能夠同時支持單核、雙核、四核的芯片廠商，通過這三種組合，OEM廠商可以開發軟件，用在三種不同的產品上，并且覆蓋三種性能的定位。每個內核的運行速率可以達到1.2GHz，所交付的性能是飛思卡爾當前應用處理器產品的5倍。”這種性能為下一代平板電腦、電子閱讀器、智能手機、汽車資訊娛樂系統打下了堅實基礎。

MEMS傳感器

金字塔發展層次

飛思卡爾是極少數能夠提供移動和便攜式應用傳感器全部組合的公司之一。Burchers分析說，MEMS傳感器發展有如下五個層次：

1.傳感器最初的應用相當于只是傳輸少量數據的啞設備，其軟件開發是留給系統來完成的；

2.隨著時間的推移，系統開發商開始要求傳感器制造商提供算法，去更好地挖掘傳感器的應用價值；

3.集成傳感器開始出現。這意味著多個傳感器一起使用。例如，要做到手勢感應，我們必須結合加速度計與陀螺儀；另一個例子是，指南針必須結合羅盤與加速度計。

4.當制造商把軟件算法添加在集成傳感器中時，我們稱之為傳感平臺。

5.當把一個應用程序加載于傳感平臺之上時，我們稱之為傳感系統。這是傳感器功能和性能的最高水平。而且這絕對是未來傳感器的發展方向。

一個傳感系統需要三個元素：智能傳感器、能處理傳感器輸入信息的復雜的傳感器算法、以及一個高性能的應用處理器，它將與傳感器互動并從互聯網上收集更多的數據。傳感器必須密切與應用處理器互動，而飛思卡爾在開發此類系統方面獨有建樹。

飛思卡爾Xtrinsic傳感解決方案提供更高的集成度和模塊化嵌入式多傳感器的輸入，組合智能帶來更大的價值和決策的整體解決方案。Xtrinsic移動傳感平臺集成了加速器、處理內核、存儲器和多個嵌入式功能，提供了更高的智能化程度和更好的整合度，它從各種傳感器獲得的數據，可接收多個傳感器輸入，再將這些數據匯總并分析，使不同傳感器打好“組合拳”。此外，Xtrinsic傳感解決方案具有內置智能，可以在相應的環境內進行復雜的計算和決策，幫助用戶實現與眾不同的智能傳感應用。而Xtrinsic觸摸傳感軟件套件2.0將電容觸摸傳感功能從8位控制器擴展到32位控制器。

往哪里走，怎樣走？

“MEMS發展趨勢是小型化、更低的功耗、更高的性能、價格更便宜。”Burchers預測說，未來2年內MEMS傳感器在移動設備中的使用量將增加5倍。“2010年，超過三分之一的手機配備了加速計，而增長最快的是磁傳感器，它是指南針的一個必要組成部分。陀螺儀、壓力傳感器也將會成為下一個大的增長市場。”Burchers介紹。

其實，單從飛思卡爾MEMS元器件的銷售量就能以管窺豹。飛思卡爾在傳感器方面的投資已超過30年。1980年，飛思卡爾剛開始壓力MEMS傳感器的研制；上世紀80年代后期安全氣囊方面的需求開始增長；1992年飛思卡爾開始關注醫療市場；2009年飛思卡爾產品在中國手機市場占據了顯著的地位；2010年飛思卡爾MEMS元器件出貨量達到十幾億；在過去的30年中，飛思卡爾已經售出超過10億個傳感器。“通過飛思卡爾產品銷售的曲線可以看出MEMS傳感器的需求呈非線性增長，下一個10億的銷售量估計就用不了30年了，只需要非常短的時間。”Burchers非常樂觀地估計。這份樂觀并不是盲目的，MEMS傳感器在我們的日常生活中無處不在，比如汽車、智能終端、遠程醫療。

而需求也并不是一成不變的，目前，越來越多的應用需要多種傳感器的配合了。為了滿足這些用戶需要，飛思卡爾推出了智能傳感器MMA9550L，它把ColdFire微處理器和MEMS加速度計封裝在一起，成為一個樞紐，以便其他傳感器直接連接到該樞紐。其優點是降低了系統成本，提供更快的開發時間。MMA9550L使用一個可編程的內核和片上內存擴展了3軸加速器的功能，實現了更加先進的移動傳感功能。

在節能性方面，Burchers舉了一個智能傳感器如何節省功耗的例子：“一個典型的移動通信系統必須保持主應用處理器時刻運行，這樣才能收到傳感器傳來的信號；然而，在使用MMA9550L系統的情況下，主要應用處理器可以完全休眠，取而代之，由智能傳感器ColdFire處理器監視其他傳感器，這樣做節省了將近90%的系統功耗。”

MEMS傳感器讓各種應用更加智能，而傳感器本身智能化的趨勢也越來越明顯，武裝到芯片的“智慧”才能為智能系統提供更堅定的平臺。