新應(yīng)用需要更高精度 - 意法半導(dǎo)體談MEMS的發(fā)展 非?？春闷嚭凸I(yè)

新應(yīng)用需要更高精度

高性能取決于應(yīng)用的需求。汽車應(yīng)用里，汽車導(dǎo)航通常用GPS，MEMS慣性傳感器作為輔助測(cè)量，以覆蓋GPS的盲區(qū)。因此MEMS傳感器就要有高精度，通常整個(gè)系統(tǒng)的精度要達(dá)到“米”級(jí)，也就是至少車輛、行人在你自己看得到的地方。這個(gè)米的級(jí)別并不是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，是累積的，因?yàn)閭鞲衅鞯奶魬?zhàn)是參數(shù)會(huì)隨著溫度、時(shí)間而漂移，有很多參數(shù)影響它。自動(dòng)駕駛對(duì)精度的要求更高，目前客戶要求精度要在20厘米以內(nèi)。

虛擬增強(qiáng)的實(shí)境感測(cè)約在10厘米以內(nèi)。這就要求傳感器有更高的精度和靈敏度。在虛擬增強(qiáng)的實(shí)境領(lǐng)域，從Android 5.0開始規(guī)定了傳感器的參數(shù)規(guī)格，甚至要對(duì)傳感器做認(rèn)證，可見傳感器起著至關(guān)重要的作用。

提高M(jìn)EMS傳感器精度的方法

提高精度容易嗎？答案是既容易也不容易。如果不考慮功耗，較容易得到，因?yàn)楣奶嵘?，?jì)算能力可以增強(qiáng)。目前的挑戰(zhàn)是，很多應(yīng)用對(duì)功耗是非常在乎的，例如電池供電。

既然傳感器那么重要，設(shè)計(jì)上是不是有質(zhì)的改變或新的技術(shù)？從傳感器原理來(lái)看，通常采用著名的傳感器精度衡量方法——阿倫方差（AVAR）。但做傳感器產(chǎn)品時(shí)有一些物理的局限性不可規(guī)避。例如MEMS傳感器里一部分是機(jī)械結(jié)構(gòu)，它會(huì)老化，且會(huì)隨著溫度和時(shí)間會(huì)有變化。這些參數(shù)解釋成電子的術(shù)語(yǔ)就是背景噪聲、白噪聲或者不穩(wěn)定、隨機(jī)的抖動(dòng)。其控制方法要用生產(chǎn)或者矯正的方法來(lái)做。

*噪聲。有本身機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲;還有閃變?cè)肼暫透哳l噪聲。高頻噪聲是傳感器在應(yīng)用時(shí)是數(shù)字輸出，在任何電子線路里會(huì)有電磁耦合現(xiàn)象。因此在處理時(shí)，傳感器廠商要有足夠的經(jīng)驗(yàn)幫助客戶在算法上規(guī)避或抑制、消除掉這些噪聲。

*穩(wěn)定性。時(shí)間的穩(wěn)定性毋庸置疑是解決老化，例如今天輸入1出來(lái)100%，明天輸入1出來(lái)99%，就要控制輸入穩(wěn)定性。溫度的穩(wěn)定性，指產(chǎn)品特性在0℃和50℃時(shí)肯定不一樣，你要盡量在設(shè)計(jì)中盡量消除和平衡溫度的影響。重復(fù)測(cè)試的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)線路中如果輸入1輸出0，如果達(dá)不到0就是錯(cuò)。

*誤差。測(cè)量沒有百分之百的準(zhǔn)確，因?yàn)樗悄M的（注：因?yàn)閮?nèi)部整個(gè)鏈路還是模擬的，信號(hào)產(chǎn)生源是模擬的。），需要考慮偏移、靈敏度、非線性誤差（NL）、交叉軸誤差（CX）。

那么如何提高精度？需要改善設(shè)計(jì)和制造工藝。在MEMS器件中，設(shè)計(jì)和制程只占了20%工作量，還有80%是測(cè)試和校準(zhǔn)。這意味著同樣一個(gè)MEMS傳感器，如果測(cè)試、校準(zhǔn)做得更精細(xì)的話，它完全可以從精度只有5%提升到1%甚至更低。

因?yàn)镸EMS器件看起來(lái)輸出的是數(shù)字，但里面是非常模擬的，甚至比模擬電路還模擬，因?yàn)槔锩嬗袡C(jī)械結(jié)構(gòu)。在測(cè)試和校準(zhǔn)方面你是采用一點(diǎn)測(cè)試還是三點(diǎn)測(cè)試、十點(diǎn)測(cè)試？是隨時(shí)間調(diào)校還是只測(cè)一次？……這些方法都會(huì)影響到精度。

因此MEMS 傳感器是比較獨(dú)特的地方是精度與調(diào)校時(shí)間相關(guān)。例如消費(fèi)類MEMS傳感器的精度通常低一些，因?yàn)橐惶煲ＷC出貨100萬(wàn)片，產(chǎn)線、產(chǎn)能不太可能支撐每一個(gè)器件都去校準(zhǔn)、測(cè)試，因?yàn)榛ǖ臅r(shí)間按秒來(lái)算，因此精度可以保證應(yīng)用即可。同樣的產(chǎn)品如果在測(cè)試上花更多的時(shí)間就是工業(yè)級(jí)的。更高一級(jí)是以小時(shí)來(lái)計(jì)。再高一級(jí)，一個(gè)芯片測(cè)試上百次，可以把傳感器調(diào)校得非常精準(zhǔn)，這可以用幾星期來(lái)計(jì)算，精度就會(huì)不一樣。因此按單位1的概念來(lái)計(jì)算，消費(fèi)級(jí)是x10，工業(yè)級(jí)是x100，戰(zhàn)略級(jí)x1000的概念。

ST目前所做的，是在消費(fèi)類產(chǎn)品測(cè)試和校準(zhǔn)方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)，甚至有很多專利技術(shù)。

例如運(yùn)動(dòng)MEMS傳感器有三個(gè)關(guān)鍵元件——采用特殊的微機(jī)械加工技術(shù)的微型傳感器，內(nèi)置智能功能的專用ASIC電路，專用的封裝及校準(zhǔn)功能。

制造設(shè)備、測(cè)試校準(zhǔn)設(shè)備里也有很多核心技術(shù)。ST經(jīng)過多年積累，在測(cè)試和校正整個(gè)核心算法或流程方面有很大的積累。