MEMS传感器:从哑设备到系统平台

传感器等感知设备是物联网发展的基础，也是物联网技术突破的核心。我国芯片厂商普遍规模较小，尤其涉及高端芯片研发的企业更是寥寥无几。意法半导体、高通、飞思卡尔等芯片企业都在提供物联网所需的基础通信芯片，其中，MEMS （Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)传感器扮演了物联网底层很重要的一个角色。3月底在美国举办的第九届电子峰会（Electronics Summit2011）期间，飞思卡尔全球市场营销总监Glen Burchers为大家介绍了MEMS传感器的最新发展趋势。

“MEMS传感器在电子设备和日常生活中的重要性越来越大，它使人类能够感知到自己所处的环境，如位置、方向、速度、高度、角度、温度等。”Burchers认为，MEMS传感器非常可靠，它把物理环境如温度、加速度、压力、全球定位系统翻译成机器语言，具有功耗低、速度快、性价比高等优点。

应用无孔不入

除了传统的传感器外，还有手势传感器、GPS传感器、Wi-Fi传感器等范围更广的传感器，Wii和iPhone的热销使得MEMS的功效得以显现,MEMS使得电子产品更娱乐化、智能化。不光是智能终端,MEMS产品还广泛地应用于喷墨打印头、投影机、游戏机、麦克风等产品中。

以麦克风为例，提供更好的音质已成为消费性电子与手机厂商的主要选择之一，传统麦克风价格固然便宜，但是音质表现与尺寸却始终无法突破。而MEMS麦克风的架构多为MEMS感测器加上控制IC与电路，容易与CMOS工艺及其他音频电路相集成,更好地消除噪音。因此，全球MEMS麦克风市场正在迅速壮大。

“除了应用得较早的汽车行业外，目前市场上MEMS传感器的主要应用分布在移动电话（方向检测、手势感应）、游戏、医疗（血压监测、睡眠窒息监测、医疗呼吸设备）、工业领域。”Burchers介绍说。

“我们是唯一一家能够同时支持单核、双核、四核的芯片厂商，通过这三种组合，OEM厂商可以开发软件，用在三种不同的产品上，并且覆盖三种性能的定位。每个内核的运行速率可以达到1.2GHz，所交付的性能是飞思卡尔当前应用处理器产品的5倍。”这种性能为下一代平板电脑、电子阅读器、智能手机、汽车资讯娱乐系统打下了坚实基础。

MEMS传感器

金字塔发展层次

飞思卡尔是极少数能够提供移动和便携式应用传感器全部组合的公司之一。Burchers分析说，MEMS传感器发展有如下五个层次：

1.传感器最初的应用相当于只是传输少量数据的哑设备，其软件开发是留给系统来完成的；

2.随着时间的推移，系统开发商开始要求传感器制造商提供算法，去更好地挖掘传感器的应用价值；

3.集成传感器开始出现。这意味着多个传感器一起使用。例如，要做到手势感应，我们必须结合加速度计与陀螺仪；另一个例子是，指南针必须结合罗盘与加速度计。

4.当制造商把软件算法添加在集成传感器中时，我们称之为传感平台。

5.当把一个应用程序加载于传感平台之上时，我们称之为传感系统。这是传感器功能和性能的最高水平。而且这绝对是未来传感器的发展方向。

一个传感系统需要三个元素：智能传感器、能处理传感器输入信息的复杂的传感器算法、以及一个高性能的应用处理器，它将与传感器互动并从互联网上收集更多的数据。传感器必须密切与应用处理器互动，而飞思卡尔在开发此类系统方面独有建树。

飞思卡尔Xtrinsic传感解决方案提供更高的集成度和模块化嵌入式多传感器的输入，组合智能带来更大的价值和决策的整体解决方案。Xtrinsic移动传感平台集成了加速器、处理内核、存储器和多个嵌入式功能，提供了更高的智能化程度和更好的整合度，它从各种传感器获得的数据，可接收多个传感器输入，再将这些数据汇总并分析，使不同传感器打好“组合拳”。此外，Xtrinsic传感解决方案具有内置智能，可以在相应的环境内进行复杂的计算和决策，帮助用户实现与众不同的智能传感应用。而Xtrinsic触摸传感软件套件2.0将电容触摸传感功能从8位控制器扩展到32位控制器。

往哪里走，怎样走？

“MEMS发展趋势是小型化、更低的功耗、更高的性能、价格更便宜。”Burchers预测说，未来2年内MEMS传感器在移动设备中的使用量将增加5倍。“2010年，超过三分之一的手机配备了加速计，而增长最快的是磁传感器，它是指南针的一个必要组成部分。陀螺仪、压力传感器也将会成为下一个大的增长市场。”Burchers介绍。

其实，单从飞思卡尔MEMS元器件的销售量就能以管窥豹。飞思卡尔在传感器方面的投资已超过30年。1980年，飞思卡尔刚开始压力MEMS传感器的研制；上世纪80年代后期安全气囊方面的需求开始增长；1992年飞思卡尔开始关注医疗市场；2009年飞思卡尔产品在中国手机市场占据了显著的地位；2010年飞思卡尔MEMS元器件出货量达到十几亿；在过去的30年中，飞思卡尔已经售出超过10亿个传感器。“通过飞思卡尔产品销售的曲线可以看出MEMS传感器的需求呈非线性增长，下一个10亿的销售量估计就用不了30年了，只需要非常短的时间。”Burchers非常乐观地估计。这份乐观并不是盲目的，MEMS传感器在我们的日常生活中无处不在，比如汽车、智能终端、远程医疗。

而需求也并不是一成不变的，目前，越来越多的应用需要多种传感器的配合了。为了满足这些用户需要，飞思卡尔推出了智能传感器MMA9550L，它把ColdFire微处理器和MEMS加速度计封装在一起，成为一个枢纽，以便其他传感器直接连接到该枢纽。其优点是降低了系统成本，提供更快的开发时间。MMA9550L使用一个可编程的内核和片上内存扩展了3轴加速器的功能，实现了更加先进的移动传感功能。

在节能性方面，Burchers举了一个智能传感器如何节省功耗的例子：“一个典型的移动通信系统必须保持主应用处理器时刻运行，这样才能收到传感器传来的信号；然而，在使用MMA9550L系统的情况下，主要应用处理器可以完全休眠，取而代之，由智能传感器ColdFire处理器监视其他传感器，这样做节省了将近90%的系统功耗。”

MEMS传感器让各种应用更加智能，而传感器本身智能化的趋势也越来越明显，武装到芯片的“智慧”才能为智能系统提供更坚定的平台。