MEMS真的只剩红海了吗？从ADI看传感器的突围之路

作为连接现实世界与数字世界之间的桥梁，传感器在其中起到了关键作用，负责收集现实世界中的数据。传感器种类多种多样，其中又以MEMS（微机电系统）最为特殊，MEMS是机械和电子结合的产物，在设计、材料、流片、加工等各个环节，都有其特殊要求。也正因此，中国半导体行业协会将MEMS类作为与集成电路类、集成电路设计类、封装与测试类、半导体分立器件类和半导体支撑类并列的六大分类之一，彰显了其重要之处。

根据Yole Developpement的统计，MEMS可分为包括压力、陀螺仪、加速度计、射频等等多种类型的传感器，以满足不同种类的物理量测量。同时，根据Yole的这份报告预测，2020至2026年间，MEMS的市场总容量将从121亿美元增长至182亿美元，年化平均增长率达7.2%。并已广泛应用于包括消费、工业、通信、汽车、医疗、国防和航空航天等领域。

而MEMS火热的同时，也带来了价格压力的不断激增，这也和摩尔定律的发展相一致。IC Insights 2018年曾给出过一组统计数据，MEMS产品的平均售价逐年下滑，2007年为2.57美元，2012年为1.24美元，2017年为0.97美元，并预计2022年将降为0.88美元。尽管由于新冠疫情等原因，近两年MEMS售价并没有明显下滑，但长期而言，激烈竞争、利润率下滑等是MEMS市场的主要挑战之一。

那么留给MEMS的只剩红海了吗？答案是绝对不会。一方面，包括工业、汽车、医疗等新兴市场中，MEMS的需求与日俱增，用户对价格的接受度也更高。同时，即便是价格敏感的消费电子，也有着品质升级的需求。而归根结底，唯有创新的产品和方案，才能彻底避开低价竞争陷阱。

作为以技术为主导的ADI，在MEMS领域已经深耕30余年，其正是通过不断追求创新，已在竞争激烈的MEMS市场找出一条属于自己的差异化之路。日前，ADI亚太区微机电产品线总监赵延辉结合公司新推出的三款MEMS加速度计新品，展现了如何摆脱低价红海竞争的方法。

进入纳瓦时代的加速度计

2012年，ADI发布了超低噪声超低功耗加速度计ADXL362，并广泛应用于包括智能可穿戴、智能家居、医疗保健、畜牧业监测甚至仪表等行业中，截至目前其功耗水平依然处于业界领先水平。不过为了满足未来需求，ADI选择超越自己，推出ADXL367，相比362，实现了面积低一半、功耗低一半以及噪声低一半的指标，高度也降低了20%。同时，数字分辨率也由12位提高到了14位，进一步提高了产品性能。并且还增强了一些额外特性，让加速度计传感器真正进入到纳瓦时代，在100Hz输出速率下，功耗仅为880nA。

赵延辉举了几个实际例子来形象表述ADXL367的低功耗特性，在200nW的低功耗监测模式下，一颗CR2032 225mAh纽扣电池可为ADXL367持续供电143年，已经远小于电池固有的1%自放电功率损失。而对于1.2V 2500mAh的AA充电电池而言，在400Hz输出速率下可持续工作68年，100Hz下更是长达324年。

依托低功耗特性，ADXL367可为诸如敲击开关、7/24不间断在线监测以及更多物联网应用提供器件支撑。

如图所示，ADXL367潜在应用可覆盖包括消费类、医疗、植入式医疗、工业以及汽车等各行业。实际上其前代ADXL362便已经广泛应用于上述领域，而为了进一步延长产品的电池寿命，以上客户均表现出强烈的升级意愿。

比如Tunstall利用ADXL362实现的跌倒监测产品，可持续工作1年以上，如果更换成ADXL367，持续工作时间将得到进一步延长。

尤其是对于心脏起搏器等植入类医疗器械而言，多延长一些待机时间，就意味着进一步减少患者更换电池频率，减轻患者的痛苦。

此外，最低供电电压从1.6V降至1.1V，则可更大限度的利用电池，比如助听器常用的锌空电池典型电压值为1.1V到1.4V，ADXL367可以实现完美支持。

ADXL367支持多种工作模式，可针对应用灵活配置，从而实现更好的功耗与性能体验。例如其支持的瞬间启动模式，通过内置模拟比较器可以检测环境冲击事件，因此可以在冲击发生前保持深度睡眠模式，从而实现了更低的系统功耗。

此外，相比ADXL362，除了原有的集成自检及温度检测之外，还集成了敲击检测功能，可减少CPU的处理负担。这种新型的人机交互方式，非常适合包括TWS、助听器等尺寸受限的场景，也可以充当开关，为一些密封类产品或者诸如汽车钥匙、行车记录仪、智能门锁等提供低功耗唤醒或功能开启等模式。

在降低功耗的同时，ADXL367也实现了噪声的降低，相比ADXL462降低一倍，尤其是通过对Z轴的优化，实现了三个维度同样的噪声水准。和低功耗一样，低噪声也可以极大改善用户体验。赵延辉表示，超低噪声可以捕捉更为微小的信号，这有助于提高心率或呼吸监测的准确度。他举例道，以往佩戴一些生命体征监测产品需要严格按照位置进行佩戴，比如要紧贴胸部或腹部才可准确监测呼吸频率，而采用低噪声的ADXL367后，佩戴位置无需特别约束，这可以显著增加用户的使用场景。

在接口方面，除了SPI之外，也增加了I2C总线，可在有限的处理器接口下支持更多的传感器，以应对传感器融合的新需求。对于无需多传感器融合的应用而言，赵延辉建议还是使用SPI，能更节省功耗。

为新兴市场开发ADXL314

如果说ADXL367是通过降低功耗，从而为进入潜在市场提供更多可能的话，那么ADXL314则是完全面向新兴市场所进行优化设计的产品。ADXL314是一款车规级低功耗大量程加速度计，非常适合于胎压监测，电动车电池监测，以及碰撞、EDR（事件数据记录）等事件监测。

赵延辉特别提到了电动车的电池碰撞检测功能，这是随着新能源车的流行开始诞生出来的新需求。此前，电池都是依靠BMS系统进行安全监测，但BMS较难检测碰撞瞬间，因此需要结合碰撞和烟感检测，来确保电池系统的可靠性，对于EDR等也有类似需求。ADXL314的最高输出速率为3200Hz，足够高的带宽可以准确捕获脉冲信息，并将碰撞信息传输至处理器分析处理。

赵延辉提到了ADXL314的三项附加功能，包括集成相对/绝对的运动/静止检测中断、以及32级FIFO。他特别强调，这些特性都是基于实际调研走访客户获得的需求而制定的。比如，客户的BMS处理器处理频率往往只有数百Hz，无法及时处理3200Hz的瞬间突发事件，为此ADI集成的检测中断可以直接连接CPU，并且碰撞前后的数据都可储存至32级FIFO中，便于处理器进行后续处理。

赵延辉表示，理论上双轴加速度计就可以完成冲击检测，但ADXL314为了实现更好的精度，特别采用了三轴加速度计，从而提供最为准确的冲击信息。

另外，ADXL314同样具备了低噪声特性，非常适合胎压监测应用，可以更加准确地提供车辆速度信息。

ADXL314严格符合车规级要求，经过AEC-Q100 验证，并具有–40°C到+125°C的拓展温度范围，更具有可耐10,000g加速度冲击的坚固特性。

以客户为导向的高性价比ADXL359

ADXL359是ADI新推出的低噪声、低漂移、低功耗3轴MEMS加速度计，市场定位是ADXL356/357等中等量程MEMS产品的升级。此前，这两款产品已经在农业自动化、无人机、振动监测CbM等领域得到了广泛应用。赵延辉表示，客户希望可以进行成本优化，因此ADI仔细考量了此类监测场景需求，对于长期零点的准确度要求不高，因此ADXL359特别注重在量程、带宽和噪声密度方面的优化，以及针对振动校正误差(VRE)的抑制能力，并继续填补中量程市场的空白。

《为应用选择最合适的MEMS加速度计——第一部分》一文中指出，很多加速度计数据手册上并不会显示对振动校正误差(VRE)的抑制能力，因为这些参数可能暴露产品性能较低。VRE是加速度计对交流振动（被整流为直流）的响应。这些直流整流的振动可能会使加速度计失调发生偏移，引起严重误差，尤其是在目标信号为直流输出的倾斜应用中。直流失调的任何小变化都可能被解释为倾角变化，导致系统级误差。VRE不是设计人员的重要关注参数，然而，在惯性导航（IMU）等高要求应用、倾斜应用或振动频繁的特定环境中，对VRE的抑制能力可能是设计人员的重点关注对象。

各种谐振和加速度计中的滤波器均可能引起VRE，因为VRE对频率有很强的依赖性。这些谐振会放大振动，放大倍数等于谐振的Q因数，而在较高频率时会抑制振动，原因是谐振器存在二阶偶极子响应。传感器的谐振品质因数越高，振动幅度越大，其VRE也就越大。较大测量带宽会将高频带内振动包含在内，引起较高的VRE。为加速度计选择合适的带宽以抑制高频振动，可以避免很多振动相关问题。

赵延辉举例道，实际上很多刚买回来的无人机悬停、航拍的操控性非常好，过段时间悬停效果就会变差，主要原因就是减震材料老化带来的振动误差。

另外，在有振动的动态环境中（例如农用设备或无人机）进行倾斜测量，需要g值范围较高的加速度计，有限g值范围的加速度计测量可能会削波，导致输出失调增加。引起削波的原因可能是灵敏轴在1g重力场中，或者是发生上升时间快但衰减慢的冲击。较高的g值范围可减少加速度计削波，从而降低失调，在动态应用中提供更好的倾斜精度。也正因此，在IMU市场，中量程的加速度计更为适用。

赵延辉表示，ADI始终贴近用户需求，以IMU应用为例，ADI除了基础的MEMS加速度计之外，也提供了集成加速度计、陀螺仪以及其他硬件和算法的更完整的IMU芯片，直接输出俯仰、滚转、航向等信息，客户可根据自身需求和设计能力，灵活选择。

总结

从ADI新推出的三类具有不同量程、不同特色、不同应用的传感器，我们不难看出ADI在加速度计上的成功秘诀。作为技术先导者，ADI始终紧贴客户和应用需求，对产品不断细分化，无论是在机械结构、信号调理以及ASIC算法等方面进行自我超越，依靠创新的力量改善传感器性能，来满足智能世界所需。

未来，在万物互联的时代，需要知道所有物体的运动信息，即便是静止情况，也需要了解其所处状态。也正因此，加速度计传感器作为状态指示，以及人机交互的重要一环，将有着更广阔的空间。