傳感器融合一直是MEMS產業的熱議話題，ADI公司在2011年12月1日正式全面推出第三代iSensor MEMS IMU（慣性測量單元）ADIS16488戰術級10自由度(DoF)傳感器，而ST也在近日推出了10自由度（DoF）傳感器應用整體解決方案，10自由度或成為各大廠商力拼的一塊戰場。
伴隨著MEMS傳感器“融合”的誕生，以iPhone和iPad為代表的消費電子產品的運動感知能力正在發生根本性改變。“智能手機與平板是驅動今年增長的關鍵力量，這些產品中很多已經具有3軸加速計、3軸陀螺儀、麥克風、立體聲波濾波器等標準MEMS器件。”意法半導體（ST）模擬、MEMS和傳感器部門應用經理Paolo Bendiscioli對記者表示。
來自IHS公司的消費與移動MEMS市場研究報告顯示，2011年消費與移動MEMS營業收入將有望達到22.5億美元，取得迄今以來最高的增長率37%。而2010年創下的最高增長率則是27%，營業收入達到了16.4億美元。該公司預測說，2015年全球MEMS營業收入將比2010年增長近兩倍，達到45.4億美元，2010-2015年的復合年度增長率約為22.5%。
要想在消費電子市場取得成功，廠商就必須通過規模經濟取勝，并且能夠提供廣泛的解決方案。ST稱，他們預見到了MEMS在消費類電子、醫療保健，工業和汽車市場強勁的需求態勢，因此大幅度提高了其MEMS產能。目前，ST MEMS傳感器的產能已達300萬/天，且是世界上第一家制造基于8英寸晶圓工藝MEMS器件制造商。
力拼10自由度
傳感器融合一直是MEMS產業的熱議話題，而新興的移動消費電子應用，如位置相關服務（LBS）、室內及多樓層盲區導航功能等，也需要復雜程度更高的感應功能。ST大中華及南亞區模擬與微電機系統部市場部經理吳衛東認為，傳感器融合將為高精度運動檢測在手機、導航系統、游戲機及眾多的便攜電子設備內的應用創造更多新機會，空中鼠標、智能遙控器、LBS等都是ST未來十分看好的應用。
就在各種6自由度、9自由度器件不斷問世之際，10自由度MEMS產品也已悄然問世。ST近日就推出了10自由度（DoF）傳感器應用整體解決方案，包括三軸地磁模塊LSM303DLHC（包含三軸線性運動和三軸地磁運動傳感器）、三軸數字陀螺儀L3G4200D和壓力傳感器。從而使消費電子產品具備立即獲得線性加速度、角速率、地球引力、前進方向和海拔高度等完整3D立體地理信息指示的能力，且不受GPS衛星信號消逝或變弱的影響。
此外，為了將MEMS傳感器和多軸慣性模塊的全部功能發揮到極致，ST還同時發布了iNEMO引擎傳感器整合套件。Paolo Bendiscioli強調稱，iNEMO引擎是“業界首款完整可定制的多軸MEMS傳感器軟硬件解決方案”，能夠加強運動識別和前進方向精度識別功能。
基于卡爾曼濾波器（Kalman Filter）理論，iNEMO引擎采用一套自適應預測和濾波算法，能夠識別由加速度計、陀螺儀、羅盤以及壓力傳感器組成的多個傳感器的輸入信息，并可自動修正傳感器的測量失真、錯誤以及干擾，從而大幅提升用戶體驗以及感應精度、分辨率、穩定性和響應時間。幾個月前，ST宣布與微軟合作，以確保在基于Windows 8的平板電腦和計算機中可快速采用其MEMS傳感器及相關技術。
ADI最近也新增了戰術級（零偏穩定度低于10o/小時）角速率陀螺儀ADIS16136和十自由度慣性測量單元（IMU）ADIS16488。ADIS16136的典型零偏穩定度達到了3.5o/小時，采用火柴盒大小的模塊封裝，功耗低于1W，重量僅為25克。ADI方面稱，與昂貴的光纖陀螺儀相比，新款陀螺儀的穩定度和角度隨機游走特性與之相當，但線性度卻提高2倍，啟動時間快30倍，功耗低5倍，且無需用戶配置就能產生精密準確的速率檢測數據。
而ADIS16488則在單封裝中集成一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、一個三軸磁力計和一個壓力傳感器。ADI微機械產品線高級應用工程師趙延輝表示，除了重要的戰術級（低于10o/小時）零偏穩定度以外，在重力加速度效應、溫度系數和帶寬等更重要的特性方面，ADIS16488同樣超過所有其它同類陀螺儀IMU產品，改善幅度最多可達100倍。此外，在對線性加速度和振動加速度抑制方面，ADIS16488性能甚至還超過了傳統軍用級IMU。
眾所周知，MEMS陀螺儀一直以來是最難設計和制造的MEMS器件，特別是當許多新興工業自動化和儀器儀表應用要求高性能和低功耗時更是如此。趙延輝表示，iMEMS陀螺儀是基于ADI前三代MEMS陀螺儀開發的第四代器件，采用先進的差分四傳感器設計，可在強烈沖擊和振動狀態下精確地工作。這種MEMS陀螺儀具有魯棒性能和6mA的低功耗特性，可有效地用于多種應用，如機器人、工業儀器、航空以及用于高速列車的平臺穩定系統。
不過，多傳感器集成化在現階段對于MEMS制造工藝依然是不小的挑戰。“這是因為集成模塊的制作工藝更難，生產良率也會顯著下降，只有充分掌握其中每一門技術，才能保證器件的性能穩定性。”Paolo Bendiscioli表示，“我們已經宣布將硅通孔技術（TSV）應用于大批量MEMS生產中，這對在智能傳感器和多軸慣性模塊中實現高性能3D芯片集成來說，是具有里程碑性質的事件。”
高集成度是否將催生MCU傳感器
“要想從MEMS內核獲得更高的性能，傳感器與信號處理就必須結合，而這正是ADI的核心優勢。”趙延輝強調說。他分析認為，要想在MEMS市場獲得成功，供應商不僅應該關注基本運動檢測或增加新功能，還必須能夠應對更多需求和挑戰，包括在各種振動/溫度差異，以及巨大幅度沖擊環境下，保持足夠的靈敏度、噪聲等關鍵特性。此外，設計人員還要有能力提供更具價值的系統性能優化，從而實現過程的自動化、并減少系統停機時間，從而降低成本。
隨著MEMS傳感器集成化程度的加劇，是否將催生DSP/MCU傳感器與專用硬件也是業界討論的焦點。最具代表性的是飛思卡爾（Freescale）提出的塔式系統（Tower System）概念。該平臺包含一系列的開發套件，主要以8位、16位、32位微控制器為核心設計開發平臺，最大特色為模塊化特性和強大的擴展性。控制器模塊提供易于使用、可重構的硬件；可搭配可互換的外圍模塊，諸如串口、存儲區及液晶顯示模塊等。而將多種MEMS傳感器和MCU功能融合在一個平臺上的“傳感系統”就是其中之一，Freescale方面認為這代表了傳感器發展的未來。
不過吳衛東則對此評價說，“不能一概而論”。盡管ST結合MCU的MEMS模塊已近在研發當中，技術上不存在任何問題。但他認為，首先只有真正商用化的量產方案才有實際意義。更重要的是，不同應用市場對MCU的需求不同，在為客戶開發帶來便利性的同時有可能是以犧牲靈活性為代價的，所以集成并非絕對的好，需要針對應用具體分析；其次，消費類市場對成本極為敏感，模塊化方案的性價比是否就一定優于單個器件，也需要仔細斟酌。
趙延輝認為，目前，MEMS器件發展面臨的挑戰主要來自系統級設計、測試、分析、嵌入式軟件的開發、以及電源管理技術，其中優化解決方案所需要的許多其它要素也為技術工程師提出了許多挑戰。“我們認為，在未來的10年中，MEMS傳感器設計仍需要更進一步的優化。同時，將MEMS芯片與IC芯片整合、封裝在一起也會是集成電路技術發展的新趨勢，這是傳統IC廠商的新機遇，企業只有不斷創新才能獲取更多的利潤。”
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