MEMS无处不在：机遇从器件级转移到系统级
2012-08-05 15:35:46   来源：微迷   评论：0   点击：

在降低MEMS传感器和执行器的成本方面，MEMS公司已经取得了很大的进步，使得游戏和智能手机等消费电子领域广泛采用MEMS器件。接下来各种传感器将与其它电子组件集成，并结合相关软件，使得系统集成商更容易使用，为情境感知应用奠定基础。

手机中使用的传感器功能相对简单，但是带动MEMS器件市场呈现爆发性增长。如今，市场战略正在转向建立一个生态系统，让系统集成商很容易为其产品增加一些智能传感器功能。这就意味着需要整个供应链的合作，注重嵌入式智能传感系统的硬件集成和软件开发。在这方面，让我们来看看一些以软件为核心的一体化生态系统的创新实例：Freescale / Microsoft传感器平台、Movea嵌入式惯性软件、ST多麦克风应用软件、欧洲DIRHA项目开发的语音控制家庭自动化系统。

图1 MEMS器件市场营收预测（按照应用领域）

集成传感器平台上的合作

尽管围绕Microsoft最近发布的Windows 8平板电脑还有很多争议，但是可以看到它在硬件集成和软件开发上所做的努力：将Windows 8打造为一个标准的、易于使用的传感器应用平台。为了简化集成，Microsoft与Freescale合作，为客户提供一套即插即用的传感器硬件和软件解决方案。

Microsoft希望优化配置一些基本的传感器，以方便Windows平台和平板电脑开发商使用，同时也为尚未成型的Windows 8智能手机打下基础。所以，传感器制造商需要和系统制造商一起讨论如何定义产品的关键特征，这样才能很好地满足市场端需求。最终，Freescale发布了12轴Xtrinsic传感器平台和参考设计，包含9轴惯性传感器、压力传感器、温度传感器和光传感器，并在微处理器（MCU）中嵌入传感器融合固件和开发接口，该开发板尺寸为4cm x 1cm（如图2所示），校准和传感器融合数据均为Windows 8格式。在开发板上的MCU中处理优化传感器数据（而不是在核心处理器），可以节电、保持数据同步，并获得高质量的传感器融合数据。

图2 Freescale的12轴Xtrinsic传感器平台

该平台提供完整的位置和方向信息，简单的用户接口，使得用户很容易实现横屏/竖屏切换、游戏接口、手势识别和更复杂的导航功能。该参考平台为Windows 8设计，将于今年第三季度实现量产。 集成传感器解决方案将满足下一代消费电子设备的需求，通过直观的界面实现情景感知功能。这需要很多公司一起合作，建立全面的地理位置信息和广告服务，但基础是拥有精确的、低功耗的定位和导航方案。该方案集成各种传感器可以实现无GPS信号的室内导航，同时在室外有GPS信号时，可以减少GPS使用，以降低功耗。

软件、固件和硬件相结合

运动处理软件专家Movea的目标也是让传感器更容易使用。通过与合作伙伴紧密配合，希望能将其软件作为固件放在内存中，或者甚至是用硬件实现算法。同时，Movea提供工作来帮助开发者编写自己的应用软件。

更多传感器处理能力的需求促使传感器中枢（Sensor Hub）的出现，Movea为传感器中枢提供固件，不同应用固件不同：消费电子嵌入手势控制固件、体育运动嵌入运动轨迹跟踪固件。Movea现在与Freescale合作，将运动处理软件以固件形式植入Freescale的基于微处理器的传感器中枢。这两家公司计划共同推出应用方案开发板，包含处理器、传感器和软件，，可以实现运动监测、导航和增强现实，目标客户为手机制造商。

图3 Movea专为手机开发的MotionCore

但是从长远来说，对于量产客户，他们需要低价和低功耗，传感器处理可能会被集成到一个专门用于运动处理的内核中，Movea正考虑出售其运动处理软件方案（传感器融合加上更多的数据融合），将软件作为IP块卖给芯片制造商或ASIC设计商或是代工厂。到目前为止，Movea仅仅和一家芯片制造商讨论此事。但是如果该方案获得广泛使用，可以极度扩大传感器市场。

多麦克风集成系统

不仅仅是惯性传感器，采用先进的软件和硬件集成技术，多MEMS麦克风集成系统也可以实现新的应用和情景感知。

语音控制和Skype通话等应用给MEMS麦克风带来了新的机遇，为了保证语音质量，多个麦克风将会被用来消除噪声。此外，麦克风还可以用于低成本的手势识别。Microsoft与华盛顿大学合作，开发出一种可利用笔记本电脑内置麦克风和扬声器进行手势识别的技术，也就是说像笔记本这些拥有扬声器和麦克风的设备可以瞬间华丽变身为Kinect，这项技术被称为SoundWave，从技术原理上说，它和潜水艇的声纳系统有着异曲同工之妙，其实就是我们熟悉的多普勒效应。

SoundWave软件可以通过电脑扬声器，发出恒定的20-22KHz的超声波。超声波遇到物体反弹，被计算机的内置麦克风识别。如果周围没有任何物体移动，计算机内置麦克风听到的音调不会发生变化。但是如果有一个物体朝着电脑移动，这时候声音的频率就会变高；如果物体远去，声音的频率将会下降。这些声音频率被电脑的内置麦克风捕获后，软件会对这些声频进行分析。基于这一切，SoundWave可以确定出物体的大小，移动速度和运动方向，从而推断出用户的动作或手势。

图4 基于麦克风的SoundWave手势识别技术

集成智能声学处理的完整生态系统

DIRHA旨在解决远距离语音人机互动在多噪声、多讲话者的环境中所遇到的挑战。该项目的目标是创建一个可随时随地接收声音信息的环境，即便用户没有对准许麦克风讲话，也能被系统识别并使用。从声学角度来看，语音识别系统必须延伸到讲话者身边，而且语音识别性能不受讲话人所在家中的位置的影响。

ST的MEMS麦克风的外观尺寸和声学参数均完全满足远距离语音互动系统的严格要求。MEMS麦克风的精巧尺寸让研究人员能够轻松将整个麦克风阵列完全嵌在自动化家庭的墙壁、写字台或声控家电内，同时麦克风的优异的声学特性，结合先进的信号处理技术，让语音系统能够在一间正在播放音乐的有很多人的房间内识别并捕获一个人从几米开外的发出的声音命令。

图5 ST MP34DT01是超小型、低功耗、全方位、数字MEMS麦克风

远距离语音人机互动不仅能够大幅改变人机互动方式，还能真正改变那些行动不便的人群（如老人或患有运动障碍的人士）的生活方式。除了在家庭使用外，远距离语音人机互动系统还适用于机器人、远程呈现（telepresence）、安全监视和工业自动化。

DIRHA项目分为很多工作组，项目期限总共36个月，总投资480万欧元。主要研究领域包括多通道声学处理、远距离语音识别、身份识别/验证以及口语对话管理（德语、希腊语、意大利语和葡萄牙语）。最终的设计原型将被部署在试用家庭内，由真人用户对设计性能进行评估。

我们认为MEMS产业供应链的合作将促使系统级融入更多的传感器和处理软件，建立良好的生态系统是MEMS成功的关键因素，MEMS无处不在！