ST MEMS传感器面向智能工业4.0应用市场

工业半导体的市场前景

工业界的发展趋势正在发生转变,可以称为工业4.0、第四次工业革命、工业物联网(IIoT)和智能制造等多种名称。在新一轮科技革命和产业变革中,智能制造已成为世界各国抢占发展机遇的制高点和主攻方向。生产企业借助传感器、物联网、大数据、云计算等新技术,对原有生产技术和生产模式实施智能化改造,给产品安上智能的“大脑”、接上网络的“云端”。

       MEMS传感器作为获取信息的关键器件,对各种传感装置的微型化起着巨大的推动作用,已在汽车电子、消费电子、医疗电子、光通信、工业控制、仪表仪器等领域中得到了广泛的应用。近年来,随着市场智能化的高速成长,MEMS行业发展势头迅猛。近五年平均复合增长率在9.6%,预计2021年全球MEMS市场规模将超过220亿美元,就MEMS的出货量而言,预计到2023年全球MEMS的年均复合增长率在20%以上,增速超过整体半导体市场。


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助推全球MEMS持续增长的动力主要因素

随着人工智能和物联网技术的发展,MEMS传感器的应用场景将更加多元。设备智能化程度的不断提升,单个设备中搭载的传感器数量也逐渐增加,通过多传感器的融合与协同,提升了信号识别与收集的效果,也提高了智能设备器件的集成化程度,节约了内部空间。

未来,助推全球MEMS持续增长的动力主要因素有三点:
1)全球主要市场对于汽车安全及智能化的需求逐年增加,推动MEMS市场的持续增长;
2)受工业4.0和智慧家庭的影响,工业和家居类的自动化产品对于MEMS的需求巨大;
3)可穿戴设备、无人机/机器人的日益普及和在各领域的渗透率进一步提高。


ST MEMS传感器面向智能工业4.0

        由于意法半导体(以下简称“ST”)对工业市场的战略关注和长期承诺,继2019年以“新工业,新智造”为主题的首届工业峰会后,2020年又以“激发智能 赋能创新”为主题,聚焦电机控制,电源和能源及自动化三大领域举办了第二届工业峰会,2021.6.23、6.30分别将在上海、北京举办第二场、第三场工业峰会;
        工业市场目前已经成为ST亚太区发展战略中的重中之重,而中国的工业市场是创新的核心所在。为什么ST近年一直看好工业半导体市场?一份来自ST的数据,工业半导体市场规模将从今年(2020年)的410亿美元增至2023年的480亿美元,具体细分市场增长的相对比例见下图:


        意法半导体提供业界最全面的MEMS系列产品,包括加速度计、陀螺仪、数字罗盘、惯性模块、MEMS麦克风和环境(包括压力、温度和湿度传感器)传感器,全球出货总量超过17B,产能有超过6Mu/d。根据应用市场的不同ST MEMS可以分为三大类,消费级、工业级、汽车级,消费类产品工作温度范围从-40°C~85°C;工业级高温可达105°C,并且具有至少10年的供货保障;汽车级都经过AEC-Q100认证;从料号上也可以区分出产品属于哪个应用市场,方便客户能快速选型,工业级的产品都是以Industory的首字母“i”开头,汽车级的产品都是以Automotive的首字母“A”开头,其它均属于消费类产品:


        本文主要对ST MEMS传感器面向工业4.0的高性能和超低功耗传感的解决方案分享给大家,ST的MEMS传感器提供一系列专为工业4.0设计的工业传感器,具有高性能、高精度、高可靠性、扩展工作温度范围、尺寸非常紧凑、以及低功耗等特点,满足工业4.0要求所需的卓越准确性、灵活性和高品质,是ST的10年产品保障供货承诺计划的一部分。

       ST广泛的传感器包括3轴小型加速度计、6轴惯性模块、磁力计/电子罗盘、气压、湿度和温度传感器,详细的料号清单可以见下表,对每个料号的性能已经做了简单的描述,包括量程、噪声和封装,可以根据应用场景及需求选择对应的物料,需要注意的是,只有以Industory的首字母“i”开头的料号才是工业级,才有十年的供货保证:



MEMS评估开发工具
       意法半导体有个优点就是每个产品线都会为客户准备评估板,为客户提供快速简易的方法来评估,规划和演示各种传感器,,从而加快新产品开发并缩短研发周期。 MEMS传感器也有多种不同功能的评估和开发套件,下面简单为大家介绍四款用于工业应用市场的评估、开发套件:

专业MEMS工具 - STEVAL-MKI109V3
        STEVAL-MKI109V3专业的MEMS工具是一款主板,旨在为安装在适配器板上的MEMS器件提供完整的即用型开发平台。它使用STM32F401VE高性能ARM Cortex™-M4微控制器,兼容DFU,以实现USB微处理器固件更新,USB 2.0全速兼容,用于SWD/JTAG的调试连接器,用于UART通信的连接引脚。作为适配器板上的传感器和PC之间的桥梁,它能够使用从ST网站上下载的UNICO图形用户界面(GUI)或为应用定制的专用软件程序。最大的亮点是能够与具有数字输出的所有ST MEMS传感器适配器板兼容,只要具有数字输出的ST MEMS都可以通过该工具进行评估;



运动 MEMS 和麦克风 MEMS扩展板 - X-NUCLEO-IKS02A1
       X-NUCLEO-IKS02A1是一款STM32 Nucleo扩展板,可用于MEMS惯性和环境传感器评估,适用于传感器的最新STM32 NUCLEO扩展板。并具有驱动以及ST的免费Open.MEMS、易于使用的软件库和STM32开放式开发环境。可扩展模块最多支持6轴传感器(3轴加速度计+3轴陀螺仪或3轴磁力计、3轴磁力计、1个压力或温度传感器)。
       Open.MEMS 的ST授权计划:为客户提供快速简易的方法来评估,规划和演示各种传感器,从而加快新产品开发并缩短研发周期。STM32开放式开发平台是Open.MEMS授权计划的配套工具,是一个开放、经济且可扩展的产品原型设计开发平台,基于意法半导体业内领先的STM32 ARM® Cortex®-M 处理器内核微控制器,并整合意法半导体其它元器件,包括不同的传感器、控制器、蓝牙通信接口等功能。

STM32开放开发环境(STM32 ODE)基于STM32 32位微控制器系列,通过扩展板连接可与其他最先进的意法半导体元件结合,为开发创新的设备和应用提供开放、灵活、简单、经济的方法。它能够使用先进的元件快速建立原型,并快速转换为最终设计。
STM32 ODE由四个要素组成:
       • STM32 Nucleo开发板。范围广、价格经济的开发板,用于所有STM32微控制器系列,具有无限的统一扩展能力,具有集成的调试器/编程器。
       • STM32 Nucleo扩展板。该板具有更多功能,能按需增加传感、控制、连接、供电、音频或其它功能。该扩展板插在STM32 Nucleo开发板之上。更复杂的功能可以通过堆叠扩展板来实现。
       • STM32Cube软件。一组免费工具和嵌入式软件模块,能够快速、方便地在STM32上开发,包括硬件抽象层、中间件和STM32CubeMX 基于PC的配置器和代码生成器。
       • STM32Cube扩展软件。该扩展软件免费提供,用于STM32 Nucleo扩展板,与STM32Cube软件框架兼容。
       STM32开放开发环境与很多IDE兼容,包括IAR EWARM、Keil MDK、mbed和基于GCC的环境。开放软件扩展开发套件提供驱动器、中间件和应用软件,可实现包含MEMS、蓝牙低功耗模块和传感器等意法半导体产品的STM32设计的起动。它使用户能够使用包含最先进元件的STM32开放开发环境,实现能够快速转换为最终设计的快速原型设计。开放软件扩展环境包含多个免费算法库,大家可以在ST官网免费下载。

STWIN SensorTile无线工业节点STEVAL-STWINKT1B开发套件
        STWIN SensorTile无线工业节点(STEVAL-STWINKT1B)是一个开发套件和参考设计。可用于简化设计和测试状态监测和预测性维护等高级工业IoT应用。 该套件具有一系列嵌入式工业级传感器和超低功耗微控制器的核心系统板,可对多种振动频率(包括超高频率音频和超声频谱)下的9轴运动传感数据进行振动分析,并可以实现高精度局部环境与温度监测。该开发套件还有丰富的软件包和优化的固件库,以及云仪表板应用,这些都可以助于缩短端到端解决方案的设计周期。
       此套件支持蓝牙®低功耗无线连接,并可以通过专用插件扩展板(STEVAL-STWINWFV1)支持Wi-Fi连接。还可以通过板载RS485收发器支持有线连接。核心系统板还具有STMod+连接器,可用于连接与STM32系列可兼容、低成本、小尺寸子板,如LTE Cell包。除了核心系统板以外,该套件还配有480 mAh的锂聚合物电池、STLINK-V3MINI调试器与塑料盒。

该套件集成的工业MEMS传感器有:
  • 超宽带宽(高达6 kHz)、低噪声、3轴数字振动传感器(IIS3DWB)
  • 具有机器学习内核的加速度计 + 陀螺仪的 iNEMO惯性测量单元(ISM330DHCX)
  • 超低功耗高性能MEMS运动传感器(IIS2DH)
  • 超低功耗3轴磁力计(IIS2MDC)
  • 工业级数字MEMS麦克风(IMP34DT05)
  • 频率响应高达80 kHz的模拟MEMS麦克风(IMP23ABSU)
多传感器预测维护工具包与 IO-Link 堆栈 - STEVAL-BFA001V2B
        STEVAL-BFA001V2B 是一款用于状态监测(CM)和预测性维护(PdM)的工业参考设计套件,其布局能够满足面向工业应用的 IEC61000-4-2/4 和 EN60947 标准要求。硬件包括一块经过专门设计的高度紧凑型(50×9×9 mm)工业传感器板(面向实际工业应用)、以及必要的调试工具、电缆,插头和适配器(面向工业通信场景)。
        STSW-BFA001V2B 固件包(www.st.com 上免费提供) 包含专用算法,提供一套完整的固件演示示例(基于 3D 加速度计库),具有先进的频率和时域信号处理,用于预测性维护,可对用于振动监测的高带宽 3D 数字加速度计进行先进的时间和频域信号处理和分析。该固件包还包含压力、相对湿度和温度传感器监测样例,以及用于声频发射(AE)的音频算法。传感器数据分析结果可通过有线连接或相关 IO-Link 主机板接口显示在用户 PC 终端模拟器上。IO-Link 设备堆栈 v1.1.(用于评估目的,存在一定限制)包含在对象库格式中,其中IO-Link 设备描述符(IODD)可用于所有测量,还有专门示例来演示设备与任何主机工具的互操作性。它支持用于振动和声学 FFT 数据的 BLOB 传输、事件生成器和参数配置。该固件包包含一个 GUI,用于演示与 STEVAL-IDP004V2 多端口主机评估板连接时的IO-Link 设备功能。


MEMS传感器工业应用
  MEMS传感器(加速度计、陀螺仪、数字罗盘、惯性模块、MEMS麦克风和环境)在工业应用主要包括:
• 预测性维护
• 惯性导航,提高轮编码器和自平衡机器人的精度
• 工业设备和运输状况监测(高重力加速度计)
• 资产和包裹追踪及监测(高重力加速度计、陀螺仪)
• 影响检测和记录
• 建筑物和结构监测(加速度计)
• 振动和倾斜监测
• 地震探查和地震检波器/水听器(加速度计)
• 环境噪音水平检测(麦克风)
• 钻机(加速度计、陀螺仪)
• 安全,如果卡盘卡住,检测钻机主体是否过度旋转
• 倾斜检测

       意法半导体在MEMS传感器的工业应用中为所有的需求提供完整解决方案,用户手册、驱动、算法、例程、demo,技术支持,从分立式到集成式解决方案,满足了所有设计需求。

• 大批量生产能力,实现了极具成本竞争力的解决方案、快速的面市时间和高安全性供货
• 高性能传感器融合,提高了多轴传感器系统的准确度,从而实现了新兴、高要求应用,例如室内导航和位置服务
• 高质量产品已经在不同应用领域完成测试,包括移动、便携式、游戏、消费类、汽车和保健行业
• 多个生产基地专注于MEMS,公司内部具备完善的供货能力,保证100%的供货安全在对可持续性技术的不懈追求中,意法半导体提供了一代又一代对环境影响越来越小的运动MEMS产品,通过为最终用户带来环境和社会效益来提高生活品质。


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