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【开讲】深迪/富芮坤解读MEMS惯性传感器与蓝牙穿戴应用之路

来源:爱集微

#集微开讲#

2020-06-19

作为人工智能技术的重要硬件基础,传感器在耳机的应用起到举足轻重的作用。随着TWS耳机功能的丰富和升级,其将会更加智能而且用途也更加广泛,它通过语音加速感应器、光学传感器,麦克风等部件实现自动感应和控制、语音增强、快速配对等,同时也可以实现诸如心率检测、气压检测等功能。

以TWS耳机中MEMS加速度计为例,其为感测元件的一种,可以侦测使用者的姿态改变,进而作出相对应的动作,像是敲击耳机后能够开唤起装置。除了加速度计之外,感测元件的项目繁多,包含压力计、陀螺仪等。

MEMS传感器用于惯性传感方面主要有加速度传感器和陀螺仪传感器,及其相关变形产品。市场上以TWS耳机为代表的蓝牙穿戴设备将会越来越多应用MEMS传感器相关的部件和技术,那么这两者之间是如何进行有机结合呢?

6月18日(周四)上午10:00,集微网邀请深迪半导体市场技术部总监刘爽和上海富芮坤微电子副总裁牛钊做客第十四期“开讲”,带来以《从沙子到云端- MEMS惯性传感器/蓝牙穿戴的云计算之路》为主题的精彩演讲。

点这里观看回放

开讲开始后,深迪半导体市场技术部总监刘爽先简单介绍了公司的情况。深迪半导体是中国首家研发设计商用消费级和汽车级微机电系统(MEMS)陀螺仪系列惯性传感器的公司。公司拥有顶尖的MEMS设计团队,先进的MEMS工艺和集成技术,基于核心的MEMS陀螺仪产品进行拓展和开发。

其专注于研发和设计新一代基于微机电系统(MEMS)的陀螺仪惯性传感器,包括单轴、三轴陀螺仪和惯性测量单元IMU。主要应用于IOT、手机智能终端、智能家居、人工智能、工业和汽车等领域。

深迪半导体推出的世界首款MEMS IMU+force传感器SH3011,不仅支持与苹果airpods pro兼容的按压互动操作方式,同时还支持诸如“点头”“摇头”等hands-free纯头控互动操作方式,SH3011的推出,使得国内MEMS IMU产品在局部应用领域处于世界领先地位。

为了实现中国的芯片国产化,实现进口替代,目前深迪半导体在上海(总部)、北京、深圳、成都等地都有办公场地。

刘爽接下来介绍了MEMS惯性传感器的基本原理,其常见分为两部分,一个是加速度计,另外一个是陀螺仪。首先从加速度计来说,它是一个质量块,通过弹簧连接固定,当有加速度的时候会产生一个力。

当产生重力加速度的时候,质量块会产生一个位移,在质量块另一端便能够检测位移的产生,固定电极之间便会有变化,进而通过差分的计算计算质量块朝哪个方向运动和速度的大小,从而把数字化结果往芯片输出。

陀螺仪的原理与加速度计也是类似的,当一个质量块朝着一个方向运动的时候,给它施加一个转动的角速度,这样便会产生在另外一个方向的转动力。

通过电容检测的方式,在两侧均放上电容电极,通过电容的变化,可以检测到质量块是否受到角速度的变化。

目前检测数值均采用差分结构,这是因为除了受到外界的加速度影响外,还会受到一些应力的变化,产生一些对称的压力,所以采用差分结构可以把外部的应力变化抵消掉,消除一些对加速度计和陀螺仪外界应力产生的影响。

目前深迪半导体的惯性传感器由世界先进的代工厂生产,而业界采用MEMS工艺能做加速度计和陀螺仪的公司很少,当前消费类产品在市场上流通的,仅有博世、ST和TDK这三家国外大厂,而深迪半导体是中国第一家做消费类MEMS陀螺仪,并实现六轴MEMS惯性传感器量产的公司。

一颗MEMS惯性传感器里面是包含了两颗甚至三颗的芯片,除了MEMS加速度计或者陀螺仪一颗芯片外,还包含了ASIC控制电路,采用注塑封装,通过外部引脚放在PCB版上。

为了保证工艺的稳定性以及可靠性,深迪半导体的MEMS产品首先会经过一个晶圆级别的测试,属于自主开发,其会测试电容是不是符合设计值,运动幅度是不是符合设计的范围等等。

在晶圆级测试后,还需要把MEMS与电路封装起来,再进行一个芯片级别的测试。这个测试会有一个先进的转台,可以对其进行施加一个角速度或者加速度,还会有不同方向的重力加速度,以此来测试其运动的状态。

目前MEMS惯性传感器主要有几个应用方向,当中智能穿戴是一个重要部分。刘爽介绍,例如跳绳的运动,往往利用人数次数是不准的,可以把MEMS惯性传感器放在跳绳上面,这样便可以输出跳绳次数。此外利用哑铃锻炼的时候,加上MEMS惯性传感器便可以令其与手机APP连接,把举哑铃的次数运动轨迹等数据传到手机进行记录和分析。


以深迪半导体SH3011这款MEMS惯性传感器产品来说,其内置六轴MEMS惯性测量单元及应力检测输出,可以实现耳机柄部操作:短捏、长捏,还有头控:点头,摇头等操作识别。

以目前比较火爆的真无线TWS蓝牙耳机来说,采用SH3011这款芯片产品已经能实现“捏”的功能验证。深迪半导体是全世界唯一一家在3x2.5的尺寸里面既内置IMU的六轴传感器,又能够做到检测应力的“捏”这个功能的公司。以往TWS耳机上采用“敲”“触摸”等交互方式,有很多客户反馈误触比较多,而“捏”的控制方式在经过苹果验证后,后续有很多家芯片方案厂商都开始向“捏”这个交互方式去研发。

深迪负责提供六轴IMU传感器,而富芮坤则利用传感器采集数据进行处理加工上传至云端,实现云端智能学习和算法处理数据。

富芮坤微电子副总裁牛钊紧接着为我们介绍TWS耳机和富芮坤在可穿戴领域的情况。他首先指出,2019年TWS耳机在中国是爆发的一年,整个国内的TWS耳机的芯片出货量达到了7亿片左右。

当中最重要的TWS耳机的客户便是苹果,其AirPods整个2019年大约出货5000万,而接下来预测其2020年和2021年均有较大的市场增量。此外2020年全球一季度可穿戴市场规模(可穿戴市场包括手环手表),苹果依然占据全球较大的份额,出货2000多万台。

国内目前可穿戴市场,2019年数字是约7500万,通过第三方的预测,2020年会有一个快速的增长,而牛钊认为这个数据可能会比预期增长还要更加迅速。

2014年上海富芮坤成立,2016年音频蓝牙芯片FR301x芯片量产并引爆蓝牙耳机市场,2018年量产超低功耗蓝牙BLE Mesh芯片FR801X,2020年获得A+轮融资(中车创投),同时量产FR508x双模蓝牙。

富芮坤主要有三大的市场,最重要的一环便是可穿戴,包括手表和手环。目前在配备240x240和190x190屏幕的这些中低端可穿戴市场有一定的份额。第二个市场便是智能家居,包括了蓝牙语音遥控器、蓝牙灯控等智能家居的应用场景,目前已经接入阿里生态链、亚马逊生态链、苹果Homekit和谷歌生态链等。第三个部分便是工业应用,主要包括电表和工业自动化。

集微直播间自开创以来获得了大量来自行业的关注与好评。下周,集微网将继续为大家带来精彩不断的直播。6月22日-24日(周一至周三)上午10:00,全新三期【集微公开课】火力全开,让你过足瘾!


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(校对/ Andrew)

责编: 伟钧

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