苹果身后的传感器巨头-行业资讯-EDA-电子工程师俱乐部-单

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苹果iPhone、iPad和任天堂Wii游戏机的传感器供应商、欧洲最大半导体公司意法半导体(ST)，是在10多年前介入传感器业务的。当时，针对工厂的投资运营策略，半导体企业一般有两个选择：要么像英特尔、三星那样每年投资数十亿甚至上百亿美元开发新工艺，以生产最先进CPU、存储器产品;要么寻找其他可能利用旧工艺的大宗订单，让工厂多发挥些效益。而面对意大利南部的一座旧工厂，ST的高层想到，或许可以用传感器这个不需要前沿工艺的业务实现更多盈利。　　飞机部件嵌入消费电子　　1995年的一天，刚加入ST一个月的Benedetto Vigna先生被老板问及是否对MEMS传感器感兴趣?“是的。” Vigna说，“不过，什么是MEMS?”对此，他的老板也只能拼出“Micro Electro Mechanical Systems(微电子机械系统)”几个字，并告诉他这个产品能够利用微米级的旧工艺，而不是纳米级的先进工艺。　　于是高能物理学出身的Vigna自学起相关技术。一年后，鉴于欧洲业界对MEMS研究的不足，Vigna去了美国加州大学伯克利分校学习MEMS，并在当地企业做研究。之后他回到ST，领导MEMS项目。　　在ST介入之前，MEMS传感器已存在了20多年，主要用于飞机、汽车这类用量较小的市场。或许受ST在消费电子市场成功基因的影响(ST是诺基亚主要的元器件供应商)，2001年，Vigna突然有了一个想法：能否把MEMS带入大宗消费电子市场?不过，要想打开这个市场，他们面临的挑战可不小。当时用于检测飞机飞行姿态的传感器有砖头大小，要卖到3万美元，功耗很高;用于汽车安全气囊检测撞击的传感器，比一部智能手机要厚，而且功能简单，只能检测两个方向的运动。这样的状况与消费电子市场对成本、体积、功耗和性价比的苛刻要求相比，还有巨大差距。　　Vigna先从相对简单的三轴加速度传感器入手。消费电子市场的敲门砖是价格。2005年3月，当Vigna第一次与正准备给Wii游戏机游戏杆引入全新交互方式的任天堂负责人会面时，对方开门见山地问他：“这是我们需要的价格，你能提供还是不能?”零部件供应商一般不愿听到这个问题，但这就是消费电子市场的现实。Vigna后来总结说：“在消费电子市场，每当一个重要机会到来之前或每次面对一个重量级客户，价格问题都会被问及。如果拒绝它，你就等于放弃了一个推动大市场的机会。”　　由于当时的加速度传感器技术还做不到任天堂要求的价格，只能在技术上另辟蹊径。彼时，3家日本企业占据着全球加速度传感器市场的绝大部分份额，但他们采用的都是传统压电技术，这种技术有3个缺陷，例如，温度变化对传感器的参数影响很大，这意味着，当传感器被放入一部智能手机中，手机开启后，随着温度升高，传感器的测量会不准确;同时，压电技术生产起来很难，这让产品成本居高不下;而且它的制造过程复杂，不适合大宗消费电子市场瞬间起量的快速供应节奏。　　于是，ST着手开发一种完全不同的技术。在加速度传感器中，有一个振动结构和一个检测放大信号的模块结构，这两个结构被封装在一起，就成了一颗传感器。ST想到了基于目前全球最大用量的CMOS工艺 (互补金属氧化物半导体工艺)研发改良了Thelma工艺来制造振动部分，它可以从半导体规模经济中受惠，成本低廉，也可以像其他半导体产品那样持续快速缩小体积、降低成本和功耗。同时，ST还开发了一种名为Smeraldo/TSV的过孔封装技术，它让封装手法变得灵活，可以把产品做得更小更薄。　　技术革新让ST能够提供一种价格体系完全不同的传感器。2007年，一家参与任天堂竞标项目的日本企业回顾说，他们没有获得本国企业任天堂订单的原因是ST给出了“出人意料的价格”。不过，Vigna说，最根本的原因是专利技术，“技术可以改变竞争格局”。如今，ST已在传感器上积累了600多个专利技术，其中很多是业界独有，而固守老技术的3家日本企业市场份额仅剩下20%。　　借助半导体行业的摩尔定律——每18个月，芯片面积下降一半，价格下降一半，加速度传感器已从Wii游戏机时代的3美元降到如今的0.3美元，面积已从35平方毫米(5X7)缩减到4平方毫米(2X2);功耗也从毫安级降到微安级。这不仅支撑起Wii游戏机在全球100亿美元的销售，也被更广泛的电子产品，如iPhone、iPad等采纳。　　不过，拿下消费电子市场的多种订单，就要考虑与之相匹配的供应能力。在消费电子市场，一个客户周一拿到样片，周五可能就要求给他供货;一个市场一旦起量，需求可能在瞬间井喷。如果不能保质保量地快速供货，客户就飞了，而一旦失去一个机会，可能就要再等上6到12个月。为了适应这个市场的供应特点，早在 2005年，当业界都还在用6英寸晶圆生产传感器的振动部分时，ST 就做了一个大胆的决定——把晶圆厂从6英寸升级到8英寸，这样，生产芯片的原材料面积扩大了，可以一次产出更多的芯片。同时，ST还决定在公司内部运营整个传感器产业链——自己做研发、设计、制造、封装、测试和应用算法，从而能更准确无误地响应客户快速多变的需求。　　而消费电子市场还有一个特点是快速的更新换代步伐。毕竟，在这个市场中，每种产品的热销期都很短暂，一部手机的平均生命周期也只有15个月，你需要不断推陈出新。 2010年ST推出三轴陀螺仪，同年上市的苹果iPhone4就植入了这颗陀螺仪，它让苹果手机成为导航仪，可以玩3D游戏，甚至可以作为建筑行业的水平仪。之后，ST推出压力传感器、地磁传感器(指北功能)和数字硅麦克风。数字硅麦克风比起传统有振动膜的麦克风尺寸更小，不受温度、振动等环境因素影响，因而苹果等智能手机都采用了这种麦克风。这些传感器可以相互搭配组合，给消费电子提供更多神奇功能。ST成为产品最丰富，能够提供功能模块最多的MEMS传感器企业。　　在过去5年， ST的传感器业务从2006年的区区3000万美元增长到去年的6.5亿美元，增长了20多倍。去年，全球MEMS传感器业务增长4.2亿美元，ST从中拿到了3亿多美元。在加速度传感器和陀螺仪市场，ST分别占据50%和60%的市场份额。与此同时，10年前开始领导ST传感器业务的Vigna先生，也晋升为ST副总裁。　　业务快速复制法则　　首次访问中国大陆的Vigna在纸上写下一个公式： Innovation(创新)= Creativity(创造力)× Resounce(资源)× Execution(执行力)× Focus(聚焦)。这是他在过去10年中总结出的业务复制法则，这个法则让他把在加速度传感器业务上得到的经验快速复制到其他传感器业务的发展上。　　在Vigna刚在ST开展MEMS业务时，领导层给了他很好的支持，但并没有一次性给他很多资源，这也成了Vigna后来做新项目的一个原则。“如果给你很多人，那可能任何事你都想做，但这相当于什么都没做。而2001年我们只有12到15人，只能聚焦”。起初，这个10多人的小团队也同时开展了6个项目——光开关、片上实验室、加速度传感器和陀螺仪等。Vigna后来砍掉了其中5个，全部聚焦到加速度传感器上。 现在，MEMS成长为ST关键业务群组后，Vigna在架构上仍然采取小团队模式，不同团队朝不同技术方向延伸。每个产品团队只有10多人，最大规模的情况下曾经达到35人。每个团队采取创业公司模式，Vigna并行管理这些团队。Vigna称保持这种小团队的模式很重要，“有时我看到团队的问题就是心太大，不能聚焦”。　　仅保持小团队，有时还无法达到好的聚焦和执行力。当你需要一件事快速运转起来时，需要公司高层的直接管理。2009年10月，一家重量级客户(这应该是苹果公司)需要三轴陀螺仪。第一次接洽时，Vigna说可以在2010年12月前提供。客户回复：“太晚了，我们需要你在2010年1月之前提供。”这缩减了近1年的时间。于是，Vigna取消了其他一些项目，把资源全部投入到这个项目中，他自己也成为这个项目的经理，加速项目进度。而另一个需要高层介入的典型案例就是ST公司内部运营的设计、制造、封装、算法等全产业链，有效运转的秘诀也只有一个——由一个高层做出全部决策。　　“人们告诉我们，你们无法在一个结构上实现三轴陀螺仪，我们不予理睬，继续前行;人们告诉我们，三轴加速度传感器的半导体制造工艺不能非常稳定，我们不予理睬，继续前行。”Vigna说。他们就是这样开创了很多市场上唯一的技术。　　今年，ST针对汽车市场设计三轴陀螺仪，他们选择的第一个重点应用是汽车信息娱乐系统中的导航。实际上，汽车中最早的传感器应用机会来自安全系统，但去年，全球汽车安全用陀螺仪市场只有2000万片，这是ST一周的产量，因此，考虑到市场占有率，比安全应用市场大得多的汽车导航自然成为公司的第一创新要点。第二波浪潮　　从飞机市场到消费电子市场，在过去5年间，MEMS传感器经历了两波增长高潮，第一波是由Wii游戏机带来的加速度传感器需求高潮，它为人机交互增加了一种创新方式。第二波则来自iPhone、iPad等智能手机和平板电脑带来的陀螺仪应用高潮，它让智能手机的应用更富想象性。　　在Wii游戏机之后，近两年，传感器带来的人机交互创新似乎有些停滞不前了，但Vigna说，“2013年，用户交互界面的新革命将会发生。”现在ST正与合作伙伴一起研发，确保在此之前完成整个创新方案的设计和大规模量产。“你可以想象，把一个运动传感器(加速度传感器和陀螺仪)、触控屏和硅麦克风三类产品融合在一起的方案，这相当于把运动、触控和声音三种人机操控方式结合在一起，将会把我们的体验提升一个层次”。针对第二波浪潮，Vigna列出了三类完全不同的应用——相机防抖技术、LBS(基于位置的服务)、远程监测，他认为每个都是市场未来高增长的推手。　　关于相机防抖技术，市场上摄像头的像素不断提升，今年，诺基亚就在巴塞罗那电信展上展示了4000万像素拍照手机，而陀螺仪可以实现专业级防抖功能，提高图像质量。像CPU行业推广多核概念一样，ST也推广双核陀螺仪产品和概念：其中一个核负责图像处理，另一个则负责用户界面、LBS和游戏。　　在LBS市场，Vigna说，室内导航和增强实景将是未来的一个爆发点。“你到了一个陌生的地方，传感器一直在跟踪测算你的轨迹，你把手机指向一个商店或一个咖啡厅，借助增强实景技术，你看到了关于商家的各种信息，然后开始选择”。Vigna说，不仅消费电子，一些工业应用上的需求也为此提供巨大空间。例如一个消防员进入火场，他不仅要救火，自身的安全也很重要。传感器可以跟踪他的轨迹，了解他的行为状态。　　至于远程监控，这在健身、医疗和康复领域有无限的想象和发挥空间。例如，帕金森综合征的患者表现出运动障碍、震颤和肌肉僵直等症状，他们的康复训练就是要通过大量重复简单的正常动作，进行姿势矫正、语言交往等。在患者身上携带传感器，可以监控他们的活动姿态，并把姿态在屏幕中重现进行矫正，甚至可以根据正常轨迹用电机带动他们反复各种康复动作。　　“在未来2到5年内，整合了低功耗传感器、射频和MCU的微小模块将会触发很多需求。” Vigna说。　　瑞士Sensimed公司与ST合作，在隐形眼镜中嵌入了这样的模块，可以连续检测青光眼患者的眼内压(IOP)，以量身订制最佳治疗方案。这个技术解决了患者定期到眼科门诊检测时无法捕捉到眼压变化规律的缺陷。同时，ST还与全球一流保健机构Mayo医疗中心(Mayo Clinic)合作开发心血管疾病远程监测平台。在患者胸部贴个标签，这个标签就能通过无线技术为医疗专业人员提供病患的心率、呼吸速度、身体活动信息和其他测量数据。　　“有了传感器，现在人们的所有轨迹、姿态、行为都可以被跟踪记录，可以数字化，可以被处理和分析，并基于处理的结果建立反馈机制。” Vigna说，“我们正处在一个新时代的开始。”