MEMS和傳感器產(chǎn)業(yè)如何在物聯(lián)網(wǎng)大潮中分得更大的蛋糕？

物聯(lián)網(wǎng)正一步步成為現(xiàn)實，人、車、建筑和城市萬物互聯(lián)。據(jù)著名市場咨詢公司麥肯錫（McKinsey）預測，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的全球影響每年大約將在4萬億美元~11萬億美元之間。其中，MEMS和傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的感知層，是必不可少的基礎組成部分。那么，MEMS和傳感器產(chǎn)業(yè)如何在物聯(lián)網(wǎng)大潮中分得更大的蛋糕？答案之一在于潛力巨大的MEMS和傳感器初創(chuàng)公司。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，2019年的MEMS與傳感器高峰會議（MSEC）由SEMI在美國加州科羅納多島（Coronado Island, Calif.）舉辦，這是該領(lǐng)域每年一度不容錯過的行業(yè)盛會，吸引了產(chǎn)業(yè)眾多推動者和創(chuàng)新力量共同為產(chǎn)業(yè)把脈。在為期兩天的會議上，與會者進行了熱烈的討論和交流，Technology Showcase突出了最新的MEMS和傳感器技術(shù)及應用，評選出了6家快速成長且極具前景的MEMS和傳感器初創(chuàng)公司，包括DNA搜索引擎，用于自動駕駛汽車的4D激光雷達（LiDAR），以及醫(yī)療保健應用的可穿戴生物傳感器。

Biolinq——MEMS微陣列血糖監(jiān)測

目前，大部分糖尿病患者大多通過指尖采血，使用血糖儀或連續(xù)血糖監(jiān)測儀（GCM）來測量血糖。Biolinq開發(fā)了一種MEMS微陣列傳感器技術(shù)，該技術(shù)可作為一種維持7天的皮膚貼劑使用，能夠在不接觸血液的情況下傳輸用戶的代謝化學物質(zhì)。它可以評估患者的葡萄糖水平、變化趨勢以及食物或運動對血糖的影響。Biolinq首席技術(shù)官Joshua Windmiller說：“我確信這是當前侵入性最小的血糖監(jiān)測方案，同時，可以實時提取臨床級信息?！?/p>

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，這款醫(yī)療器械由Biolinq開發(fā)的MEMS微傳感器陣列、包含精密電化學模擬前端的印刷電路板、32位微控制單元（MCU）以及一塊電池組成。監(jiān)測數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)教O果iOS系統(tǒng)的相關(guān)應用APP。與植入式系統(tǒng)不同，Windmiller解釋說，這種微傳感器陣列可以監(jiān)測真皮中的間隙液，這種間隙液僅存在于皮膚下方約一毫米的位置。據(jù)Biolinq稱，這種基于MEMS的無針GCM有望完全替代指尖采血方案。

Windmiller說：“我們產(chǎn)品的優(yōu)勢是佩戴隨心所欲，沖浪、跑步都沒有問題，它密封性很好，不限于任何活動?！盉iolinq的目標是憑借其可穿戴傳感器貼片來重塑GCM用戶體驗。

這款傳感器尺寸小巧（大約相當于一枚硬幣大?。覒脮r毫無痛感。不過，為什么佩戴時間不能超過7天呢？

Windmiller回應說：“該設備與人體連接，其中具有生物識別元素。我們設定為7天，是因為連續(xù)貼附一周后用戶會覺得它很癢?！?/p>

另外，為什么要使用鋰電池，而不是尋找一種能量收集方式來為這種一次性器械供電呢？

Windmiller解釋稱，公司正在探索其他化學電池方案，并透露其博士學位研究的正是生物燃料電池項目，能夠在生理體液中收集葡萄糖。

Windmiller總結(jié)稱，Biolinq的MEMS傳感器陣列應用不僅限于葡萄糖?！霸谌梭w真皮中還包含多種其他代謝產(chǎn)物和電解質(zhì)。其中一些在運動生理和營養(yǎng)學方面具有廣泛意義?！?/p>

Biolinq于2012年在加州拉霍亞（La Jolla, Calif.）成立，當時名為Electrozyme LLC，現(xiàn)在已經(jīng)成功完成了兩項FDA批準所需要的臨床試驗。Biolinq已經(jīng)完成1500美元A輪融資，目前擁有25名員工。

Motus Global——基于MEMS IMU的運動管理

最近發(fā)表在《美國運動醫(yī)學雜志》上的一項研究顯示，在一個精心組織的長距離拋投項目研究中，棒球投手意識的發(fā)力與實際測得的力并不一致。在實驗中，六十名男性高中和大學棒球投手在其緊身護臂中佩戴了Motus Global傳感器，該傳感器能夠測量肘內(nèi)翻扭矩、手臂速度、出手位置和肩膀旋轉(zhuǎn)。

業(yè)界最小的高動態(tài)范圍6軸慣性測量單元（IMU）

Motus Global生物力學與創(chuàng)新副總裁Benjamin Hansen介紹稱，Motus Global成立于2010年，致力于開發(fā)最大程度提高運動表現(xiàn)并降低受傷風險的MEMS解決方案。

Motus Global推出的MotusThrow是美國職業(yè)棒球大聯(lián)盟（MLB）首次批準比賽中使用的6軸高動態(tài)范圍慣性測量單元（IMU），它可以記錄練習和比賽中每一次投擲的生物力學數(shù)據(jù)。它可以計算棒球投球期間尺側(cè)副韌帶（UCL）上的扭矩。

Motus Global開發(fā)的生物力學運動負荷監(jiān)控軟件平臺，可以累計日常運動負荷、劇烈運動負荷、長期運動負荷及其比率，以幫助球員和教練制定個性化的訓練策略，優(yōu)化體能并降低投擲者手臂受傷的風險。

Motus Global基于MEMS的IMU（包括三軸陀螺儀和三軸加速度計）也已經(jīng)應用于一款FDA一級醫(yī)療器械中。這是一種旨在緩解膝蓋骨關(guān)節(jié)炎的護膝。它能夠?qū)Σ綉B(tài)生物力學進行重復提取，并可以針對膝關(guān)節(jié)預康復活動和康復應用進行遠程家庭鍛煉。

當談及Motus Global的傳感技術(shù)是否可以分析芭蕾舞者的雙腳負重時，Hansen的回答是肯定的，但是“我們更專注于復雜的運動負荷管理”，例如棒球或板球等。

Motus Global總部位于紐約，據(jù)稱其2019年的營收已經(jīng)超過100萬美元，預計2020年將創(chuàng)造超過210萬美元的營收。該公司計劃在2021年第二季度實現(xiàn)盈利。

Cardea Bio——石墨烯場效應生物傳感器

無論我們想知道什么，用谷歌或者百度搜索一下即可。那么，我們能不能對自己的基因組進行谷歌搜索，并掌握有關(guān)自身遺傳學的特定信息呢？這就是總部位于加州的Cardea Bio所投身的事業(yè)，許多公司也已經(jīng)付諸努力。

Cardea Bio聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席生產(chǎn)官Ross Bundy說：“我們要做的是將生物學和數(shù)字世界融合為一個生態(tài)系統(tǒng)，我們稱之為生物學互聯(lián)網(wǎng)?！盋ardea Bio開發(fā)了一種石墨烯場效應生物傳感器，該傳感器能夠?qū)⑸锓肿诱系?a target="_blank">電子電路中，從而讀出其生物化學函數(shù)。Bundy說，這為應用生物學打開了新大門，例如食品質(zhì)量控制、農(nóng)業(yè)、藥物檢測和獸醫(yī)學等。一個例子便是最近發(fā)布的Genome Sensor，它是一種基于CRISPR芯片技術(shù)運行的DNA搜索引擎，用于編輯基因組并方便用戶“搜索他們的基因組”。

“誰都可以很方便地使用它，”Bundy說，“將樣本放在芯片上，然后插入計算機，便可得到結(jié)果?？梢圆蛔鋈魏涡揎椌湍芸吹交蚪M中是否存在相關(guān)序列。CRISPR芯片還僅是其中一種應用，隨著我們將更多生物學信息引入系統(tǒng)，還可以開拓更多的應用。”

當被問及是否可以支持氣體時，Bundy表示Cardea Bio可以“對此進行修改，但我們的大部分努力都是圍繞液體樣本的。我們暫時還沒有發(fā)現(xiàn)它不適用的生物學應用?！?/p>

自成立以來的5年多時間里，Cardea Bio付出了巨大的努力，以確保其石墨烯材料（以導電性和生物相容性著稱）能夠適應MEMS代工廠要求?！拔覀兣cMEMS代工廠Rogue Valley Microdevices一起合作，花費了大量時間和努力來確定質(zhì)量、工藝類型甚至封裝?！?/p>

Cardea Bio起初名為Nanomedical Diagnostics，剛剛完成了對CRISPR芯片創(chuàng)建者Nanosens Innovations的并購。這使Cardea Bio能夠打造其“生物晶體管”的先進DNA版本，之前通常只能應用于蛋白質(zhì)。Bundy說，Cardea Bio已經(jīng)在“賺錢”，但是“我們還在投入大量的研發(fā)，因此我們還沒有盈利?！蹦壳罢谏a(chǎn)一萬顆芯片，有超過75家公司要求將Cardea Bio的技術(shù)集成到他們的產(chǎn)品中。

Cardea Bio總部位于圣地亞哥，目前擁有25名雇員。

TetraVue——4D激光雷達（LiDAR）

安全，始終是自動駕駛的關(guān)鍵。無論障礙物是巖石、動物、自行車還是兒童，車輛都必須能夠及時探測出它們何時可能危及道路安全。TetraVue首席執(zhí)行官Paul Banks說，我們生活在3D世界中，TetraVue的光學飛行時間（oTOF）技術(shù)可以利用2D CMOS圖像傳感器并為每個像素增加深度信息，以捕捉高分辨率3D圖像。

據(jù)麥姆斯咨詢此前報道，TetraVue采用了不同業(yè)界主流的激光雷達（LiDAR）方案。它沒有將激光作為光束或陣列來使用，而是用激光來照明整個視場（最高每秒三十幀以捕捉完整運動）。據(jù)此，TetraVue打造了一種固態(tài)閃光（Flash）激光雷達解決方案，其解決方案能夠捕捉視場內(nèi)每個像素的距離和強度。

TetraVue聲稱其固態(tài)高清攝像頭可以每秒捕捉6000萬個點，并且無論室內(nèi)外都可以在長達200米的距離處捕獲運動和深度。

TetraVue成立于2008年，總部位于加州，TetraVue得到了科技巨頭科磊（KLA Tencor）、泛林（Lam Research）、博世風險投資（Robert Bosch Venture Capital）、三星催化基金（Samsung Catalyst Fund）和Nautilus Ventures的支持。

Syntiant——邊緣人工智能（AI）

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進入我們的日常生活。從我們的家到汽車再到辦公室，周圍已經(jīng)被各種智能設備環(huán)繞，它們可以幫助我們管理各種重要事項。Syntiant首席技術(shù)官Jeremy Holleman說：“所有這些智能設備每天都需要做出無數(shù)個決策，而深度學習提供了一種工具集，可以獲得相比傳統(tǒng)基于人類直覺更好的決定。我們認為，設備端的智能化才是未來趨勢?！?/p>

Syntiant首席技術(shù)官Jeremy Holleman

Holleman介紹說，本地化決策具有許多優(yōu)勢，“首先便是隱私性，我們不必再將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端；其次是可靠性，因為決策過程中執(zhí)行的環(huán)節(jié)減少了；另外還有響應性，因為沒有了和云端傳輸數(shù)據(jù)的延遲?！钡?，深度學習需要大量的計算。決策的背后是大量的數(shù)學運算，而MCU等傳統(tǒng)計算機架構(gòu)往往難以應對這些高計算量。

Syntiant開發(fā)的定制AI芯片NDP100內(nèi)嵌神經(jīng)網(wǎng)絡，可以在沒有網(wǎng)絡連接的情況下為電池供電型設備提供邊緣計算。它支持64種類別，即64種不同的詞、手勢以及超過50萬個參數(shù)，為基于傳感器的應用提供了大規(guī)模并行計算。NDP100可以集成到多種語音和音頻設備中，并且，最近還通過了亞馬遜（Amazon）的Alexa認證。

NDP100的尺寸幾乎只有硬幣上亞伯拉罕·林肯（Abraham Lincoln）的鼻子那么大，連續(xù)識別運行時的能耗約為140 μJ。NPD100和其他現(xiàn)有技術(shù)對比，Syntiant聲稱在能耗方面它比典型的微控制器改善了近200倍。Holleman說：“相比意法半導體（STMicroelectronics）的STM32L476 ARM Cortex-M4 MCU在進行喚醒詞監(jiān)測時的600 μJ，NPD100僅需要約3.4 μJ。我們還能夠支持每秒100幀，而MCU只能支持每秒5幀。這主要源于，跟具有通用目的計算平臺的存儲程序架構(gòu)相比，NPD100具有專用的內(nèi)置數(shù)據(jù)路徑。

Syntiant于2017年在加州橘郡（Orange County, Calif.）成立，據(jù)稱已有“多家客戶”，并已從微軟（Microsoft）投資部門M12、亞馬遜的Alexa基金、Applied Ventures、英特爾資本（Intel Capital）、摩托羅拉風險投資（Motorola Ventures）和博世風險投資（Robert Bosch Venture Capital）等投資方獲得超過3000萬美元的融資。該公司于2019年上半年將其第一批芯片投入了限量生產(chǎn)，現(xiàn)在正在“產(chǎn)能爬坡”。目前公司擁有40名員工。

Cartesiam——邊緣人工智能（AI）

在距離數(shù)據(jù)源頭最近的邊緣進行預處理，而不是將所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)皆贫诉M行分析，難道不是更合理更高效的方式嗎？無需往返云端，還可以減少數(shù)據(jù)延遲，提高性能。

今年MSEC Technology Showcase的獲勝者是來自法國的軟件公司Cartesiam，該公司專注于在微控制器中嵌入人工智能。Cartesiam致力于為客戶增加機器學習能力，基本來說就是在邊緣創(chuàng)建和訓練模型并最終掌握某種模式。

Cartesiam推出的業(yè)界首款工業(yè)4.0獨立維護助手Eolane designed Bob

Cartesiam的差異化優(yōu)勢在于能夠?qū)⑵銷anoEdge軟件解決方案應用于任何基于Cortex-M MCU架構(gòu)構(gòu)建的設備。Cartesiam常務董事兼聯(lián)合創(chuàng)始人André Dupaquier表示，“部署過程僅需數(shù)周即可完成，并且不需要數(shù)據(jù)科學家。在編碼中嵌入具有所有功能的模型庫。對于模型庫的代碼，我們僅需要數(shù)百KB的閃存和8~32 KB的RAM。”

邊緣 VS. 云端，NanoEdge大幅降低功耗

不過，成功的道路是漫長而曲折的，充滿了許多障礙。Dupaquier回憶說：“我們制造的第一款產(chǎn)品是為了證明該技術(shù)可行，因為無論我們走到哪里，都會有人告訴我們這是不可能的，這是行不通的。我們必須自己購買器件自己完成制造，以證明該技術(shù)可行，神經(jīng)網(wǎng)絡可以在邊緣的Cortex-M MCU上運行。”

最初，NanoEdge在Intel Curie上運行，但現(xiàn)在“我們可以在任何類型的Cortex-M MCU上運行，在Cortex-M0和Cortex-M4上都有用例，并且還有客戶在Cortex-M33上成功運行?！盌upaquier說，“我們還可以在MPU上運行?！?/p>

Cartesiam現(xiàn)在發(fā)展到第二階段，并計劃將軟件提供給客戶，以生成滿足客戶所需數(shù)量的庫?！拔覀冋谶M行Alpha版測試，不過，已經(jīng)有很多客戶找上門要Beta版本?！?/p>

Cartesiam總部位于法國土倫（Toulon），最近在Gartner的2019年人工智能成熟度曲線研究中被認定為三大邊緣人工智能公司之一，另外兩家是意法半導體（STMicroelectronics）和瑞薩電子（Renesas Electronics）。這家成立三年的初創(chuàng)公司擁有20名員工，并且工作方式很有意思?！懊總€星期五，我們告訴員工不要從事他們的工作任務，而是尋找他們的技術(shù)可以應用的真正很酷的東西?，F(xiàn)在，他們努力的每個項目幾乎都變成了潛在機遇?！?/p>