智能制造和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，傳感器廠商該如何造傳感器？

作者 / 迎九 金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：工業(yè)是傳感器應(yīng)用的下一波浪潮，消費(fèi)類MEMS傳感器轉(zhuǎn)到工業(yè)類時(shí)需要校正性能、延長(zhǎng)供貨周期等改變。與此同時(shí)，一些傳統(tǒng)的老牌工業(yè)傳感器廠商也看好物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)類等大批量市場(chǎng)，在把產(chǎn)品推向市場(chǎng)時(shí)，堅(jiān)持做專門的傳感器;根據(jù)市場(chǎng)需要，有時(shí)會(huì)推出包含傳感器的產(chǎn)品，及與合作伙伴共推完整產(chǎn)品。在圖像傳感器領(lǐng)域，還需要做軟件方案及適當(dāng)?shù)厥召?gòu)一些有專利的公司。

MEMS傳感器從消費(fèi)類轉(zhuǎn)到工業(yè)，需要做哪些改變?

　　ST模擬、MEMS及傳感器事業(yè)部副總裁兼MEMS傳感器業(yè)務(wù)總經(jīng)理Andrea Onetti稱，MEMS傳感器的第二波浪潮是工業(yè)，為此ST正在轉(zhuǎn)型。

　　第二波浪潮——工業(yè)

　　MEMS產(chǎn)業(yè)在過(guò)去幾年里有過(guò)非常風(fēng)光的增長(zhǎng)歷程，尤其是手機(jī)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)。但手機(jī)產(chǎn)業(yè)在過(guò)去一兩年里沒(méi)有像以前那樣出現(xiàn)數(shù)量增長(zhǎng)的紅利，原因有兩點(diǎn)：第一，應(yīng)用于手機(jī)的MEMS總量基本持平，沒(méi)有增長(zhǎng);第二，在單機(jī)里，沒(méi)有新型MEMS加入，造成單機(jī)MEMS的價(jià)值沒(méi)有提升，單機(jī)的傳感器數(shù)量也保持穩(wěn)定。

　　因此業(yè)界有這樣一種質(zhì)疑聲：下一波MEMS在哪里?現(xiàn)在看起來(lái)，下一波MEMS產(chǎn)業(yè)浪潮可能在工業(yè)和汽車、自動(dòng)駕駛(如圖1)，這些市場(chǎng)不單單讓傳感器單個(gè)價(jià)值增加，在數(shù)量上也是非?？捎^的。

　　MEMS產(chǎn)品第一波市場(chǎng)井噴是在2005年左右，主要驅(qū)動(dòng)力是智能手機(jī)，由于智能的需求，傳感器為手機(jī)的新功能立下了汗馬功勞。

　　但在過(guò)去兩三年里，業(yè)內(nèi)一直在談物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)，這些領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)是“數(shù)據(jù)”，很多智能終端在采集數(shù)據(jù)，很多公司花巨資投入云服務(wù)。在工業(yè)和汽車方面，最近出現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化趨勢(shì)，涵蓋智能工業(yè)、智能駕駛、無(wú)人駕駛等。如果這些愿景最終實(shí)現(xiàn)，傳感器是必不可少的，而且傳感器在其中的作用比第一波在手機(jī)里的作用大得多。

　　工業(yè)與消費(fèi)類傳感器的差別

　　在過(guò)去二十年里，消費(fèi)類應(yīng)用使不同類別的MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)了從雛形到大批量生產(chǎn)、直至大批量應(yīng)用的過(guò)程，這些傳感器包括加速計(jì)、陀螺儀、慣導(dǎo)模塊、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、溫度計(jì)、氣體壓力計(jì)以及近幾年越來(lái)越多的環(huán)境類傳感器。

　　第二波將在汽車和工業(yè)類中應(yīng)用越來(lái)越多，要求的性能和精度更高。因?yàn)楣I(yè)類對(duì)性能和精度的特殊要求，可能同一類別的工業(yè)傳感器和消費(fèi)類傳感器有幾倍的差別，如圖2。

　　這對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品的定義、規(guī)劃、制造、研發(fā)都會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

　　?制造。要達(dá)到高性能和高精度主要通過(guò)兩方面：1.純粹工藝的提升;2.測(cè)試和校正工藝/能力提升。

　　其中測(cè)試和校正是可以大為挖掘的地方，因同一類別的傳感器，如果校正方法和校正點(diǎn)位合理，可能達(dá)到更好的性能。這一點(diǎn)與其它半導(dǎo)體制造不同，其它半導(dǎo)體制造的產(chǎn)品校正更多在于測(cè)試，主要是為了把不良品剔除。而MEMS制造由于含有微機(jī)械，因此校正的目的是要恢復(fù)參數(shù)，去拉升到需要的規(guī)格范圍之內(nèi)。

　　ST的特點(diǎn)是在做的時(shí)候可以同時(shí)并行處理很多細(xì)節(jié)，例如友商做10個(gè)，ST可以同時(shí)做100個(gè)，這意味著效率的提升，從而節(jié)約制造成本。另外，ST還可以按照客戶的應(yīng)用需求，更加靈活地去配置校正要達(dá)到什么樣的參數(shù)輸出——有的可以放寬精度，達(dá)到成本更好;有的可以提高精度，達(dá)到性能更優(yōu)(如圖3)。

　　?高性能。目前為止，大部分人對(duì)MEMS生產(chǎn)的理解還是在過(guò)去消費(fèi)類市場(chǎng)里的應(yīng)用。例如，作為聲音采集器件的麥克風(fēng)，主要用來(lái)采集人的聲音，主要集中在20 Hz~20 kHz頻率范圍內(nèi)。但在智能制造、智能工業(yè)中，是機(jī)器與機(jī)器之間的對(duì)話、互動(dòng)，同樣要去檢測(cè)聲音，卻需要把采集帶寬上升到80 kHz，這樣才可以采集到像水管是否漏水、馬達(dá)是否工作異常等信息。

　　再例如，人機(jī)界面互動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景，即使對(duì)于同一款傳感器，由于應(yīng)用場(chǎng)景不同，規(guī)格也會(huì)有區(qū)別。

　　傳感器的性能提升還有一個(gè)很重要的因素——溫度。實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，溫度并不是在常規(guī)下，有時(shí)會(huì)低到零下幾十度，或高到上百度。傳感器的特性會(huì)在不同溫度下有不同的表現(xiàn)，通過(guò)很好的溫度校正，就可使整個(gè)性能達(dá)到更佳狀態(tài)。

　　?生命周期。消費(fèi)類電子的生命周期較短，有的只有兩三年;但工業(yè)設(shè)備的生命周期會(huì)跨過(guò)五年、十年、甚至更長(zhǎng)。那么在這類應(yīng)用里的產(chǎn)品，需要確保產(chǎn)品的生命周期/供貨周期與最終設(shè)備的生命周期是吻合的。針對(duì)這樣的需求，ST做出了鄭重的承諾，所有在工業(yè)類里產(chǎn)品的供貨周期超過(guò)十年。

　　可見(jiàn)，隨著傳感器走出消費(fèi)類應(yīng)用，走近工業(yè)類應(yīng)用，產(chǎn)品應(yīng)用需求的變化導(dǎo)致了對(duì)于產(chǎn)品的需求不一樣，因此MEMS廠商向客戶做出的承諾也不同。

　　前裝和后裝的市場(chǎng)分析

　　第一種是在新機(jī)器設(shè)備開(kāi)發(fā)的時(shí)候就把傳感器裝進(jìn)去，就可以把連接和傳輸方式定義好。根據(jù)市場(chǎng)報(bào)告，每年約有七八千萬(wàn)新設(shè)備的市場(chǎng)容量，其中約有40%~50%的設(shè)備是智能的。

　　然而，整個(gè)行業(yè)里最大的市場(chǎng)在于既有的機(jī)器設(shè)備，有的裝了幾年，有的裝了幾十年。這時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線和傳感器的方式把機(jī)器設(shè)備進(jìn)行有效的連接。這部分的市場(chǎng)前景更大，約有8億臺(tái)的機(jī)器設(shè)備。但現(xiàn)在改裝的比例卻很低，只有1%、2%。這個(gè)改裝過(guò)程會(huì)隨著云服務(wù)的發(fā)展逐漸體現(xiàn)出來(lái)，相信這會(huì)是呈指數(shù)型增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在2018年上半年歐洲的一個(gè)展會(huì)上，Andrea Onetti先生看到展商介紹的都是智能化的生產(chǎn)設(shè)備，預(yù)計(jì)在未來(lái)一到三年內(nèi)，改裝市場(chǎng)的占比也會(huì)達(dá)到雙位數(shù)。

　　需要特別指出的是，如果真的在現(xiàn)有設(shè)備上加裝元器件，例如加一個(gè)傳感器單元，也不可能兩三個(gè)月就去換一個(gè)，所以低功耗非常重要。ST的傳感器在此有一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镾T傳感器是從消費(fèi)類衍生過(guò)來(lái)的，功耗方面可以控制得很好，既使是電池供電的應(yīng)用，裝上去以后整個(gè)的生命周期會(huì)達(dá)到幾年以上。

　　ST的高精度傾角計(jì)等新產(chǎn)品

　　那么，ST有何面向工業(yè)的明星產(chǎn)品?近日，其推出了一款高精度傾角計(jì)——IS3DHHC，是2018年第一款亮相的新傳感器。作為一款高分辨率、高穩(wěn)定性的3軸加速度計(jì)，即便長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或處于溫度變化很大的環(huán)境內(nèi)，IS3DHHC也能夠確保測(cè)量的精準(zhǔn)度。該款產(chǎn)品主要用于通信系統(tǒng)天線定位機(jī)構(gòu)的精密傾角計(jì)，保證建筑物和橋梁安全的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)設(shè)備，以及各種工業(yè)平臺(tái)所用的穩(wěn)定器或調(diào)平器。出色的精度穩(wěn)定性和耐用性使其非常適用于高靈敏度傾斜傳感器和安全傳感器，以及高端數(shù)碼相機(jī)(DSC)的拍照防抖系統(tǒng)。

工業(yè)傳感器如何轉(zhuǎn)到消費(fèi)類?

　　在“2018慕尼黑上海電子展”上，霍尼韋爾(Honeywell)安全與生產(chǎn)力解決方案集團(tuán)傳感與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)王亮先生介紹了其傳感器制造理念。

　　物聯(lián)網(wǎng)給傳感器帶來(lái)了巨大機(jī)遇。作為專業(yè)傳感器廠商，霍尼韋爾也調(diào)整了戰(zhàn)略。傳統(tǒng)上，霍尼韋爾非常重視傳感器在關(guān)鍵領(lǐng)域的角色，例如四大市場(chǎng)——航空航天、工業(yè)、醫(yī)療和交通運(yùn)輸。但這兩年，霍尼韋爾也在進(jìn)入一些批量大的行業(yè)，諸如家電、消費(fèi)類電子、家庭醫(yī)療器材等，不過(guò)，即使是針對(duì)大批量市場(chǎng)，也盡量采用專門的傳感器。

　　盡量采用專門的傳感器

　　例如，2018年上半年，霍尼韋爾推出了第二代針對(duì)消費(fèi)者的“IAQ空氣偵探TM室內(nèi)空氣檢測(cè)儀”。

　　2017年底曾推出了第一代IAQ(圖4)，主要針對(duì)“四新家庭”(新房、新裝修、新家具、新車)的“四位一體”環(huán)境檢測(cè)，即可以精確檢測(cè)PM2.5、甲醛、溫度、濕度等空氣指標(biāo);監(jiān)測(cè)數(shù)值還可通過(guò)WiFi上傳到云端，用戶可以通過(guò)手機(jī)APP隨時(shí)隨地查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

　　第二代是六合一的IAQ空氣偵探TM，多出了二氧化碳和TVOC(總揮發(fā)性有機(jī)物)檢測(cè)。不僅如此，還會(huì)推出一個(gè)新功能——IQ%(腦活躍指數(shù))，把傳感器變成與人的健康、腦力和勞動(dòng)生產(chǎn)率提高相關(guān)的產(chǎn)品。因?yàn)槟X力工作者的工作效率除了和這個(gè)人的基因有關(guān)，還跟所處環(huán)境里的二氧化碳、TVOC，甚至PM2.5的濃度相關(guān)。

　　但是，目前市面上宣稱能夠測(cè)量PM2.5、甲醛的產(chǎn)品很多，有些測(cè)試得不太準(zhǔn)，使消費(fèi)者不太相信這類產(chǎn)品，為什么市場(chǎng)上其他一些傳感器不是那么準(zhǔn)確呢?因?yàn)橛行┯焉滩捎玫氖菧y(cè)量TVOC的通用傳感器，然后推算出想測(cè)的參數(shù)，例如甲醛。但是像發(fā)膠、香水等也會(huì)使TVOC的數(shù)值波動(dòng)，所以甲醛的測(cè)量就顯得不準(zhǔn)了。而霍尼韋爾堅(jiān)持用專門的傳感器去做專門的測(cè)量，無(wú)論是PM2.5、溫/濕度，還是甲醛以及未來(lái)的二氧化碳、TVOC等都是用專門的傳感器來(lái)做的。

　　那么，霍尼韋爾做的家用傳感器和工業(yè)傳感器有什么不同?實(shí)際上，即使是消費(fèi)級(jí)的，在工廠里生產(chǎn)的時(shí)候，也要專門為測(cè)這種氣體做一個(gè)傳感器。消費(fèi)級(jí)體現(xiàn)出來(lái)的是工作溫度不需要那么寬泛，不需要多么耐振動(dòng)和沖擊等。但是一定是保證這個(gè)傳感器是專門測(cè)這個(gè)指標(biāo)的，不能拿一個(gè)通用的產(chǎn)品，這樣會(huì)測(cè)不準(zhǔn)。

　　傳感器廠商如何涉足物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)?

　　是應(yīng)該做傳感器，還是現(xiàn)成的產(chǎn)品?王亮先生認(rèn)為這取決于客戶的需求和傳感器廠商自身的能力，要做一個(gè)綜合考慮。

　　一個(gè)路徑是自己關(guān)起門來(lái)研發(fā)。另一個(gè)路徑就是和市場(chǎng)上現(xiàn)有的做得較好的同行結(jié)成聯(lián)盟或合作伙伴。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)拓展以后，很多客戶需要的傳感器是跨界的，作為解決方案的提供者，僅靠自己一家也不夠。所以時(shí)髦的詞叫生態(tài)圈、生態(tài)鏈，目的就是為了和生態(tài)圈里的伙伴一起合作，來(lái)給客戶提供一個(gè)客戶想要的方案。

ams：CMV50000帶來(lái)更多差異化圖像傳感方案

　　成像與光學(xué)融合技術(shù)趨勢(shì)

　　就目前成像和傳感技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)來(lái)看，成像已經(jīng)不僅僅是用于捕捉圖像，而是通過(guò)應(yīng)用包括3D傳感、光譜傳感等傳感技術(shù)組合，實(shí)現(xiàn)差異化技術(shù)應(yīng)用。其中，在機(jī)器視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的潮流下，逐漸通過(guò)應(yīng)用3D傳感器實(shí)現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)功能;在通用的用戶交互方面，十年前開(kāi)始采用觸摸傳感器，現(xiàn)在我們可以看到在逐漸被人臉識(shí)別所取代，而未來(lái)我們還會(huì)看到更多諸如人眼跟蹤和手勢(shì)控制等技術(shù)的應(yīng)用;另外，在捕捉圖像和數(shù)據(jù)方面，也將會(huì)應(yīng)用事件觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)始終在線視覺(jué)發(fā)出關(guān)于領(lǐng)域內(nèi)最新動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于智能家居、智能建筑等需要智能化處理的應(yīng)用場(chǎng)景，例如使用攝像頭捕捉圖像，識(shí)別屋子里有多少人等。

　　ams針對(duì)當(dāng)下成像和視覺(jué)傳感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)成像與光學(xué)的融合，發(fā)展3D和高光譜圖像傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)差異化應(yīng)用。

　　CMV50000性能解析

　　CMV50000是一款35mm光學(xué)尺寸的圖像傳感器，7920 x 6002有效像素，像素尺寸4.6μm，采用ams已獲專利的8T像素結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有先進(jìn)的降噪功能和出色的電子快門效率。由于采用全局快門，而不是卷簾快門，所以該傳感器可捕獲快速移動(dòng)的物體圖像，且不會(huì)出現(xiàn)失真或運(yùn)動(dòng)偽影。

　　CMV50000可提供48M像素的高分辨率全局快門CMOS圖像傳感器。它使得需要UHD分辨率應(yīng)用的相機(jī)制造商可使用性能相當(dāng)?shù)腃MOS圖像傳感器代替CCD傳感器。相比CCD傳感器， CMOS圖像傳感器在相機(jī)設(shè)計(jì)中更易集成，幀率更高，功耗更低。

　　CMV50000在12bit全分辨率時(shí)的幀率達(dá)30fps，非常適合用在高速機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，如液晶顯示屏工廠中使用的自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)(AOI)設(shè)備。此外，它也適用于電視廣播設(shè)備和攝像機(jī)。

　　ams圖像傳感器解決方案事業(yè)部(ISS)高級(jí)副總裁兼總經(jīng)理Stephane Curral表示，CMV50000擁有4800萬(wàn)像素，支持8K分辨率30fps。該解決方案具有低噪聲、高幀率和高動(dòng)態(tài)范圍的特性，非常適用于自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用和專業(yè)消費(fèi)者視頻應(yīng)用。

　　AI：機(jī)器學(xué)習(xí)與3D圖像結(jié)合

　　談到關(guān)于AI以及機(jī)器學(xué)習(xí)，Stephane Curral指出ams正在大量地投資軟件方面的解決方案。當(dāng)圖像需要向外讀取的時(shí)候，3D圖像需要有一個(gè)與深度相關(guān)的數(shù)據(jù)。而這些數(shù)據(jù)必須使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式來(lái)進(jìn)行處理，這樣才是高效的。其中，機(jī)器學(xué)習(xí)和3D圖像應(yīng)該結(jié)合起來(lái)才能更好地工作。

　　而在這種3D成像領(lǐng)域，由于需要對(duì)近紅外光有高敏感度，例如通過(guò)激光，VCSEL可以對(duì)940nm的光譜進(jìn)行捕捉。此外在3D成像方面也要使用BSI背照技術(shù)，因此，ams的全局快門技術(shù)則大有所為。盡管很多公司聲稱自己有很多相關(guān)的IP，但是這些IP其實(shí)都是在電荷區(qū)域相關(guān)的。而電荷區(qū)域的IP與BSI的技術(shù)匹配并不是很好。ams通過(guò)收購(gòu)CMOSIS公司，獲得相關(guān)專利技術(shù)，使得他們能在這方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，BSI將來(lái)還會(huì)進(jìn)一步發(fā)展堆棧技術(shù)，同時(shí)也可以在ams原有的傳感器上放更多的晶圓來(lái)增強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)處理能力，使得邏輯處理更加高效和快速。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王曦.物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的傳感器和材料創(chuàng)新[J].電子產(chǎn)品世界,2016(1):27-29.

　　[2]Stefan Sch?fer.持續(xù)微型化：緊湊空間內(nèi)使用力傳感器系統(tǒng)保證質(zhì)量[J].電子產(chǎn)品世界,2016(2-3):19-20.

　　[3]王瑩,王金旺.智能感知的市場(chǎng)與發(fā)展[J].電子產(chǎn)品世界,2016(10):13-19.

　　[4]迎九.尤政院士談中國(guó)制造與傳感器/MEMS的發(fā)展前景[J].電子產(chǎn)品世界,2017(1):3-9.

　　[5]王瑩.MEMS傳感器的應(yīng)用走勢(shì)及提高精度的方法探討[J].電子產(chǎn)品世界,2017(11):15-19.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第6期第19頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。