工業(yè)傳感器的發(fā)展方向

作者 / 王瑩 毛爍 《電子產(chǎn)品世界》記者

摘要: 隨著新技術革命的到來，小型化、智能化、多功能化、綜合化是目前傳感器發(fā)展的主要方向。為此，本媒體邀請國內外元器件巨頭介紹傳感器的發(fā)展方向。

ADI：新型傳感器推進智能制造

　　智能制造和新制造就是要通過各種傳感器讓機器能和人對話，目前ADI專注的領域是振動分析，當然，一般振動分析會結合溫度檢測應用。通過振動分析，可以保證機器的安全性，做預維護，量產(chǎn)保證以及質量監(jiān)控。

　　ADI基于對MEMS傳感器以及模擬電路設計經(jīng)驗的積累，于近兩年發(fā)布了一系列超低噪聲的振動傳感器，也就是ADXL100x系列加速度計。它們可以用來替代傳統(tǒng)的壓電傳感器，可以說是列劃時代的產(chǎn)品，使得智能制造成為可能。與傳統(tǒng)的壓電傳感器相比，MEMS的振動傳感器有非常多的優(yōu)勢，比如說MEMS可以低頻甚至是直流信號，但壓電的就不行，這是受其設計原理的限制。再就是耐沖擊的能力;隨著時間和溫度變化，傳感器的穩(wěn)定性;整個測量范圍內的線性度;刻度因子的平坦度;物理尺寸;傳感器是否能自檢等等。這些都是MEMS振動傳感器的優(yōu)點。還有最重要的一點就是價格，由于壓電傳感器需要手工制作，既無法保證一致性，又使得其成本很高，很難享受規(guī)模效應所帶來的好處，但MEMS振動傳感器是采用的標準半導體工藝，很容易利用規(guī)模效應來控制成本，使得其與壓電傳感器相比，有明顯的價格優(yōu)勢。這樣，才能讓所有的機器說話，因為其成本是可接受的。

ams：光學、環(huán)境和圖像傳感器領域的核心競爭力

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0或者智能制造，其核心都在于如何建立一個具備高度智能、高度柔性的體系，來進一步打破生產(chǎn)型企業(yè)固有的邊界效應。傳感、網(wǎng)絡、決策、執(zhí)行是整個體系的關鍵環(huán)節(jié)，而更高性能、更高集成度的傳感器則是整個體系自洽的基石。相較而言，ams對環(huán)境監(jiān)控、運動控制、圖像采集等類型的產(chǎn)品更為期待。

　　立足于公司在光學、環(huán)境和圖像傳感器領域的核心競爭力，ams為工業(yè)市場準備了以下幾類創(chuàng)新的解決方案：

　　(1)更高精度、更寬動態(tài)范圍的溫濕度、氣壓、顏色、亮度、揮發(fā)氣體等傳感器及其融合產(chǎn)品;

　　(2)磁傳感器，為直線與旋轉運動機構提供高精度、易實現(xiàn)的解決方案;

　　(3)更高分辨率與集成度、更小封裝的圖像傳感器;

　　(4)行業(yè)領先的超聲波流量計量技術，實現(xiàn)精度穩(wěn)定性與動態(tài)范圍的數(shù)量級改進;

　　(5)行業(yè)領先的激光測量技術，提供包括垂直腔面發(fā)射器、單光子雪崩二極管陣列、多通道高精度時間數(shù)字轉換器在內的核心器件，為激光雷達的進一步集成化、小型化和更卓越的成本控制提供可能。

SmartSens：圖像傳感器逐漸取代傳統(tǒng)傳感器

　　思特威(SmartSens)非常看好圖像傳感器領域，在該領域，CMOS圖像傳感器技術取代傳統(tǒng)CCD傳感器技術是最主要的技術發(fā)展趨勢。隨著設計技術和制造工藝的不斷提升，CMOS圖像傳感器技術逐漸成熟，相較于CCD傳感器技術，CMOS圖像傳感器技術具備如下優(yōu)勢：

　　● 集成度高

　　● 應用簡單：無需像CCD技術在使用中配置外接AD，調試也更為簡單

　　● 成本可控

　　● 分辨率與幀率相較CCD技術更容易提升

　　基于這些優(yōu)勢，目前越來越多的成像系統(tǒng)應用都開始以CMOS圖像傳感器技術作為核心模塊進行產(chǎn)品與系統(tǒng)設計。

　　同時，隨著應用端對圖像傳感器的要求越來越高，為了保證優(yōu)秀的成像性能，CMOS圖像傳感器的設計生產(chǎn)工藝也會逐漸從FSI工藝(前照式工藝)轉向BSI(背照式工藝)工藝來提高Sensor的靈敏度(低光照條件下的成像效果)，再通過優(yōu)秀的Pixel架構設計和工藝保障來增強傳感器的噪聲控制，從而達到適應更多的應用場景的目的。

　　此外，未來的CMOS圖像傳感器還會面向應用進行垂直方向的產(chǎn)品化演變，結合應用特性和成本需求在Rolling Shutter(卷簾快門)和Global Shutter(全局快門)兩種不同的技術上進行相應的技術衍生：

　　● Rolling Shutter CMOS圖像傳感器技術上會向大分辨率(4K，16K)，高幀率，多幀HDR(2F-exposure，3F-exposure，4F-exposure), 內置ISP，RGBIr，RGBW等技術方向進行進化。

　　● Global Shutter CMOS圖像傳感器技術則更貼合AI(智能感知/識別)應用，也會向著大分辨率，高幀率，Single-Frame HDR，Stacked工藝，內部集成可編程邏輯資源等技術發(fā)展方向進行進化。

　　作為CMOS圖像傳感器技術創(chuàng)新的領導者，思特威(SmartSens)在產(chǎn)品和技術的創(chuàng)新上始終秉承“服務于應用技術的發(fā)展趨勢”這一理念，在BSI(背照式工藝)、Pixel架構設計、制造工藝、Rolling Shutter(卷簾快門)和Global Shutter(全局快門)等方面持續(xù)投入資源進行創(chuàng)新開發(fā)。目前，思特威在Rolling Shutter(卷簾快門)和Global Shutter(全局快門)兩大CMOS圖像傳感器技術上均擁有深厚的技術和產(chǎn)品積累，并且實現(xiàn)了世界首創(chuàng)的BSI工藝和Global Shutter CMOS圖像傳感器設計技術的有機結合。

　　基于這些技術創(chuàng)新積累，思特威目前推出了三大產(chǎn)品系列——Smart Pixel、Smart Clarity、Smart GS，在安防監(jiān)控、人工智能市場上的深受好評。目前，思特威已經(jīng)熟練掌握的先進創(chuàng)新技術包括：基于BSI工藝/Stacked工藝的圖像傳感器設計、高增益下的圖像傳感器噪聲控制、Global Shutter 的單幀HDR等多項行業(yè)內領先的圖像傳感器設計技術。未來，思特威還將推出更多符合各領域應用特性的CMOS圖像傳感器創(chuàng)新技術和產(chǎn)品。

TDK推出新工藝傳感器

　　自動化設備要對設備控制的控制模塊和周圍環(huán)境的各種參數(shù)實施監(jiān)控，最基本的溫度和壓力監(jiān)控將成為一種普遍的趨勢。例如：對控制主芯片、IGBT、MOSFET、二極管的溫度監(jiān)測，可以防止持續(xù)的運行過程中工作溫度的持續(xù)升高而導致主要的核心電子元件的功能失效。而NTC熱敏電阻作為性價比最高的溫度保護元件，可以持續(xù)的提供周邊的溫度數(shù)據(jù)監(jiān)控，當溫度達到控制模塊設定的臨界點時，啟動設備的保護系統(tǒng)來降低設備的溫度。在工業(yè)設備應用中，電源模塊、各種控制板都采用這種模式。而壓力傳感器在工業(yè)自動化中也成為不可或缺的關鍵器件，例如：對設備運行中氣體和流體的壓力監(jiān)控從而促使設備的運行更加平穩(wěn)。

　　基于工業(yè)自動化控制精度的提高，對溫度傳感器的工作溫度范圍、精度、以及可靠性要求也越來越高，TDK推出了一系列的新產(chǎn)品來滿足市場要求.

　　愛普科斯S860系列是基于陶瓷芯片的技術和工藝，在120℃溫度下，溫度偏差為2℃，適用于IGBT的芯片封裝。 將熱敏電阻封裝在IGBT中，可以保證IGBT模塊在最高功率條件下正常工作。

　　愛普科斯M703系列，工作溫度區(qū)間從-55℃到150℃，可以滿足雙85的要求。 此系列產(chǎn)品適用于光伏逆變器和工業(yè)控制模塊，也非常適合應用于新能源汽車中的OBC/DC-DC模塊。

　　現(xiàn)今3D打印快速發(fā)展。 因為高溫新材料的應用, 加熱系統(tǒng)以及噴嘴溫度超過300℃，普通的熱敏電阻已經(jīng)滿足不了高溫的要求。TDK推出了最高工作溫度為650℃的愛普科斯溫度傳感器可以很好的滿足此類需求.，并且這款產(chǎn)品也適用于汽車行業(yè)。

　　壓力傳感器對流體的壓力控制導致介質會接觸芯片本體。為了保護芯片， TDK推出了小型化的愛普科斯充油壓力傳感器MiniCell?，用不銹鋼隔膜將壓力芯片封裝起來， 杜絕了腐蝕性介質對芯片的損壞。

　　傳統(tǒng)的壓力芯片是通過膠水固定在基座上，但由于不同客戶選擇不同的膠水型號以及基座本身材質的不同，都會對芯片的使用和測量精度有影響。為了解決此類問題，TDK推出了芯片背面鍍金以及焊盤鍍金設計，客戶可以直接采用貼裝的形式來固定壓力芯片，很好的解決了客戶安裝的問題。

村田：利用傳感器準確評估安全性

　　最近屢有由于臺風、地震等自然災害對基礎設施造成傷害的新聞報道。人眼可見的損傷可以提前警示，從而降低發(fā)生更嚴重事故的風險，那么對于無法察覺的損傷如何進行預警呢?這里介紹下Murata(村田)利用MEMS傳感器進行建筑物健康監(jiān)控方面的應用。

　　雖然人眼可能無法察覺，但通過測量建筑物的振動或彎曲，是可以更早地發(fā)現(xiàn)大樓，橋梁，隧道和其它基礎設施結構性故障的，從而更快地發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。

　　可是，要建立這種監(jiān)控建筑物的系統(tǒng)，不但要求測量精度高，功耗小，而且需要能夠適應不同安裝環(huán)境，具有高可靠性的零部件。村田MEMS傳感器正是可以構建建筑物監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件。村田的MEMS傳感器既有高精度和溫度穩(wěn)定性(+/-15mg, -40~125degC)，在測量時可以保持非常低的噪聲水平(1ug/sqrt Hz)，功耗低，但精確度足以滿足監(jiān)測建筑物微小變化的要求。

　　以村田SCA3300系列三軸加速度傳感器為例，它是一款設計十分緊湊的傳感器，外形尺寸為：7.6×8.6×3.3mm，封裝在預成型的雙扁平引線SMD外殼中。正常工作時只有1mA的功耗電流，在低功耗模式下，功耗還能進一步降低至0.5mA左右。這款產(chǎn)品具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和低噪音性能，良好的抗振動特性，采用SPI數(shù)字接口，具備優(yōu)越的機械阻尼特性，可以運用在調平和校準系統(tǒng)、重型機械的慣性測量裝置、導航系統(tǒng)、自動引導車(AVG)以及施工測量設備等領域。

　　運用村田的MEMS傳感器對建筑物進行健康監(jiān)控，能夠及時有效地發(fā)現(xiàn)建筑物結構損傷，準確評估其安全性，對于減少國家建筑損失、保障人民生命及財產(chǎn)安全具有重大的意義。相信隨著社會的發(fā)展進步，這一技術將越來越多地被用來保證建筑物的“健康”。

安森美：新型傳感器具有融合匹配能力

　　企業(yè)正尋求更好的信息以幫助提高運營效率。這意味著需要采集更多細化的測量數(shù)據(jù)，且這些測量跨越更廣泛的主題范圍。傳感器正被大量部署以收集這些信息，并將這些信息匯聚到運營管理工具中。從農業(yè)到動物學等各行各業(yè)都在部署傳感器，測量各種物品，從金槍魚到火車，從卡車到草坪等。

　　安森美半導體專注于簡化這廣大范圍的傳感器的部署和管理，其中一種創(chuàng)新方案是開創(chuàng)了“即剝即貼即讀”(Peel-Stick-Read)的標簽，提供所有現(xiàn)有的RFID跟蹤和跟蹤功能，且還是免電池、無線、低成本的傳感器，可測量溫度、液位和進行漏水檢測。

　　這些智能無源傳感器應用廣泛，包括建筑、醫(yī)療、預測維護、運輸和食品制備等領域。但客戶需要更廣泛的感知能力。為了應對這一挑戰(zhàn)，安森美半導體推出了一個新的標簽平臺，具有融合和匹配能力，可將不同類型的傳感器集成到單個標簽上。該標簽可以完成能量收集，也可以為全天候數(shù)據(jù)采集供電。

　　安森美半導體廣泛的設計和制造能力能基于各種基板定制具有不同尺寸、傳感器、顯示配置選項、內存和上行鏈路備擇的標簽，為客戶應用環(huán)境優(yōu)化標簽。安森美半導體的全球支援、客戶群、制造能力和提供產(chǎn)品的靈活性為客戶提供最佳方案助其快速部署新的傳感器。

　　客戶與安森美半導體探索這些智能無源傳感器的應用范圍之廣，令人難以置信，包括監(jiān)測任何移動物體的狀態(tài)、重量和方向，以及任何不移動的環(huán)境狀況和建筑強度。整個技術領域對各種傳感器的需求不減。安森美半導體期待新的合作伙伴關系，結合傳感器、顯示、通信、電源和處理技術，實現(xiàn)一種簡單部署、最容易實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集方案，增強運營、監(jiān)測健康狀況和提高效率。