智能制造和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，傳感器廠(chǎng)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)是傳感器應用的下一波浪潮，消費類(lèi)MEMS傳感器轉到工業(yè)類(lèi)時(shí)需要校正性能、延長(cháng)供貨周期等改變。與此同時(shí)，一些傳統的老牌工業(yè)傳感器廠(chǎng)商也看好物聯(lián)網(wǎng)、消費類(lèi)等大批量市場(chǎng)，在把產(chǎn)品推向市場(chǎng)時(shí)，堅持做專(zhuān)門(mén)的傳感器;根據市場(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地收購一些有專(zhuān)利的公司。

MEMS傳感器從消費類(lèi)轉到工業(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(chēng)，MEMS傳感器的第二波浪潮是工業(yè)，為此ST正在轉型。

　　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(cháng)歷程，尤其是手機產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)。但手機產(chǎn)業(yè)在過(guò)去一兩年里沒(méi)有像以前那樣出現數量增長(cháng)的紅利，原因有兩點(diǎn)：第一，應用于手機的MEMS總量基本持平，沒(méi)有增長(cháng);第二，在單機里，沒(méi)有新型MEMS加入，造成單機MEMS的價(jià)值沒(méi)有提升，單機的傳感器數量也保持穩定。

　　因此業(yè)界有這樣一種質(zhì)疑聲：下一波MEMS在哪里?現在看起來(lái)，下一波MEMS產(chǎn)業(yè)浪潮可能在工業(yè)和汽車(chē)、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，在數量上也是非?？捎^(guān)的。

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

　　但在過(guò)去兩三年里，業(yè)內一直在談物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)，這些領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)是“數據”，很多智能終端在采集數據，很多公司花巨資投入云服務(wù)。在工業(yè)和汽車(chē)方面，最近出現了自動(dòng)化、智能化趨勢，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，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里的作用大得多。

　　工業(yè)與消費類(lèi)傳感器的差別

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

　　第二波將在汽車(chē)和工業(yè)類(lèi)中應用越來(lái)越多，要求的性能和精度更高。因為工業(yè)類(lèi)對性能和精度的特殊要求，可能同一類(lèi)別的工業(yè)傳感器和消費類(lèi)傳感器有幾倍的差別，如圖2。

　　這對于整個(gè)產(chǎn)品的定義、規劃、制造、研發(fā)都會(huì )帶來(lái)新的挑戰。

　　?制造。要達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.測試和校正工藝/能力提升。

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

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

　　?高性能。目前為止，大部分人對MEMS生產(chǎn)的理解還是在過(guò)去消費類(lèi)市場(chǎng)里的應用。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。但在智能制造、智能工業(yè)中，是機器與機器之間的對話(huà)、互動(dòng)，同樣要去檢測聲音，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、馬達是否工作異常等信息。

　　再例如，人機界面互動(dòng)的應用場(chǎng)景，即使對于同一款傳感器，由于應用場(chǎng)景不同，規格也會(huì )有區別。

　　傳感器的性能提升還有一個(gè)很重要的因素——溫度。實(shí)際應用場(chǎng)景下，溫度并不是在常規下，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，通過(guò)很好的溫度校正，就可使整個(gè)性能達到更佳狀態(tài)。

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

　　可見(jiàn)，隨著(zhù)傳感器走出消費類(lèi)應用，走近工業(yè)類(lèi)應用，產(chǎn)品應用需求的變化導致了對于產(chǎn)品的需求不一樣，因此MEMS廠(chǎng)商向客戶(hù)做出的承諾也不同。

　　前裝和后裝的市場(chǎng)分析

　　第一種是在新機器設備開(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。根據市場(chǎng)報告，每年約有七八千萬(wàn)新設備的市場(chǎng)容量，其中約有40%~50%的設備是智能的。

　　然而，整個(gè)行業(yè)里最大的市場(chǎng)在于既有的機器設備，有的裝了幾年，有的裝了幾十年。這時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)和傳感器的方式把機器設備進(jìn)行有效的連接。這部分的市場(chǎng)前景更大，約有8億臺的機器設備。但現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(zhù)云服務(wù)的發(fā)展逐漸體現出來(lái)，相信這會(huì )是呈指數型增長(cháng)的趨勢。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)設備，預計在未來(lái)一到三年內，改裝市場(chǎng)的占比也會(huì )達到雙位數。

　　需要特別指出的是，如果真的在現有設備上加裝元器件，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，因為ST傳感器是從消費類(lèi)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用，裝上去以后整個(gè)的生命周期會(huì )達到幾年以上。

　　ST的高精度傾角計等新產(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——IS3DHHC，是2018年第一款亮相的新傳感器。作為一款高分辨率、高穩定性的3軸加速度計，即便長(cháng)時(shí)間運行或處于溫度變化很大的環(huán)境內，IS3DHHC也能夠確保測量的精準度。該款產(chǎn)品主要用于通信系統天線(xiàn)定位機構的精密傾角計，保證建筑物和橋梁安全的結構健康監測(SHM)設備，以及各種工業(yè)平臺所用的穩定器或調平器。出色的精度穩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，以及高端數碼相機(DSC)的拍照防抖系統。

工業(yè)傳感器如何轉到消費類(lèi)?

　　在“2018慕尼黑上海電子展”上，霍尼韋爾(Honeywell)安全與生產(chǎn)力解決方案集團傳感與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)產(chǎn)品市場(chǎng)總監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)了巨大機遇。作為專(zhuān)業(yè)傳感器廠(chǎng)商，霍尼韋爾也調整了戰略。傳統上，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)、醫療和交通運輸。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、消費類(lèi)電子、家庭醫療器材等，不過(guò)，即使是針對大批量市場(chǎng)，也盡量采用專(zhuān)門(mén)的傳感器。

　　盡量采用專(zhuān)門(mén)的傳感器

　　例如，2018年上半年，霍尼韋爾推出了第二代針對消費者的“IAQ空氣偵探TM室內空氣檢測儀”。

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

　　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)性有機物)檢測。不僅如此，還會(huì )推出一個(gè)新功能——IQ%(腦活躍指數)，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。因為腦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(chēng)能夠測量PM2.5、甲醛的產(chǎn)品很多，有些測試得不太準，使消費者不太相信這類(lèi)產(chǎn)品，為什么市場(chǎng)上其他一些傳感器不是那么準確呢?因為有些友商采用的是測量TVOC的通用傳感器，然后推算出想測的參數，例如甲醛。但是像發(fā)膠、香水等也會(huì )使TVOC的數值波動(dòng)，所以甲醛的測量就顯得不準了。而霍尼韋爾堅持用專(zhuān)門(mén)的傳感器去做專(zhuān)門(mén)的測量，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(zhuān)門(mén)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，即使是消費級的，在工廠(chǎng)里生產(chǎn)的時(shí)候，也要專(zhuān)門(mén)為測這種氣體做一個(gè)傳感器。消費級體現出來(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(zhuān)門(mén)測這個(gè)指標的，不能拿一個(gè)通用的產(chǎn)品，這樣會(huì )測不準。

　　傳感器廠(chǎng)商如何涉足物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)?

　　是應該做傳感器，還是現成的產(chǎn)品?王亮先生認為這取決于客戶(hù)的需求和傳感器廠(chǎng)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(mén)來(lái)研發(fā)。另一個(gè)路徑就是和市場(chǎng)上現有的做得較好的同行結成聯(lián)盟或合作伙伴。因為物聯(lián)網(wǎng)拓展以后，很多客戶(hù)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(hù)提供一個(gè)客戶(hù)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

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

　　ams針對當下成像和視覺(jué)傳感技術(shù)發(fā)展趨勢，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)現差異化應用。

　　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(zhuān)利的8T像素結構。該結構具有先進(jìn)的降噪功能和出色的電子快門(mén)效率。由于采用全局快門(mén)，而不是卷簾快門(mén)，所以該傳感器可捕獲快速移動(dòng)的物體圖像，且不會(huì )出現失真或運動(dòng)偽影。

　　CMV50000可提供48M像素的高分辨率全局快門(mén)CMOS圖像傳感器。它使得需要UHD分辨率應用的相機制造商可使用性能相當的CMOS圖像傳感器代替CCD傳感器。相比CCD傳感器， CMOS圖像傳感器在相機設計中更易集成，幀率更高，功耗更低。

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

　　ams圖像傳感器解決方案事業(yè)部(ISS)高級副總裁兼總經(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)檢測系統、機器視覺(jué)應用和專(zhuān)業(yè)消費者視頻應用。

　　AI：機器學(xué)習與3D圖像結合

　　談到關(guān)于A(yíng)I以及機器學(xué)習，Stephane Curral指出ams正在大量地投資軟件方面的解決方案。當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)的數據。而這些數據必須使用機器學(xué)習的方式來(lái)進(jìn)行處理，這樣才是高效的。其中，機器學(xué)習和3D圖像應該結合起來(lái)才能更好地工作。

　　而在這種3D成像領(lǐng)域，由于需要對近紅外光有高敏感度，例如通過(guò)激光，VCSEL可以對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(mén)技術(shù)則大有所為。盡管很多公司聲稱(chēng)自己有很多相關(guān)的IP，但是這些IP其實(shí)都是在電荷區域相關(guān)的。而電荷區域的IP與BSI的技術(shù)匹配并不是很好。ams通過(guò)收購CMOSIS公司，獲得相關(guān)專(zhuān)利技術(shù)，使得他們能在這方面有獨特的優(yōu)勢。當然，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)增強傳感器的數據處理能力，使得邏輯處理更加高效和快速。

　　參考文獻：

　　[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.持續微型化：緊湊空間內使用力傳感器系統保證質(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傳感器的應用走勢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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。