ADI:充分理解應用場(chǎng)景 定義最恰當傳感器

伴隨以AI、5G 通信、大數據等為代表的智能化時(shí)代到來(lái)，傳感器作為重要的基礎電子元件，正處于高速發(fā)展階段。預計在半導體利好政策及下游應用領(lǐng)域的驅動(dòng)下，傳感器行業(yè)前景可期。以MEMS 傳感器市場(chǎng)為例，根據Yole Development 預測，2021-2027 年，全球MEMS市場(chǎng)規模將從136 億美元增長(cháng)至223 億美元，復合增長(cháng)率達9%。

傳感器產(chǎn)品類(lèi)型豐富多樣，場(chǎng)景應用是影響產(chǎn)品設計的關(guān)鍵因素，比如目前ADI已擁有MEMS慣性器件、MEMS麥克風(fēng)、MEMS時(shí)鐘、MEMS濾波器以及MEMS開(kāi)關(guān)等豐富的傳感器產(chǎn)品線(xiàn)，來(lái)滿(mǎn)足汽車(chē)、工業(yè)、醫療等各類(lèi)場(chǎng)景需求。以應用廣泛的ADI MEMS加速度計為例，其會(huì )根據應用場(chǎng)景的不同，在量程、功耗、噪聲等維度上有所側重，進(jìn)而對物體的加速度、轉動(dòng)、傾斜角、沖擊、振動(dòng)等狀態(tài)實(shí)施監測，提供數據分析支撐。

消費電子市場(chǎng)的疲軟確實(shí)對傳感器的出貨量有一定影響，但汽車(chē)電動(dòng)化智能化、工廠(chǎng)數字化、能源清潔化、醫療智慧化等也給傳感器市場(chǎng)帶來(lái)了前所未有的機會(huì )。以慣性MEMS 傳感器為例：汽車(chē)的電動(dòng)化帶來(lái)了電池碰撞檢測的機會(huì )，智能化帶來(lái)了輔助導航和平穩控制的機會(huì )；工廠(chǎng)數字化帶來(lái)了振動(dòng)監測的機會(huì )；能源清潔化帶來(lái)了各種水電、風(fēng)電、光伏、核電等設備的安全監測和姿態(tài)監測的機會(huì )；醫療智慧化也帶來(lái)了慣導手術(shù)機器人的機會(huì )等等。但這些產(chǎn)品和機會(huì )與消費電子市場(chǎng)所要的新穎功能不同，他們更關(guān)注穩定性、精度、功耗、體積、全溫性能等等，這就對傳感器廠(chǎng)商的研發(fā)和品控提出了更高的要求，對于以技術(shù)見(jiàn)長(cháng)的公司來(lái)說(shuō)，反而是發(fā)展的良機。

1   低功耗是基本需求

很多應用對功耗都有極致的追求，比如心臟起搏器、畜牧業(yè)、陣列位移計應用等，但對功耗的追求一定是建立在其它性能滿(mǎn)足要求的基礎上。比如陣列位移計應用要求加速度計一定要有足夠低的噪聲和足夠好的穩定度，當然由于采用電池或太陽(yáng)能極板供電，對器件的功耗也有很高的要求。但要知道，精度和功耗就像魚(yú)和熊掌，很難兼得。所以低功耗的產(chǎn)品一定是在充分理解了應用場(chǎng)景后定義設計出來(lái)的，如ADXL355 就是陣列位移計中的低功耗擔當，而ADXL367 則更適合于心臟起搏器、畜牧業(yè)和穿戴類(lèi)產(chǎn)品應用。當然低功耗也離不開(kāi)后端工藝的支持。未來(lái)低功耗的產(chǎn)品應該會(huì )朝著(zhù)定制化和智能化的方向發(fā)展，只有這樣才能實(shí)現真正系統級的低功耗。

可穿戴設備功能的增加意味著(zhù)在保證性能的同時(shí)，要實(shí)現小體積和低功耗。同時(shí)，要考慮提供更豐富的產(chǎn)品組合來(lái)滿(mǎn)足不同用戶(hù)的差異化定位，否則一味地提高集成度可能會(huì )帶來(lái)成本的上升，而這對于價(jià)格敏感的可穿戴設備來(lái)說(shuō)是難以接受的。再者，更高的集成度意味著(zhù)更高的競爭門(mén)檻，如果沒(méi)有足夠的IP 積累，很難陪客戶(hù)走得更遠。ADI 在該領(lǐng)域有PPG（光電容積描記）、ECG（心電圖）、身體阻抗分析、皮膚電活動(dòng)、運動(dòng)傳感、溫度檢測、環(huán)境監測技術(shù)，已經(jīng)集齊了七顆龍珠。對于可戴醫療設備而言，比如PPG追求更高的SNR和環(huán)境光抑制能力，ECG測量中的干電極問(wèn)題；身體阻抗分析BIA 中的接觸阻抗問(wèn)題；運動(dòng)計步中的混疊問(wèn)題等等。未來(lái)傳感器的迭代會(huì )持續改善這些性能，簡(jiǎn)化用戶(hù)的設計使用。

醫療可穿戴用傳感器的降噪、信號采集和補償等精度指標精益求精，比如，在一些類(lèi)似于心臟起搏器或者是心臟條件監測的應用中，醫生會(huì )配置低功耗的傳感器，借助超低噪聲的模式，去捕捉非常微小的心臟變化。如果噪聲密度足夠低，就能捕捉到非常小的信號。

可穿戴設備功能的增加意味著(zhù)在保證性能的同時(shí)，要實(shí)現小體積和低功耗。同時(shí)，要考慮提供更豐富的產(chǎn)品組合來(lái)滿(mǎn)足不同用戶(hù)的差異化定位，否則一味地提高集成度可能會(huì )帶來(lái)成本的上升，而這對于價(jià)格敏感的可穿戴設備來(lái)說(shuō)是難以接受的。再者，更高的集成度意味著(zhù)更高的競爭門(mén)檻，如果沒(méi)有足夠的IP 積累，很難陪客戶(hù)走得更遠。ADI 在該領(lǐng)域有PPG（光電容積描記）、ECG（心電圖）、身體阻抗分析、皮膚電活動(dòng)、運動(dòng)傳感、溫度檢測、環(huán)境監測技術(shù)，已經(jīng)集齊了七顆龍珠。

對于可穿戴醫療設備而言，比如PPG 追求更高的SNR和環(huán)境光抑制能力，ECG測量中的干電極問(wèn)題；身體阻抗分析BIA中的接觸阻抗問(wèn)題；運動(dòng)計步中的混疊問(wèn)題等等。未來(lái)傳感器的迭代會(huì )持續改善這些性能，簡(jiǎn)化用戶(hù)的設計使用。

醫療可穿戴用傳感器的降噪、信號采集和補償等精度指標精益求精，比如，在一些類(lèi)似于心臟起搏器或者是心臟條件監測的應用中，醫生會(huì )配置低功耗的傳感器，借助超低噪聲的模式，去捕捉非常微小的心臟變化。如果噪聲密度足夠低，就能捕捉到非常小的信號。

未來(lái)，醫療可穿戴傳感器技術(shù)將向低功耗下高靈敏度、多傳感器融合、良好生物兼容性的傳感器材料等方向發(fā)展，同時(shí)具備以下特性。

超低功耗：功耗對于用戶(hù)體驗至關(guān)重要，越低越好；低靜態(tài)電流芯片有利于實(shí)現低功耗，延長(cháng)待機時(shí)間。

高可靠性：適應各種環(huán)境；良好的機械設計，防止設備受損；有時(shí)需防水。

尺寸小巧：更小更先進(jìn)的封裝以提高集成度、外部元件越少越好。

連接功能：需要低功耗藍牙、Wi-Fi 連接以訪(fǎng)問(wèn)其他智能設備；數據同步和應用程序自動(dòng)升級。

2   人工智能與傳感器

傳感器與人工智能的結合是大勢所趨，但不應該是簡(jiǎn)單的堆砌?？陀^(guān)上講，用戶(hù)期望傳感節點(diǎn)能夠更智能，這就簡(jiǎn)化了對數據傳輸的要求，減輕了數據處理中心的負擔，實(shí)時(shí)性也可以有極大改善。主觀(guān)上講，芯片廠(chǎng)商也有意愿集成更多的邊緣計算能力和軟件處理，更豐富的功能才有可能維持一個(gè)較理想的平均售價(jià)。但如果只是簡(jiǎn)單的將各種功能集成到一個(gè)器件，而不從最終應用角度出發(fā)的話(huà)，可能只是事倍功半，比如給所有傳感器都加一個(gè)功能強大的AI 內核，可能就是一種功能的浪費，隨之而來(lái)的是無(wú)謂的成本增加和功耗變大。只有從客戶(hù)應用角度出發(fā)，通過(guò)數據積累，集成對應算法解決方案，降低用戶(hù)使用門(mén)檻，才能讓傳感器與人工智能的結合被更廣泛的市場(chǎng)采納。

基于數十載深厚積淀，ADI 對智能化傳感器演進(jìn)有獨到見(jiàn)解。面對未來(lái)智能傳感器的核心應用領(lǐng)域——邊緣計算，ADI 提出了“智能邊緣”的戰略重心，實(shí)現在數據產(chǎn)生的源頭更好地解譯現實(shí)世界、形成富有洞察的操作。在現有的成熟且具有優(yōu)勢的“傳感器+ 模擬”架構基礎上，從應用角度出發(fā)，在傳感器端融入數字信號處理、微控制器、AI/ML 加速器等功能，從硬件、軟件兩大維度出發(fā)，持續提升傳感器的智能化水平。通過(guò)構建和交付模擬、數字以及軟件整體解決方案，幫助客戶(hù)解決不同場(chǎng)景應用挑戰，成功實(shí)現增強現實(shí)、智慧工廠(chǎng)、智慧能源等智能化應用。

從技術(shù)角度來(lái)看，應用會(huì )在高可靠性、低成本、復雜系統領(lǐng)域對模塊有更強烈的需求。比如航空航天領(lǐng)域對可靠性有高要求，器件要滿(mǎn)足DO-178、DO-254 等行業(yè)標準，集成度越高越可能簡(jiǎn)化用戶(hù)設計，降低在客戶(hù)端出問(wèn)題的可能性。再比如消費類(lèi)產(chǎn)品或者說(shuō)To C的產(chǎn)品，對價(jià)格極其敏感，將更多的裸die 封到一起，降低封裝和測試成本對用戶(hù)來(lái)說(shuō)也是非常有吸引力的。再比如農業(yè)自動(dòng)化或工程機械的無(wú)人駕駛領(lǐng)域，需要融合很多傳感器和復雜算法，還要考慮在不同使用場(chǎng)景下的精度，比如路面顛簸情況、早晚和南北方的溫差情況、長(cháng)期穩定性等，那么集成傳感器、信號調理、溫度測試、全溫補償的模塊對用戶(hù)來(lái)說(shuō)就會(huì )起到事半功倍的效果。ADI的MEMS IMU就是基于這樣的市場(chǎng)需求來(lái)研發(fā)生產(chǎn)的。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期）