壓力傳感器及信號調理芯片的技術市場及工程實踐

　　要把質量做好，基本要素是設計。只有一個好的設計才能保證這個產品的質量。設計里有兩個內容，有技術沒經驗不行，有經驗沒技術也不行。有經驗，你只能照著原來的產品做，但不可能創(chuàng)新，一創(chuàng)新可能就會出錯，也就是不該動的地方給動了。有了技術，你就知道哪個地方是要害，哪些地方可動、不可動，這樣才能使產品在更新?lián)Q代的過程中質量不容易出錯。

　　設計完成之后，接下來是工藝。實際上，在設計過程中要考慮到產品在實現(xiàn)過程中的保障性。工藝還有一個方面，要根據(jù)人員的素質條件，包括自己的機器設備、環(huán)境。例如有些企業(yè)的自動化程度沒那么高，可能更重要的是把人的精細程度校驗好。一般在自動化程度不是很高或半自動化企業(yè)，生產管理人員是非常難干的工作，稍微有點差異就會出錯，因為人的因素太多，冬天和夏天不一樣，年初和年末也不一樣。例如年初新手較多，年末有人要跳槽。冬天北方太冷，有的人可能凍得不行;夏天南方太熱，可能有的人煩燥。這些都是影響產品質量的因素。

　　第四個要素，壓力變送器生產過程中質量控制節(jié)點設置的準備程度和執(zhí)行情況。這些要靠從業(yè)人員精準地把握每一個傳感器質量的節(jié)點控制。

　　第五，對外來器件和原材料的保證。材料控制對傳感器生產企業(yè)也是一個關鍵問題，因為國內很多傳感器企業(yè)是小企業(yè)，質量控制的戰(zhàn)線不是很長。當然一些大企業(yè)可能控制得長，會控制供應商，再控制供應商的供應商。好的企業(yè)是五級控制，至少也是三級才能保證。

　　有兩個真實的案例。給中星測控供應清洗液的供應商是德國一家知名公司，德國公司以前用某家清洗液很少出問題，結果有一段時間大批量出問題，剛好西北地區(qū)的空氣比較干燥，在中星測控這里顯現(xiàn)不出來，到了潮濕地區(qū)就發(fā)現(xiàn)問題，在清洗液中有殘留的鈉離子和水汽，水汽凝聚導致產品的絕緣性不好。中星測控花了很多時間，問德國質量控制有沒有什么變化，德國說沒有變化，那么再往上查，德國公司的董事長、總工程師也來了，在他們層面找不出問題，然后再往上找他們的供應商，結果發(fā)現(xiàn)是清洗液的問題?？梢姡绻芸刂频饺?、四級、五級，這個問題可能就不會發(fā)生。

　　還有一次是密封圈?？照{的密封圈非常重要。也許這種密封圈只能適應某幾種機型，那種密封圈適用另外幾種，如果選擇不當就會導致致命問題。中星測控選擇了一款密封圈，該密封圈生產企業(yè)在國內很知名，給嫦娥二號空間站做過密封圈，他們的機器設備和人員素質堪稱一流，但是給中星測控做的密封圈出了問題。問題也不出在他們這里，而是他們上級的來料。當然這款產品是在大批量生產時出現(xiàn)的問題。中星測控當時有6000多支全部撤回。

　　4 堅守國際市場

　　開拓國際市場很難，但是要把國際守住可能會更難，因為還要和大公司進行競爭。如何做?新起點、新技術、新材料的快速應用。在“快”上面下功夫。質量是旗幟，技術是旗手、后盾。技術在產品質量中發(fā)揮的作用，在設計階段已經起到了非常大的作用。在設計過程中要考慮的問題，就是每一個環(huán)節(jié)用技術把它保障起來。在傳感器技術里要設計一些自用的裝備，因為很多機器裝備沒有通用的測試設備，例如萬用表，在市場上可以直接購買，沒有的設備，只能靠企業(yè)自身的能力開發(fā)。

　　還有，設計過程中要涉及的EMC、EMI、ESD，這些都是隱性層面的。會出現(xiàn)這樣的事：一個客戶買了一個變送器，買去測試是壞的，很生氣;但生產廠家也很生氣，稱在生產時是好的，質檢也是好的。結果是因為ESD設計時有靜電問題。生產技術、工裝夾具、自動化、半自動化生產設備的研發(fā)、質量控制，即人們平時說的設計、工藝、配套、生產、管理質量提高這5個環(huán)節(jié)是不是都到位，即你要的結果是不是自然到了這個地方去，而不需反復糾正。如果反復糾正可能就有問題。森薩塔有一句話：產品不能返工，要從生產和設計上去找問題。因為一返工可能就會把問題掩蓋掉。這符合六西格瑪?shù)睦砟睢?/p>

　　中星測控要使工藝、設計和產品達到做好容易、做壞難。

　　5 物聯(lián)網對傳感器的挑戰(zhàn)及應用探索

　　現(xiàn)在無線越來越普遍。沒有線確實會節(jié)約很多成本，而且有些地方不可能有線，有線沒有辦法操作。例如不久前新聞報道的福建海上風力發(fā)電廠，操作人員在上海，在海上建的傳感器，要把傳感器的信號傳到岸上，就算到了岸上拿有線傳輸也很貴。再一個是工業(yè)現(xiàn)場也開始無線了。過去人們有一個誤區(qū)，無線的都不可靠，只有有線的可靠。但是嫦娥沒有線，工作也很好。所以大家一定要朝著無線方向努力。

　　第二，低功耗。

　　第三，體積小，符合環(huán)保要求。

　　第四，智能化，簡單實用和安裝方便。

　　根據(jù)上述方向來拓寬市場。中星測控公司曾做了一個老人監(jiān)護系統(tǒng)，和手機的部分功能類似，但是體積非常小，可以裝在口袋里或者是掛在脖子上，老人摔倒或走丟、血壓異常都可以及時反饋，便于家人監(jiān)控。但可笑之處是該產品花了很大功夫在國內推廣，但沒在國內做起來。在國內，中星測控甚至送給那些老人體驗，老人睡一晚上說不行，為什么?兒子本來就不愛看他，有了這東西，更不會來看了。但這類產品在國外有市場，中星測控95%賣給國外了，主要是美國，因為國外的老人和兒子一般不住在一起，而且美國本身就有老人管理公司。中星測控和美國最大的一家老人管理公司合作，給他們提供該設備，里邊有壓力傳感器，老人摔倒時有角度和壓力變化，通過換算來進行提醒。

　　還有車位傳感器。有了這個設備以后，去之前可以看一下有沒有車位，還可以提前預訂。還有城市的道路交通是否擁堵，可以給你選擇一個最佳路徑。但總地，現(xiàn)在還沒有一個很好的商業(yè)化模式，推廣起來有些困難。

　　6 小結

　　壓力傳感器行業(yè)有很多同仁在共同努力。2005年中星測控參加德國展覽時只是孤身一家，2006年時已有40多家，說明我國的壓力傳感器企業(yè)在蓬勃發(fā)展，而且得到國際市場的認可。

MEMS企業(yè)需要聯(lián)合、協(xié)作

　　蘇州納米產業(yè)園研發(fā)總監(jiān)王敏銳(注：也在中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所)稱，本土MEMS芯片包括壓力、慣性等所有領域加在一起，產值排在全國前10位差不多是3000萬元。究竟是什么原因造成本土MEMS產業(yè)發(fā)展的困難?

　　第一，整個MEMS芯片產業(yè)還處在跟蹤性的技術發(fā)展階段，別人做麥克風我們也做，別人做汽車壓力我們也做汽車壓力，整個的競爭停留在怎么降低競爭成本，而不是在高附加值。

　　第二，從芯片產業(yè)來看，因為整個芯片流片的花費非常多，而且整個產線的維護成本非常高，一年下來的維護成本在七八千萬元。如果是一家單獨的企業(yè)，特別是不太大的企業(yè)，要做這個事會非常的困難。

　　第三，中國人特有的商業(yè)習慣。本土的競爭一定是把市場競爭變成戰(zhàn)場，這個競爭到了你死我活的地步，利潤率較低，不利于新產品的投資和可持續(xù)性發(fā)展。從MEMS的樣機出來到最后投入使用，統(tǒng)計的結果無論是國內還是國際，大致需要5~7年時間。

　　第四，基礎設施非常龐大。

　　那么，我們的機會究竟在哪里?通常認為應該是在發(fā)掘新的市場需求，我們不要做原來的同質化競爭。當然這也不意味著我們一定不做這個產業(yè)，我們可以做一些技術和基礎積累。但是最后我們的發(fā)展方向還是不斷地挖掘新的模式，通過大量的創(chuàng)新來提高收益，減少同質競爭。

　　如果要有一些新的技術，一定是從高校院所出來的，我們要加強產學研的協(xié)同創(chuàng)新，要關注技術標準的重要性，大家共同制定標準，共同發(fā)展，可能會更有利于整個MEMS芯片產業(yè)的快速發(fā)展。因此，一定在這個產業(yè)里學會分享，而不是競爭，要合作，做一些標準化技術。

　　那么，整個產業(yè)生態(tài)圈究竟怎么做?現(xiàn)在有一個抓手，是通過江蘇省的微納制造業(yè)的創(chuàng)新中心。為什么做微納制造的創(chuàng)新中心?雖然設計很重要，但是現(xiàn)在MEMS芯片最核心的問題還在于微納制造。江蘇省微納制造業(yè)創(chuàng)新中心是一個產業(yè)扶持性公司，相對來說比較公益或者中立，可扶持產業(yè)的發(fā)展。

調理芯片在壓力傳感器中的應用和演進路線

　　蘇州納芯微電子公司總經理王升楊稱，一個典型的壓力變送器主要由幾個部分構成。

　　1.傳感器的敏感元件，對于壓力傳感器，比較常見的是電阻式或電容式傳感器結構。

　　2.為了要讓傳感器能夠輸出，符合所需的信號，后面就需要信號調理的電路。

　　3.這個調理電路承擔幾個功能：1)要給傳感器信號一個激勵，比如電阻式傳感器有恒壓或恒流的激勵，2)會把傳感器輸出信號通過模擬前端的電路高精度地檢測出來，3)因為傳感器會有一些非理想的因素，例如溫度系數(shù)問題，需要對這些非理想因素進行修正和補償。

　　4.最后根據(jù)不同的應用，可能會有各種不同的輸出協(xié)議，諸如電壓輸出、電流輸出、數(shù)字輸出，例如SPI輸出等。

　　在壓力變送器領域里，調理芯片經歷過幾個階段。最早我們看到很多的壓力變送器，尤其是低端的壓力變送器才用變送器結構，經典的運放結構是把電壓和電流轉換，變成42mA(注：音)的輸出，并簡單地做一些補償，這種方式一般是采用變送器，通過人工的方式做補償。這種方案的特點是低成本，但功能有折中，比如只能調靈敏度，但是溫度系數(shù)不能調，而且調整的系數(shù)范圍也較低，一些復雜的功能基本無法實現(xiàn)。

　　在此基礎上有第二種方案，是可編程的變送器，在前面的儀表放大器的基礎上做了一些改進，增加了集成通信接口，可以實現(xiàn)對零點包括滿量程做一些電子化、自動化編程校準功能的產品，這樣的產品在市場上最典型的有TI的PGA308、309等等，在壓力變送器領域得到了很多應用，這種技術路線的好處是已經有了數(shù)字編程的接口，可以實現(xiàn)自動化批量的編程和校準，也可以在現(xiàn)場再次重新標定。有一些可以在靈敏度的基礎上做一些溫度的補償。但是這樣的方案現(xiàn)在看還是有一些不夠靈活的地方，例如想要有一個量程比，從10MPa變成1MPa的方案還是有一些困難。再如要做一個高端的隔離還是有些困難。還有做一些更高級別的，諸如帶顯示、診斷的功能還是比較困難的。

　　第三類調理芯片電路方案，現(xiàn)在應該在行業(yè)里尤其是在高端壓力變送器里應用比較廣泛，這種結構基于高精度的ADC+MCU+DAC，里面包括TI、ADI等公司經典的壓力變送器案例。第三類產品有很多優(yōu)點，因為可編程，可以實現(xiàn)自動化校準和現(xiàn)場的標定，實現(xiàn)改量程比，甚至支持無線和各種智能化擴展功能。但是這類方案的弊端主要是，器件的構成較多，最典型的電流型的輸出有一個基本的要求，所有的部分加起來的消耗電流不能超過4mA，所以對功耗有比較苛刻的要求。因為該產品是技術要求比較高的產品，像ADC和DAC的精度都不低。多了之后，整個器件的體積自然也會變大。

　　第四種，也是蘇州納芯微電子公司著重介紹的是用集成化的方案給壓力變送器做信號調理。所謂的集成化方案，就是把原本在PCB板上分立的元器件打包，盡量集成到一個芯片里，在不喪失整個系統(tǒng)靈活性的前提下，使集成度大幅度提高。集成度提高以后可靠性也提高，成本和功耗容易控制。現(xiàn)在這個方案很難用電流的兩根線進行連通，除非是用HART的功能來做。通過S化(注：音)的方案可以去做一些更高效的通訊接口，而且后端的生產流程就會變得更加標準化。

　　現(xiàn)在國際上也有這樣的趨勢，像TI最近發(fā)布了PGA900、300系列，很明顯就是這樣的思路。納芯最近也發(fā)布的一個產品，是NSA和NSC系列，分別針對電阻式和電容式的壓力傳感器。

　　蘇州納芯微電子公司在2013年成立，是初創(chuàng)公司，專門定位做各種各樣的傳感器后端處理芯片。

　　(注：本文根據(jù)“2016工業(yè)壓力傳感器高峰會議”的部分速記整理改編，未經講演者確認。該會議于2016年9月13日在上海舉行，是“中國(上海)國際傳感器技術與應用展覽會(Sensor China)”活動的一部分。)

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本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第10期第7頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。