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(shù)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(nèi)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(jìn)智能制造

　　智能制造和新制造就是要通過各種傳感器讓機(jī)器能和人對話，目前ADI專注的領(lǐng)域是振動(dòng)分析，當(dāng)然，一般振動(dòng)分析會(huì)結(jié)合溫度檢測應(yīng)用。通過振動(dòng)分析，可以保證機(jī)器的安全性，做預(yù)維護(hù)，量產(chǎn)保證以及質(zhì)量監(jiān)控。

　　ADI基于對MEMS傳感器以及模擬電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，于近兩年發(fā)布了一系列超低噪聲的振動(dòng)傳感器，也就是ADXL100x系列加速度計(jì)。它們可以用來替代傳統(tǒng)的壓電傳感器，可以說是列劃時(shí)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(dòng)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(shè)計(jì)原理的限制。再就是耐沖擊的能力;隨著時(shí)間和溫度變化，傳感器的穩(wěn)定性;整個(gè)測量范圍內(nèi)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(dòng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)。還有最重要的一點(diǎn)就是價(jià)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(yīng)所帶來的好處，但MEMS振動(dòng)傳感器是采用的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝，很容易利用規(guī)模效應(yīng)來控制成本，使得其與壓電傳感器相比，有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。這樣，才能讓所有的機(jī)器說話，因?yàn)槠涑杀臼强山邮艿摹?/p>

ams：光學(xué)、環(huán)境和圖像傳感器領(lǐng)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(gè)具備高度智能、高度柔性的體系，來進(jìn)一步打破生產(chǎn)型企業(yè)固有的邊界效應(yīng)。傳感、網(wǎng)絡(luò)、決策、執(zhí)行是整個(gè)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而更高性能、更高集成度的傳感器則是整個(gè)體系自洽的基石。相較而言，ams對環(huán)境監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)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(xué)、環(huán)境和圖像傳感器領(lǐng)域的核心競爭力，ams為工業(yè)市場準(zhǔn)備了以下幾類創(chuàng)新的解決方案：

　　(1)更高精度、更寬動(dòng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供高精度、易實(shí)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(lǐng)先的超聲波流量計(jì)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精度穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)量級改進(jìn);

　　(5)行業(yè)領(lǐng)先的激光測量技術(shù)，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(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的核心器件，為激光雷達(dá)的進(jìn)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?？春脠D像傳感器領(lǐng)域，在該領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器技術(shù)取代傳統(tǒng)CCD傳感器技術(shù)是最主要的技術(shù)發(fā)展趨勢。隨著設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝的不斷提升，CMOS圖像傳感器技術(shù)逐漸成熟，相較于CCD傳感器技術(shù)，CMOS圖像傳感器技術(shù)具備如下優(yōu)勢：

　　● 集成度高

　　● 應(yīng)用簡單：無需像CCD技術(shù)在使用中配置外接AD，調(diào)試也更為簡單

　　● 成本可控

　　● 分辨率與幀率相較CCD技術(shù)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(yīng)用都開始以CMOS圖像傳感器技術(shù)作為核心模塊進(jìn)行產(chǎn)品與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　同時(shí)，隨著應(yīng)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(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝也會(huì)逐漸從FSI工藝(前照式工藝)轉(zhuǎn)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(gòu)設(shè)計(jì)和工藝保障來增強(qiáng)傳感器的噪聲控制，從而達(dá)到適應(yīng)更多的應(yīng)用場景的目的。

　　此外，未來的CMOS圖像傳感器還會(huì)面向應(yīng)用進(jìn)行垂直方向的產(chǎn)品化演變，結(jié)合應(yīng)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(shù)上進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)衍生：

　　● Rolling Shutter CMOS圖像傳感器技術(shù)上會(huì)向大分辨率(4K，16K)，高幀率，多幀HDR(2F-exposure，3F-exposure，4F-exposure), 內(nèi)置ISP，RGBIr，RGBW等技術(shù)方向進(jìn)行進(jìn)化。

　　● Global Shutter CMOS圖像傳感器技術(shù)則更貼合AI(智能感知/識別)應(yīng)用，也會(huì)向著大分辨率，高幀率，Single-Frame HDR，Stacked工藝，內(nèi)部集成可編程邏輯資源等技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行進(jìn)化。

　　作為CMOS圖像傳感器技術(shù)創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)者，思特威(SmartSens)在產(chǎn)品和技術(shù)的創(chuàng)新上始終秉承“服務(wù)于應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢”這一理念，在BSI(背照式工藝)、Pixel架構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jìn)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(shù)上均擁有深厚的技術(shù)和產(chǎn)品積累，并且實(shí)現(xiàn)了世界首創(chuàng)的BSI工藝和Global Shutter CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。

　　基于這些技術(shù)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(jìn)創(chuàng)新技術(shù)包括：基于BSI工藝/Stacked工藝的圖像傳感器設(shè)計(jì)、高增益下的圖像傳感器噪聲控制、Global Shutter 的單幀HDR等多項(xiàng)行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的圖像傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)。未來，思特威還將推出更多符合各領(lǐng)域應(yīng)用特性的CMOS圖像傳感器創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品。

TDK推出新工藝傳感器

　　自動(dòng)化設(shè)備要對設(shè)備控制的控制模塊和周圍環(huán)境的各種參數(shù)實(shí)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(yùn)行過程中工作溫度的持續(xù)升高而導(dǎo)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(jià)比最高的溫度保護(hù)元件，可以持續(xù)的提供周邊的溫度數(shù)據(jù)監(jiān)控，當(dāng)溫度達(dá)到控制模塊設(shè)定的臨界點(diǎn)時(shí)，啟動(dòng)設(shè)備的保護(hù)系統(tǒng)來降低設(shè)備的溫度。在工業(yè)設(shè)備應(yīng)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(dòng)化中也成為不可或缺的關(guān)鍵器件，例如：對設(shè)備運(yùn)行中氣體和流體的壓力監(jiān)控從而促使設(shè)備的運(yùn)行更加平穩(wěn)。

　　基于工業(yè)自動(dòng)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(shù)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(yīng)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?yàn)楦邷匦虏牧系膽?yīng)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(dǎo)致介質(zhì)會(huì)接觸芯片本體。為了保護(hù)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(zhì)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(zhì)的不同，都會(huì)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(shè)計(jì)，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(zhǔn)確評估安全性

　　最近屢有由于臺風(fēng)、地震等自然災(zāi)害對基礎(chǔ)設(shè)施造成傷害的新聞報(bào)道。人眼可見的損傷可以提前警示，從而降低發(fā)生更嚴(yán)重事故的風(fēng)險(xiǎn)，那么對于無法察覺的損傷如何進(jìn)行預(yù)警呢?這里介紹下Murata(村田)利用MEMS傳感器進(jìn)行建筑物健康監(jiān)控方面的應(yīng)用。

　　雖然人眼可能無法察覺，但通過測量建筑物的振動(dòng)或彎曲，是可以更早地發(fā)現(xiàn)大樓，橋梁，隧道和其它基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)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(yīng)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(gòu)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(shí)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(shè)計(jì)十分緊湊的傳感器，外形尺寸為：7.6×8.6×3.3mm，封裝在預(yù)成型的雙扁平引線SMD外殼中。正常工作時(shí)只有1mA的功耗電流，在低功耗模式下，功耗還能進(jìn)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(dòng)特性，采用SPI數(shù)字接口，具備優(yōu)越的機(jī)械阻尼特性，可以運(yùn)用在調(diào)平和校準(zhǔn)系統(tǒng)、重型機(jī)械的慣性測量裝置、導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)引導(dǎo)車(AVG)以及施工測量設(shè)備等領(lǐng)域。

　　運(yùn)用村田的MEMS傳感器對建筑物進(jìn)行健康監(jiān)控，能夠及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)損傷，準(zhǔn)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(cái)產(chǎn)安全具有重大的意義。相信隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，這一技術(shù)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(yùn)營效率。這意味著需要采集更多細(xì)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(yùn)營管理工具中。從農(nóng)業(yè)到動(dòng)物學(xué)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(dǎo)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(biāo)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(jìn)行漏水檢測。

　　這些智能無源傳感器應(yīng)用廣泛，包括建筑、醫(yī)療、預(yù)測維護(hù)、運(yùn)輸和食品制備等領(lǐng)域。但客戶需要更廣泛的感知能力。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，安森美半導(dǎo)體推出了一個(gè)新的標(biāo)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(gè)標(biāo)簽上。該標(biāo)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(dǎo)體廣泛的設(shè)計(jì)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(xiàng)、內(nèi)存和上行鏈路備擇的標(biāo)簽，為客戶應(yīng)用環(huán)境優(yōu)化標(biāo)簽。安森美半導(dǎo)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(dǎo)體探索這些智能無源傳感器的應(yīng)用范圍之廣，令人難以置信，包括監(jiān)測任何移動(dòng)物體的狀態(tài)、重量和方向，以及任何不移動(dòng)的環(huán)境狀況和建筑強(qiáng)度。整個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω鞣N傳感器的需求不減。安森美半導(dǎo)體期待新的合作伙伴關(guān)系，結(jié)合傳感器、顯示、通信、電源和處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一種簡單部署、最容易實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集方案，增強(qiáng)運(yùn)營、監(jiān)測健康狀況和提高效率。