ADI:充分理解應(yīng)用場景 定義最恰當(dāng)傳感器

伴隨以AI、5G 通信、大數(shù)據(jù)等為代表的智能化時代到來，傳感器作為重要的基礎(chǔ)電子元件，正處于高速發(fā)展階段。預(yù)計在半導(dǎo)體利好政策及下游應(yīng)用領(lǐng)域的驅(qū)動下，傳感器行業(yè)前景可期。以MEMS 傳感器市場為例，根據(jù)Yole Development 預(yù)測，2021-2027 年，全球MEMS市場規(guī)模將從136 億美元增長至223 億美元，復(fù)合增長率達9%。

傳感器產(chǎn)品類型豐富多樣，場景應(yīng)用是影響產(chǎn)品設(shè)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時鐘、MEMS濾波器以及MEMS開關(guān)等豐富的傳感器產(chǎn)品線，來滿足汽車、工業(yè)、醫(yī)療等各類場景需求。以應(yīng)用廣泛的ADI MEMS加速度計為例，其會根據(jù)應(yīng)用場景的不同，在量程、功耗、噪聲等維度上有所側(cè)重，進而對物體的加速度、轉(zhuǎn)動、傾斜角、沖擊、振動等狀態(tài)實施監(jiān)測，提供數(shù)據(jù)分析支撐。

消費電子市場的疲軟確實對傳感器的出貨量有一定影響，但汽車電動化智能化、工廠數(shù)字化、能源清潔化、醫(yī)療智慧化等也給傳感器市場帶來了前所未有的機會。以慣性MEMS 傳感器為例：汽車的電動化帶來了電池碰撞檢測的機會，智能化帶來了輔助導(dǎo)航和平穩(wěn)控制的機會；工廠數(shù)字化帶來了振動監(jiān)測的機會；能源清潔化帶來了各種水電、風(fēng)電、光伏、核電等設(shè)備的安全監(jiān)測和姿態(tài)監(jiān)測的機會；醫(yī)療智慧化也帶來了慣導(dǎo)手術(shù)機器人的機會等等。但這些產(chǎn)品和機會與消費電子市場所要的新穎功能不同，他們更關(guān)注穩(wěn)定性、精度、功耗、體積、全溫性能等等，這就對傳感器廠商的研發(fā)和品控提出了更高的要求，對于以技術(shù)見長的公司來說，反而是發(fā)展的良機。

1   低功耗是基本需求

很多應(yīng)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(yīng)用等，但對功耗的追求一定是建立在其它性能滿足要求的基礎(chǔ)上。比如陣列位移計應(yīng)用要求加速度計一定要有足夠低的噪聲和足夠好的穩(wěn)定度，當(dāng)然由于采用電池或太陽能極板供電，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(yīng)用場景后定義設(shè)計出來的，如ADXL355 就是陣列位移計中的低功耗擔(dān)當(dāng)，而ADXL367 則更適合于心臟起搏器、畜牧業(yè)和穿戴類產(chǎn)品應(yīng)用。當(dāng)然低功耗也離不開后端工藝的支持。未來低功耗的產(chǎn)品應(yīng)該會朝著定制化和智能化的方向發(fā)展，只有這樣才能實現(xiàn)真正系統(tǒng)級的低功耗。

可穿戴設(shè)備功能的增加意味著在保證性能的同時，要實現(xiàn)小體積和低功耗。同時，要考慮提供更豐富的產(chǎn)品組合來滿足不同用戶的差異化定位，否則一味地提高集成度可能會帶來成本的上升，而這對于價格敏感的可穿戴設(shè)備來說是難以接受的。再者，更高的集成度意味著更高的競爭門檻，如果沒有足夠的IP 積累，很難陪客戶走得更遠。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、運動傳感、溫度檢測、環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，已經(jīng)集齊了七顆龍珠。對于可戴醫(yī)療設(shè)備而言，比如PPG追求更高的SNR和環(huán)境光抑制能力，ECG測量中的干電極問題；身體阻抗分析BIA 中的接觸阻抗問題；運動計步中的混疊問題等等。未來傳感器的迭代會持續(xù)改善這些性能，簡化用戶的設(shè)計使用。

醫(yī)療可穿戴用傳感器的降噪、信號采集和補償?shù)染戎笜司媲缶热?，在一些類似于心臟起搏器或者是心臟條件監(jiān)測的應(yīng)用中，醫(yī)生會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(shè)備功能的增加意味著在保證性能的同時，要實現(xiàn)小體積和低功耗。同時，要考慮提供更豐富的產(chǎn)品組合來滿足不同用戶的差異化定位，否則一味地提高集成度可能會帶來成本的上升，而這對于價格敏感的可穿戴設(shè)備來說是難以接受的。再者，更高的集成度意味著更高的競爭門檻，如果沒有足夠的IP 積累，很難陪客戶走得更遠。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、運動傳感、溫度檢測、環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，已經(jīng)集齊了七顆龍珠。

對于可穿戴醫(yī)療設(shè)備而言，比如PPG 追求更高的SNR和環(huán)境光抑制能力，ECG測量中的干電極問題；身體阻抗分析BIA中的接觸阻抗問題；運動計步中的混疊問題等等。未來傳感器的迭代會持續(xù)改善這些性能，簡化用戶的設(shè)計使用。

醫(yī)療可穿戴用傳感器的降噪、信號采集和補償?shù)染戎笜司媲缶?，比如，在一些類似于心臟起搏器或者是心臟條件監(jiān)測的應(yīng)用中，醫(yī)生會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，醫(yī)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，同時具備以下特性。

超低功耗：功耗對于用戶體驗至關(guān)重要，越低越好；低靜態(tài)電流芯片有利于實現(xiàn)低功耗，延長待機時間。

高可靠性：適應(yīng)各種環(huán)境；良好的機械設(shè)計，防止設(shè)備受損；有時需防水。

尺寸小巧：更小更先進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 連接以訪問其他智能設(shè)備；數(shù)據(jù)同步和應(yīng)用程序自動升級。

2   人工智能與傳感器

傳感器與人工智能的結(jié)合是大勢所趨，但不應(yīng)該是簡單的堆砌?？陀^上講，用戶期望傳感節(jié)點能夠更智能，這就簡化了對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，減輕了數(shù)據(jù)處理中心的負擔(dān)，實時性也可以有極大改善。主觀上講，芯片廠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較理想的平均售價。但如果只是簡單的將各種功能集成到一個器件，而不從最終應(yīng)用角度出發(fā)的話，可能只是事倍功半，比如給所有傳感器都加一個功能強大的AI 內(nèi)核，可能就是一種功能的浪費，隨之而來的是無謂的成本增加和功耗變大。只有從客戶應(yīng)用角度出發(fā)，通過數(shù)據(jù)積累，集成對應(yīng)算法解決方案，降低用戶使用門檻，才能讓傳感器與人工智能的結(jié)合被更廣泛的市場采納。

基于數(shù)十載深厚積淀，ADI 對智能化傳感器演進有獨到見解。面對未來智能傳感器的核心應(yīng)用領(lǐng)域——邊緣計算，ADI 提出了“智能邊緣”的戰(zhàn)略重心，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭更好地解譯現(xiàn)實世界、形成富有洞察的操作。在現(xiàn)有的成熟且具有優(yōu)勢的“傳感器+ 模擬”架構(gòu)基礎(chǔ)上，從應(yīng)用角度出發(fā)，在傳感器端融入數(shù)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(xù)提升傳感器的智能化水平。通過構(gòu)建和交付模擬、數(shù)字以及軟件整體解決方案，幫助客戶解決不同場景應(yīng)用挑戰(zhàn)，成功實現(xiàn)增強現(xiàn)實、智慧工廠、智慧能源等智能化應(yīng)用。

從技術(shù)角度來看，應(yīng)用會在高可靠性、低成本、復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)δK有更強烈的需求。比如航空航天領(lǐng)域?qū)煽啃杂懈咭?，器件要滿足DO-178、DO-254 等行業(yè)標準，集成度越高越可能簡化用戶設(shè)計，降低在客戶端出問題的可能性。再比如消費類產(chǎn)品或者說To C的產(chǎn)品，對價格極其敏感，將更多的裸die 封到一起，降低封裝和測試成本對用戶來說也是非常有吸引力的。再比如農(nóng)業(yè)自動化或工程機械的無人駕駛領(lǐng)域，需要融合很多傳感器和復(fù)雜算法，還要考慮在不同使用場景下的精度，比如路面顛簸情況、早晚和南北方的溫差情況、長期穩(wěn)定性等，那么集成傳感器、信號調(diào)理、溫度測試、全溫補償?shù)哪K對用戶來說就會起到事半功倍的效果。ADI的MEMS IMU就是基于這樣的市場需求來研發(fā)生產(chǎn)的。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期）