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智能制造和物联网时代,传感器厂商该如何造传感器?

作者:迎九 金旺 时间:2018-05-30来源:电子产品世界收藏
编者按:工业是传感器应用的下一波浪潮,消费类MEMS传感器转到工业类时需要校正性能、延长供货周期等改变。与此同时,一些传统的老牌工业传感器厂商也看好物联网、消费类等大批量市场,在把产品推向市场时,坚持做专门的传感器;根据市场需要,有时会推出包含传感器的产品,及与合作伙伴共推完整产品。在图像传感器领域,还需要做软件方案及适当地收购一些有专利的公司。

作者 / 迎九 金旺 《电子产品世界》编辑

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201805/380753.htm

摘要:工业是应用的下一波浪潮,消费类转到工业类时需要校正性能、延长供货周期等改变。与此同时,一些传统的老牌工业厂商也看好物联网、消费类等大批量市场,在把产品推向市场时,坚持做专门的;根据市场需要,有时会推出包含的产品,及与合作伙伴共推完整产品。在传感器领域,还需要做软件方案及适当地收购一些有专利的公司。

传感器从消费类转到工业,需要做哪些改变?

  ST模拟、及传感器事业部副总裁兼MEMS传感器业务总经理Andrea Onetti称,MEMS传感器的第二波浪潮是工业,为此ST正在转型。

  第二波浪潮——工业

  MEMS产业在过去几年里有过非常风光的增长历程,尤其是手机产业的带动。但手机产业在过去一两年里没有像以前那样出现数量增长的红利,原因有两点:第一,应用于手机的MEMS总量基本持平,没有增长;第二,在单机里,没有新型MEMS加入,造成单机MEMS的价值没有提升,单机的传感器数量也保持稳定。

  因此业界有这样一种质疑声:下一波MEMS在哪里?现在看起来,下一波MEMS产业浪潮可能在工业和汽车、自动驾驶(如图1),这些市场不单单让传感器单个价值增加,在数量上也是非常可观的。

  MEMS产品第一波市场井喷是在2005年左右,主要驱动力是智能手机,由于智能的需求,传感器为手机的新功能立下了汗马功劳。

  但在过去两三年里,业内一直在谈物联网、云服务,这些领域的关注点是“数据”,很多智能终端在采集数据,很多公司花巨资投入云服务。在工业和汽车方面,最近出现了自动化、智能化趋势,涵盖智能工业、智能驾驶、无人驾驶等。如果这些愿景最终实现,传感器是必不可少的,而且传感器在其中的作用比第一波在手机里的作用大得多。

  工业与消费类传感器的差别

  在过去二十年里,消费类应用使不同类别的MEMS传感器实现了从雏形到大批量生产、直至大批量应用的过程,这些传感器包括加速计、陀螺仪、惯导模块、磁力计、气压计、温度计、压力计以及近几年越来越多的环境类传感器。

  第二波将在汽车和工业类中应用越来越多,要求的性能和精度更高。因为工业类对性能和精度的特殊要求,可能同一类别的工业传感器和消费类传感器有几倍的差别,如图2。

  这对于整个产品的定义、规划、制造、研发都会带来新的挑战。

  •制造。要达到高性能和高精度主要通过两方面:1.纯粹工艺的提升;2.测试和校正工艺/能力提升。

  其中测试和校正是可以大为挖掘的地方,因同一类别的传感器,如果校正方法和校正点位合理,可能达到更好的性能。这一点与其它半导体制造不同,其它半导体制造的产品校正更多在于测试,主要是为了把不良品剔除。而MEMS制造由于含有微机械,因此校正的目的是要恢复参数,去拉升到需要的规格范围之内。

  ST的特点是在做的时候可以同时并行处理很多细节,例如友商做10个,ST可以同时做100个,这意味着效率的提升,从而节约制造成本。另外,ST还可以按照客户的应用需求,更加灵活地去配置校正要达到什么样的参数输出——有的可以放宽精度,达到成本更好;有的可以提高精度,达到性能更优(如图3)。

  •高性能。目前为止,大部分人对MEMS生产的理解还是在过去消费类市场里的应用。例如,作为声音采集器件的麦克风,主要用来采集人的声音,主要集中在20 Hz~20 kHz频率范围内。但在、智能工业中,是机器与机器之间的对话、互动,同样要去检测声音,却需要把采集带宽上升到80 kHz,这样才可以采集到像水管是否漏水、马达是否工作异常等信息。

  再例如,人机界面互动的应用场景,即使对于同一款传感器,由于应用场景不同,规格也会有区别。

  传感器的性能提升还有一个很重要的因素——温度。实际应用场景下,温度并不是在常规下,有时会低到零下几十度,或高到上百度。传感器的特性会在不同温度下有不同的表现,通过很好的温度校正,就可使整个性能达到更佳状态。

  •生命周期。消费类电子的生命周期较短,有的只有两三年;但工业设备的生命周期会跨过五年、十年、甚至更长。那么在这类应用里的产品,需要确保产品的生命周期/供货周期与最终设备的生命周期是吻合的。针对这样的需求,ST做出了郑重的承诺,所有在工业类里产品的供货周期超过十年。

  可见,随着传感器走出消费类应用,走近工业类应用,产品应用需求的变化导致了对于产品的需求不一样,因此MEMS厂商向客户做出的承诺也不同。

  前装和后装的市场分析

  第一种是在新机器设备开发的时候就把传感器装进去,就可以把连接和传输方式定义好。根据市场报告,每年约有七八千万新设备的市场容量,其中约有40%~50%的设备是智能的。

  然而,整个行业里最大的市场在于既有的机器设备,有的装了几年,有的装了几十年。这时,可以通过无线和传感器的方式把机器设备进行有效的连接。这部分的市场前景更大,约有8亿台的机器设备。但现在改装的比例却很低,只有1%、2%。这个改装过程会随着云服务的发展逐渐体现出来,相信这会是呈指数型增长的趋势。在2018年上半年欧洲的一个展会上,Andrea Onetti先生看到展商介绍的都是智能化的生产设备,预计在未来一到三年内,改装市场的占比也会达到双位数。

  需要特别指出的是,如果真的在现有设备上加装元器件,例如加一个传感器单元,也不可能两三个月就去换一个,所以低功耗非常重要。ST的传感器在此有一定优势,因为ST传感器是从消费类衍生过来的,功耗方面可以控制得很好,既使是电池供电的应用,装上去以后整个的生命周期会达到几年以上。

  ST的高精度倾角计等新产品

  那么,ST有何面向工业的明星产品?近日,其推出了一款高精度倾角计——IS3DHHC,是2018年第一款亮相的新传感器。作为一款高分辨率、高稳定性的3轴加速度计,即便长时间运行或处于温度变化很大的环境内,IS3DHHC也能够确保测量的精准度。该款产品主要用于通信系统天线定位机构的精密倾角计,保证建筑物和桥梁安全的结构健康监测(SHM)设备,以及各种工业平台所用的稳定器或调平器。出色的精度稳定性和耐用性使其非常适用于高灵敏度倾斜传感器和安全传感器,以及高端数码相机(DSC)的拍照防抖系统。

工业传感器如何转到消费类?

  在“2018慕尼黑上海电子展”上,霍尼韦尔(Honeywell)安全与生产力解决方案集团传感与物联网业务产品市场总监王亮先生介绍了其传感器制造理念。

  物联网给传感器带来了巨大机遇。作为专业传感器厂商,霍尼韦尔也调整了战略。传统上,霍尼韦尔非常重视传感器在关键领域的角色,例如四大市场——航空航天、工业、医疗和交通运输。但这两年,霍尼韦尔也在进入一些批量大的行业,诸如家电、消费类电子、家庭医疗器材等,不过,即使是针对大批量市场,也尽量采用专门的传感器。

  尽量采用专门的传感器

  例如,2018年上半年,霍尼韦尔推出了第二代针对消费者的“IAQ空气侦探TM室内空气检测仪”。

  2017年底曾推出了第一代IAQ(图4),主要针对“四新家庭”(新房、新装修、新家具、新车)的“四位一体”环境检测,即可以精确检测PM2.5、甲醛、温度、湿度等空气指标;监测数值还可通过WiFi上传到云端,用户可以通过手机APP随时随地查看实时数据和历史数据。

  第二代是六合一的IAQ空气侦探TM,多出了二氧化碳和TVOC(总挥发性有机物)检测。不仅如此,还会推出一个新功能——IQ%(脑活跃指数),把传感器变成与人的健康、脑力和劳动生产率提高相关的产品。因为脑力工作者的工作效率除了和这个人的基因有关,还跟所处环境里的二氧化碳、TVOC,甚至PM2.5的浓度相关。

  但是,目前市面上宣称能够测量PM2.5、甲醛的产品很多,有些测试得不太准,使消费者不太相信这类产品,为什么市场上其他一些传感器不是那么准确呢?因为有些友商采用的是测量TVOC的通用传感器,然后推算出想测的参数,例如甲醛。但是像发胶、香水等也会使TVOC的数值波动,所以甲醛的测量就显得不准了。而霍尼韦尔坚持用专门的传感器去做专门的测量,无论是PM2.5、温/湿度,还是甲醛以及未来的二氧化碳、TVOC等都是用专门的传感器来做的。

  那么,霍尼韦尔做的家用传感器和工业传感器有什么不同?实际上,即使是消费级的,在工厂里生产的时候,也要专门为测这种做一个传感器。消费级体现出来的是工作温度不需要那么宽泛,不需要多么耐振动和冲击等。但是一定是保证这个传感器是专门测这个指标的,不能拿一个通用的产品,这样会测不准。

  传感器厂商如何涉足物联网市场?

  是应该做传感器,还是现成的产品?王亮先生认为这取决于客户的需求和传感器厂商自身的能力,要做一个综合考虑。

  一个路径是自己关起门来研发。另一个路径就是和市场上现有的做得较好的同行结成联盟或合作伙伴。因为物联网拓展以后,很多客户需要的传感器是跨界的,作为解决方案的提供者,仅靠自己一家也不够。所以时髦的词叫生态圈、生态链,目的就是为了和生态圈里的伙伴一起合作,来给客户提供一个客户想要的方案。

ams:CMV50000带来更多差异化传感方案

  成像与光学融合技术趋势

  就目前成像和传感技术应用趋势来看,成像已经不仅仅是用于捕捉,而是通过应用包括3D传感、光谱传感等传感技术组合,实现差异化技术应用。其中,在机器视觉和机器学习的潮流下,逐渐通过应用3D传感器实现混合现实功能;在通用的用户交互方面,十年前开始采用触摸传感器,现在我们可以看到在逐渐被人脸识别所取代,而未来我们还会看到更多诸如人眼跟踪和手势控制等技术的应用;另外,在捕捉图像和数据方面,也将会应用事件触发器实现始终在线视觉发出关于领域内最新动态的数据,主要应用于智能家居、智能建筑等需要智能化处理的应用场景,例如使用摄像头捕捉图像,识别屋子里有多少人等。

  ams针对当下成像和视觉传感技术发展趋势,通过成像与光学的融合,发展3D和高光谱图像传感技术,实现差异化应用。

  CMV50000性能解析

  CMV50000是一款35mm光学尺寸的图像传感器,7920 x 6002有效像素,像素尺寸4.6μm,采用ams已获专利的8T像素结构。该结构具有先进的降噪功能和出色的电子快门效率。由于采用全局快门,而不是卷帘快门,所以该传感器可捕获快速移动的物体图像,且不会出现失真或运动伪影。

  CMV50000可提供48M像素的高分辨率全局快门CMOS图像传感器。它使得需要UHD分辨率应用的相机制造商可使用性能相当的CMOS图像传感器代替CCD传感器。相比CCD传感器, CMOS图像传感器在相机设计中更易集成,帧率更高,功耗更低。

  CMV50000在12bit全分辨率时的帧率达30fps,非常适合用在高速机器视觉系统,如液晶显示屏工厂中使用的自动光学检验(AOI)设备。此外,它也适用于电视广播设备和摄像机。

  ams图像传感器解决方案事业部(ISS)高级副总裁兼总经理Stephane Curral表示,CMV50000拥有4800万像素,支持8K分辨率30fps。该解决方案具有低噪声、高帧率和高动态范围的特性,非常适用于自动光学检测系统、机器视觉应用和专业消费者视频应用。

  AI:机器学习与3D图像结合

  谈到关于AI以及机器学习,Stephane Curral指出ams正在大量地投资软件方面的解决方案。当图像需要向外读取的时候,3D图像需要有一个与深度相关的数据。而这些数据必须使用机器学习的方式来进行处理,这样才是高效的。其中,机器学习和3D图像应该结合起来才能更好地工作。

  而在这种3D成像领域,由于需要对近红外光有高敏感度,例如通过激光,VCSEL可以对940nm的光谱进行捕捉。此外在3D成像方面也要使用BSI背照技术,因此,ams的全局快门技术则大有所为。尽管很多公司声称自己有很多相关的IP,但是这些IP其实都是在电荷区域相关的。而电荷区域的IP与BSI的技术匹配并不是很好。ams通过收购CMOSIS公司,获得相关专利技术,使得他们能在这方面有独特的优势。当然,BSI将来还会进一步发展堆栈技术,同时也可以在ams原有的传感器上放更多的晶圆来增强传感器的数据处理能力,使得逻辑处理更加高效和快速。

  参考文献:

  [1]王曦.物联网时代的传感器和材料创新[J].电子产品世界,2016(1):27-29.

  [2]Stefan Schäfer.持续微型化:紧凑空间内使用力传感器系统保证质量[J].电子产品世界,2016(2-3):19-20.

  [3]王莹,王金旺.智能感知的市场与发展[J].电子产品世界,2016(10):13-19.

  [4]迎九.尤政院士谈中国制造与传感器/MEMS的发展前景[J].电子产品世界,2017(1):3-9.

  [5]王莹.MEMS传感器的应用走势及提高精度的方法探讨[J].电子产品世界,2017(11):15-19.

  本文来源于《电子产品世界》2018年第6期第19页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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