工业传感器的发展方向

作者 / 王莹 毛烁 《电子产品世界》记者

摘要: 随着新技术革命的到来，小型化、智能化、多功能化、综合化是目前传感器发展的主要方向。为此，本媒体邀请国内外元器件巨头介绍传感器的发展方向。

ADI：新型传感器推进智能制造

　　智能制造和新制造就是要通过各种传感器让机器能和人对话，目前ADI专注的领域是振动分析，当然，一般振动分析会结合温度检测应用。通过振动分析，可以保证机器的安全性，做预维护，量产保证以及质量监控。

　　ADI基于对MEMS传感器以及模拟电路设计经验的积累，于近两年发布了一系列超低噪声的振动传感器，也就是ADXL100x系列加速度计。它们可以用来替代传统的压电传感器，可以说是列划时代的产品，使得智能制造成为可能。与传统的压电传感器相比，MEMS的振动传感器有非常多的优势，比如说MEMS可以低频甚至是直流信号，但压电的就不行，这是受其设计原理的限制。再就是耐冲击的能力;随着时间和温度变化，传感器的稳定性;整个测量范围内的线性度;刻度因子的平坦度;物理尺寸;传感器是否能自检等等。这些都是MEMS振动传感器的优点。还有最重要的一点就是价格，由于压电传感器需要手工制作，既无法保证一致性，又使得其成本很高，很难享受规模效应所带来的好处，但MEMS振动传感器是采用的标准半导体工艺，很容易利用规模效应来控制成本，使得其与压电传感器相比，有明显的价格优势。这样，才能让所有的机器说话，因为其成本是可接受的。

ams：光学、环境和图像传感器领域的核心竞争力

　　工业物联网、工业4.0或者智能制造，其核心都在于如何建立一个具备高度智能、高度柔性的体系，来进一步打破生产型企业固有的边界效应。传感、网络、决策、执行是整个体系的关键环节，而更高性能、更高集成度的传感器则是整个体系自洽的基石。相较而言，ams对环境监控、运动控制、图像采集等类型的产品更为期待。

　　立足于公司在光学、环境和图像传感器领域的核心竞争力，ams为工业市场准备了以下几类创新的解决方案：

　　(1)更高精度、更宽动态范围的温湿度、气压、颜色、亮度、挥发气体等传感器及其融合产品;

　　(2)磁传感器，为直线与旋转运动机构提供高精度、易实现的解决方案;

　　(3)更高分辨率与集成度、更小封装的图像传感器;

　　(4)行业领先的超声波流量计量技术，实现精度稳定性与动态范围的数量级改进;

　　(5)行业领先的激光测量技术，提供包括垂直腔面发射器、单光子雪崩二极管阵列、多通道高精度时间数字转换器在内的核心器件，为激光雷达的进一步集成化、小型化和更卓越的成本控制提供可能。

SmartSens：图像传感器逐渐取代传统传感器

　　思特威(SmartSens)非常看好图像传感器领域，在该领域，CMOS图像传感器技术取代传统CCD传感器技术是最主要的技术发展趋势。随着设计技术和制造工艺的不断提升，CMOS图像传感器技术逐渐成熟，相较于CCD传感器技术，CMOS图像传感器技术具备如下优势：

　　● 集成度高

　　● 应用简单：无需像CCD技术在使用中配置外接AD，调试也更为简单

　　● 成本可控

　　● 分辨率与帧率相较CCD技术更容易提升

　　基于这些优势，目前越来越多的成像系统应用都开始以CMOS图像传感器技术作为核心模块进行产品与系统设计。

　　同时，随着应用端对图像传感器的要求越来越高，为了保证优秀的成像性能，CMOS图像传感器的设计生产工艺也会逐渐从FSI工艺(前照式工艺)转向BSI(背照式工艺)工艺来提高Sensor的灵敏度(低光照条件下的成像效果)，再通过优秀的Pixel架构设计和工艺保障来增强传感器的噪声控制，从而达到适应更多的应用场景的目的。

　　此外，未来的CMOS图像传感器还会面向应用进行垂直方向的产品化演变，结合应用特性和成本需求在Rolling Shutter(卷帘快门)和Global Shutter(全局快门)两种不同的技术上进行相应的技术衍生：

　　● Rolling Shutter CMOS图像传感器技术上会向大分辨率(4K，16K)，高帧率，多帧HDR(2F-exposure，3F-exposure，4F-exposure), 内置ISP，RGBIr，RGBW等技术方向进行进化。

　　● Global Shutter CMOS图像传感器技术则更贴合AI(智能感知/识别)应用，也会向着大分辨率，高帧率，Single-Frame HDR，Stacked工艺，内部集成可编程逻辑资源等技术发展方向进行进化。

　　作为CMOS图像传感器技术创新的领导者，思特威(SmartSens)在产品和技术的创新上始终秉承“服务于应用技术的发展趋势”这一理念，在BSI(背照式工艺)、Pixel架构设计、制造工艺、Rolling Shutter(卷帘快门)和Global Shutter(全局快门)等方面持续投入资源进行创新开发。目前，思特威在Rolling Shutter(卷帘快门)和Global Shutter(全局快门)两大CMOS图像传感器技术上均拥有深厚的技术和产品积累，并且实现了世界首创的BSI工艺和Global Shutter CMOS图像传感器设计技术的有机结合。

　　基于这些技术创新积累，思特威目前推出了三大产品系列——Smart Pixel、Smart Clarity、Smart GS，在安防监控、人工智能市场上的深受好评。目前，思特威已经熟练掌握的先进创新技术包括：基于BSI工艺/Stacked工艺的图像传感器设计、高增益下的图像传感器噪声控制、Global Shutter 的单帧HDR等多项行业内领先的图像传感器设计技术。未来，思特威还将推出更多符合各领域应用特性的CMOS图像传感器创新技术和产品。

TDK推出新工艺传感器

　　自动化设备要对设备控制的控制模块和周围环境的各种参数实施监控，最基本的温度和压力监控将成为一种普遍的趋势。例如：对控制主芯片、IGBT、MOSFET、二极管的温度监测，可以防止持续的运行过程中工作温度的持续升高而导致主要的核心电子元件的功能失效。而NTC热敏电阻作为性价比最高的温度保护元件，可以持续的提供周边的温度数据监控，当温度达到控制模块设定的临界点时，启动设备的保护系统来降低设备的温度。在工业设备应用中，电源模块、各种控制板都采用这种模式。而压力传感器在工业自动化中也成为不可或缺的关键器件，例如：对设备运行中气体和流体的压力监控从而促使设备的运行更加平稳。

　　基于工业自动化控制精度的提高，对温度传感器的工作温度范围、精度、以及可靠性要求也越来越高，TDK推出了一系列的新产品来满足市场要求.

　　爱普科斯S860系列是基于陶瓷芯片的技术和工艺，在120℃温度下，温度偏差为2℃，适用于IGBT的芯片封装。 将热敏电阻封装在IGBT中，可以保证IGBT模块在最高功率条件下正常工作。

　　爱普科斯M703系列，工作温度区间从-55℃到150℃，可以满足双85的要求。 此系列产品适用于光伏逆变器和工业控制模块，也非常适合应用于新能源汽车中的OBC/DC-DC模块。

　　现今3D打印快速发展。 因为高温新材料的应用, 加热系统以及喷嘴温度超过300℃，普通的热敏电阻已经满足不了高温的要求。TDK推出了最高工作温度为650℃的爱普科斯温度传感器可以很好的满足此类需求.，并且这款产品也适用于汽车行业。

　　压力传感器对流体的压力控制导致介质会接触芯片本体。为了保护芯片， TDK推出了小型化的爱普科斯充油压力传感器MiniCell®，用不锈钢隔膜将压力芯片封装起来， 杜绝了腐蚀性介质对芯片的损坏。

　　传统的压力芯片是通过胶水固定在基座上，但由于不同客户选择不同的胶水型号以及基座本身材质的不同，都会对芯片的使用和测量精度有影响。为了解决此类问题，TDK推出了芯片背面镀金以及焊盘镀金设计，客户可以直接采用贴装的形式来固定压力芯片，很好的解决了客户安装的问题。

村田：利用传感器准确评估安全性

　　最近屡有由于台风、地震等自然灾害对基础设施造成伤害的新闻报道。人眼可见的损伤可以提前警示，从而降低发生更严重事故的风险，那么对于无法察觉的损伤如何进行预警呢?这里介绍下Murata(村田)利用MEMS传感器进行建筑物健康监控方面的应用。

　　虽然人眼可能无法察觉，但通过测量建筑物的振动或弯曲，是可以更早地发现大楼，桥梁，隧道和其它基础设施结构性故障的，从而更快地发现潜在的安全隐患。

　　可是，要建立这种监控建筑物的系统，不但要求测量精度高，功耗小，而且需要能够适应不同安装环境，具有高可靠性的零部件。村田MEMS传感器正是可以构建建筑物监控系统的核心部件。村田的MEMS传感器既有高精度和温度稳定性(+/-15mg, -40~125degC)，在测量时可以保持非常低的噪声水平(1ug/sqrt Hz)，功耗低，但精确度足以满足监测建筑物微小变化的要求。

　　以村田SCA3300系列三轴加速度传感器为例，它是一款设计十分紧凑的传感器，外形尺寸为：7.6×8.6×3.3mm，封装在预成型的双扁平引线SMD外壳中。正常工作时只有1mA的功耗电流，在低功耗模式下，功耗还能进一步降低至0.5mA左右。这款产品具有优异的稳定性和低噪音性能，良好的抗振动特性，采用SPI数字接口，具备优越的机械阻尼特性，可以运用在调平和校准系统、重型机械的惯性测量装置、导航系统、自动引导车(AVG)以及施工测量设备等领域。

　　运用村田的MEMS传感器对建筑物进行健康监控，能够及时有效地发现建筑物结构损伤，准确评估其安全性，对于减少国家建筑损失、保障人民生命及财产安全具有重大的意义。相信随着社会的发展进步，这一技术将越来越多地被用来保证建筑物的“健康”。

安森美：新型传感器具有融合匹配能力

　　企业正寻求更好的信息以帮助提高运营效率。这意味着需要采集更多细化的测量数据，且这些测量跨越更广泛的主题范围。传感器正被大量部署以收集这些信息，并将这些信息汇聚到运营管理工具中。从农业到动物学等各行各业都在部署传感器，测量各种物品，从金枪鱼到火车，从卡车到草坪等。

　　安森美半导体专注于简化这广大范围的传感器的部署和管理，其中一种创新方案是开创了“即剥即贴即读”(Peel-Stick-Read)的标签，提供所有现有的RFID跟踪和跟踪功能，且还是免电池、无线、低成本的传感器，可测量温度、液位和进行漏水检测。

　　这些智能无源传感器应用广泛，包括建筑、医疗、预测维护、运输和食品制备等领域。但客户需要更广泛的感知能力。为了应对这一挑战，安森美半导体推出了一个新的标签平台，具有融合和匹配能力，可将不同类型的传感器集成到单个标签上。该标签可以完成能量收集，也可以为全天候数据采集供电。

　　安森美半导体广泛的设计和制造能力能基于各种基板定制具有不同尺寸、传感器、显示配置选项、内存和上行链路备择的标签，为客户应用环境优化标签。安森美半导体的全球支援、客户群、制造能力和提供产品的灵活性为客户提供最佳方案助其快速部署新的传感器。

　　客户与安森美半导体探索这些智能无源传感器的应用范围之广，令人难以置信，包括监测任何移动物体的状态、重量和方向，以及任何不移动的环境状况和建筑强度。整个技术领域对各种传感器的需求不减。安森美半导体期待新的合作伙伴关系，结合传感器、显示、通信、电源和处理技术，实现一种简单部署、最容易实现的数据采集方案，增强运营、监测健康状况和提高效率。