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ADI:充分理解应用场景 定义最恰当传感器

作者:赵延辉(ADI亚太区微机电产品线总监)时间:2022-10-21来源:电子产品世界收藏

伴随以AI、5G 通信、大数据等为代表的智能化时代到来,作为重要的基础电子元件,正处于高速发展阶段。预计在半导体利好政策及下游应用领域的驱动下,行业前景可期。以MEMS 市场为例,根据Yole Development 预测,2021-2027 年,全球MEMS市场规模将从136 亿美元增长至223 亿美元,复合增长率达9%。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202210/439403.htm

产品类型丰富多样,场景应用是影响产品设计的关键因素,比如目前已拥有MEMS惯性器件、MEMS麦克风、MEMS时钟、MEMS滤波器以及MEMS开关等丰富的产品线,来满足汽车、工业、医疗等各类场景需求。以应用广泛的 MEMS加速度计为例,其会根据应用场景的不同,在量程、功耗、噪声等维度上有所侧重,进而对物体的加速度、转动、倾斜角、冲击、振动等状态实施监测,提供数据分析支撑。

消费电子市场的疲软确实对传感器的出货量有一定影响,但汽车电动化智能化、工厂数字化、能源清洁化、医疗智慧化等也给传感器市场带来了前所未有的机会。以惯性MEMS 传感器为例:汽车的电动化带来了电池碰撞检测的机会,智能化带来了辅助导航和平稳控制的机会;工厂数字化带来了振动监测的机会;能源清洁化带来了各种水电、风电、光伏、核电等设备的安全监测和姿态监测的机会;医疗智慧化也带来了惯导手术机器人的机会等等。但这些产品和机会与消费电子市场所要的新颖功能不同,他们更关注稳定性、精度、功耗、体积、全温性能等等,这就对传感器厂商的研发和品控提出了更高的要求,对于以技术见长的公司来说,反而是发展的良机。

1   低功耗是基本需求

很多应用对功耗都有极致的追求,比如心脏起搏器、畜牧业、阵列位移计应用等,但对功耗的追求一定是建立在其它性能满足要求的基础上。比如阵列位移计应用要求加速度计一定要有足够低的噪声和足够好的稳定度,当然由于采用电池或太阳能极板供电,对器件的功耗也有很高的要求。但要知道,精度和功耗就像鱼和熊掌,很难兼得。所以低功耗的产品一定是在充分理解了应用场景后定义设计出来的,如ADXL355 就是阵列位移计中的低功耗担当,而ADXL367 则更适合于心脏起搏器、畜牧业和穿戴类产品应用。当然低功耗也离不开后端工艺的支持。未来低功耗的产品应该会朝着定制化和智能化的方向发展,只有这样才能实现真正系统级的低功耗。

可穿戴设备功能的增加意味着在保证性能的同时,要实现小体积和低功耗。同时,要考虑提供更丰富的产品组合来满足不同用户的差异化定位,否则一味地提高集成度可能会带来成本的上升,而这对于价格敏感的可穿戴设备来说是难以接受的。再者,更高的集成度意味着更高的竞争门槛,如果没有足够的IP 积累,很难陪客户走得更远。 在该领域有PPG(光电容积描记)、ECG(心电图)、身体阻抗分析、皮肤电活动、运动传感、温度检测、环境监测技术,已经集齐了七颗龙珠。对于可戴医疗设备而言,比如PPG追求更高的SNR和环境光抑制能力,ECG测量中的干电极问题;身体阻抗分析BIA 中的接触阻抗问题;运动计步中的混叠问题等等。未来传感器的迭代会持续改善这些性能,简化用户的设计使用。

医疗可穿戴用传感器的降噪、信号采集和补偿等精度指标精益求精,比如,在一些类似于心脏起搏器或者是心脏条件监测的应用中,医生会配置低功耗的传感器,借助超低噪声的模式,去捕捉非常微小的心脏变化。如果噪声密度足够低,就能捕捉到非常小的信号。

可穿戴设备功能的增加意味着在保证性能的同时,要实现小体积和低功耗。同时,要考虑提供更丰富的产品组合来满足不同用户的差异化定位,否则一味地提高集成度可能会带来成本的上升,而这对于价格敏感的可穿戴设备来说是难以接受的。再者,更高的集成度意味着更高的竞争门槛,如果没有足够的IP 积累,很难陪客户走得更远。ADI 在该领域有PPG(光电容积描记)、ECG(心电图)、身体阻抗分析、皮肤电活动、运动传感、温度检测、环境监测技术,已经集齐了七颗龙珠。

对于可穿戴医疗设备而言,比如PPG 追求更高的SNR和环境光抑制能力,ECG测量中的干电极问题;身体阻抗分析BIA中的接触阻抗问题;运动计步中的混叠问题等等。未来传感器的迭代会持续改善这些性能,简化用户的设计使用。

医疗可穿戴用传感器的降噪、信号采集和补偿等精度指标精益求精,比如,在一些类似于心脏起搏器或者是心脏条件监测的应用中,医生会配置低功耗的传感器,借助超低噪声的模式,去捕捉非常微小的心脏变化。如果噪声密度足够低,就能捕捉到非常小的信号。

未来,医疗可穿戴传感器技术将向低功耗下高灵敏度、多传感器融合、良好生物兼容性的传感器材料等方向发展,同时具备以下特性。

超低功耗:功耗对于用户体验至关重要,越低越好;低静态电流芯片有利于实现低功耗,延长待机时间。

高可靠性:适应各种环境;良好的机械设计,防止设备受损;有时需防水。

尺寸小巧:更小更先进的封装以提高集成度、外部元件越少越好。

连接功能:需要低功耗蓝牙、Wi-Fi 连接以访问其他智能设备;数据同步和应用程序自动升级。

2   人工智能与传感器

传感器与人工智能的结合是大势所趋,但不应该是简单的堆砌。客观上讲,用户期望传感节点能够更智能,这就简化了对数据传输的要求,减轻了数据处理中心的负担,实时性也可以有极大改善。主观上讲,芯片厂商也有意愿集成更多的边缘计算能力和软件处理,更丰富的功能才有可能维持一个较理想的平均售价。但如果只是简单的将各种功能集成到一个器件,而不从最终应用角度出发的话,可能只是事倍功半,比如给所有传感器都加一个功能强大的AI 内核,可能就是一种功能的浪费,随之而来的是无谓的成本增加和功耗变大。只有从客户应用角度出发,通过数据积累,集成对应算法解决方案,降低用户使用门槛,才能让传感器与人工智能的结合被更广泛的市场采纳。

基于数十载深厚积淀,ADI 对智能化传感器演进有独到见解。面对未来智能传感器的核心应用领域——边缘计算,ADI 提出了“智能边缘”的战略重心,实现在数据产生的源头更好地解译现实世界、形成富有洞察的操作。在现有的成熟且具有优势的“传感器+ 模拟”架构基础上,从应用角度出发,在传感器端融入数字信号处理、微控制器、AI/ML 加速器等功能,从硬件、软件两大维度出发,持续提升传感器的智能化水平。通过构建和交付模拟、数字以及软件整体解决方案,帮助客户解决不同场景应用挑战,成功实现增强现实、智慧工厂、智慧能源等智能化应用。

从技术角度来看,应用会在高可靠性、低成本、复杂系统领域对模块有更强烈的需求。比如航空航天领域对可靠性有高要求,器件要满足DO-178、DO-254 等行业标准,集成度越高越可能简化用户设计,降低在客户端出问题的可能性。再比如消费类产品或者说To C的产品,对价格极其敏感,将更多的裸die 封到一起,降低封装和测试成本对用户来说也是非常有吸引力的。再比如农业自动化或工程机械的无人驾驶领域,需要融合很多传感器和复杂算法,还要考虑在不同使用场景下的精度,比如路面颠簸情况、早晚和南北方的温差情况、长期稳定性等,那么集成传感器、信号调理、温度测试、全温补偿的模块对用户来说就会起到事半功倍的效果。ADI的MEMS IMU就是基于这样的市场需求来研发生产的。

(本文来源于《电子产品世界》杂志2022年10月期)



关键词: 202210 ADI 传感器

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