新闻中心

2020年传感器技术会有哪些发展趋势?

发布日期:2020-11-11 03:34

  TE Connectivity传感器事业部亚太区工程高级总监刘能泉博士,在前不久召开的Sensor China(中国(上海)国际传感器与应用技术展)上接受采访时说:

  其中集成化是指,“在单个传感器上集成多种相似或完全不同的功能,并产生强劲稳定的信号输出”;而小型化,则是传感器在确保性能的前提下,占用更小的空间;低功耗自然就是减少能耗了。

  事实上,去年我们参加Sensor China,观察众多传感器厂商所推新品,大多也都是这个趋势,尤其集成化、小型化已经成为共识。而且这种“集成化”除了横向多传感器的集成,到现在越来越多的传感器企业开始做纵向集成:体现在完整系统的构建,甚至可能扩展到软件更完整的数据处理,乃至云、AI技术。

  今年的Sensor China,我们照例采访了五家具有代表性的企业,包括一家国际企业,和四家国内企业。一方面尝试理解如今传感器产品的发展趋势,另一方面也进一步探查,国产传感器制造商在国产自主化方面的发展程度如何。

  TE的财报似乎并未将Sensor Solutions单独列项,仅在Transportation Solutions运输解决方案业务下,出现了“Sensors”这个门类。不过我们知道,TE的传感器业务涵盖了汽车、工业、医疗、环境、交通等诸多领域。有可能是财务结算方式差异。刘能泉说:“我们公司的18种品类的传感器涉及12个行业领域。”

  今年Q3财报显示,TE的Transportation Solutions下的Sensors业务销售额为2.25亿美元单从这个数字来看,也仍是庞大的市场,虽然与其传统的连接器业务相较还是体量更小的。而且大环境影响下,这个销售额同比仍有小幅滑坡但相比其他业务的滑坡幅度,已经是最为微小的。

  Sensor China 2020展会上,TE主要展示了交通、工业和医疗三个板块的传感器应用。几个主要的应用演示,一是HVAC/R应用展示,主要实现的是“在压力、无线压力、无线振动、温度、湿度、位置等多款传感器的通力协作下”,为智能暖通空调与制冷系统的信息处理提供传感信息;另外一个是医疗手术应用展示,“一款用于微创手术智能化应用的、非常非常小的压力传感器,用来测量不同流体(如血液或脑脊髓液)中的压力”,这有助于医生做出诊断相关的关键决策。

  交通板块中,TE展示的是交通流量监控传感器:QL动态称重传感器,可对车辆进行称重、分类,可监控重型货车,减少超载、保护道路基础设施。另外,TE还在展会上展示了家电、物联网等各类传感器。

  前文提到的集成化、小型化、低功耗趋势,大概可以在医疗应用中体现出来。“在导尿管中加入温度和压力传感器,可以用来检测尿袋是否到量,需要更换,也可以评测病人的尿动力水平,令诊疗更加智能化。”刘能泉介绍说,“传感器一定要小,才能装进细长的导尿管中。且在这个应用中,需要将两筐功能不同的传感器集成在一起,实现不同功能,传感器的使用可以减轻病人不适,并且量化尿路功能。”

  在部分传感器研发的过程中,“我们应用AI算法,比如液体特性传感器,通过音叉在不同液体表面的震动,反馈液体的黏度值、密度值、介电常数。如果只观察这三类值本身,很难得出太多结论。与高效的软件算法结合,进行一定分析之后,就能帮助司机了解,汽车何时需要更换机油,对汽车机油消耗量进行智能控制。”

  从这些大趋势来看,TE在各领域的解决方案都是相对成熟的,从其展台展示的产品数量和应用领域就能体现出来。不过这两年国内传感器制造商也在迎头赶上。

  歌尔微电子这次展示的骨声纹传感器是相当有趣的一款产品。它主要应用到TWS耳机之上,一方面做声纹识别,另一方面可做收音的主动降噪。“骨声纹器件,在人说话时将震动信号,结合麦克风,把噪声信息屏蔽掉。”歌尔微电子传感器事业部产品总监田峻瑜告诉我们,“它另外还有智能声纹识别的作用。”

  “声带发声,传播介质是骨头和皮肤,传到耳机上会有震动信号。震动信号和声音信号是等频率的。声音信号很容易仿制,不够安全。骨声纹传感器是双重认证,必须本人佩戴、本人说话。在没有接收到震动信号的情况下,别人模拟我的声音,也无法通过身份认证。”田峻瑜对骨声纹传感器的市场前景很有信心,毕竟TWS耳机是个庞大的市场。

  歌尔微电子是最早以麦克风起家,并随后开始更多传感器业务布局的企业,“关注的是人和环境”。这家公司今年7月份,在Yole Developpement发布的《2020年MEMS产业现状报告》拿下了“全球MEMS厂商前十”,排名第九,是这份榜单中“首个进入全球MEMS厂商前十的中国企业”。

  今年的Sensor China展会上,歌尔展示两大类产品,主要是各类传感器产品和SiP系统级封装方案。除了像骨声纹传感器这样有趣的产品外,歌尔展示的传感器或者解决方案的普遍特色,就在提高集成度、小型化的特色上。且在提高集成度的问题上,歌尔会采用“2.5D或者3D封装,把空间利用起来,形成一个更小的集成功能的单体”,“SiP封装能够实现集成度的提升,我们在青岛的SiP产线已经在去年下半年投入使用。”

  “今年我们也将集成化和小型化作为我们的发展方向。组合传感器会集成更多的功能,比如一些气压类的、声音类的、温度类的。我们有一款在TWS耳机上专用的麦克风+加速度计的产品。”田峻瑜表示,“TWS耳机需要声音的交互,也需要触感交互,比如语音控制+敲击震动,我们就把两个器件做在了一起。”

  而歌尔的麦克风+气压组合传感器,“我们把麦克风、气压计集成到一起,通过开孔感知环境参数,包括声学、气压、温度的参数。在一个单体器件内做集成度更高的芯片。”

  “现在的终端产品包括一些穿戴类、耳机随身的便携设备,要求集成的功能是要越来越多的。产品内部为器件预留的空间也很有限。我们就采用一些技术或工艺,做到更高的集成度。”

  我们在歌尔的宣传册中,看到歌尔微电子也做自家的软件算法,强调“软件开发能力”。这一点,似乎从我们采访的另一家专门面向汽车领域的传感器国产厂商,保隆科技更能得到淋漓尽致的体现当然,这与汽车行业本身的发展特点也有关。

  上海保隆汽车科技股份有限公司汽车电子事业部汽车传感器板块总经理汪超介绍说,保隆这次展示的主要是“两个方面的产品”,“一是国六排放相关的压力传感器产品国六排放标准会让整车系统商增加3个新的压力传感器,分别是碳罐脱附压力传感器、燃油蒸发泄漏压力传感器、GPF压差传感器,都用于国六排放诊断用。”

  “另一个类别与智能网联、自动驾驶、新基建相关的,包括摄像头系列产品、雷达系列产品。”“基础的360环视系统,我们采用双目方案探测行人、障碍物,目标距离、形状等,另外也应用在驾驶员状态监测、人脸识别;我们也做交互摄像头,跟互联网公司合作;雷达方面,包括长距离ACC跟车巡航测量200-300米,还有中距离80-100米的防撞,短距离几十米盲点检测等。”

  保隆科技涉足的,还包括智能悬架相关的产品。这部分“我们在做国产替代,原本是豪华车用,我们希望通过国产替代的方式将它放到中级车用。如果20万的车能用得起,量产规模会大很多。同时电动汽车智能悬架是标配,所以目前这个产品的市场热度很高,我们是2012年开始涉足这一领域的,所以在国内有一定先发优势。”汪超表示。

  目前保隆科技的出口比例很大,“70%以上是海外市场,中国市场26%左右。保隆科技目前在全球有7个生产基地,欧洲的公司数量和中国的公司数量差不多。”

  在产品的演进上,除了多传感器融合在汽车领域也是个毋庸置疑的趋势,“我们最早的产品做的是纯硬件,投资就在硬件、工艺研发上,包括产线的研发。接下来我们有两个很重要的产品,胎压检测、光雨量传感器。进入到另一个时代,就是软硬结合,既有硬件的设计需求,又有软件功能结合的需求,结合起来才是完整的产品。”这一点,也佐证了前文提到传感器厂商正在做纵向扩张的趋势。

  “比如摄像头、雷达,要求更强大的软件驱动功能,里面的软件本身、架构设计是很复杂的。因为涉及到安全,会有更多测试软件在里面,我们要考虑测试软件代码写得对不对,是否符合规范、确保软件的可靠性,还要再买另外的软件,测试功能是否达到目标设计。”

  “这光靠我们一家企业是远远不够的。首先我们要用芯片,芯片里面本来就有软件;底层都是软件供应商在开发,我们则要开展应用层和物理层的软件开发,车厂那边还要做软件对接。我们需要和第三方软件公司合作,一起来做联合开发。汽车各系统的厂商,比如控制刹车、转向的厂商都要做软件开发,要与我们对接。做完之后,往上还有整车控制系统,将来就是车厂来做,做一个中央控制器,控制整车逻辑和运行模式,相互的配合工作量很大。”

  “现在大家都在考虑两件事,怎么确保代码统一性、互通互融,怎么把软件规范性做好。不管零部件供应商、系统供应商,还是整车厂,大家的软件都要服从这套完整的规范,做出来的东西才是可以在车上安全、可靠、稳定地去运行和使用的。”汪超说。

  多传感器融合、软件能力越来越重要,显然是众多传感器厂商在做的事。而纵向能力扩张的集大成者,大概就是西人马了。

  这家企业本身涉猎的层级就比较广。在芯片方面,西人马是IDM模式;产品研发领域甚至还下探到了材料,比如光刻胶的研制、第三代半导体材料研究等。现如今则开始做“边缘计算数据采集设备,边缘计算的服务器、物联网等”,“集成了端、边、管、云、用的整体战略。”西人马科技产品总监谢巍表示,“我们希望在MEMS还有传感器方面,能够为防止国家被卡脖子做贡献。”

  西人马的产品制造在泉州,“包括材料的研发、MEMS芯片的设计、芯片制造,包括制造工艺的研究,封装、测试这些都在做,在我们泉州大概一两百亩的园区内。”谢巍介绍说。

  “除了传感器端,我们现在也集成更多的周边芯片,让芯片本身变得智能。同时我们在边缘计算、云,这两端集成了自己的AI算法。包括数据采集时,结合行业应用做相关阈值设定:比如在测试压力时,什么样的压力数据要传到云端,什么样的压力数据是正常变化,在边缘端做相应处理。”

  这是纵向发展完整系统的典型。西人马在本次采访的几家企业中,更具有横向、纵向都期望覆盖全面的代表性:不仅是IDM模式,不仅开发传感器周边芯片,不仅做传感器融合,而且做边缘计算、云解决方案,包括具体到算法的部分。

  举例说,边缘计算部分包括了“边缘数据采集设备,和边缘计算服务器。服务器是比较通用的,基于采集的数据数据,结合实际应用比如梯联网(电梯联网),我们在电梯里部署相关传感器,包括加速度传感器、振动传感器。边缘数采设备做采集,送到电梯监控室,也就是边缘服务器。对采集的数据进行分析,判断电梯状况。震动超出一定范围后,就会报警,维护公司能够从App上看到,相关维护人员就可以到现场。”

  “机器学习是在斯塔云相关的神经网络的算法。”这里的斯塔云是西人马前不久发布的产品。除了梯联网,再比如钢铁行业,发动机转速检测,发动机叶片温度,震动相关的机械故障监测系统等,“我们在这个行业做了大规模的复制推广。”谢巍表示。

  西人马的这次在展会上展示的传感器,比较具有代表性的是MEMS压力传感器,而且是“中高温传感器”,面向民用航空领域。“125℃以下叫常温传感器,到260℃是中温,600℃是高温。航空领域,在大气层飞行基本上要求中高温。”谢巍说,“国内基本上没人能做或很少能做。”“我们现在做这样的产品,能够满足对大飞机的需求,解决了国内的痛点问题。”

  这是比较典型的国产替代实现。当然西人马涉足的领域不只是民用航空,还包括能源、医疗、交通及工业等。

  而在自主化、国产替代的问题上,另一家比较有发言权的公司就是杭州晶华微电子了。去年的Sensor China,我们也采访了晶华微电子。这家公司主要做高精度ADC+MCU类的SoC芯片,面向衡器、压力、温度传感器等方面的测量与信号处理。其主要产品涵盖工业控制应用芯片、传感器测量芯片、仪表测量芯片和高精度数字温度传感器芯片。

  去年的报道中我们就提到,晶华微电子的HART modem芯片销售额达到千万元,是全球为数不多量产此类产品的厂家之一。“工控类芯片是我司IC技术上的一次成功突破,打破国外垄断实现了国产化。”杭州晶华微电子副总经理赵双龙说,“未来工控类IC设计仍是晶华微的一个重点,”“践行和推进中国制造2025的战略方针。”

  “过去一年的贸易战进一步加剧了国产芯片替代的紧迫性,晶华微的工控芯片系列的相关业务量也有明显的增长,符合目前的国际大环境背景。”这应该是提倡自主研发能够见到的成果了。

  今年展会上,晶华微电子展示的工控类芯片,比较抓人眼球的是“工控压力/温度传感器信号调理和变送输出专用芯片”,这是针对工控类仪表和传感器的二次或三次非线性误差特性校正,能够提供快捷处理方法、简化产品设计过程的芯片,适用于高精度测量仪表应用。从晶华微电子的产品路线图来看,此系列产品预计是明年推向市场的,赵双龙则告诉我们,目前芯片已经进入到样片测试阶段。

  除此之外,今年疫情期间相当热门的红外测温枪,许多产品就应用了晶华微电子的单芯片解决方案。

  Sensor China 2020展会上,晶华微电子展示的红外测温信号处理芯片,内置一个有效位数18位的高精度ADC、低噪声仪表放大器、低功耗8位MCU、通讯接口电路及LCD/LED驱动。“今年受到新冠疫情影响,红外测温芯片需求暴增,公司在该芯片的销售额也成倍增长。”赵双龙表示。

  这属于“大健康类芯片”,“目前带高精度ADC和32位MCU的人体健康参数测量专用SoC芯片也已经进入量产阶段”,最终产品包括智能体脂秤、压力计、血氧计、血糖仪等。”这是今年晶华微电子正在热推的新品。

  这些“大健康”类产品,在赵双龙看来,今年在行业内格外利好,促进了传感器行业本身的发展。而另一方面,“疫情控制的过程,也是对红外测温等抗疫类电子产品的一个检验过程,尤其是出口产品,暴露了不少缺点。对传感器及整机厂家来讲是挑战,更是经验教训,为国内传感器行业整体水平的提升发展梳立了参考标准。”

  “行业和企业都应该总结经验,继续深入研发,向世界级通用标准看齐,国内传感器行业才算是真正的发展了。”