ADI：充分理解應(yīng)用場景 定義最恰當(dāng)傳感器

趙延輝

伴隨以 AI、5G 通信、大數(shù)據(jù)等為代表的智能化時(shí)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(jì)在半導(dǎo)體利好政策及下游應(yīng)用領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)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(dá) 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(jì)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(shí)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(jì)為例，其會(huì)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(jìn)而對物體的加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)、傾斜角、沖擊、振動(dòng)等狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測，提供數(shù)據(jù)分析支撐。

消費(fèi)電子市場的疲軟確實(shí)對傳感器的出貨量有一定影響，但汽車電動(dòng)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(jī)會(huì)。以慣性 MEMS 傳感器為例：汽車的電動(dòng)化帶來了電池碰撞檢測的機(jī)會(huì)，智能化帶來了輔助導(dǎo)航和平穩(wěn)控制的機(jī)會(huì);工廠數(shù)字化帶來了振動(dòng)監(jiān)測的機(jī)會(huì);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(jī)會(huì);醫(yī)療智慧化也帶來了慣導(dǎo)手術(shù)機(jī)器人的機(jī)會(huì)等等。但這些產(chǎn)品和機(jī)會(huì)與消費(fèi)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(jī)。

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(jì)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(jì)應(yīng)用要求加速度計(jì)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(jì)出來的，如 ADXL355 就是陣列位移計(jì)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(huì)朝著定制化和智能化的方向發(fā)展，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)真正系統(tǒng)級(jí)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(shí)，要實(shí)現(xiàn)小體積和低功耗。同時(shí)，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(huì)帶來成本的上升，而這對于價(jià)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(yuǎn)。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(dòng)、運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)計(jì)步中的混疊問題等等。未來傳感器的迭代會(huì)持續(xù)改善這些性能，簡化用戶的設(shè)計(jì)使用。

醫(yī)療可穿戴用傳感器的降噪、信號(hào)采集和補(bǔ)償?shù)染戎笜?biāo)精益求精，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(huì)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(hào)。

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(shí)具備以下特性。

超低功耗：功耗對于用戶體驗(yàn)至關(guān)重要，越低越好;低靜態(tài)電流芯片有利于實(shí)現(xiàn)低功耗，延長待機(jī)時(shí)間。

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

尺寸小巧：更小更先進(jìn)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(lán)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(dòng)升級(jí)。

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。客觀上講，用戶期望傳感節(jié)點(diǎn)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(fù)擔(dān)，實(shí)時(shí)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(jì)算能力和軟件處理，更豐富的功能才有可能維持一個(gè)較理想的平均售價(jià)。但如果只是簡單的將各種功能集成到一個(gè)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(gè)功能強(qiáng)大的 AI 內(nèi)核，可能就是一種功能的浪費(fèi)，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(jìn)有獨(dú)到見解。面對未來智能傳感器的核心應(yīng)用領(lǐng)域——邊緣計(jì)算，ADI 提出了“智能邊緣”的戰(zhàn)略重心，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭更好地解譯現(xiàn)實(shí)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(hào)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(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、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(huì)在高可靠性、低成本、復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)δK有更強(qiáng)烈的需求。比如航空航天領(lǐng)域?qū)煽啃杂懈咭螅骷獫M足 DO-178、DO-254 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，集成度越高越可能簡化用戶設(shè)計(jì)，降低在客戶端出問題的可能性。再比如消費(fèi)類產(chǎn)品或者說 To C的產(chǎn)品，對價(jià)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(dòng)化或工程機(jī)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(hào)調(diào)理、溫度測試、全溫補(bǔ)償?shù)哪K對用戶來說就會(huì)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。