论传感技术的发展、困境与突破

摘要: 从传统的传感器原材料场景发展到现在,纯硬件面临的挑战越来越大,现在同质化越来越严重,同时,像汽车、手机等一些传感器用量较大的行业,其采用的传感器价格也越来越低

12-12 15:44 首页 MEMS

作者:王金旺 《电子产品世界》编辑


传感器未来发展三大趋势


从传统的传感器原材料场景发展到现在,纯硬件面临的挑战越来越大,现在同质化越来越严重,同时,像汽车、手机等一些传感器用量较大的行业,其采用的传感器价格也越来越低,像手机已经普遍应用的指纹传感器,其价格已经不足2美元。这使传统传感器企业的盈利和生存面临着非常大的挑战。


从另一方面来看,传感器价格的持续下降也会迫使传感器厂商去思考两个问题:如何提高效率?如何推动传感器向高增长的领域发展?这一市场对传感器生产厂商的倒逼作用对于整个产业的发展和提升是有利的。


这里面我们提到三个方面:


(1)工业。对于环境的要求、汽车的无人驾驶、互联互通。


(2)物流行业。物流的仓储、运输,这上面也会产生大量的需求。


(3)健康相关产品。随着科技的发展,人类生活水平的提高,人的寿命也越来越长。如何在长寿的状态下还能有健康的身体,特别是中国慢慢往老龄化社会发展,因而,健康相关产品会成为非常热门的话题。


随着市场发展状况的变化,传感器的发展也有了新趋势。当下传感器的发展主要有以下三大趋势:


(1)微型化。以智能手机为例,当下手机除了性能外,大家都在比谁的手机做得更薄,这也就要求其使用的传感器要有小体积和低功耗的特征。


(2)组合传感器。针对当下手机内部(这里指手机主板)空间有限,每个传感器作为一个模块做嵌入会降低手机内部空间利用率,如何将5~10种传感器,甚至更多传感器集成起来,做成一个组合传感器,就成了当下传感器厂商及设备厂商需要考虑的一个问题。


(3)无线传输。其中,NB-IoT是一种优秀的无线传输技术,尤其是在工业物联网、物流等领域的应用将会为相关行业发展带来很大的帮助。物联网终端的规模和数量都很大,预计到2025年将会有750亿个物联网设备投入使用,其中,工业、物流、健康、医疗都将会是热门应用领域,都将有望达到千亿美元规模。这也将会进一步带动未来传感器行业的提升。



霍尼韦尔未来发展重点


针对当下传感器市场的变化,霍尼韦尔传感与生产力解决方案部大中华区副总裁兼总经理柴小舟在2017 Sensor China全球传感器与物联网产业峰会上介绍了未来霍尼韦尔的发展重点。


(1)工人和设备。首先从工人角度来看,工人处于怎样的环境,如何帮助他们提高工作能力、工作水平以及工作效率,如何避开危险的场景都是需要考虑和解决的;另外,从设备角度来说,如何更好地追踪这些设备工作状态是霍尼韦尔专注的第一个领域,要让工人及时了解设备的实时工作状态,从而保证他高效地作业。


(2)工作流。工作流中采用各种自动设备(例如,自动识别、可穿戴增强现实技术等)可以极大提升工作能力。以运输业为例,通过设备将资产和人员真正地连接起来,之后你在运输货品的时候,货品的状态、车辆的状态,甚至驾驶员的状态,都可以通过后台进行很好地管控,一旦遇到问题,就可以进行及时进行应对和处理。


(3)货舱。机器人作为当下一项发展火热的技术,可以很好地应用到货舱中,例如用AGV(Automated Guided Vehicle,自动导引运输车)设备搬运你的货物,甚至货架,帮你做智能拣选,这将极大地提高工作效率。


(4)高增长应用。例如家电、楼宇、医疗、工业自动化等。


3D传感与微投影将会引起第三次人机交互革命


近年来的3D传感与微型投影技术将会进一步解放双手,预计将会实现按键、触控之后的第三次人机交互跨越。


当下的3D传感和智能交互应用市场分为两个端,即输入端和输出端。


输入端通过3D景深可以实现智能交互,这对3D在智能硬件中的应用会有很大的推动作用。其中,近些年也有众多典型智能交互案例,包括针对互联网购物、装修等已经有很好的应用,未来的VR和AR也会结合影像、3D建模和3D展示将会有很大的发展空间。


随着智能音箱引爆市场,大家对输出端交互需求也开始出现,其中,嵌入式市场是输出端主要增长领域,其年复合增长率在30%以上,而在智能音响之后,预计未来随着智能交互的需求度不断提升,将会有更多对视频展示的智能硬件出现。尤其随着小型化技术的发展,输出端市场也会不断拓展。另外,由于现在人眼视力普遍在下降,尤其是孩子的视力下降已经不容忽视,因而,教育市场也是未来人机交互很重要的一个领域。



据相关报告显示,3D传感市场规模将从2016年的13.28亿美元增长到2022年的90.34亿美元,年复合增长率高达38%。而随着国际巨头导入3D摄像技术,人脸识别和手势识别应用将率先脱颖而出,市场空间有望迎来爆发式增长。而智能音箱、智能机器人、智能手机/平板、智能穿戴、AR等一系列交互式微投应用场景兴起,微投影市场(尤其是嵌入式微投影)也将迎来快速增长。在不久的将来,3D传感与微投影智能交互或将成为智能终端的“标配”。

歌尔展会热门产品


微投影作为歌尔此次展示的重点技术之一,其方案主要基于LBS技术,相对于传统的DLP,主要优势在于它不需要调焦(在十米左右的空间里任何投影都是自动的),分辨率高、尺寸小、功耗低。该方案已应用到青橙VOGA手机上的微投影模组,以及LBS微投影+图像交互模组产品。这些产品采用LBS技术的投影方案,具有无需对焦、色彩饱和度佳、功耗低、尺寸小等优势,而整合图像交互功能的微投影模组配合应用算法,可以将任意的投影面变为带有触控功能的图像,拓展了人机交互的形式,可广泛应用于移动投影、手机、虚拟/增强现实等消费电子产品中。

压力传感器在物联网应用的思考


就工业压力传感器在物联网行业的应用,主要可以从以下几个方面进行尝试和突破。


我们现在做的第一个尝试就是小型化,原来的传感器很大,夹板、熔丝、螺栓的成本比传感器的成本还要高,例如PA级差压传感器组合是比较传统的传感器,此类传感器缺点就是重量重、体积大。其优点则为有多种介质,包括夹板安装等都已经形成工业标准,同时还可以增加机械保护,如果硅芯片自身过压能力不好,可以通过增加保护膜片来增加过压保护能力。所以我们想是不是可以把这么大的东西搞得越小越好。


(1)由于在物联网或工业物联网的应用上没有人再通过查看表头来查看信息了,所有信息最终都会发送到系统中,这就使得LCD、点阵等表头显示不再有意义。在数字化输出中,例如有485、LoRa、无线等形式输出,距离比较近的可以用ZigBee,距离比较远的可以用LoRa来实现。


(2)物联网环境中介质一般比较单一,没有那么多复杂和带有腐蚀性的介质,因而可以不用做两个大的夹板溶池,也不需要大的清洗和排液系统,可以通过在传感器的两侧做两个排液孔实现排液,从而进一步降低传感器的成本和体积。



(3)不再需要保护膜片。德尔森的芯片有一个很大的特点就是单边过压,另外,在物联网应用场景中的小型化场合中不需要太大的耐压能力,因而可以省掉中心保护工艺,再小型化,这样成本也没有增加。


(4)我们做了一个家庭,把所有差压传感器做了一个小型化的试验,有各种过程连接。第一是静压特性,对所有差压传感器来说,静压特性是很重要的一个参数,如果两边加一次静压,零点跑了,再加一次,又跑到另一边去了,客户就没法使用这样的产品。同时,对于小型化来说,过压特性也很重要,安全性始终是很重要的,系统启动时总会有一些冲击存在。另外,客户有多种数字化数据需求,每一个客户都需要不同的输出,需要我们同行在输出化处理上多做一些探讨,做调理芯片的企业多交流,如何做一个模块化的输出单元,可以让传感器厂商灵活的应用。


(5)必须要有自补偿,对于差压来说,我们还是希望它可以适应各种温度的变化,特别是硅传感器,温度变化很重要。


总结起来,要把工业的差压传感器应用于物联网需要考虑小型化、数字化和低功耗等方面。


传感器行业四大特点


目前传感器行业有四大特点。


(1)技术密集。我们哪一个传感器行业都会有很多高水平的工程技术人员、硕士、博士,尤其是跨门类的人才众多,包括材料、化学、物理、结构设计等人才,而只有将各个专业的人才结合起来,才能真正做好传感器。



(2)资金密集。这里的资金密集不是我们传统意义上说的一定要投资几个亿,甚至十几个亿;也不像一些人说的,传感器投资一二千万也可以做。这里的资金密集是相对产业规模而言的,例如,做消费电子产品智能硬件或者做空气净化机,有1000万元资产就可以出产品,甚至已经可以上市。而做传感器时,需要考虑买设备、研发需要的资金和它产生的效果。

(3)研发及生产周期长。与其它产业相比,资金需求强度更大,研发及生产周期长,从有一个技术原型到研发出样品,样品拿给客户试用,客户试用了以后再反馈,反馈以后再改进,用户再试用,没有三年、五年很难让客户认同你的产品。尤其是产品拿认证,半年很快,一年、两年也很正常,传感器从创业投资到最终出产品批量销售,五年、八年很正常。

(4)应用信息匮乏。从一个好的创意到用户使用效果产业链太长,其中包括从一个器件做成产品,再到集成当中,用户反映的效果、用户的意见一层层反馈,最终到芯片厂家后,用户原始的反馈信息衰减了很多。因而,芯片厂家不可能得到真实的应用信息。传感器行业有一个特点是芯片厂商不知道自己的产品到用户手中真正的用户体验如何,只知道自己产品的参数和性能,而这些又不能体现用户具体使用情况,因而可以说是假的。另外,用户也不知道传感器研制出会是怎样的使用效果。

红外传感器将在未来大有所为


整个传感器市场现在对传感器产品的需求量非常大,以智能家居行业为例,今年是中国智能家居的元年,包括海尔、海信、美的等很多家电企业都介入到了智能家具领域。另外,房产方面也有介入,叫全屋智能系统。因此,整个产业需求量出现爆发式的增长。而国内很多传感器厂家此时介入可以说是赶上了最好的发展时间。



就国内传感器市场现状来看,中国传感器种类众多,但是中高端产品仍然比较欠缺。麦乐克也着重加强了这一块的研发与投入,以提供智能化的、高精度的传感产品。

红外传感的优势

红外传感有两大优势——非接触和远距离。红外传感器最早用于军事、航天中,例如在卫星上的应用,由于红外线传输距离远,在大气中红外线可以传输到几千公里以外。而红外传感器一直未能普及到民用领域,主要是因为成本较高。现在麦乐克正在努力把它的成本降低,从而实现在民用领域的推广。

由于红外传感的非接触性,使得它相对于其他传感器具有更多优势。例如二氧化碳由于不易与其它物质产生反应,因而无法用电化学类传感器进行测量,只能用红外传感器测。

另外,标定对于红外传感很重要,因为只有确定气体浓度,才能生产出精准的红外传感模块。麦乐克与德国合作开发出一台红外气体标定设备,该设备在国内是第一台能够自动标定出气体浓度的设备。

MEMS压力传感器封装仍是短板

一个好的芯片只有拥有好的封装才算拥有“不死之身”。就作用而言,封装主要解决以下几个问题:


(1)腐蚀和导电性介质的兼容问题;


(2)高温介质;


(3)振动,包括尖峰压力/爆破压力、大电压冲击、封装应力等。



目前,针对MEMS传感器主要有三种主流的封装方案,即MEMS+硅凝胶、扩散硅-不锈钢充油和倒装焊。

MEMS芯片设计都需要考虑封装,甚至针对封装进行特殊优化。图1给出了几个较好的针对封装进行特殊优化设计的MEMS芯片方案。其中,上面采用了玻璃仓加硅模的方案,特点是电阻处于真空中,抗环境干扰能力强,稳定性好;下面是三家主流厂商TSV和TGV倒装焊结构,特点是没有Wire bond、抗振动冲击,同时,有些技术方案中应用了SiO2介质隔离,从而能够适应高温环境。



空调暖风制冷领域


盾安环境作为空调配件及智能配件领域龙头企业,其部分阀件产品在世界市场占有率高达50%~60%。空调暖风制冷领域(Heating Ventilation Air Conditioning,HVAC)是盾安的主要发展领域之一,包括家用领域和商用领域。目前,由于商用领域对传感器的要求较高,例如中央空调。作为公共安全设施,因其高标准,该领域的大部分市场被美国和日本公司长期占据,如今,盾安传感科技在这一领域填补了国内的空白。


推荐培训:


《MEMS高级培训课程》将于2017年10月20~22日在上海微系统所举办,主要讲授MEMS成熟器件(如加速度计、MEMS麦克风、压力传感器、陀螺仪、红外传感器)和前沿器件(如微流控芯片、生物传感器、电化学传感器)的设计、制造、封测和应用知识,同时对MEMS制造工艺的特殊性、重点难点和解决方案进行深入的讲解,最后还将带领学员实地参观上海微系统所的微系统技术加工服务平台。详情及报名,请发邮件:guolei@memsconsulting.com;或电话:13914101112



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