傳感器技術作為信息技術的三大基礎之一,是當前各發達國家競相發展的高新技術,也是國內外公認的最具有發展前途的高技術產業。由于世界各國普遍重視和投入開發,傳感器展十分迅速。

 

據前瞻產業研究院統計數據顯示,2018 年全球傳感器行業市場規模已突破 2000 億美元,未來 5 年全球傳感器市場將保持 8%左右的速度增長,到 2024 年市場規模將會達到 3284 億美元。

 

 

可見,傳感器的春天正在到來。

 

在此之際,與非網推出《傳感器的創新之旅》專題活動,圍繞行業公司在傳感器領域的布局、趨勢、創新、挑戰、突圍等內容進行交流和討論,ADI 受邀參與了此次活動。

 

ADI 在傳感器市場的布局和優勢

ADI 亞太區微機電產品線總監趙延輝向筆者詳細介紹了 ADI 在傳感器領域的布局:“ADI 傳感器產品組合專注于運動、溫度、光學和磁場等物理特性的感測。每款 MEMS 加速度計、陀螺儀、慣性測量單元(IMU)、以及所有模擬或數字溫度傳感器、磁傳感器均集成行業領先的傳感器和傳感器信號調理技術。

 

ADI 亞太區微機電產品線總監趙延輝

 

1987 年,ADI 公司開發出了全世界第一顆產品化 MEMS 器件,早期和典型的應用是汽車空氣氣囊,到后來由 ADI 低功耗 MEMS 加速度計廣泛應用于智能手表手環、計步器等運動檢測裝備,再到能夠支持到 175 度高溫的 MEMS 加速度計和最高可以做到 500g 震動加速度檢測的振動傳感器,這些產品都具有非常高的分辨率和穩定性,并且可以保證十年使用壽命?,F在 ADI 傳感器產品的重點方向是慣導(IMU)、MEMS 加速度計等,更關注的是高精度和全面校正。

 

汽車是傳感器重要的應用領域。無人駕駛需要精確的位置信息,精確的位置信息大部分來自 GPS 或者北斗,當這些信號被遮擋的情況下,比如地下車庫自動停車這樣的場景里,IMU 可以幫助做精準的位置定位。ADI 也從早期的 ADIS1648 系列一直到現在的 ADIS1647 系列,體積越做越小,而且長時間穩定度越來越高。在慣性導航產品系列上,ADI 針對高精度位置服務推出 ADIS1650X 系列 IMU,相比上一代產品來說,其在保持高性能的同時,在尺寸上進一步縮小了 40%,并且達到了工業級的標準,該系列產品實現了業界領先的 MEMS 技術與信號調理技術的完美結合,可提供優化的動態性能。

 

另外,77G/79G 的雷達影像技術、LiDAR  AFE(激光雷達的模擬前端)與 IMU 一樣是無人駕駛核心的傳感類技術,ADI 近年來推出的基于 28nm RF CMOS 的 77/79G 技術,最大的特點是它的輸出功率非常高,同時偵測遠度可以做到很遠,可以達到 200 米以上的偵測距離,而且相噪非常小,分辨率可以做到非常高。

 

“新制造”概念的提出,為給傳感器市場帶來了非常大的需求,因為只有各種各樣的傳感器才能讓冰冷的機器和人類進行對話。傳統的傳感器的解決方案是需要靠人拿著具有傳感方式的機器去現場檢測,現在市場提出的“集成式的智能節點”只需在現場放一個傳感器就可以實現 24 小時檢測。隨著“集成式的智能節點”市場的發展趨勢,需要尺寸更小、更低成本、更低功耗的 MEMS 傳感器對機器做早期的檢測。振動是機器診斷的關鍵要素之一,如何在高頻段發現低幅度、小信號是 MEMS 傳感器需要突破的難點。ADI 的 ADXL100X 系列,恰好實現了這樣的技術突破,是業內最早的頻率 45KHz、有效帶寬 30KHz、噪聲 25dB 的 MEMS 傳感器。此外,針對振動領域,ADI 還可以把 MEMS 傳感器集成各種信號調理,可提供一個完整振動的解決方案,例如地震監測設備就可以通過 MEMS 加速度計實現。地震等級越低、振動幅度越小,必須有足夠低的噪聲才能分辨足夠小的等級。另外,由于不知道地震什么時候發生,只能讓地震設備不斷工作,所以傳感器必須具備足夠的低功耗特性。ADI 的加速度計 ADXL355 就是滿足這兩個特性的不錯的選擇。當然,只需要檢測 5 級以上的地震,可以選用功耗更低的 ADXL362。

 

此外,ADI 很早就布局了 TOF 3D 技術。ADI 以傳感器和前端芯片 ADDI903x 為核心的 3D ToF 技術方案,具備抗干擾性強(可以解決同一場景多機相互干擾問題)、窄脈沖高速全局曝光噪聲干擾小、高分辨率(640x480@30fps)、低功耗、探測距離遠(支持最高 20m 的識別距離)等特點??蓱糜谲噧葌鞲校ㄊ謩葑R別、駕駛員健康、乘員檢測、體態識別)、車外近距離人臉識別解鎖、車外遠距離的輔助避障。”

 

可以看到,ADI 在傳感器領域布局已久,且擁有眾多產品系列。相較于行業對手或競品,ADI 存在哪些優勢?

 

趙延輝舉例說道,在 IMU 檢測應用中,傳感的輸出是由轉動引起的還是振動引起的,市面上很多傳感器分辨不出。這涉及到振動抑制特性的兩個參數,一個是振動整流誤差,一個是線性加速。ADI 的 IMU 產品振動抑制特性就非常好。假如使用在車里,它可以檢測車的轉動角度、車航向偏離多少;用在飛機上,航向角偏多少、俯仰角偏多少、跑了多少距離、以什么速度跑的都可以檢測出來。

 

當前絕大多數農業無人機或者行業內的無人機使用的都是 ADI 的 IMU,主要原因就是 ADI 的 IMU 振動抑制特性非常好,因為對于需要連續飛行數小時無人機而言,需要的器件必須有非常好的振動抑制特性。假如這個指標不好,無人機就無法實現懸停,進而產生偏置,這在工業領域是無法接受的。由于成本和體積的原因,消費級無人機(例如掌上無人機)很少采用 ADI 的 IMU,雖然這類無人機都做了很復雜的減振處理,起初飛行很不錯,但隨著減振材料的發熱和老化,無人機操控就會變得復雜。

 

ADI 推出的器件級 IMU ADIS1650X 系列,與過去大模塊級 IMU 并沒有什么區別,里面有傳感器、信號處理,有各種各樣的溫度補償校準。雖然在尺寸相較上一代縮小了 40%,但依然內部采用的是差分結構,具有非常好的振動抑制特性,可以應用于無人機、農業拖拉機以及自動駕駛等領域。該系列產品與友商的高精度產品相比,擁有 5 倍的動態范圍,可以適應極端情況;2 倍的帶寬,可以捕捉急速的變化;10 倍以上的振動抑制特性改良;10 倍以上的低噪聲加速度傳感器改良。

 

ADI 在新興技術下的創新與機遇

2019 年是 5G 商用元年,5G 技術正在與大數據、物聯網、云計算深度融合,助推醫療健康、智能汽車、智慧家居和工業互聯網等領域的發展。據全球移動通信系統協會預測,到 2025 年,各大領域接入 5G 網絡并實現互連的設備將達 250 億臺。這些將在 5G 時代施展拳腳的設備,不論是消費端的手機、AR/VR 眼鏡、無人駕駛汽車,還是 5G 天線、5G 基站、云計算數據中心等基礎設施,背后都需要傳感器與連接技術的支持。

 

趙延輝表示,汽車和工業領域應用是傳感器市場需求的“主旋律”。在汽車領域,2019 年 ADI 與 First Sensor AG 合作,共同開發旨在加速推出自主傳感技術的產品,服務于交通、智能農業、工業制造及其他行業應用中的無人駕駛汽車、飛行器和水下交通工具。作為合作的一部分,ADI 和 First Sensor 將開發更小尺寸的 LiDAR 信號鏈,以幫助制造商為其自主安全系統注入傳感和感知技術時,能夠實現更高的系統性能以及更小的尺寸、更低的重量、功耗和成本。兩家公司還計劃開發面向汽車和工業制造應用的其他 LiDAR 產品。

 

在工業領域,機器維護是工業領域非常重要的一塊。為加強狀態監測解決方案在實現精確狀態監測信息處理的領先優勢,2019 年 10 月 ADI 宣布收購 Test Motors,這是一家專門從事電機和發電機預測性維護的公司。此次收購是 ADI 公司繼 2018 年成功收購 OtoSense 后在工業領域的又一重要舉措。OtoSense 是一家初創企業,開發了具有人工智能、能學習和識別聲音或振動的"傳感解譯"軟件。ADI 公司計劃將 OtoSense 的軟件與 Test Motors 的監控功能相結合來創建解決方案,通過捕獲更廣泛的潛在故障為機器提供更先進、全面的健康狀況監測。通過收購 Test Motors 和 OtoSense,ADI 的狀態監控方案能夠為客戶提供具備完整的早期異常檢測功能的系統,從而解決這一專業資源短缺的難題,避免意外且代價高昂的機器停機。

 

就目前來看,隨著智能化提升、數字化轉型的進程,傳感器作為數據采集的終端,不再只是“感知”,也逐漸開始“思考”,傳感器融合逐漸成為行業趨勢。對此觀點以及傳感器在未來的發展方向以及創新趨勢,趙延輝表達了自己的想法:

 

傳感器融合是否能成為未來的發展趨勢,具體要看其應用領域。例如工業領域中的很多應用場景比較單一,山體滑坡、橋梁傾斜等,大多只需要一種傳感器就可以完成。在某些特定應用中,如無人機的 GPS 定位,為了避免地磁干擾要單獨放到頂部,這種情況也不適合將多種傳感器放到一起。

 

傳感器的發展可以分成四個等級:第一等級將信號轉化出數字輸出或 PWM、電壓輸出;第二等級對傳感器做一些簡單的處理,比如把一個電荷或電容轉化成客戶想需要的 PWM 輸出的或 SPI 輸出的等;第三個等級將一些函數運算集成到器件里。ADI 作為半導體廠商,以上三個階段都做到了,而且每一層都有相應的解決方案,針對不同的客戶都可以滿足。第四個階段就是數據針對不同行業的含義是什么,例如地震波的測量。未來,ADI 將有一些持續性的創新,與不同行業的客戶進行深度的合作,為眾多垂直市場提供高價值服務。

 

傳感器領域的安全、挑戰與突破,何解?

此外,在有關傳感器安全性、穩定性、可靠性等方面,趙延輝認為,如果傳感器本身不可靠,輸出的信號沒有被準確捕獲以作為高精度數據提供給上游,那么這些關鍵的傳感器將變得毫無意義,也正應驗了那句話,如果輸入的是垃圾,那么輸出的也一定是垃圾。為了確保傳感器的可靠性,即使是最先進的模擬信號鏈也必須不斷改進,以檢測、獲取和數字化轉換傳感器信號,使其準確度和精度不會隨時間和溫度的變化而發生偏差。采用合適的器件和設計方法,可以大幅緩解一些出了名的難題(如偏置溫漂、相位噪聲、干擾和其他不穩定現象)。

 

以汽車應用為例,ADI 在此早有規劃,傳感器模式、傳感器融合、信號處理和人工智能之間的這種相互作用,對具有智能和認知能力的自動駕駛車輛的發展,以及保障駕駛員、乘客和行人安全都有著深遠的影響。但是,如果沒有高度可靠、準確、高精度的傳感器信息(這些信息是安全自動駕駛車輛的基礎),一切都毫無意義。過去 25 年來,ADI 一直致力于汽車安全和 ADAS 發展?,F在,ADI 正在為自動駕駛的未來奠定基礎。ADI 圍繞慣性導航、高性能雷達和激光雷達等領域的卓越積累,提供高性能傳感器和信號/功率鏈解決方案。這些解決方案不僅將大幅提高這些系統的性能,而且還將降低整個平臺的實施成本,從而加快我們邁向自動駕駛的步伐。

 

安全之外,隨著傳感器產業向著創新化、融合化、集群化以及智能化方向的快速發展,傳感器將變得更加小型化、人性化,人機交互更加友好等成為新的挑戰。ADI 可以提供全信號鏈的產品及方案,再加上專注市場研究的系統團隊,能給客戶帶來非常大的幫助。未來,ADI 會根據客戶的需求深耕某些領域,解決別人可能解決不了的問題,為客戶提供系統級的解決方案。

 

目前,縱觀市場格局,全球傳感器市場主要由美國、日本、德國等國家公司主導。美國、日本、德國及中國合計占據全球傳感器市場份額的 72%,其中中國占比約 10%。

 

中國市場相較于國外市場有哪些特點?存在哪些差距?趙延輝對此表示,中國擁有龐大的人口、市場和海量的數據應用,是全球采用新技術速度最快的國家,這種速度與體量再加上越來越成熟的技術組合式創新,使得中國企業形成獨特的競爭優勢。為更好的服務中國市場,ADI 加強了中國市場的決策權,以對中國的市場、客戶有快速的響應。此外,半導體行業在小型化、低功耗驅動下,越來越多的客戶希望看到在芯片級別上就能夠把芯片和算法融合在一起,形成完整的子系統呈現給客戶。為此,ADI 專門面向中國市場成立了系統解決方案事業部,努力把基礎的模擬技術與系統級支持相結合,呈現出完整的解決方案,以確保用戶的大系統更先進更穩定。

 

對于公司接下來在傳感器領域的規劃和布局,趙延輝總結道:“高精度定位模塊是自動駕駛的標配。ADI MEMS 技術已經能夠提供精準導航、自動控制的能力以及高精度的雷達影像技術。未來,我們希望把感知做得更高速更精準,支撐未來自動駕駛的體驗。

 

5G 的落地會把 IoT 的應用場景最終做成非常大的產業,但是在這個互聯的過程中,數據的采集是否夠精準、夠可靠、夠有效很關鍵。所以傳感器如何提供更精準、更可靠、更有效的數據,是將來 IoT 發展的核心,也是 ADI 的重要使命。各種各樣的傳感器技術、信號調理從模擬到數字的轉換技術,都是 ADI 未來想要為產業提供的重要保障。

 

ADI 愿意把技術放在前沿技術的開發,專注于創新技術,專注于引領很多邊界技術的發展。通過這些發展,再引導出來新的應用,使能和賦能很多新的應用。ADI 這種模擬到數字上的轉化或者數字到模擬的轉化,一代代性能技術的提升,其實是使能了很多新的技術和應用。    另外, ADI 更傾向與代理商伙伴一起合作,共同來拓展和開發市場。”