ADI:充分理解應用場景 定義最恰當傳感器

伴隨以AI、5G 通信、大數據等為代表的智能化時代到來，傳感器作為重要的基礎電子元件，正處于高速發展階段。預計在半導體利好政策及下游應用領域的驅動下，傳感器行業前景可期。以MEMS 傳感器市場為例，根據Yole Development 預測，2021-2027 年，全球MEMS市場規模將從136 億美元增長至223 億美元，復合增長率達9%。

傳感器產品類型豐富多樣，場景應用是影響產品設計的關鍵因素，比如目前ADI已擁有MEMS慣性器件、MEMS麥克風、MEMS時鐘、MEMS濾波器以及MEMS開關等豐富的傳感器產品線，來滿足汽車、工業、醫療等各類場景需求。以應用廣泛的ADI MEMS加速度計為例，其會根據應用場景的不同，在量程、功耗、噪聲等維度上有所側重，進而對物體的加速度、轉動、傾斜角、沖擊、振動等狀態實施監測，提供數據分析支撐。

消費電子市場的疲軟確實對傳感器的出貨量有一定影響，但汽車電動化智能化、工廠數字化、能源清潔化、醫療智慧化等也給傳感器市場帶來了前所未有的機會。以慣性MEMS 傳感器為例：汽車的電動化帶來了電池碰撞檢測的機會，智能化帶來了輔助導航和平穩控制的機會；工廠數字化帶來了振動監測的機會；能源清潔化帶來了各種水電、風電、光伏、核電等設備的安全監測和姿態監測的機會；醫療智慧化也帶來了慣導手術機器人的機會等等。但這些產品和機會與消費電子市場所要的新穎功能不同，他們更關注穩定性、精度、功耗、體積、全溫性能等等，這就對傳感器廠商的研發和品控提出了更高的要求，對于以技術見長的公司來說，反而是發展的良機。

1   低功耗是基本需求

很多應用對功耗都有極致的追求，比如心臟起搏器、畜牧業、陣列位移計應用等，但對功耗的追求一定是建立在其它性能滿足要求的基礎上。比如陣列位移計應用要求加速度計一定要有足夠低的噪聲和足夠好的穩定度，當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。所以低功耗的產品一定是在充分理解了應用場景后定義設計出來的，如ADXL355 就是陣列位移計中的低功耗擔當，而ADXL367 則更適合于心臟起搏器、畜牧業和穿戴類產品應用。當然低功耗也離不開后端工藝的支持。未來低功耗的產品應該會朝著定制化和智能化的方向發展，只有這樣才能實現真正系統級的低功耗。

可穿戴設備功能的增加意味著在保證性能的同時，要實現小體積和低功耗。同時，要考慮提供更豐富的產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帶來成本的上升，而這對于價格敏感的可穿戴設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。ADI 在該領域有PPG（光電容積描記）、ECG（心電圖）、身體阻抗分析、皮膚電活動、運動傳感、溫度檢測、環境監測技術，已經集齊了七顆龍珠。對于可戴醫療設備而言，比如PPG追求更高的SNR和環境光抑制能力，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；運動計步中的混疊問題等等。未來傳感器的迭代會持續改善這些性能，簡化用戶的設計使用。

醫療可穿戴用傳感器的降噪、信號采集和補償等精度指標精益求精，比如，在一些類似于心臟起搏器或者是心臟條件監測的應用中，醫生會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。

可穿戴設備功能的增加意味著在保證性能的同時，要實現小體積和低功耗。同時，要考慮提供更豐富的產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帶來成本的上升，而這對于價格敏感的可穿戴設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。ADI 在該領域有PPG（光電容積描記）、ECG（心電圖）、身體阻抗分析、皮膚電活動、運動傳感、溫度檢測、環境監測技術，已經集齊了七顆龍珠。

對于可穿戴醫療設備而言，比如PPG 追求更高的SNR和環境光抑制能力，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；運動計步中的混疊問題等等。未來傳感器的迭代會持續改善這些性能，簡化用戶的設計使用。

醫療可穿戴用傳感器的降噪、信號采集和補償等精度指標精益求精，比如，在一些類似于心臟起搏器或者是心臟條件監測的應用中，醫生會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。

未來，醫療可穿戴傳感器技術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展，同時具備以下特性。

超低功耗：功耗對于用戶體驗至關重要，越低越好；低靜態電流芯片有利于實現低功耗，延長待機時間。

高可靠性：適應各種環境；良好的機械設計，防止設備受損；有時需防水。

尺寸小巧：更小更先進的封裝以提高集成度、外部元件越少越好。

連接功能：需要低功耗藍牙、Wi-Fi 連接以訪問其他智能設備；數據同步和應用程序自動升級。

2   人工智能與傳感器

傳感器與人工智能的結合是大勢所趨，但不應該是簡單的堆砌。客觀上講，用戶期望傳感節點能夠更智能，這就簡化了對數據傳輸的要求，減輕了數據處理中心的負擔，實時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算能力和軟件處理，更豐富的功能才有可能維持一個較理想的平均售價。但如果只是簡單的將各種功能集成到一個器件，而不從最終應用角度出發的話，可能只是事倍功半，比如給所有傳感器都加一個功能強大的AI 內核，可能就是一種功能的浪費，隨之而來的是無謂的成本增加和功耗變大。只有從客戶應用角度出發，通過數據積累，集成對應算法解決方案，降低用戶使用門檻，才能讓傳感器與人工智能的結合被更廣泛的市場采納。

基于數十載深厚積淀，ADI 對智能化傳感器演進有獨到見解。面對未來智能傳感器的核心應用領域——邊緣計算，ADI 提出了“智能邊緣”的戰略重心，實現在數據產生的源頭更好地解譯現實世界、形成富有洞察的操作。在現有的成熟且具有優勢的“傳感器+ 模擬”架構基礎上，從應用角度出發，在傳感器端融入數字信號處理、微控制器、AI/ML 加速器等功能，從硬件、軟件兩大維度出發，持續提升傳感器的智能化水平。通過構建和交付模擬、數字以及軟件整體解決方案，幫助客戶解決不同場景應用挑戰，成功實現增強現實、智慧工廠、智慧能源等智能化應用。

從技術角度來看，應用會在高可靠性、低成本、復雜系統領域對模塊有更強烈的需求。比如航空航天領域對可靠性有高要求，器件要滿足DO-178、DO-254 等行業標準，集成度越高越可能簡化用戶設計，降低在客戶端出問題的可能性。再比如消費類產品或者說To C的產品，對價格極其敏感，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。再比如農業自動化或工程機械的無人駕駛領域，需要融合很多傳感器和復雜算法，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、長期穩定性等，那么集成傳感器、信號調理、溫度測試、全溫補償的模塊對用戶來說就會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生產的。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年10月期）