智慧生活从传感器开始 软硬结合打造最佳应用系统

更智慧、更便利的生活,是人们追求的愿景,而要让生活变得更智慧化,一切都需要从广布大量的传感器开始。不仅如此,这股智慧化的风潮还吹进了城市、工业生产制造、交通等领域

更智慧、更便利的生活,是人们追求的愿景,而要让生活变得更智慧化,华为电商,一切都需要从广布大量的传感器开始。不仅如此,这股智慧化的风潮还吹进了城市、工业生产制造、交通等领域,造就所谓的智慧交通、智慧城市、智慧楼宇等新应用,这不但突显传感器的重要性,其衍生的商机也让半导体供应商为之疯狂,纷纷发布符合市场需求的产品。

结合五感及更多技术传感器将改变生活

众所周知,传感器主要的功能就是感知各种周遭的信息,但若是测得的信息无法进一步解读、传递,则传感器就只是传感器,无法发挥其在各种应用环境中真正的感知功能。英飞凌科技(Infineon)电源管理及多元电子事业处大中华区射频及传感器部门总监麦正奇表示,在消费类电子领域,传感器的应用已从触控、语音识别、手势识别到近期开始发展的人脸识别。在此过程中,触控传感器、MEMS麦克风,到带来大改变的雷达传感器所实现的手势识别,以及透过激光测距实现3D人脸识别的飞时时间(Time of Flight,ToF)传感器,都逐渐在改变人们的生活。

据麦姆斯咨询介绍,有鉴于此,英飞凌科技针对消费性领域推出XENSIV传感器系列,以期可加速打造新世代的智慧生活。麦正奇指出,传感器不是让应用拥有触感、会“说”、或会“看”就足够,而是还要加入“听觉”、“嗅觉”、“感受”等,让应用具备人类的五感,甚至若是要让应用能够进一步“了解”环境,传感器本身需要相互搭配,也将与人机接口(HMI)、传感器中枢(Sensor Hub)进一步融合,才能让人们的生活更添智慧。

XENSIV传感器系列产品包括MEMS麦克风、气压传感器、光学传感器、环境传感器、60GHz手势感测、24GHz雷达传感器与3D飞行时间测距传感器等。麦正奇认为,随着智能语音相关应用发展日益蓬勃,未来高性能、抗杂讯能力高的MEMS麦克风需求也将跟着水涨船高;而24GHz与60GHz毫米波(mmWave)雷达由于可以检测物体位置、方向、距离与速度,因此已逐渐开始从汽车领域延伸到工业、消费类电子及其他应用范畴。预期2021~2027年将是价格具有竞争力的盲点检测(BSD)模组的黄金期,其他包括室内外智慧照明、安防监控与智能家电,也将是24GHz雷达的新兴应用范围。

除了上述提到的MEMS麦克风与雷达传感器,加上近期市场正逐渐萌芽的飞时时间(ToF)传感器,都将是未来英飞凌科技在传感器市场较为专注的重点。此外,为了满足市场各种需求,英飞凌科技在传感器工艺方面,亦有独到之处。举例来说,英飞凌透过开腔式结构设计,让MEMS传感器能具备高精准度、更低的功耗,以及更佳的信噪比(SNR)表现;而该公司预计于2019年发布的二氧化碳气体传感器,将是整合传感器与微控制器(MCU)的全球最小二氧化碳传感器模组。

此外,考量到应用或智能设备需要“了解”更多环境信息,并能让智能设备能够根据所理解的信息,进一步给予消费者“反应”,传感器需要和人机接口融合。英飞凌科技大中华区电源管理及多元化市场资深经理廖明颂表示,过去一台机器上只会有一种人机接口,如触控功能,让使用者能和机器间有直觉的沟通管道,但若是有更多的传感器结合人机接口,未来人与机器的沟通将更无缝、更加直觉,机器甚至可以做出更适当的反应。

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图1 人机接口正随时间迁移而不断改变

不仅如此,融合更多传感器的人机接口,可以让设备获得更多信息,再辅以人工智能(AI)进行分析,并下指令,将可实现更有效且自然的人机沟通。廖明颂认为,传感器融合人机接口,未来也可望将目前看似各自独立的市场,如智慧家庭、智能音箱、机器人或是安防监控系统,进一步连接,甚至共用产品。

                                                     

传感器逐渐渗透至工业领域

生活迈向智慧化的同时,工业制造领域当然也得智慧化,以提升产能及品质,并兼顾操作环境的安全,这也是工业4.0(Industry 4.0)、智能制造等概念的实现。

传感器在消费类电子,尤其是智能手机上的成功经验,让传感器摇身变为一切智慧化的开端。而随着工业4.0概念如火如荼的发展,要落实工业4.0,传感器的导入成为必要,因此工业市场开始启动对传感器的需求,相关半导体业者也开始摩拳擦掌。

意法半导体(STMicroelectronics)MEMS传感器产品部消费类MEMS事业单位总监Simone Ferri表示,事实上,意法半导体的MEMS传感器一开始是为汽车与工业应用所研发,却在消费类电子领域发光发热,而在第四次工业革命与智能驾驶开始发展后,才一路“红”回汽车及工业市场。

传感器在工厂制造环境中,可以满足各种应用需求。包括机械生产设备预测性维护与自动化、资产追踪与供应链、即时监测与校准、震动检测防窜改、油电用量计算,以及流量计算水位监测等。面对许多厂商想导入工业4.0实现智能制造,却担心是否须全面汰换现有设备的问题,Ferri认为,电商资讯,针对现有生产设备,意法半导体可协助厂商以“外挂”的方式加入传感器,再以无线的方式让传感器得以和中控装置连接;新的生产设备则是可以透过“内建”的方式预先安装传感器,再利用有线或IO-Link连接,不需要对现有的厂房设备进行过多的变动。

且为了满足不断产生的智慧工业市场新需求,以及要求传感器须具备更高精准度、更低的耗电与更佳的可靠度,意法半导体不仅透过新的工艺技术提升现有产品的性能,也持续推出新产品如三轴MEMS倾斜仪,甚至提出新的监测方式。

Ferri说明,现有的监测方式是传感器收集到许多来自马达或机械设备的原始数据时,直接将大量的数据往云端传送,进行处理分析与储存;意法半导体提出的新监测方式则是,透过传感器融合或可调适型传感器群集与人工智能收集数据,并预先处理资料和警报,才将已先处理的数据传送到云端,如此一来,即可以建构更轻量的智慧云端架构。

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图2 工业应用中状况监测的两种方式

另外,虽然目前因应智慧工厂的发展而使传感器在工业市场也有用武之地,但毕竟工业与消费类市场对于传感器的需求也有些不同,因此在工艺技术上也须有所调整。Ferri举例,工业市场对于半导体元件要求的温度范围须达105℃、精确度也要更高、元器件反应时机也要更精确;再者,工业使用环境更为严苛,各项参数的调校与测试势必更严格,因此透过不同的工艺封装技术,如陶瓷封装、LGA塑料封装与定制化封装解决方案,才能制造出符合需求的工业传感器产品。

算法至关重要

值得注意的是,微信电商,算法软件需要紧密结合传感器硬件,才能打造出最佳化的应用系统。麦正奇指出,就识别相关的应用而言,传感器收集的大量的数据需要搭配软件、人工智能算法,才能提升识别准确度,因此英飞凌科技已从传感器元器件供应商开始转型为解决方案提供商,也就是说,面对客户各种不同的应用需求,英飞凌将提供客户真正需要的算法与硬件,协助客户建构符合他们期待的应用系统。

意法半导体由于看准传感器融合可以将传感器本身的功能实现得更好,并达到很好的使用性能,加上拥有微控制器、电源元件等产品,因此公司内部已自行开发结合软硬件的参考设计方案。不过由于该公司不想与客户为敌,因此此内部参考设计方案,仅提供给一些没有能力自行开发应用软件的厂商,若是此方案不符合客户所需,意法半导体将与第三方合作伙伴共同合作,满足客户的传感器应用所需。

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