作为万物互联的基础,传感器是数据的采集入口,在工业制造、智能汽车、通信、消费电子等多个领域得到广泛应用。尤其是受物联网市场推动,作为感知层的传感器需求呈现爆发式增长。据 Yole Développement 数据,MEMS 和传感器市场规模将从 2016 年的 380 亿美元增长至 2021 年的 660 亿美元,复合年增长率达 12%。尽管我国传感器产业在市场的刺激与政策的大力推进下迎来了快速发展期,但目前高端传感器芯片却依赖进口。
“传感器应用非常广泛,现如今手机中有十多个传感器,数量仍将不断增加;传统汽车中几十种传感器,随着自动驾驶的兴起,更多新兴传感器将被应用于此。这两大领域将是传感器在中国的最大应用市场。可穿戴是物联网的真正开始,因为可穿戴传感器无所不在,而且都可连接到云,”中国传感器与物联网产业联盟杨潇如是说,“在全球传感器主流下,中国市场有自身特色,比如利用传感器共享单车进行管理。”
我国智能传感器的生产企业主要集中于长三角地区,并逐渐形成以北京、上海、南京、深圳、沈阳和西安等中心城市为主的区域空间布局。
长三角区域:以上海、无锡、南京为中心。逐渐形成包括热敏、磁敏、图像、称重、光电、温度、气敏等较为完备的传感器生产体系及产业配套;
珠三角区域:以深圳中心城市为主。由附近中小城市的外资企业组成以热敏、磁敏、超声波、称重为主的传感器产业体系;
东北地区:以沈阳、长春、哈尔滨为主。主要生产 MEMS 力敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器;
京津区域:主要以高校为主。从事新型传感器的研发,在某些领域填补国内空白。北京已建立微米 / 纳米国家重点实验室;
中部地区:以郑州、武汉、太原为主。产学研紧密结合的模式,在 PTC/NTC 热敏电阻、感应式数字液位传感器和气体传感器等产业方面发展态势良好。
以“应用驱动,技术引领”为主题的 2017 中国(上海)国际传感器技术与应用展览会上,全球 250 家传感器产业链上下游企业及机构参展,同期举办了 13 场会议论坛和多场大型产业交流活动。在此期间,与非网记者对参展的广东奥迪威、德尔森、研华、久好、瑷镨瑞思进行了采访。
广东奥迪威
广东奥迪威传感科技股份有限公司(AUDIOWELL) 成立于 1999 年,在成立至今的 18 年间,专注于提供位置、距离、速度类的传感器和传感器方案。产品主要应用于汽车电子、智能家居、智能仪表、安防通讯四大领域。
奥迪威董事长张曙光介绍道:“国内汽车电子领域,奥迪威的超声波测速传感器被应用的数量应该是最多的;2016 年,国内前装市场里有 20%的测距用的传感器是奥迪威提供的。奥迪威主要产品为超声波类,是国内最大的超声波元器件提供商,主要进行超声波的探测、检测和执行。过去 10 年有超过 50%的超声波加湿元件是奥迪威生产的。”
奥迪威董事长张曙光
激光雷达是 ADAS 和自动驾驶的新宠,众多厂商押宝于此。那么,被应用于汽车上的超声波传感器是否会被激光传感器取代呢?
张曙光认为,超声波传感器的特点是技术与市场成熟、价格便宜、近距离测量分辨率高,具有无可替代的优势。尽管超声波的指向性并非很理想,但是可通过软件算法提升自动泊车的精确度,比如特斯拉就是使用的该方案。与此同时激光传感器存在测绘盲区,这是一大弊病。因此,两者将是互补融合的关系,并非会形成必有一伤的最终格局。打入汽车前装市场的奥迪威,其超声波传感器除了应用于国产车中,也被美系车所采用。
在物联网大趋势下,传感器的一大“爆发”领域就是智能家居。奥迪威的流量传感器在热表领域占据 30%的国内市场。
奥迪威正在做传感器直接数字化输出的研发,并通过与芯片厂商合作让传感器不仅仅数字化而且“智慧”,其理想状态是结合人工智能技术,这便需要做成双向通信的形式,即传感器数据可传输到云端服务器的同时,云端服务器通过“学习”过程,去控制并改善传感器应用的探测方案。因此,张曙光认为奥迪威目前最大的挑战是:自己想做的事情,和能做的事之间能力的差。
德尔森
德尔森传感器(集团)有限公司是一家中德合资的高新技术企业,由三位传感器领域的博士在德国创立,总部与设计中心位于德国法兰克福,核心业务为智能 MEMS 传感器解决方案,2014 年迈出国产化第一步。
德尔森总经理牟恒介绍到:“2009 年,我们在德国成立了一家公司,即德国德尔森前身,专注于工业级的压力差压方面的单晶硅传感器芯片的开发与制造,因为这一技术在国内一直是空白状态。在工业传感器领域,中国 70%以上依赖进口。正源于此,我们在中科院微电子所的‘牵线’下回了国,并在以传感器为支柱产业的张家港。我们把专利、技术引回国,专注于单晶硅传感器的研发。由于重庆军工实力的背景,从业务扩展的角度考虑,我们在重庆成立了重庆德尔森。因此,德尔森集团拥有德国、江苏、重庆三大基地。德尔森以技术领先与自动化制造为核心竞争力,将德国工业 4.0 与中国智造紧密结合,打造了中国首家 MEMS 传感器生产智造无人工厂。由于创团队都是搞技术的,从企业经营的角度而言,我们自认为需要‘诊断’与‘治疗’,于是与中国最大的企业咨询辅导公司华夏基石进行的深度的合作,以让德尔森更适应中国的发展。”
德尔森总经理牟恒
传感器已经历了两大发展期,从最初的陶瓷陶瓷材料到金属材料,然而两者各有优缺点。第三代极有可能为硅传感器,它也分为扩散硅类型与单晶硅类型。关于两者的区别,牟恒用了一个生动比喻,假如传感器是一张桌子,扩散硅相当于复合板的价值,是一层一层贴起来的,而单晶硅就相当于实木家具,纯度高为直一体化结构。国际一流厂商在单晶硅传感器颇有成就,德尔森成为国内第一家拥有单晶硅传感器芯片的公司,填补此项空白。
德尔森 MD 系列单晶硅传感器芯片具有高纯度单晶硅材料、“双梁”MEMS 设计、悬浮”MEMS 结构、“梅花镜像”MEMS 布局等特点。
牟恒表示,德尔森在借鉴德系方案的同时,在设计方中又融合了很多中国的元素,比如借鉴赵州桥原理,进行了拱形设计,这带来的直接价值过压性能的提升。
据介绍,德尔森去年的销售额为 3000 多万,今年销售额有望接近 1 亿。现如今,每个月的出货量在一万台左右。因为传感器芯片的产值小,附加值也小,因此除了芯片外,德尔森做了很多模组、模块,这样既提升了用户体验,有增加了产品附加值。
研华科技
研华科技是一家致力于全球智能系统的厂商在本次展会上重点展示其 M2.COM 开放式标准及 EIS 解决方案。研华(中国)公司深圳分公司 IoT 嵌入式平台事业群总监胡智生对以上两项技术进行了精简概括:在将传感器收集到的数据上传至云端的过程中,M2.COM 负责“收”,EIS 负责“传”。
研华科技 IoT 嵌入式平台事业群总监胡智生
众所周知,传感器厂商众多,但是在接口定义或协议方面却是散、乱、杂的现状,这便对传感器收集的数据上传至云端带来了挑战。
M2.COM 于 2016 年发布,是一种开放型的标准,是一种采用简单模块化设计的传感器平台,能够为 IoT 传感节点和传感器提供可靠的标准化解决方案,其特性是行业认证无线解决方案(M2.COM 模块已通过 RF 认证)、传感器入门套件(全面 SDK 和工具)、内置 WISE-Agent(简介 IoT 代理,用于处理云通信协议)、即用型设备云(云服务,用于设备管理和数据分析)。
M2.COM 采用 2230/2242/2260 M.2 封装方式,具有 75 个主插针接口。紧凑型尺寸长 30mm、宽 22mm,方便进行微传感器部署和系统集成。
综合而言,M2.COM 概念适用于集成传感器、嵌入式系统和网络连接特性的模块化、标准化平台,支持用于构建物联网传感器设备的软件栈。M2.COM 模块集成 MCU、无线设备和传感器接口,可满足物联网应用开发开发的多样性需求,模块化的优势是可随着物联网的需求变化而进行扩展。
据胡智生介绍,M2.COM 已有 40 来家生态合作伙伴。
在 IoT 物联网到来之前,研华是严格意义 EIS 上的硬件厂商,而将其硬件与 WISE-PaaS 物联网服务、软件服务包等进行整合,形成 IoT EIS(边缘智能服务器)是软硬件整合方案, 提供的集成解决方案包括工业无风扇计算机、WISE-PaaS 软件包、物联网开发工具、预配置云服务,并可以其灵活特性通过 WISE-PaaS Marketplace 添加更多软件模块,从而实现物联网连接、数据管理和分析。简而言之,EIS 是载具,WISE-PaaS 是平台,WISE-PaaS Marketplace 是生态系统。
久好电子
北京久好电子科技有限公司是一家由清华校友 2014 年创立,位于北京海淀区中关村高科技园区集成电路设计园内的专业从事数模混合集成电路设计与研发的高新技术企业。马力天使投资有限公司为公司主要投资伙伴。
久好电子董事长刘卫东介绍道:“物联网传感器芯片和健康可穿戴芯片是公司的主要研发方向。2016 年有 2 颗芯片在售,出货量各 100 万颗。今年将为市场提供 5 款芯片。
久好电子董事长刘卫东
代表性产品如下:
JHM3000 高精度低成本人体温度传感器
一款针对人体温度测量的高精度温度传感器电路,在 32oC ~ 42oC 范围内可达到 0.1oC 范围的测量精度,温度分辨率可小于 0.01 oC。
刘卫东表示,2015 年年底听说水银温度计将被停产,而市面上价格适中的电子温度计却普遍存在测量并不精确的问题,于是有了设计研发一款人体温度传感器的想法并行动了起来。除了测量精度的问题,测量时间也是电子,温计的一大瓶颈,往往需要一定时间,JHM3000 通过加入预测算法将测量时间缩短到 20s,而这颗芯片的价格仅仅是 7 角。
JHM110X 汽车级电阻桥式传感器信号调理芯片
一款针对差分电阻桥式或半桥式传感器信号设计的高精度模数转换器,可通过单线接口提供数字或模拟的测量输出信号,为传感器提供便捷、准确的测量结果。存在两种封装结构,JHM1101 为 MSOP10L 封装,JHM1102 为 MSOP8L 封装。JHM110X 早已打入中国汽车前装市场与美德汽车后装市场。
JHM120X 高分辨率电阻桥式传感器信号调理芯片
一款针对差分电阻桥式或半桥式传感器信号设计的高精度信号调理集成电路。存在两种封装结构,JHM1201 为 MSOP10L 封装,JHM1202 为 MSOP10P2N 封装。可应用于可穿戴舍必、导航、数字气压传感器等领域。
JHM200X 高分辨率电容式传感器信号调理芯片
一款针对电容式传感器设计的高精度信号调理集成电路,其电容分辨率最高可达 10aF,约 19.5bit ENOB,线性度可达 0.01%。可应用于可穿戴设备、温湿度模组、流量计等领域。
在本此展会上,久好电子还推出了 JHM2100 陶瓷电容传感器信号调理芯片。未来将有重磅产品 JHM3802 SoC 推出。
刘卫东表示久好电子的产品规划都从自身的技术优势出发,也就是:
高性能、低功耗数模混合集成电路设计技术:极低噪音的放大器,高速、高分辨率、低功耗 ADC、DAC 电路 IP,高稳定的、低功耗各种类型 DSP;
对传感器的非性、零点偏差、灵敏度偏差及温漂先进的补偿算法;
语音信号处理算法及语音信号算法加速电路;
针对传感器、集成电路及算法于一体的软硬件协同设计经验。
瑷镨瑞思
瑷镨瑞思光学有限公司是一家创立于 2006 年,主要从事于光电芯片的设计和生产的公司,总部是在瑞士,在中国上海设有专门的芯片设计中心。为客户提供 TDI 芯片、CCD 图像传感器芯片以及 ToF 芯片等定制服务。在本次展会上,瑷镨瑞思(上海)技术支持主管金丰进行了 3D ToF 传感器的应用和设计的演讲。
瑷镨瑞思技术支持主管金丰
金丰表示,瑷镨瑞思今年主要推出的产品是 33D ToF 测距传感器。
3D 视觉方案主要有飞行时间法(ToF)、结构光法、双目立体视觉三种方法,如今 3D ToF 的市场需求量不断增加。ToF 方案优势在于受环境影响小,测量帧率高,算法开发难度低。金丰表示随着其 ToF 产品线的进一步完善,领域将拓展至无人驾驶汽车、机器人、智能家居、工业智能化检测等多个领域。
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