解構英飛凌在物聯網傳感器上的創新

1883年的溫度調節系統

從江森自控的故事，我們可以看到終端產品的創新，離不開傳感器的差異化創新，而如今這一關系愈發緊密。比如在智能手機上，如今更多人在乎照相能力（圖像傳感器），自動駕駛汽車則是比拼感知能力（各種主動與被動傳感器），工廠流行的運維監測系統也是要依賴各種傳感器（MEMS、壓力、振動等）。

100多年來，傳感器不斷改善人們的工作和生活的便利性。隨著半導體技術和物聯網技術的發展，也給傳感器市場賦予了新的機會和使命，更小巧、更精確、更節能、更便宜的傳感器正在加速誕生中。

作為物聯網的最重要組成之一，同時也是物聯網技術的起點，傳感器不僅可以實現現實世界的數據采集，而且還是一種全新的人機交互體驗方式，從語音識別到手勢識別，可以說一個智能的、數字化的家庭與社會，離不開遍布各處的傳感器。

Marketsandmarkets的2021物聯網傳感器市場報告的數據也印證了這一趨勢，其表示物聯網傳感器市場規模預計將從 2021 年的 84 億美元到 2026 年達到 296 億美元，預測期內的復合年增長率為 28.6%。

幾類重要的傳感器市場發展前景預測

數據來源：英飛凌

“五官”即傳感器

第一類創新來自組合。組合式創新的概念來自熊彼德，其內涵就是通過基本要素的重新組合，從而實現創新。英飛凌的XENSIV??PAS CO2傳感器就是以此方法實現的創新，該產品結合了英飛凌的高靈敏度 MEMS 麥克風、微控制器、MOSFET等多種技術，從而實現了最佳性價比的二氧化碳感應方案。

室內二氧化碳的含量，對于人類健康生活有著至關重要的影響，研究表明當濃度過高時，就會讓人感到頭暈。除此之外，在通風不足的環境下，也會增加新冠等各種病毒的傳播風險，因此有效的檢測室內二氧化碳濃度，以自動執行通風，可在多方面保證人體健康。

目前CO₂濃度測量方法有很多種，主流方法之一是非分光紅外技術（NDIR），利用用二氧化碳吸收波長4.26μm紅外線的物理特征來測量其具體濃度。

光聲光譜技術則是利用了貝爾于1880年發現的固體光聲效應，氣體在吸收光能后產生的熱能會以聲壓形式表現出來，而通過拾音器測試聲壓，便可以通過二氧化碳的聲壓特性，檢測出其含量。

光聲光譜技術具有較高的靈敏度、良好的選擇性、長壽命、測量量小等優勢，但是成本較高，因此難以在對成本敏感的物聯網市場普及。而英飛凌通過優化針對低頻信號采集的MEMS麥克風，實現了更低成本的拾音器，從而極大減小了拾音成本。

同時，為了方便用戶使用，英飛凌將XENSIV??PAS CO2傳感器與光聲（PAS）換能器（探測器、紅外光源和濾光片）、用于信號處理和算法的微控制器，以及驅動紅外光源的MOSFET集成在了一塊PCB上，從而以SMD（表面貼裝器件）模塊化封裝方式為客戶提供便捷的開發及生產。其集成的微控制器內置ppm濃度計算，以及高級補償和配置算法，從而使產品具有長期的穩定可靠特性，以及支持豐富的外設接口（UART、PWM、I2C等）。

值得一提的是，CO₂傳感器除了應用在室內空氣質量監測之外，英飛凌還宣布與Rainforest Connection合作，計劃將CO₂傳感器用于森林防火等更多智能物聯網應用中。

CO₂GO選擇英飛凌技術開發出便攜式低功耗二氧化碳傳感器

第二類創新是遷移，現今最好的一個案例就是將數據遷移至云端，從而創造出了豐富的產業需求。作為汽車壓力傳感器的主要供應商之一，英飛凌一直采用壓阻式傳感器，廣泛應用于包括汽車內液體或氣體的壓力表計、側氣囊、行人保護、胎壓等多種領域。而今，越來越多的消費類產品需要觸覺來感知壓力，在基本原理不變的情況下，遷移式創新可迅速擴大壓力傳感器的應用場景。

壓阻式傳感器經過英飛凌數十年的車用安裝，證明了其高可靠性。但壓阻式傳感器也有其固有缺點，比如其MEMS區域面積過大、噪音高以及功耗高等問題，較難在消費類IoT產品中應用。因此，英飛凌將其在壓力傳感器上的信號調理技術基礎遷移至消費領域，并利用電容MEMS取代電阻MEMS，實現更小的面積、更高的準確度以及更低的功耗，并且由于其面積更小，因此可以將ASIC與MEMS集成，從而進一步減少系統尺寸。

英飛凌通過將壓力傳感器遷移至IoT及消費領域，可靈活應用在各類需要收集氣壓、風速數值的場景，甚至還可實現跌倒動作檢測。具體產品形態則從手機、智能手表到暖通風機預測維護、空調甚至無人機等豐富的應用領域。

英飛凌DPS310壓力傳感器應用場景

第三類創新是工藝創新。工藝是半導體最核心的競爭力，沒有之一。眾所周知，CMOS工藝是半導體行業持續時間最久，商業化程度最高，成本最低的技術。英飛凌最新的毫米波雷達傳感器，正是基于CMOS工藝所開發而成，相比傳統的GaAs或者如今較為流行的SiGe工藝而言，其具有低成本、高集成度、低功耗以及小尺寸等諸多優勢，非常適合于消費級應用。

目前英飛凌針對IoT市場的毫米波雷達傳感器采用60GHz頻段，具有高達7GHz的超寬帶可用于各類短距離偵測，支持從人員跟蹤到圖像分割，甚至由于其高精度特性，還可以進行諸如手勢識別、材料分類及生命體征檢測（呼吸、心跳甚至血壓）等多種應用。小至谷歌Pixel 4手機，大到三星電視，都采用了英飛凌的毫米波雷達傳感器。

毫米波雷達由于不會采集到具體的人臉信息，因此其特別適合對隱私要求較高的家庭IoT環境中應用。比如英飛凌合作伙伴清雷科技開發的“貝加安智慧健康生命支持系統”，就是利用了毫米波芯片，在非接觸狀態下準確檢測呼吸與心率等生命體征，以及一些基本的動作識別。從而改善人們的睡眠健康，對潛在的疾病進行風險預警，還可以針對老年人的跌倒進行監測。

另外一個毫米波雷達在IoT中典型應用是存在檢測，比如當走進家門時空調、照明、電視等都會打開，而檢測到無人狀態下，這些耗電設備則會自動進入待機模式，這可以極大提升IoT產品的能效，而對于電池驅動的。產品而言，則可大大延長系統待機時間。

相對于傳統存在檢測的PIR（紅外）方法而言，毫米波雷達的高精確特性可對靜態人體進行檢測，因此更加準確，尤其是當你坐在電視機前一動不動時。同時，毫米波雷達可穿透非金屬表面而無需開孔，從而更方便產品外觀設計。

為了降低毫米波雷達使用門檻，英飛凌通過采用AiP（天線集成封裝）的技術，同時支持無需軟硬件修改的自動工作模式，從而使不具備射頻、天線或雷達信號處理專業知識的工程師，也可以輕松為產品添加毫米波功能。

英飛凌與Aqara綠米攜手推出

搭載毫米波雷達的智能家居解決方案

第四類創新是合作模式的創新。英飛凌的REAL3 3D ToF傳感器的問世過程，與其他芯片開發有著本質區別，這款產品是英飛凌于2013年與湃安德（PMD Technology）深度聯合所定制的，基于湃安德獨特的pmd像素矩陣所開發的CMOS 3D圖像傳感器。英飛凌為系統級芯片（SoC）集成提供所有功能組件。此外，雙方也攜手開發了pmd ToF優化CMOS制造工藝標準方案。這種深度的創新合作，使得ToF技術在近十年來得到了飛躍式發展。

相對于雷達技術而言，3D ToF（Time of Flight 飛行時間）傳感器屬于較新技術。雷達是通過發射和接收電磁波來判斷物體，而3D ToF則是將單一調制的紅外光源投射到感興趣的物體、用戶或場景上。反射光由ToF成像儀捕捉，成像儀按像素測定振幅和相位差。其結果是生成高度可靠的距離圖像加上整個場景的灰度圖像。

可以說3D ToF是最像眼睛的傳感器，可實時生成物體、建筑物和人體的三維立體圖，但是和傳統的圖像傳感器不同，ToF 3D傳感器不會搜集到具體的視覺信息，因此非常適合對隱私要求嚴格的應用場景，同時也應用于包括自動對焦、SLAM等場合。相對于雙目測距或結構光而言，ToF技術可以直接獲得距離參數。

英飛凌的ToF 3D 圖像傳感器具有超高精度，甚至可用于人臉識別驗證和支付等場景。在手機中，ToF相機已經得到了廣泛應用，2021年，英飛凌就宣布與湃安德和虹軟一起，開發智能手機屏下ToF相機一站式解決方案，從而實現無劉海屏的新一代智能手機設計。

湃安德是一家擁有超過20年歷史的ToF供應商，已累積400個ToF技術專利，以湃安德發明的pmd（photonic mixer device光子混合器裝置）為基礎，其傳感器可以同時高精度地檢測光的強度和距離值。自2005年推出首款ToF傳感器之后，產品線已經過10代更新升級。如今，借助英飛凌的REAL3圖像傳感器，湃安德的ToF技術已從最初的工業成像應用，擴展至包括汽車、機器人、手機以及AR等廣闊的市場中。

2015年，英飛凌首代REAL 3便問世，并攜手湃安德成功于2016年將其第二代REAL 3應用于Google Tango上，比采用ToF技術的iPhone 12領先了4年。雙方的合作日益緊密，截至2021年，REAL 3已經成功推出六代產品。

雙方這種深度合作創新的結果是，迄今為止英飛凌已交付數百萬個3D圖像傳感器，并借由雙方的廣泛商業網絡，先后與諸如舜宇、虹軟等多家模組和系統供應商建立了合作伙伴關系，為ToF在多領域的普及做出了巨大貢獻。

時任英飛凌電源與傳感系統事業部總裁Andreas Urschitz（右）與 pmdtechnologies 首席執行官 Bernd Buxbaum就ToF的未來展開討論

第五類創新是商業模式的創新。傳統理解上，芯片公司出售的芯片都已經是封裝好的，用戶拿來使用即可。但也有很多以裸片形式供給給客戶，客戶再結合自身技術對其進行封裝，英飛凌的MEMS麥克風商業模式就是如此。

英飛凌在MEMS麥克風產業鏈有著獨特的定位，為傳統ECM（駐極體電容器麥克風）制造商供應MEMS和ASIC芯片，比如業界知名的歌爾、共達、BSE、美律、Partron等公司的產品。其中英飛凌提供半導體技術，而這些合作伙伴則具有聲學技術經驗。客戶購買英飛凌MEMS晶圓，并使用自己的品牌銷售，雖然英飛凌的品牌可見度有限，但是這并不限制英飛凌的成功。通過這種靈活的商業模式，英飛凌迅速成為MEMS麥克風市場的領導者。

隨著IoT的發展，語音不僅僅是人與人溝通的橋梁，同時也變成了人機交互的重要工具，英飛凌也于2018年推出了自主品牌的MEMS麥克風封裝成品，并與包括云知聲、SoundAI、米唐、朗陽、大象聲科、relajet等多家聽覺算法和系統方案合作，將MEMS麥克風應用于智能交互、降噪、語音增強甚至是工業運維等場景中。

如今借助物聯網技術的跨越式發展，其應用正變得百花齊放，這也給了英飛凌傳感器更多的發展空間，從而不斷滿足人們的創新需求。比如Toposens公司2021年與英飛凌合作，利用英飛凌的MEMS麥克風以及Toposens專有的3D超聲波技術實現自主系統的3D障礙物檢測和避障功能。

而為了快速實現創新應用的落地，英飛凌一直在系統創新以及軟件創新方面提供更多可能。

具體而言，英飛凌的Sensor 2GO和Shield2Go評估板，可以幫助客戶迅速針對傳感器進行評估與原型開發，其中Sensor 2GO評估板不但配備了傳感器，還結合了Arm的CPU，支持板載調試。并且，各類評估板還可以與Arduino或樹莓派實現了即插即用，以及軟件庫函數的支持，從而實現快速開發。并且，所有接口都為標準接口，工程師可以根據自身需求，靈活自由選擇開發板，以定制復雜的系統級解決方案。

而對于雷達等復雜應用，英飛凌提供了SDK與基礎算法庫，從而降低用戶的軟件開發門檻。

如今，有越來越多的初創公司利用了英飛凌的傳感器，開發出種類豐富的物聯網應用，這無疑說明英飛凌降低創新門檻的策略是成功的。

英飛凌電源與傳感系統事業部的系統工程主任工程師梁國信

在介紹英飛凌的玻璃破碎報警系統

為了尋求更舒適、更安全、更節約時間、更易用的物聯網設備，各類人機交互方式的創新層出不窮。作為人機交互的關鍵，傳感器需要提供更直觀、更自然的體驗。同時，傳感器的種類也要變得更豐富，以針對不同應用場景實現最優化選擇。更重要的是，隨著邊緣AI技術的發展，可以處理更多的數據，這也給了此前無法應用于IoT的復雜傳感器新的發展空間。

針對如今傳感器在物聯網中的浪潮，英飛凌從各個角度正在加速創新，這種創新不單體現在產品本身，更體現在英飛凌以系統應用為導向的創新策略以及合作伙伴的創新關系上，以滿足碎片化、智能化的物聯網新業態。