啟示錄：解構(gòu)英飛凌在物聯(lián)網(wǎng)傳感器上的創(chuàng)新

1883年，大學(xué)教授Warren Seymour Johnson（1847-1911）獲得了他的首項(xiàng)專利“電動遙控測溫器”，利用它可以自動調(diào)節(jié)房間的溫度，這套更節(jié)能、更舒適的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)此后在全球范圍內(nèi)的大型建筑中被廣泛采用，而Johnson也成立了公司來銷售這一系統(tǒng)，這家公司就是江森自控的前身。

1883年的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

從江森自控的故事，我們可以看到終端產(chǎn)品的創(chuàng)新，離不開傳感器的差異化創(chuàng)新，而如今這一關(guān)系愈發(fā)緊密。比如在智能手機(jī)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(yùn)維監(jiān)測系統(tǒng)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(dǎo)體技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，也給傳感器市場賦予了新的機(jī)會和使命，更小巧、更精確、更節(jié)能、更便宜的傳感器正在加速誕生中。

作為物聯(lián)網(wǎng)的最重要組成之一，同時也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的起點(diǎn)，傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)采集，而且還是一種全新的人機(jī)交互體驗(yàn)方式，從語音識別到手勢識別，可以說一個智能的、數(shù)字化的家庭與社會，離不開遍布各處的傳感器。

Marketsandmarkets的2021物聯(lián)網(wǎng)傳感器市場報告的數(shù)據(jù)也印證了這一趨勢，其表示物聯(lián)網(wǎng)傳感器市場規(guī)模預(yù)計將從 2021 年的 84 億美元到 2026 年達(dá)到 296 億美元，預(yù)測期內(nèi)的復(fù)合年增長率為 28.6%。

幾類重要的傳感器市場發(fā)展前景預(yù)測（數(shù)據(jù)來源：英飛凌）

作為在傳感器產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域積累了 40 年經(jīng)驗(yàn)、擁有豐富感測技術(shù)產(chǎn)品組合的英飛凌，自然早已準(zhǔn)備好各項(xiàng)舉措應(yīng)對這一快速成長的市場。為了使傳感器的概念更加直觀且深入人心，英飛凌選擇了利用人體的五官來形象比喻其豐富的XENSIV傳感器產(chǎn)品組合。分別包括了毫米波雷達(dá)和3D ToF代表的視覺、MEMS麥克風(fēng)代表的聽覺、二氧化碳傳感器代表的嗅覺以及壓力傳感器代表的觸覺等等。這種形象化的比喻，不光是證明英飛凌的傳感器實(shí)現(xiàn)了人體感知的全覆蓋，更是預(yù)示著英飛凌的高性能傳感器，可以真正賦予機(jī)器以人類的能力。

“五官”即傳感器

過去 10 年來，英飛凌的傳感器出貨量已累計超過200億組，涵蓋包括汽車、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)等廣泛應(yīng)用。為什么英飛凌可以始終引領(lǐng)傳感器市場？本文試圖從多維度解構(gòu)英飛凌在傳感器上的創(chuàng)新，管窺其在物聯(lián)網(wǎng)時代得以繼續(xù)引領(lǐng)傳感器的發(fā)展的深層原因。

創(chuàng)新的組合

第一類創(chuàng)新來自組合。組合式創(chuàng)新的概念來自熊彼德，其內(nèi)涵就是通過基本要素的重新組合，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。英飛凌的XENSIV PAS二氧化碳傳感器就是以此方法實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新，該產(chǎn)品結(jié)合了英飛凌的高靈敏度 MEMS 麥克風(fēng)、微控制器、MOSFET等多種技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了最佳性價比的二氧化碳感應(yīng)方案。

室內(nèi)二氧化碳的含量，對于人類健康生活有著至關(guān)重要的影響，研究表明當(dāng)濃度過高時，就會讓人感到頭暈。除此之外，在通風(fēng)不足的環(huán)境下，也會增加新冠等各種病毒的傳播風(fēng)險，因此有效的檢測室內(nèi)二氧化碳濃度，以自動執(zhí)行通風(fēng)，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(shù)（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(shù)則是利用了貝爾于1880年發(fā)現(xiàn)的固體光聲效應(yīng)，氣體在吸收光能后產(chǎn)生的熱能會以聲壓形式表現(xiàn)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(shù)具有較高的靈敏度、良好的選擇性、長壽命、測量量小等優(yōu)勢，但是成本較高，因此難以在對成本敏感的物聯(lián)網(wǎng)市場普及。而英飛凌通過優(yōu)化針對低頻信號采集的MEMS麥克風(fēng)，實(shí)現(xiàn)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二氧化碳傳感器與光聲（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(qū)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(fā)及生產(chǎn)。其集成的微控制器內(nèi)置ppm濃度計算，以及高級補(bǔ)償和配置算法，從而使產(chǎn)品具有長期的穩(wěn)定可靠特性，以及支持豐富的外設(shè)接口（UART、PWM、I2C等）。

值得一提的是，CO2傳感器除了應(yīng)用在室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。

CO2GO選擇英飛凌技術(shù)開發(fā)出便攜式低功耗二氧化碳傳感器

創(chuàng)新的遷移

第二類創(chuàng)新是遷移，現(xiàn)今最好的一個案例就是將數(shù)據(jù)遷移至云端，從而創(chuàng)造出了豐富的產(chǎn)業(yè)需求。作為汽車壓力傳感器的主要供應(yīng)商之一，英飛凌一直采用壓阻式傳感器，廣泛應(yīng)用于包括汽車內(nèi)液體或氣體的壓力表計、側(cè)氣囊、行人保護(hù)、胎壓等多種領(lǐng)域。而今，越來越多的消費(fèi)類產(chǎn)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(chuàng)新可迅速擴(kuò)大壓力傳感器的應(yīng)用場景。

壓阻式傳感器經(jīng)過英飛凌數(shù)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(diǎn)，比如其MEMS區(qū)域面積過大、噪音高以及功耗高等問題，較難在消費(fèi)類IoT產(chǎn)品中應(yīng)用。因此，英飛凌將其在壓力傳感器上的信號調(diào)理技術(shù)基礎(chǔ)遷移至消費(fèi)領(lǐng)域，并利用電容MEMS取代電阻MEMS，實(shí)現(xiàn)更小的面積、更高的準(zhǔn)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(jìn)一步減少系統(tǒng)尺寸。

英飛凌通過將壓力傳感器遷移至IoT及消費(fèi)領(lǐng)域，可靈活應(yīng)用在各類需要收集氣壓、風(fēng)速數(shù)值的場景，甚至還可實(shí)現(xiàn)跌倒動作檢測。具體產(chǎn)品形態(tài)則從手機(jī)、智能手表到暖通風(fēng)機(jī)預(yù)測維護(hù)、空調(diào)甚至無人機(jī)等豐富的應(yīng)用領(lǐng)域。

英飛凌DPS310壓力傳感器應(yīng)用場景

創(chuàng)新的工藝

第三類創(chuàng)新是工藝創(chuàng)新。工藝是半導(dǎo)體最核心的競爭力，沒有之一。眾所周知，CMOS工藝是半導(dǎo)體行業(yè)持續(xù)時間最久，商業(yè)化程度最高，成本最低的技術(shù)。英飛凌最新的毫米波雷達(dá)傳感器，正是基于CMOS工藝所開發(fā)而成，相比傳統(tǒng)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(yōu)勢，非常適合于消費(fèi)級應(yīng)用。

目前英飛凌針對IoT市場的毫米波雷達(dá)傳感器采用60 GHz頻段，具有高達(dá)7 GHz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(jìn)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(yīng)用。小至谷歌Pixel 4手機(jī)，大到三星電視，都采用了英飛凌的毫米波雷達(dá)傳感器。

毫米波雷達(dá)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(huán)境中應(yīng)用。比如英飛凌合作伙伴清雷科技開發(fā)的“貝加安智慧健康生命支持系統(tǒng)”，就是利用了毫米波芯片，在非接觸狀態(tài)下準(zhǔn)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(jìn)行風(fēng)險預(yù)警，還可以針對老年人的跌倒進(jìn)行監(jiān)測。

另外一個毫米波雷達(dá)在IoT中典型應(yīng)用是存在檢測，比如當(dāng)走進(jìn)家門時空調(diào)、照明、電視等都會打開，而檢測到無人狀態(tài)下，這些耗電設(shè)備則會自動進(jìn)入待機(jī)模式，這可以極大提升IoT產(chǎn)品的能效，而對于電池驅(qū)動的產(chǎn)品而言，則可大大延長系統(tǒng)待機(jī)時間。

相對于傳統(tǒng)存在檢測的PIR（紅外）方法而言，毫米波雷達(dá)的高精確特性可對靜態(tài)人體進(jìn)行檢測，因此更加準(zhǔn)確，尤其是當(dāng)你坐在電視機(jī)前一動不動時。同時，毫米波雷達(dá)可穿透非金屬表面而無需開孔，從而更方便產(chǎn)品外觀設(shè)計。

為了降低毫米波雷達(dá)使用門檻，英飛凌通過采用AiP（天線集成封裝）的技術(shù)，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(dá)信號處理專業(yè)知識的工程師，也可以輕松為產(chǎn)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(dá)的智能家居解決方案

創(chuàng)新的合作

第四類創(chuàng)新是合作模式的創(chuàng)新。英飛凌的REAL3 3D ToF傳感器的問世過程，與其他芯片開發(fā)有著本質(zhì)區(qū)別，這款產(chǎn)品是英飛凌于2013年與湃安德（PMD Technology）深度聯(lián)合所定制的，基于湃安德獨(dú)特的pmd像素矩陣所開發(fā)的CMOS 3D圖像傳感器。英飛凌為系統(tǒng)級芯片（SoC）集成提供所有功能組件。此外，雙方也攜手開發(fā)了pmdToF優(yōu)化CMOS制造工藝標(biāo)準(zhǔn)方案。這種深度的創(chuàng)新合作，使得ToF技術(shù)在近十年來得到了飛躍式發(fā)展。

相對于雷達(dá)技術(shù)而言，3D ToF（Time of Flight 飛行時間）傳感器屬于較新技術(shù)。雷達(dá)是通過發(fā)射和接收電磁波來判斷物體，而3D ToF則是將單一調(diào)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(jié)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(shí)時生成物體、建筑物和人體的三維立體圖，但是和傳統(tǒng)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(yán)格的應(yīng)用場景，同時也應(yīng)用于包括自動對焦、SLAM等場合。相對于雙目測距或結(jié)構(gòu)光而言，ToF技術(shù)可以直接獲得距離參數(shù)。

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(yàn)證和支付等場景。在手機(jī)中，ToF相機(jī)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，2021年，英飛凌就宣布與湃安德和虹軟一起，開發(fā)智能手機(jī)屏下ToF相機(jī)一站式解決方案，從而實(shí)現(xiàn)無劉海屏的新一代智能手機(jī)設(shè)計。

湃安德是一家擁有超過20年歷史的ToF供應(yīng)商，已累積400個ToF技術(shù)專利，以湃安德發(fā)明的pmd（photonic mixer device光子混合器裝置）為基礎(chǔ)，其傳感器可以同時高精度地檢測光的強(qiáng)度和距離值。自2005年推出首款ToF傳感器之后，產(chǎn)品線已經(jīng)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(shù)已從最初的工業(yè)成像應(yīng)用，擴(kuò)展至包括汽車、機(jī)器人、手機(jī)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(yīng)用于Google Tango上，比采用ToF技術(shù)的iPhone 12領(lǐng)先了4年。雙方的合作日益緊密，截至2021年，REAL 3已經(jīng)成功推出六代產(chǎn)品。

雙方這種深度合作創(chuàng)新的結(jié)果是，迄今為止英飛凌已交付數(shù)百萬個3D圖像傳感器，并借由雙方的廣泛商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，先后與諸如舜宇、虹軟等多家模組和系統(tǒng)供應(yīng)商建立了合作伙伴關(guān)系，為ToF在多領(lǐng)域的普及做出了巨大貢獻(xiàn)。

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

創(chuàng)新的商業(yè)模式

第五類創(chuàng)新是商業(yè)模式的創(chuàng)新。傳統(tǒng)理解上，芯片公司出售的芯片都已經(jīng)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(jié)合自身技術(shù)對其進(jìn)行封裝，英飛凌的MEMS麥克風(fēng)商業(yè)模式就是如此。

英飛凌在MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)鏈有著獨(dú)特的定位，為傳統(tǒng)ECM（駐極體電容器麥克風(fēng)）制造商供應(yīng)MEMS和ASIC芯片，比如業(yè)界知名的歌爾、共達(dá)、BSE、美律、Partron等公司的產(chǎn)品。其中英飛凌提供半導(dǎo)體技術(shù)，而這些合作伙伴則具有聲學(xué)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)?？蛻糍徺I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(yè)模式，英飛凌迅速成為MEMS麥克風(fēng)市場的領(lǐng)導(dǎo)者。

隨著IoT的發(fā)展，語音不僅僅是人與人溝通的橋梁，同時也變成了人機(jī)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(fēng)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(tǒng)方案合作，將MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用于智能交互、降噪、語音增強(qiáng)甚至是工業(yè)運(yùn)維等場景中。

英飛凌合作伙伴Tempo的TSDP1808x數(shù)字麥克風(fēng)聚合器 (DMIC) 和英飛凌的MEMS麥克風(fēng)攜手，為業(yè)界提供最高性能的多麥克風(fēng)解決方案

創(chuàng)新的應(yīng)用

如今借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的跨越式發(fā)展，其應(yīng)用正變得百花齊放，這也給了英飛凌傳感器更多的發(fā)展空間，從而不斷滿足人們的創(chuàng)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(fēng)以及Toposens專有的3D超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主系統(tǒng)的3D障礙物檢測和避障功能。

而為了快速實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用的落地，英飛凌一直在系統(tǒng)創(chuàng)新以及軟件創(chuàng)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(jìn)行評估與原型開發(fā)，其中Sensor 2GO評估板不但配備了傳感器，還結(jié)合了Arm的CPU，支持板載調(diào)試。并且，各類評估板還可以與Arduino或樹莓派實(shí)現(xiàn)了即插即用，以及軟件庫函數(shù)的支持，從而實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)。并且，所有接口都為標(biāo)準(zhǔn)接口，工程師可以根據(jù)自身需求，靈活自由選擇開發(fā)板，以定制復(fù)雜的系統(tǒng)級解決方案。

而對于雷達(dá)等復(fù)雜應(yīng)用，英飛凌提供了SDK與基礎(chǔ)算法庫，從而降低用戶的軟件開發(fā)門檻。

如今，有越來越多的初創(chuàng)公司利用了英飛凌的傳感器，開發(fā)出種類豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這無疑說明英飛凌降低創(chuàng)新門檻的策略是成功的。

利用英飛凌壓力傳感器Shield2Go的乒乓球游戲演示

與此同時，對于實(shí)際應(yīng)用而言，單傳感器已經(jīng)很難準(zhǔn)確描述某一行為，因此多傳感器融合也不再是汽車ADAS系統(tǒng)所獨(dú)享，越來越多IoT市場開始采用傳感器融合的技術(shù)。英飛凌的多層架構(gòu)報警系統(tǒng)參考就是一個典型的IoT傳感器融合應(yīng)用，所用數(shù)據(jù)源自MEMS麥克風(fēng)與氣壓傳感器。其中麥克風(fēng)負(fù)責(zé)檢測聲學(xué)事件，如門窗玻璃破碎的聲音，而壓力傳感器則檢測壓力變化事件，如室內(nèi)氣壓在玻璃打碎前后發(fā)生的變化。兩種硬件分別以不同算法運(yùn)行，并通過復(fù)雜的傳感器融合算法將其融為一體。只有同時觸發(fā)兩種傳感器，系統(tǒng)才會報警。這使得玻璃破碎檢測系統(tǒng)的魯棒性更高，誤報率更低。同時，該系統(tǒng)還可檢測非法入侵者由于開門或開窗所造成的室內(nèi)氣壓變化，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)入侵檢測。

英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部的系統(tǒng)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(tǒng)

再比如英飛凌與XMOS合作，利用英飛凌的雷達(dá)和硅麥克風(fēng)傳感器與XMOS的音頻處理器相結(jié)合，通過音頻波束成形和雷達(dá)目標(biāo)位置檢測進(jìn)行準(zhǔn)確的遠(yuǎn)場語音識別。

創(chuàng)新無處不在

為了尋求更舒適、更安全、更節(jié)約時間、更易用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，各類人機(jī)交互方式的創(chuàng)新層出不窮。作為人機(jī)交互的關(guān)鍵，傳感器需要提供更直觀、更自然的體驗(yàn)。同時，傳感器的種類也要變得更豐富，以針對不同應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化選擇。更重要的是，隨著邊緣AI技術(shù)的發(fā)展，可以處理更多的數(shù)據(jù)，這也給了此前無法應(yīng)用于IoT的復(fù)雜傳感器新的發(fā)展空間。

針對如今傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的浪潮，英飛凌從各個角度正在加速創(chuàng)新，這種創(chuàng)新不單體現(xiàn)在產(chǎn)品本身，更體現(xiàn)在英飛凌以系統(tǒng)應(yīng)用為導(dǎo)向的創(chuàng)新策略以及合作伙伴的創(chuàng)新關(guān)系上，以滿足碎片化、智能化的物聯(lián)網(wǎng)新業(yè)態(tài)。