讓傳感器更可靠

來源：TechSugar

《Semiconductor Engineering》與來自Cadence的Tensilica音頻/語音DSP集團(tuán)產(chǎn)品營銷總監(jiān)Prakash Madhvathy、英飛凌MEMS傳感器高級產(chǎn)品經(jīng)理Kevin Hughes，以及西門子EDA產(chǎn)品管理總監(jiān)Matthew Hogan就傳感器領(lǐng)域出現(xiàn)的最新問題進(jìn)行了討論。以下是具體內(nèi)容。

編輯：感知芯視界 Link

SE：傳感器領(lǐng)域的總體發(fā)展趨勢是怎樣的？

Hughes: 英飛凌一直專注于兩個宏觀趨勢：數(shù)字化和脫碳。不管應(yīng)用于哪個領(lǐng)域的傳感器，它們的共同目標(biāo)是保持企業(yè)可持續(xù)性。每個人都希望提高能源效率，不僅僅是因為環(huán)境原因，還因為它對利潤也有影響。

我們正與許多公司合作部署傳感器，以提高能源效率和減少浪費。例如，我目前正在研究建筑物的自動化系統(tǒng)，其中會使用到占用率檢測、空氣質(zhì)量監(jiān)測和其它傳感器來預(yù)測和了解建筑物的使用情況，從而可以按需控制照明和空調(diào)。只在需要的時候使用需要的量，而不是一味地浪費能源。

這些傳感器也可以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，有助于節(jié)省能源。通過在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和制造設(shè)備上使用傳感器實時監(jiān)測其健康狀況，還可以發(fā)出早期維護(hù)警告，從而確保所有機器都以最佳效率運行并延長它們的使用壽命。從長遠(yuǎn)來看，這樣可以減少在循環(huán)使用這些機器時所造成的整體工業(yè)浪費。

SE：你們的辦公室也變成了實驗對象，是嗎？

Hughes: 是的，我們許多辦公室也都裝有雷達(dá)傳感器和二氧化碳傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時收集。

Hogan: 傳感器的類型、應(yīng)用以及不同領(lǐng)域部署傳感器的需求都呈現(xiàn)爆炸式的增長。但從制造業(yè)和IC集成的角度來看，我們也看到了對節(jié)能的更強烈需求，這意味著在這些領(lǐng)域中使用的芯片也需要更節(jié)能。

我們許多客戶都在考慮使用更低電壓、更小設(shè)備、更小尺寸的零件，以及系統(tǒng)更進(jìn)一步的集成。我們看到的是，系統(tǒng)對靜電放電等方面也越來越敏感。

從可靠性的角度來看，在解決ESD問題后，傳感器的使用壽命會更長，可以使用很多年。它們不需要不斷替換。在設(shè)計過程中，我們都在致力于確保設(shè)計的不同方面都得到充分考慮。他們嘗試如何將這些傳感器設(shè)計得比上一代更小、更快、更好，同時也更可靠，因為傳感器正不斷地在被部署。隨著部署的數(shù)量越來越多，失效率也開始變得越來越高。那我們?nèi)绾文芴峁┮粋€低數(shù)量級的故障率，以便所有這些正在部署的傳感器都是可見的呢？

Madhvapathy：傳感器的總體發(fā)展趨勢取決于你所關(guān)注的行業(yè)。當(dāng)然，能效是一個趨勢，因為能源變得非常非常重要。隨著工業(yè)、智慧城市和消費者家庭中部署的傳感器數(shù)量激增，保持低能耗很重要。

另一個趨勢是用戶界面的選擇。我們看到以不同方式與我們的設(shè)備進(jìn)行交互的應(yīng)用程序正不斷擴展。Amazon Alexa和“Okay-Google”類型的設(shè)備可以進(jìn)行語音交互，但目前正朝著其他未連接到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備發(fā)展。能夠用更自然的語言與他們交談，這些設(shè)備可以為人類提供更好的服務(wù)，包括洗衣機、烘干機、耳機、機器人等任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。如果它們能夠響應(yīng)語音命令或手勢，或其他方法，這將大大豐富和加快與這些設(shè)備的交互過程，甚至包括汽車。例如，現(xiàn)在正在部署的超聲波，就可以使用手勢而不是物理按鈕進(jìn)行交互。這樣在開車時，使用這種方式與設(shè)備交互比瀏覽屏幕上過多的菜單項更容易。

還有很多安全用例，例如設(shè)備或建筑大廈怎樣判斷是否應(yīng)該允許一個人訪問。在這種情況下，語音生物識別和視覺可以結(jié)合起來創(chuàng)建個人檔案，然后應(yīng)用于每一次的身份驗證。對于健康用例，有持續(xù)的監(jiān)測等例子。目前，當(dāng)你有健康問題時，你必須去看醫(yī)生并在那里接受檢測，你可能還需要每隔幾個月去做一次復(fù)查。但如果你有一個可以佩戴或植入的設(shè)備，你就可以被全天候持續(xù)的監(jiān)測。當(dāng)出現(xiàn)問題時，醫(yī)生會獲得提醒并及時采取行動，而無需等待臨床預(yù)約。

SE：目前的血糖監(jiān)測就是這樣的，是嗎？

Madhvapathy: 是的，并且與此相結(jié)合的是藥物注射方面。你可以在身體里嵌入一些能夠創(chuàng)建控制循環(huán)的儀器，以便及時采取行動。例如，每當(dāng)某個參數(shù)超出限制時，它就會向體內(nèi)釋放藥物。這些都是我們所看到的趨勢。

SE：所有這些都表明，人機工程學(xué)將走到最前沿。

Madhvapathy：是的，如果可穿戴設(shè)備讓人感覺不舒服，人們很可能不會使用它，即使他們明白這些設(shè)備可以拯救生命。例如，如Fitbit等設(shè)備可以監(jiān)測睡眠，但大多數(shù)人不愿意佩戴它們，因為會影響他們的睡眠。

而當(dāng)你植入一個設(shè)備時，會有一個更大的問題，就是必須得到FDA的批準(zhǔn)，以確保這些設(shè)備在植入體內(nèi)后不會引起任何問題。植入的設(shè)備不會讓用戶感到不舒服，導(dǎo)致疼痛或不適，因為它們會在體內(nèi)停留很長時間。當(dāng)然，怎樣讓患者了解這不會造成長期問題，而且實際上對他們更有利，也是醫(yī)學(xué)界必須考慮的另一個問題。

SE：保證傳感器的可靠性的最大挑戰(zhàn)有哪些？

Hughes: 這取決于行業(yè)的不同。我目前正在研究的領(lǐng)域之一是環(huán)境傳感器。首先您必須了解零件是在密封/受控環(huán)境中使用的還是在暴露環(huán)境中使用。我們90%的時間都在室內(nèi)度過，這是一個相對狹窄、可控的溫度范圍，因此集成在個人設(shè)備或室內(nèi)監(jiān)視器等設(shè)備中的傳感器的壽命更容易預(yù)測。

然而，如果你正在開發(fā)戶外農(nóng)業(yè)傳感器、土壤傳感器或類似的傳感器，你必須考慮到將經(jīng)歷非常極端的氣候變化、很高的濕度、灰塵和潛在的化學(xué)污染等因素。這一切都取決于設(shè)計過程。在進(jìn)行故障模式分析時，需要將最終用戶案例考慮在內(nèi)。例如，你需要了解水分或化學(xué)物質(zhì)暴露會對你的傳感器產(chǎn)生什么影響，并確保你已經(jīng)為此進(jìn)行了保護(hù)設(shè)計。你的設(shè)備無論是在極端溫度或惡劣環(huán)境下，都能在數(shù)據(jù)表規(guī)格范圍內(nèi)可靠運行。

SE：這對設(shè)計選擇和某些技術(shù)的未來有何影響？這會推動存儲器或其他器件的創(chuàng)新嗎？

Hughes：是的，肯定會。當(dāng)暴露在極端溫度和濕度下時，需要處理除氣和分層等問題，因此有很多機會開發(fā)出更可靠的材料。但這在很大程度上也歸結(jié)于封裝技術(shù)。我的MEMS課程教授表示，傳感器的商業(yè)化是10%的設(shè)計，加上90%的封裝。你需要確保你的系統(tǒng)——不僅是傳感器中的材料，還有包括它在內(nèi)的整個系統(tǒng)——設(shè)計成能夠承受由于膨脹或引線鍵合分層等原因造成的機械應(yīng)力。

Madhvapathy: 回到植入式傳感器的應(yīng)用案例，身體中有很多液體。所有這些液體都是可導(dǎo)電的，而且非常難聞。即使是材料中的一個小孔也會讓這些液體滲入，隨著時間的推移，它們會浸潤整個電子設(shè)備并導(dǎo)致短路。使用合適的材料和合適的層是非常重要的，這樣你就可以對生物流體設(shè)置一些屏障。同時，你也不能設(shè)置太多的障礙，它們也會影響你的感知。你必須能夠感知到你試圖發(fā)送的任何信號，同時保護(hù)內(nèi)部電路免受生物流體的影響。

歸根結(jié)底是要在部署之前對其進(jìn)行充分的測試。例如，MEMS傳感器通過從不同高度或不同材料（如混凝土或鋼）上跌落進(jìn)行徹底測試。還有一點是，如果你測試不徹底或設(shè)計不好，可能會影響良率，從而降低你的利潤率。所以每個人都在努力追求五個9的可靠性。否則，利潤率就會受到影響。你最好在不同的環(huán)境中進(jìn)行大量徹底的測試，包括浸泡在不同的液體中等，以確保設(shè)備在測試后仍能表現(xiàn)良好。

Hogan: 在汽車方面，他們制定了一些標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)，并從制造端加強了這些標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)。對于汽車來說，我們有ISO26262標(biāo)準(zhǔn)。它有助于汽車生態(tài)系統(tǒng)了解他們的設(shè)計是否足夠合規(guī)和可靠，他們將之稱為mission profile，即了解設(shè)備如何使用，其使用條件是怎樣的。

更重要的是，從汽車和功能安全的角度（FuSA）來看，這和安全地發(fā)生故障相關(guān)，確保當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，它能以安全或適當(dāng)?shù)哪Ｊ桨l(fā)生故障，而不會影響系統(tǒng)的功能安全，特別是當(dāng)它是安全關(guān)鍵元件時。

還有一個想法是在你的設(shè)計中復(fù)用IP。我們在很多情況下都能幫助客戶。他們使用了一個IP，一個設(shè)計，一個mission profile，他們就認(rèn)為已經(jīng)很厲害了。他們在下一個設(shè)計中也使用它，并以不同的方式連接。它被用于不同的使用場景和用例中。

從驗證的角度來看，我們已經(jīng)能夠提供一個環(huán)境，讓他們能夠確保他們的IC能夠正常工作。因為ISO 26262提供的一個告誡就是，你可以讓一位專家表示，‘我們已經(jīng)用膩它了。我們在這方面有足夠的經(jīng)驗。但如果你不了解這些mission profile，如果你沒有從IC驗證的角度進(jìn)行適當(dāng)?shù)尿炞C，那么IP的重用可能會有問題，因為你實際上正在改變它的使用方式和它的行為環(huán)境，這樣你就會得到一些意想不到的條件，或者獲得的模型或環(huán)境不是最初計劃或設(shè)計的。

審核編輯 黃宇