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突破“紅海”局限 組合環境感測器“燃燒”生命力
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智慧手機是MEMS廠商最早攻入的市場,但近些年隨著眾多廠商的湧入導致競爭加劇、利潤攤薄,智慧手機市場已然成為紅海市場。不過,環境感測器在智慧手機等消費電子的應用才剛剛起步,將打開感測器在消費電子市場的新局面。

博世(Bosch)亞太區總裁Leopold Beer指出,消費類MEMS在2017年面臨三大挑戰:一是作為MEMS最大應用市場的智慧手機,目前增長已進入停滯階段,但競爭依然激烈,因看到龐大的智慧手機基數,仍有不少廠商湧入;二是新型應用領域推出緩慢,如可穿戴式產品,出貨量較小且高度分散,MEMS廠商想要在穿戴式領域投入創新和應用開發,需要消耗很大的研發資源;三是客戶對這種創新應用的接受度並不高,企業要面對很大的不確定性,包括整個市場的不確定性、技術不成熟與技術風險等。

而在應對策略上,集成化可能是一條出路。Leopold Beer表示,如今廠商不再是扮演最基礎的元器件供應商,而是整合感測器、DSP、微控制器等,並結合自己投入研發的軟體演算法與應用演算法,最終呈現出一個解決方案,這是一種商業模式的轉變,也是應對挑戰的方法之一。

相對應的,盛思銳最新推出的針對智慧手機/可穿戴的氣體感測器SGP也是在一個單晶片上集成感測器、傳感控制、Memory和ADC等電子處理電路,可以把產品尺寸做得非常小。同時,採用了先進的DFN封裝,整體體積僅為2.45x2.45x0.9mm,增加了其在智慧手機等移動設備上使用的可能性。

事實上,關於感測器的“集成”化,主要體現在兩個層面:一個層面是使用MEMS工藝將感測器+MCU+DSP進行單晶片集成;二是將多個感測器通過SiP封裝的“模組”集成。上述博世和盛思銳這種“集成”屬於第一個層面的集成,它在體積、功耗上會有很大的縮減。

而除了上述將DSP、微控制器整合進感測器之外,博世的多合一環境感測器體現了第二個層面的“集成”。Leopold Beer稱,Bosch的BME680不再僅僅是簡單的溫度、濕度等單一感測器,而是融多功能于一體的集成環境單元,它整合了氣壓、環境溫度、相對濕度和空氣中VOC氣體含量的首款四合一感測器,而且是將這些感測器整合到3毫米×3毫米的封裝中。另外,作為解決方案提供商,Bosch已不再只提供元器件,還為客戶提供合適的應用場景,以説明客戶找到使用者端應用的思路。

麥姆斯諮詢CEO王懿也表示,博世的多種環境檢測“集成”感測器BME680是在其BME280環境感測器基礎上的演進,增加了VOC氣體傳感功能。該感測器採用系統級封裝(SiP),在一個帶金屬蓋的8引腳LGA封裝(3.0mm x 3.0mm x 0.95mm)中集成了溫度、濕度、氣壓和VOC氣體傳感功能,其內部共有兩顆MEMS晶片和一顆ASIC晶片,這與此前的BME280內部的晶片數量相同,但功能更多。

在談到組合感測器受到諸多公司的青睞時,盛思銳李錦華表示公司也將會推出多種不同的複合型感測器,以PM2.5和CO2相結合的感測器為例,儘管目前尺寸較大,但由於溫濕度感測器和氣體檢測感測器尺寸相對較小,將其集成到一個模組上是容易實現的。雖然從技術上來說,將PM2.5和CO2複合型感測器與其他感測器集成到單晶片尚有難度,但盛思銳已經在向這個目標奮力前進。

組合感測器趨勢解決了環境感測器在消費電子使用中要求的“小體積”和“多功能”問題,不過目前組合感測器也面臨一些成本壓力和技術門檻,因為不同於其他類型的感測器特性,環境類感測器會受到周邊溫濕度、干擾氣體的影響,甚至在氣體濃度超標的情況下發生“中毒”而失效。

煒盛環保事業部副總經理王追表示,不管是單感測器還是多感測器集成,目前在結構設計及封裝方面應該都不存在太大難度,更多的難點在於,如何在MEMS工藝下保證感測器的性能。MEMS式氣體感測器以化學型感測器為主,往往會受到溫度、濕度或干擾氣體等環境因素的影響,如何在MEMS工藝下達到或超過傳統氣體感測器的性能水準對於各廠家都是一個挑戰。

“針對這種挑戰,需要各感測器廠家在感測器敏感材料方面進行深入研究,同時也需要市場的引導,讓各感測器廠家有足夠的動力投入相關資源。相對而言,煒盛在MEMS氣體感測器方面研究較早,在MEMS式氣體感測器性能方面達到了國際先進水準,可提供TVOC、酒精、燃氣、一氧化碳等多種MEMS式感測器及模組。”王追強調說。

而在成本方面,WooFaa總經理周錦富坦言,一個集成了不同環境參數的感測器,可以在應用的過程中令客戶有更大的發展空間,但成本也是需要考量的問題。比如,香港太古集團準備在太古廣場部署建築物環境監察系統,就要求產品能採集商場內不同區域的溫濕度、二氧化碳濃度及PM2.5等。對企業來說,在額定的專案預算中,要集成多種感測器有一定難度,因此在太古集團招標的所有專案中,只有10%的感測器能同時檢測 PM2.5,因此,如何達到成本與多個應用的平衡,是廠商必須深思的課題。

“我們為這個項目提供的正是集成式的感測器,除了基本參數,每個感測器都有PM2.5檢測功能,還能夠同時檢測PM10。PM10是香港環保署要求監察的參數,現在太古廣場,除了可以在成本不變的情況下,全面監察PM2.5的分佈,還可以因應需要與香港環保署的資料要求作出更精准的對接。”周錦富說。

“我們還為香港一間專業錄音室佈置了一套智慧新風系統。因為這個場地有10多間獨立房間,用傳統的新風系統佈置會比較昂貴,所以我們把整體場地分成三個區域,用兩個集成式無線室內空氣感測器,用不同的空氣質素參數,控制不同的管道加壓機。當在某個區域有污染物(PM2.5、CO2) 被偵測到過量的時候,該污染區會被控制成空氣負壓,其他兩個區域就會變成空氣正壓防止污染物擴散,這樣的新風系統就可以用最短時間,將污染物移走及稀柝。”周錦富補充表示。

將不同的環境感測器封裝在一起,它們之間是否會存在一些干擾?周錦富強調,不同環境參數的感測器,很少會互相干擾,但它們會共同地會被濕度及溫度影響。感測器的穩定性和壽命,受應用環境的影響遠遠大於感測器自身的設計。

在未來的消費市場上,組合感測器與單一感測器將如何共存?王懿告訴記者,環境感測器採用SoC還是SiP取決於感測器晶片工藝和感測原理,正如上面所述,博世BME680採用了一種新型的濕度傳感技術,從而將溫度、濕度和氣壓三種傳感功能集成於一顆MEMS晶片,而氣體傳感功能採用另一顆MEMS晶片實現,因此整體採用SiP封裝。

王追認為,隨著市場的需求和技術的發展,MEMS氣體感測器一定是發展的必然趨勢。短期內,多氣體集成感測器的成本還難以滿足消費類電子的需求,單一感測器會是一個過渡。相信隨著技術的發展及成本的下降,消費類電子對多氣體感測器模組的需求會有爆發式增長。

總的來看,隨著眾廠商的湧入與充分的市場競爭,以智慧手機為代表的消費類電子市場,已經成為加速度計、陀螺儀等MEMS的紅海市場,然而環境感測器作為新的功能需求有望打開消費電子應用的新局面。在集成化方面,組合環境感測器可以滿足消費電子“小體積”和用戶“多功能”的需求,不過在當前市場爆發之前成本的控制以及技術上的挑戰,依然是廠商必須突破的難點。(責編:振鵬)
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