啟示錄：解構英飛凌在物聯(lián)網傳感器上的創(chuàng)新

1883年，大學教授Warren Seymour Johnson（1847-1911）獲得了他的首項專利“電動遙控測溫器”，利用它可以自動調節(jié)房間的溫度，這套更節(jié)能、更舒適的溫度調節(jié)系統(tǒng)此后在全球范圍內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年的溫度調節(jié)系統(tǒng)

從江森自控的故事，我們可以看到終端產品的創(chuàng)新，離不開傳感器的差異化創(chuàng)新，而如今這一關系愈發(fā)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(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。隨著半導體技術和物聯(lián)網技術的發(fā)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(jié)能、更便宜的傳感器正在加速誕生中。

作為物聯(lián)網的最重要組成之一，同時也是物聯(lián)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(lián)網傳感器市場報告的數據也印證了這一趨勢，其表示物聯(lián)網傳感器市場規(guī)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(fā)展前景預測（數據來源：英飛凌Q2 FY2022 Investor Presentation）

作為在傳感器產品研發(fā)領域積累了 40 年經驗、擁有豐富感測技術產品組合的英飛凌，自然早已準備好各項舉措應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傳感器產品組合。分別包括了毫米波雷達和3D ToF代表的視覺、MEMS麥克風代表的聽覺、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現了人體感知的全覆蓋，更是預示著英飛凌的高性能傳感器，可以真正賦予機器以人類的能力。

“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)網等廣泛應用。為什么英飛凌可以始終引領傳感器市場？本文試圖從多維度解構英飛凌在傳感器上的創(chuàng)新，管窺其在物聯(lián)網時代得以繼續(xù)引領傳感器的發(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，其內涵就是通過基本要素的重新組合，從而實現創(chuàng)新。英飛凌的XENSIV PAS二氧化碳傳感器就是以此方法實現的創(chuàng)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(huán)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(zhí)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(fā)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(yōu)勢，但是成本較高，因此難以在對成本敏感的物聯(lián)網市場普及。而英飛凌通過優(yōu)化針對低頻信號采集的MEMS麥克風，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。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(wěn)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(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)網應用中。

CO2GO選擇英飛凌技術開發(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，現今最好的一個案例就是將數據遷移至云端，從而創(chuàng)造出了豐富的產業(yè)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(chuàng)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(qū)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(tǒng)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(tài)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

創(chuàng)新的工藝

第三類創(chuàng)新是工藝創(chuàng)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(yè)持續(xù)時間最久，商業(yè)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(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，非常適合于消費級應用。

目前英飛凌針對IoT市場的毫米波雷達傳感器采用60 GHz頻段，具有高達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(huán)境中應用。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(jiān)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(tài)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(tǒng)待機時間。

相對于傳統(tǒng)存在檢測的PIR（紅外）方法而言，毫米波雷達的高精確特性可對靜態(tài)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(yè)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

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)有著本質區(qū)別，這款產品是英飛凌于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pmd ToF優(yōu)化CMOS制造工藝標準方案。這種深度的創(chuàng)新合作，使得ToF技術在近十年來得到了飛躍式發(fā)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(fā)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(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(fā)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(fā)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(yè)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(chuàng)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(yè)網絡，先后與諸如舜宇、虹軟等多家模組和系統(tǒng)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(tǒng)事業(yè)部總裁Andreas Urschitz（右）與 pmdtechnologies 首席執(zhí)行官 Bernd Buxbaum（左）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(yè)模式就是如此。

英飛凌在MEMS麥克風產業(yè)鏈有著獨特的定位，為傳統(tǒng)ECM（駐極體電容器麥克風）制造商供應MEMS和ASIC芯片，比如業(yè)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(yè)模式，英飛凌迅速成為MEMS麥克風市場的領導者。

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(tǒng)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(yè)運維等場景中。

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

創(chuàng)新的應用

如今借助物聯(lián)網技術的跨越式發(fā)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(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麥克風以及Toposens專有的3D超聲波技術實現自主系統(tǒng)的3D障礙物檢測和避障功能。

而為了快速實現創(chuàng)新應用的落地，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(fā)。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(fā)板，以定制復雜的系統(tǒng)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(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)網應用，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，對于實際應用而言，單傳感器已經很難準確描述某一行為，因此多傳感器融合也不再是汽車ADAS系統(tǒng)所獨享，越來越多IoT市場開始采用傳感器融合的技術。英飛凌的多層架構報警系統(tǒng)參考就是一個典型的IoT傳感器融合應用，所用數據源自MEMS麥克風與氣壓傳感器。其中麥克風負責檢測聲學事件，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行，并通過復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氣壓變化，從而進一步實現入侵檢測。

英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部系統(tǒng)工程主任工程師梁國信介紹英飛凌玻璃破碎報警系統(tǒng)

再比如英飛凌與XMOS合作，利用英飛凌的雷達和硅麥克風傳感器與XMOS的音頻處理器相結合，通過音頻波束成形和雷達目標位置檢測進行準確的遠場語音識別。

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)網設備，各類人機交互方式的創(chuàng)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(yōu)化選擇。更重要的是，隨著邊緣AI技術的發(fā)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(fā)展空間。

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