让传感器更可靠

来源：TechSugar

《Semiconductor Engineering》与来自Cadence的Tensilica音频/语音DSP集团产品营销总监Prakash Madhvathy、英飞凌MEMS传感器高级产品经理Kevin Hughes，以及西门子EDA产品管理总监Matthew Hogan就传感器领域出现的最新问题进行了讨论。以下是具体内容。

编辑：感知芯视界 Link

SE：传感器领域的总体发展趋势是怎样的？

Hughes: 英飞凌一直专注于两个宏观趋势：数字化和脱碳。不管应用于哪个领域的传感器，它们的共同目标是保持企业可持续性。每个人都希望提高能源效率，不仅仅是因为环境原因，还因为它对利润也有影响。

我们正与许多公司合作部署传感器，以提高能源效率和减少浪费。例如，我目前正在研究建筑物的自动化系统，其中会使用到占用率检测、空气质量监测和其它传感器来预测和了解建筑物的使用情况，从而可以按需控制照明和空调。只在需要的时候使用需要的量，而不是一味地浪费能源。

这些传感器也可以进行预测性维护，有助于节省能源。通过在关键基础设施和制造设备上使用传感器实时监测其健康状况，还可以发出早期维护警告，从而确保所有机器都以最佳效率运行并延长它们的使用寿命。从长远来看，这样可以减少在循环使用这些机器时所造成的整体工业浪费。

SE：你们的办公室也变成了实验对象，是吗？

Hughes: 是的，我们许多办公室也都装有雷达传感器和二氧化碳传感器，进行数据的实时收集。

Hogan: 传感器的类型、应用以及不同领域部署传感器的需求都呈现爆炸式的增长。但从制造业和IC集成的角度来看，我们也看到了对节能的更强烈需求，这意味着在这些领域中使用的芯片也需要更节能。

我们许多客户都在考虑使用更低电压、更小设备、更小尺寸的零件，以及系统更进一步的集成。我们看到的是，系统对静电放电等方面也越来越敏感。

从可靠性的角度来看，在解决ESD问题后，传感器的使用寿命会更长，可以使用很多年。它们不需要不断替换。在设计过程中，我们都在致力于确保设计的不同方面都得到充分考虑。他们尝试如何将这些传感器设计得比上一代更小、更快、更好，同时也更可靠，因为传感器正不断地在被部署。随着部署的数量越来越多，失效率也开始变得越来越高。那我们如何能提供一个低数量级的故障率，以便所有这些正在部署的传感器都是可见的呢？

Madhvapathy：传感器的总体发展趋势取决于你所关注的行业。当然，能效是一个趋势，因为能源变得非常非常重要。随着工业、智慧城市和消费者家庭中部署的传感器数量激增，保持低能耗很重要。

另一个趋势是用户界面的选择。我们看到以不同方式与我们的设备进行交互的应用程序正不断扩展。Amazon Alexa和“Okay-Google”类型的设备可以进行语音交互，但目前正朝着其他未连接到互联网的设备发展。能够用更自然的语言与他们交谈，这些设备可以为人类提供更好的服务，包括洗衣机、烘干机、耳机、机器人等任何物联网设备。如果它们能够响应语音命令或手势，或其他方法，这将大大丰富和加快与这些设备的交互过程，甚至包括汽车。例如，现在正在部署的超声波，就可以使用手势而不是物理按钮进行交互。这样在开车时，使用这种方式与设备交互比浏览屏幕上过多的菜单项更容易。

还有很多安全用例，例如设备或建筑大厦怎样判断是否应该允许一个人访问。在这种情况下，语音生物识别和视觉可以结合起来创建个人档案，然后应用于每一次的身份验证。对于健康用例，有持续的监测等例子。目前，当你有健康问题时，你必须去看医生并在那里接受检测，你可能还需要每隔几个月去做一次复查。但如果你有一个可以佩戴或植入的设备，你就可以被全天候持续的监测。当出现问题时，医生会获得提醒并及时采取行动，而无需等待临床预约。

SE：目前的血糖监测就是这样的，是吗？

Madhvapathy: 是的，并且与此相结合的是药物注射方面。你可以在身体里嵌入一些能够创建控制循环的仪器，以便及时采取行动。例如，每当某个参数超出限制时，它就会向体内释放药物。这些都是我们所看到的趋势。

SE：所有这些都表明，人机工程学将走到最前沿。

Madhvapathy：是的，如果可穿戴设备让人感觉不舒服，人们很可能不会使用它，即使他们明白这些设备可以拯救生命。例如，如Fitbit等设备可以监测睡眠，但大多数人不愿意佩戴它们，因为会影响他们的睡眠。

而当你植入一个设备时，会有一个更大的问题，就是必须得到FDA的批准，以确保这些设备在植入体内后不会引起任何问题。植入的设备不会让用户感到不舒服，导致疼痛或不适，因为它们会在体内停留很长时间。当然，怎样让患者了解这不会造成长期问题，而且实际上对他们更有利，也是医学界必须考虑的另一个问题。

SE：保证传感器的可靠性的最大挑战有哪些？

Hughes: 这取决于行业的不同。我目前正在研究的领域之一是环境传感器。首先您必须了解零件是在密封/受控环境中使用的还是在暴露环境中使用。我们90%的时间都在室内度过，这是一个相对狭窄、可控的温度范围，因此集成在个人设备或室内监视器等设备中的传感器的寿命更容易预测。

然而，如果你正在开发户外农业传感器、土壤传感器或类似的传感器，你必须考虑到将经历非常极端的气候变化、很高的湿度、灰尘和潜在的化学污染等因素。这一切都取决于设计过程。在进行故障模式分析时，需要将最终用户案例考虑在内。例如，你需要了解水分或化学物质暴露会对你的传感器产生什么影响，并确保你已经为此进行了保护设计。你的设备无论是在极端温度或恶劣环境下，都能在数据表规格范围内可靠运行。

SE：这对设计选择和某些技术的未来有何影响？这会推动存储器或其他器件的创新吗？

Hughes：是的，肯定会。当暴露在极端温度和湿度下时，需要处理除气和分层等问题，因此有很多机会开发出更可靠的材料。但这在很大程度上也归结于封装技术。我的MEMS课程教授表示，传感器的商业化是10%的设计，加上90%的封装。你需要确保你的系统——不仅是传感器中的材料，还有包括它在内的整个系统——设计成能够承受由于膨胀或引线键合分层等原因造成的机械应力。

Madhvapathy: 回到植入式传感器的应用案例，身体中有很多液体。所有这些液体都是可导电的，而且非常难闻。即使是材料中的一个小孔也会让这些液体渗入，随着时间的推移，它们会浸润整个电子设备并导致短路。使用合适的材料和合适的层是非常重要的，这样你就可以对生物流体设置一些屏障。同时，你也不能设置太多的障碍，它们也会影响你的感知。你必须能够感知到你试图发送的任何信号，同时保护内部电路免受生物流体的影响。

归根结底是要在部署之前对其进行充分的测试。例如，MEMS传感器通过从不同高度或不同材料（如混凝土或钢）上跌落进行彻底测试。还有一点是，如果你测试不彻底或设计不好，可能会影响良率，从而降低你的利润率。所以每个人都在努力追求五个9的可靠性。否则，利润率就会受到影响。你最好在不同的环境中进行大量彻底的测试，包括浸泡在不同的液体中等，以确保设备在测试后仍能表现良好。

Hogan: 在汽车方面，他们制定了一些标准和改进，并从制造端加强了这些标准和改进。对于汽车来说，我们有ISO26262标准。它有助于汽车生态系统了解他们的设计是否足够合规和可靠，他们将之称为mission profile，即了解设备如何使用，其使用条件是怎样的。

更重要的是，从汽车和功能安全的角度（FuSA）来看，这和安全地发生故障相关，确保当设备发生故障时，它能以安全或适当的模式发生故障，而不会影响系统的功能安全，特别是当它是安全关键元件时。

还有一个想法是在你的设计中复用IP。我们在很多情况下都能帮助客户。他们使用了一个IP，一个设计，一个mission profile，他们就认为已经很厉害了。他们在下一个设计中也使用它，并以不同的方式连接。它被用于不同的使用场景和用例中。

从验证的角度来看，我们已经能够提供一个环境，让他们能够确保他们的IC能够正常工作。因为ISO 26262提供的一个告诫就是，你可以让一位专家表示，‘我们已经用腻它了。我们在这方面有足够的经验。但如果你不了解这些mission profile，如果你没有从IC验证的角度进行适当的验证，那么IP的重用可能会有问题，因为你实际上正在改变它的使用方式和它的行为环境，这样你就会得到一些意想不到的条件，或者获得的模型或环境不是最初计划或设计的。

审核编辑 黄宇