[原创] 英飞凌强大的传感器家族
2022-04-30
14:00:19
来源: 半导体行业观察
英飞凌正在将其强大的传感器家族应用在智慧健康领域。英飞凌目前主要有四大类传感器，分别是MEMS麦克风、3D立体雷达传感器、3D ToF飞行传感器，以及与环境、空气有关的传感器。这四大类传感器由英飞凌PSS事业部来负责设计生产，凭借其在传感器方面多年的开发经验，英飞凌不仅可将其应用在工业领域中，还可以通过与客户的合作，把一些方案应用于消费类的健康监测设备上。
英飞凌的传感器模仿了人类的视觉、嗅觉、触觉、听觉等感知能力。近日，英飞凌也发布了其在雷达传感器、ToF传感器以及二氧化碳传感器等领域的新的研发成果及其在智慧健康上的应用。
早在2016年的谷歌开发者大会上，英飞凌的毫米波雷达传感器首次在全世界亮相，并且在谷歌Pixel 4上它很成功地演示了存在感知，以及一些简单的侦测，例如手势侦测这一功能。一直到现在谷歌也在持续地使用这个雷达产品。
雷达可以比喻成我们的眼睛，可探测任何运动和障碍物。毫米波雷达甚至可以探测到包括生命体征在内的最微小的运动，并由此做出对生命体征的监测，甚至它也可以利用存在的感测激发一些装置系统，去感知距离、位置、速度、角度等数据信息，之后进一步利用算法来实现监测呼吸、心跳、手势、追踪人等各方面的应用。
同时，雷达也十分实用和耐用，雷达波可以穿透任何绝缘物质的表面以及外壳，所以即使安装到产品外壳内部也不受影响。它也不受光线的影响，可以在没有光线以及高温、多雾、多灰尘的环境里面正常工作。所以其具有很高的可靠度。
毫米波雷达可以涵盖很多应用场景。英飞凌针对简单的移动侦测和进阶（更高级）的感测这两种应用场景，提供了两款毫米波雷达传感器解决方案。英飞凌科技大中华区电源与传感系统事业部应用市场总监李国豪讲到，“我们为雷达新手提供一个方便的开始，并为有经验的雷达用户提供先进的传感方案。”
第一款是BGT60LTR11AIP，这是一款高性价比的方案，是一个可方便取代红外线的最佳方案。它在芯片上集成了简单的基带，具备集成天线封装技术，高集成的方案帮客户解决了天线设计、射频以及雷达讯号处理方面的复杂性问题。它还可以利用自动模式进行侦测，在自动模式下，雷达可以探测到距离5米远的人，水平的视角约80度，平均功耗小于5 mW（毫瓦）。在SPI的模式下，外部的MCU或者是PC可以提取原始的雷达数据，用于已经开发的自定算法。利用这个方式，侦测的距离可以增加高达10公尺远。这颗芯片的尺寸大概是3×7毫米，架构采用一发一收。另外即使处于自动的模式下，它也有配置4个态势输入引脚。这颗芯片也提供了一个外接MCU的选项，利用高阶的硬件和客制化的软件，实现更远的侦测距离。
另外一款方案是BGT60TR13C，它是一款集成天线的超宽带FMCW雷达传感器，采用了一发三收的MMIC，也采用了集成天线封装技术。芯片尺寸为6×5毫米，平均功耗大约20~30mW（毫瓦）左右，使用的频宽大于5GHz以上，解析度可达到3公分。由于它是属于多发多收的架构，因此也可以提取角度信息资料，利用一些高级算法开发，可以实现手势辨识、室内人员的存在感知、追踪，甚至心跳监测等功能，以上功能可以运用在多种场景中，比如智慧建筑、智能家居、电视、笔记本以及老人看护等方面。
说到ToF传感器，pmd和英飞凌是这个领域的先驱。早在2002年，pmd就已经从事这方面的研究。2013年pmd和英飞凌正式合作之前，pmd主要专注在偏向工业的应用，其开发ToF模块是一款非常结实好用的模块，时至今日仍在广泛应用。2013年中旬英飞凌开始和pmd合作，以求让ToF的imager（成像器）尺寸更小，功耗更低，真正将其应用到消费类产品里面。
基于英飞凌在CMOS工艺方面的积累，所以在2015年英飞凌便宣布推出了第一代的ToF imager，称为REAL 3。到2016年第二代产品发布，同时在基于谷歌Tango标准的联想手机和华硕手机上实现了量产。2018年英飞凌的第三代ToF产品问世，并在LG手机中实现前视Face ID的量产。到2021年英飞凌的ToF传感器已经来到了第六代，第六代的产品具备更远距离的检测（比如说达到10米的距离，原因是为了以后适应元宇宙应用的要求）以及更加适配AR的应用(包括图像功能增强和低功耗的需要)。
ToF传感器如今已可扩展到许多应用程序和用例中，如手机、扫地机器人、AMR的应用、甚至是汽车。ToF在智能座舱里面的应用非常热门，如驾舱内智能感应，这其中包括对驾驶员和乘客的检测，调整座椅、灯光以及泊车等。总之，只要是涉及获取深度、距离等信息，ToF都可以帮助得到物体的距离。
英飞凌高分辨率的ToF传感器，具备几万个点至几十万个点，这样的好处是能检测到一幅物体的图像。鉴于这个功能，目前ToF已经在某个城市的养老院和隔离酒店中实现了跌倒检测的功能，正式实现量产。
英飞凌是ToF领域最早的开创者，同时也是在消费类产品里面实现大量量产的厂商。
二氧化碳浓度是空气质量的一项关键指标，增加对二氧化碳浓度测量的功能，有针对性地对空气质量进行监测和控制，有助于改善人们的健康状况，提高生活的舒适度和提高工作效率。另一方面，按照需要来控制和使用通风系统，可以节约能源，降低通风系统的运行成本。所以市场需要一款能真正测量二氧化碳浓度，且不受别的气体的干扰，可以提供可靠数据的传感器。
当前二氧化碳传感器主要有四种实现技术：PAS、NDIR、EC和eCO2。其中NDIR的尺寸和成本是一大弊端，EC和eCO2的精度和选择性比较弱，容易受到湿度的影响。因此，在英飞凌看来，
光声光谱技术是真正测量二氧化碳浓度的解决方案
。凭借MEMS技术的经验以及领先的地位，英飞凌成功开发了以光声光谱技术为基础的
新型
XENSIV™ PAS CO2
传感器
。
它具有高端的NDIR相同的精度与选择性，但与NDIR相比，它采用了MEMS麦克风作为检测器或探测器，灵敏度更高，减少了器件和设计的复杂性。它的尺寸可以做到目前典型的NDIR传感器的1/4，并且SMD的封装可以支持大批量、大规模的生产工序。
据英飞凌科技大中华区电源与传感系统事业部市场经理刘菊的进一步讲解，如上图右侧所示，桔红色的是eCO2的曲线，紫色的是光声光谱二氧化碳传感器，蓝色是双通道NDIR传感器，绿色是参考传感器的曲线，可以看到光声光谱的二氧化碳传感器和双通道的NDIR以及参考传感器，它们的测量曲线是非常接近的，但是eCO2的偏差就非常大了。英飞凌的这款产品的精度是正负30PPM和正负3%，尺寸是14×13.8×7.5mm
3
。
值得一提的是，该二氧化碳传感器所有的关键组件如红外光源、光学滤波片、MEMS麦克风、MCU以及MOSFET等都是英飞凌自行开发的产品。
总体来看，雷达传感器可以应用在智慧家居以及智慧健康管理，ToF传感器也可以用来监测摔倒，二氧化碳传感器可以配合空调、空气净化器、以及其他家电等进行二氧化碳浓度的侦测。英飞凌正通过提供传感器和内部的算法，联合合作伙伴，在新的智慧健康管理领域，开辟一片新天地。
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