《SemIConductor Engineering》與來自Cadence的Tensilica音頻/語音DSP集團產品營銷總監Prakash Madhvathy、英飛凌MEMS傳感器高級產品經理Kevin Hughes，以及西門子EDA產品管理總監Matthew Hogan就傳感器領域出現的最新問題進行了討論。以下是具體內容。
SE：傳感器領域的總體發展趨勢是怎樣的？
Hughes: 英飛凌一直專注於兩個宏觀趨勢：數位化和脫碳。不管應用於哪個領域的傳感器，它們的共同目標是保持企業可持續性。每個人都希望提高能源效率，不僅僅是因為環境原因，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，我目前正在研究建築物的自動化系統，其中會使用到占用率檢測、空氣品質監測和其它傳感器來預測和了解建築物的使用情況，從而可以按需控制照明和空調。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行預測性維護，有助於節省能源。通過在關鍵基礎設施和製造設備上使用傳感器實時監測其健康狀況，還可以發出早期維護警告，從而確保所有機器都以最佳效率運行並延長它們的使用壽命。從長遠來看，這樣可以減少在循環使用這些機器時所造成的整體工業浪費。
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傳感器和二氧化碳傳感器，進行數據的實時收集。
Hogan: 傳感器的類型、應用以及不同領域部署傳感器的需求都呈現爆炸式的增長。但從製造業和IC集成的角度來看，我們也看到了對節能的更強烈需求，這意味著在這些領域中使用的晶片也需要更節能。
我們許多客戶都在考慮使用更低電壓、更小設備、更小尺寸的零件，以及系統更進一步的集成。我們看到的是，系統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問題後，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。在設計過程中，我們都在致力於確保設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。隨著部署的數量越來越多，失效率也開始變得越來越高。那我們如何能提供一個低數量級的故障率，以便所有這些正在部署的傳感器都是可見的呢？
Madhvapathy：傳感器的總體發展趨勢取決於你所關注的行業。當然，能效是一個趨勢，因為能源變得非常非常重要。隨著工業、智慧城市和消費者家庭中部署的傳感器數量激增，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備進行交互的應用程式正不斷擴展。Amazon Alexa和「Okay-Google」類型的設備可以進行語音交互，但目前正朝著其他未連接到網際網路的設備發展。能夠用更自然的語言與他們交談，這些設備可以為人類提供更好的服務，包括洗衣機、烘乾機、耳機、機器人等任何物聯網設備。如果它們能夠響應語音命令或手勢，或其他方法，這將大大豐富和加快與這些設備的交互過程，甚至包括汽車。例如，現在正在部署的超聲波，就可以使用手勢而不是物理按鈕進行交互。這樣在開車時，使用這種方式與設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，例如設備或建築大廈怎樣判斷是否應該允許一個人訪問。在這種情況下，語音生物識別和視覺可以結合起來創建個人檔案，然後應用於每一次的身份驗證。對於健康用例，有持續的監測等例子。目前，當你有健康問題時，你必須去看醫生並在那裡接受檢測，你可能還需要每隔幾個月去做一次複查。但如果你有一個可以佩戴或植入的設備，你就可以被全天候持續的監測。當出現問題時，醫生會獲得提醒並及時採取行動，而無需等待臨床預約。
SE：目前的血糖監測就是這樣的，是嗎？
Madhvapathy: 是的，並且與此相結合的是藥物注射方面。你可以在身體裡嵌入一些能夠創建控制循環的儀器，以便及時採取行動。例如，每當某個參數超出限制時，它就會向體內釋放藥物。這些都是我們所看到的趨勢。
SE：所有這些都表明，人機工程學將走到最前沿。
Madhvapathy：是的，如果可穿戴設備讓人感覺不舒服，人們很可能不會使用它，即使他們明白這些設備可以拯救生命。例如，如Fitbit等設備可以監測睡眠，但大多數人不願意佩戴它們，因為會影響他們的睡眠。
而當你植入一個設備時，會有一個更大的問題，就是必須得到FDA的批准，以確保這些設備在植入體內後不會引起任何問題。植入的設備不會讓用戶感到不舒服，導致疼痛或不適，因為它們會在體內停留很長時間。當然，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，也是醫學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有哪些？
Hughes: 這取決於行業的不同。我目前正在研究的領域之一是環境傳感器。首先您必須了解零件是在密封/受控環境中使用的還是在暴露環境中使用。我們90%的時間都在室內度過，這是一個相對狹窄、可控的溫度範圍，因此集成在個人設備或室內監視器等設備中的傳感器的壽命更容易預測。
然而，如果你正在開發戶外農業傳感器、土壤傳感器或類似的傳感器，你必須考慮到將經歷非常極端的氣候變化、很高的濕度、灰塵和潛在的化學污染等因素。這一切都取決於設計過程。在進行故障模式分析時，需要將最終用戶案例考慮在內。例如，你需要了解水分或化學物質暴露會對你的傳感器產生什麼影響，並確保你已經為此進行了保護設計。你的設備無論是在極端溫度或惡劣環境下，都能在數據表規格範圍內可靠運行。
SE：這對設計選擇和某些技術的未來有何影響？這會推動存儲器或其他器件的創新嗎？
Hughes：是的，肯定會。當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出更可靠的材料。但這在很大程度上也歸結於封裝技術。我的MEMS課程教授表示，傳感器的商業化是10%的設計，加上90%的封裝。你需要確保你的系統——不僅是傳感器中的材料，還有包括它在內的整個系統——設計成能夠承受由於膨脹或引線鍵合分層等原因造成的機械應力。
Madhvapathy:回到植入式傳感器的應用案例，身體中有很多液體。所有這些液體都是可導電的，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備並導致短路。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置一些屏障。同時，你也不能設置太多的障礙，它們也會影響你的感知。你必須能夠感知到你試圖發送的任何信號，同時保護內部電路免受生物流體的影響。
歸根結底是要在部署之前對其進行充分的測試。例如，MEMS傳感器通過從不同高度或不同材料（如混凝土或鋼）上跌落進行徹底測試。還有一點是，如果你測試不徹底或設計不好，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。你最好在不同的環境中進行大量徹底的測試，包括浸泡在不同的液體中等，以確保設備在測試後仍能表現良好。
Hogan: 在汽車方面，他們制定了一些標準和改進，並從製造端加強了這些標準和改進。對於汽車來說，我們有ISO26262標準。它有助於汽車生態系統了解他們的設計是否足夠合規和可靠，他們將之稱為mission profile，即了解設備如何使用，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，這和安全地發生故障相關，確保當設備發生故障時，它能以安全或適當的模式發生故障，而不會影響系統的功能安全，特別是當它是安全關鍵元件時。
還有一個想法是在你的設計中復用IP。我們在很多情況下都能幫助客戶。他們使用了一個IP，一個設計，一個mission profile，他們就認為已經很厲害了。他們在下一個設計中也使用它，並以不同的方式連接。它被用於不同的使用場景和用例中。
從驗證的角度來看，我們已經能夠提供一個環境，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，『我們已經用膩它了。我們在這方面有足夠的經驗。但如果你不了解這些mission profile，如果你沒有從IC驗證的角度進行適當的驗證，那麼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境不是最初計劃或設計的。
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