感測器

瑞薩電子(Renesas)日前宣布卡西歐已採用瑞薩的低功耗RE系列控制器，作為新一代卡西歐G-SHOCK GBD-H1000手表的主控制器，這款具備心率監測和GPS功能的新型表款已於2020年2月26日推出。 卡西歐事業策略總部鐘表事業部資深總經理暨產品開發總部資深總經理兼資深執行管理長增田裕一(Masuda Yuichi)表示，GBD-H1000的開發必須進行技術上的創新以求達到優異的處理效能，而不僅僅是以往處理器的功能延伸。該公司選擇瑞薩的SOTB技術是因為它在效能和電源效率上的良好表現，感謝瑞薩RE系列對GBD-H1000的功能提升的貢獻。 GBD-H1000是卡西歐G-SHOCK耐衝擊手表系列的新產品，配備透過檢測皮膚下血流變化來量測心率的光學感測器、量測羅盤方位、氣壓/海拔高度和溫度的三重感測器、獲取位置資訊的GPS功能、以及量測步數和行進距離的加速度感測器。瑞薩低功耗的RE系列控制器實現手表內部的高負載處理，並且功耗極低，藉此不僅打造出這款具有一系列豐富功能、方便好用的GBD-H1000手表，並且只需要透過日常使用時的太陽能即可充電。 新款手表所採用的RE系列控制器運用了瑞薩獨家的SOTB處理技術，不論在操作或睡眠模式中，都能達到低功耗水準。瑞薩和卡西歐從GBD-H1000手表的開發階段就開始合作，並一起成功實現了多功能性和低耗電的訴求。

可為駕駛提供幫助，並能夠提高道路安全性的高級駕駛輔助系統現在已整合到入門款車輛，成為汽車世界中的常見技術。全自動駕駛汽車(包括測試汽車)經常會成為新聞頭條，尤其是在自動駕駛車輛發生事故後。這些複雜系統在準備批量生產前還有很長的路要走，但可肯定其會於不久的將來成為現實。 汽車雷達感測易受干擾 能夠偵測附近物體的感測器是自動駕駛汽車的關鍵元件，這些包括攝影機和雷射雷達感測器，尤其是雷達感測器更為重要。現今每年生產數以百萬計的汽車雷達，為高階車輛中的標準裝置。汽車雷達感測器主要用於提高駕駛舒適性和預防事故，大多支援主動車距控制巡航的雷達感測器均在76GHz至77GHz頻率範圍(1GHz頻寬)內運作，用以感測遠處其他車輛和物體。汽車雷達要實現一些先進功能，特別是能夠感測附近物體的功能，如變道輔助和盲點偵測等，需要其於77GHz至81GHz頻率範圍內運作，以更大頻寬才能實現所需高解析度；且高達81GHz的擴展汽車頻段有助於減少無線電干擾。 由於汽車外觀比功能更重要，汽車雷達通常被雷達罩覆蓋，該雷達罩由對RF訊號透明的材料製成。汽車散熱器格柵上的標誌通常用於雷達罩用途，塑膠保險桿也是雷達良好藏身之處。過去標誌主要用於推廣品牌，而無其他重要作用，但現可作為雷達天線罩，因而更像RF零組件。若於設計中不考量此點，則可能對標誌後的雷達探測性能及準確性產生不利影響。 尤其是具有局部材料厚度變化的三維形狀品牌標誌可能會導致在毫米波段運作時導致出現RF性能問題。保險桿通常塗有金屬漆，可減弱高頻訊號。因此為確保雷達可靠性，必須驗證天線罩的材料屬性並檢查其對雷達訊號的影響。對自動駕駛而言，汽車感測器的不確定性和風險皆無法接受，基於以上產生的錯誤皆無法透過後續處理而充分糾正。因此車輛製造商及其供應商需要全新量測功能，以便評估天線罩雷達一致性。 雷達偵測精準度受多方影響 汽車雷達感測器主要使用頻率調變連續波(FMCW)訊號。由於傳播延遲和都卜勒(Doppler)頻移，這些感測器可量測並解析多個目標的距離及徑向速度。根據天線陣列特性，還可量測和解析方位角甚至至仰角。在偵測及追蹤後，感測器電子裝置處理訊號以生成目標參數清單，其中包含物件量測位置、速度以及類型訊息(行人及汽車等)。此清單將被發送至車輛電子控制單元，用於即時決策車輛操控。因此該資料的準確性和可靠性對車輛及乘客安全極為重要。 雷達精度取決於多因素，如硬體零元件、軟體處理和雷達回波本身。具有低訊噪比(SNR)的訊號回波參數無法像高SNR訊號一樣精確量測。此外，諸如多路徑傳播和天線罩等引起的失真也大幅影響量測精度；方位角量測誤差會導致目標看起來與實際位置有偏差，如圖1所示。雷達感測器角度量測誤差僅為1O，將導致100m外的目標看上去橫向偏移1.75m，以致被誤認處於不同車道。為確保可靠運作，在此距離下角度量測誤差須遠小於1O。 圖1　由於方位角量測錯誤，未正確檢測到目標位置，自動駕駛車輛控制器可能會做出致命動作。 天線罩選用決定雷達偵測精度 圖2顯示基於實際汽車零組件量測結果得出的方位角偏差影響，其中商用汽車雷達與靜止目標距離為12.4m，角度為11.5O，該圖顯示不同天線罩如何影響雷達的橫截面和入射角。以A區顯示值(無天線罩)也在此提供用於比較；可以看出當使用合適天線罩(B區)時，對入射角的估算無影響，但雷達橫截面會以兩種方式減小(在此狀況下約為2dB)；若使用不合適的天線罩(C區)，相對於比較量測值，平均雷達橫截面下降約4dB，使其難以偵測弱反射目標。不合適天線罩對偵測入射角的影響亦明顯。在恆定11.5O時無法看見，但在11.5O和11.7O間交替變化時則可顯示，因此訊號處理電子裝置不會獲得明確值。使用該天線罩，汽車雷達無法達到0.1O的目標精度。 圖2　不同天線罩對雷達橫截面(RCS)和入射角影響，不相容天線罩會導致角度誤差。 多因素考量輔助雷達校正 現代雷達感測器在接收器前端通常具有天線陣列，透過量測由相控陣天線波束成形獲得的相位和振幅比確定方位角(有時還可確定仰角)。為獲得最佳方位角精度，必須單獨校正每個雷達感測器。以下是雷達校正的典型程式：首先將感測器安裝在消聲室內轉盤上，遠場中已知距離的角反射器通常作為參考目標；量測雷達方向圖並將其儲存於感測器記憶體(Memory)中，再由偵測演算法使用，於訊號處理過程中校正演算，並於運作期間完成。 車輛製造商通常在標誌或保險桿後方將校準的雷達感測器整合至車輛。由於訊號必須在到達目標和從目標返回過程中兩次穿過天線罩材料，因此天線罩材料對於RF傳輸訊號的減弱出現兩次。從以下分析可看出其減小雷達偵測範圍。 根據訊號傳播定律，訊號傳輸後功率與距離r的平方成反比，代表在訊號往返過程中，其功率將減小因數1/r4。對於具有3W輸出功率、25dBi天線增益、雷達目標橫截面為10m，而訊號偵測臨界值為-90dBm的77GHz雷達使用此等式，配置最大範圍為109.4m。若天線罩雙向減弱為3dB，則同一雷達最大距離將減少16%，僅為92.1m。 但材料減弱並非減低雷達性能的唯一因素，天線罩材料的反射率和均勻性也很重要。例如塗漆中金屬顆粒的反射以及基礎材料的射頻失配會在天線罩內(即靠近感測器位置)產生干擾訊號，後者於接收器鏈路中被接收和下變頻，進而降低雷達偵測靈敏度。許多汽車製造商試圖透過傾斜天線罩減輕此影響，使發射的雷達訊號反射至其他處，而非直接回到接收器前端。但此種解決方案會受設計限制，且無法消除導致RF能量損失的寄生反射。 另一個問題則是，天線罩中夾雜物和密度變化等導致材料不均勻，會干擾出射和入射波前，因而可能失真，並降低角度量測準確度。雷達感測器校準無法補償此種影響，因為即便雷達校準後也可能安裝在不同製造商的天線罩後面。 傳統黃金裝置偵測死角易現 天線罩製造商通常使用參考雷達(黃金裝置)測試其產品。對於這種測試，將角反射器以事先預定距離和方位角安裝在雷達前面(圖3)，分別在有和無天線罩的情形進行差動量測再加以比較。若雷達測定距離和方位角以及回波訊號在指定範圍內，天線罩測試始合格。但此方法僅檢查特定方位角，易錯過天線罩中有問題的區域。另一種量測方法以類似方式操作，但僅需一個反射器—將雷達感測器和天線罩安裝至轉盤，以不同角度重複量測，可從轉盤讀取實際角度(地面真實狀況)並與雷達測得角度比較。該方法與轉盤定位精度一樣精確，但因測試需長時間故不適用於生產線測試。 圖3　使用黃金裝置的典型測試設置。 天線罩測試儀克服傳統限制 有方案能克服傳統方法的局限，像是羅德史瓦茲(R&S)QAR汽車天線罩測試儀(圖4)使用具數百個發射及接收天線的大型面板代替具微小天線陣列的黃金裝置，這些天線在75GHz至82GHz的擴展汽車雷達頻率範圍運作，使汽車雷達綜合數百個天線資料；由於具大孔徑，可憑藉更高解析度(mm範圍內)量測距離、方位角和仰角，使量測結果(即反射率)顯示為X射線影像，即便測試及量測經驗受限者也可立即進行品質評估。與使用真實雷達量測不同，此方法毋需費時量測順序以確定天線罩特性，只需一次時程即可獲得結果，類似使用攝影機拍照。 圖4　R&S QAR汽車天線罩測試儀。DUT安裝在操作台前邊緣，桌台上的藍色裝置包含用於傳輸量測的可選mm波發射器。 被測天線罩放置於面板前的指定區域，可進行兩種量測，一種用於確定被測裝置(DUT)反射率，另一種用於確定透射率。 首先進行反射率量測以確定天線罩材料反射多少能量，此能量無法透過天線罩。如上所述，反射訊號會降低性能，甚至損害正確運作。由於各種原因，某些區域可能具有較高反射率，如材料缺陷、空氣夾雜物、不同材料層間的有害相互作用或某些材料組分過多等。透過根據幅度和相位連貫使所有反射訊號連接，該量測方法提供空間分辨量測結果，而視覺化結果能直觀、定量評估DUT反射特性。 圖5　反射率(左)和單向衰減(右)的高解析度mm波影像。標誌中的白色輪廓表示測試發射器或雷達輻射橫截面，該區域用於評估。 圖5中高解析度雷達影像顯示演示用天線罩(圖6)覆蓋下雷達感測器看到的影像，亮度水準代表反射率、區域越亮、反射雷達訊號越多；金屬物體(四角螺釘)顯示為白色，標誌清晰可見的輪廓顯示局部高反射率和非常不均勻的整體影像；標誌區域中較大的0.5mm厚度足以大幅降低雷達性能。 圖6　演示天線罩，僅在天線罩主體表面上方突出0.5mm，即便厚度微小增加也會導致在77GHz時失配。 此示例中天線罩中間部分平均反射率為-11.0dB，標準差為-18.2dB，在許多使用場景中此值過高，無法確保雷達可靠操作。實際上預期反射率取決於雷達單元靈敏度和欲覆蓋的最大偵測範圍。 接下來量測天線罩材料的頻率匹配及衰減。位於DUT後的發射器在選定頻率跨度掃描，可精確評估天線罩的發射頻率回應，回應可提供有關DUT用於雷達操作確切頻段上RF匹配的詳盡訊息，其與雷達使用的實際訊號波形無關，因此對可安裝在天線罩後的雷達均有效。圖6右側圖則顯示演示天線罩的量測結果，由於76GHz至79GHz之間的高波紋度，該天線罩不適用於在該頻段操作的雷達。 若使用汽車行業真實3D天線罩的傳輸量，可測得圖7中類似鋸齒狀的曲線，該天線罩會遇到各種性能問題： 頻率匹配位於不太有利的71GHz左右而非於76GHz，是因某些天線罩層厚度增加所致；79GHz頻帶中不穩定的減弱變化表明駐波比顯著增加，表示天線罩邊界處反射及強烈干擾效應；總體單向(One-way)衰減相對較高，將導致偵測範圍顯著減小。 圖7　在一個複雜3D設計商用多層天線罩上進行的透射率量測。 準確感測實現安全自駕 自動駕駛需可靠雷達正確無誤偵測周圍區域物體，可行性取決於雷達品質及其安裝狀況。雷達安裝在品牌標誌或保險桿後，車身部件(天線罩)會減弱訊號，以致無法偵測物體或於錯誤位置偵測到。當下此類部件不僅需滿足其原始目的，且須具備特定RF特性，並以準確實用的量測方法驗證。相較黃金裝置，此測試儀能更快、更易評估汽車天線罩品質，不僅量測DUT的RF透射率，進而帶出天線罩設計的基本適用性，並量測反射率而視覺化為X射線影像，亦可讓非專業人員進行可靠合格/失效評估，對於生產線終端測試尤為重要。 (本文作者皆任職於羅德史瓦茲)

產業研究機構Yole Développement(Yole)研究指出，到2024年，感測器、致動器和換能器的壓電市場規模預計將達到485億美元，從2018~2024年，塊狀矽結構(Bulk)和薄膜技術的相關元件年複合成長率為12.6%。Yole認為，薄膜壓電設備正在推動市場成長，儘管市場比重仍然有利於塊狀矽結構元件(Bulk-based Devices)，而塊狀矽結構元件仍然是壓電市場中的一項強大技術。 在塊狀矽和薄膜設備市場中，RF濾波器分別以SAW和BAW領先。Broadcom和Qorvo是RF濾波器領域的主要薄膜廠商。頻率越來越高的5G將推動市場發展。壓電材料可以實現電子世界和機械世界之間的連結，致動器和感測器功能可以直接與電子晶片整合。 專門針對薄膜技術，多家MEMS代工廠已在其製造廠內化了薄膜壓電製程。 AlN需要壓電層沉積方面的知識，而PZT是一種用於整合在半導體晶圓廠中的特殊材料。就沉積而言，兩種技術在競爭：Sol-Gel和PVD(濺鍍或脈衝雷射沉積-PLD)。Sol-Gel具有更好的薄膜性能，良好的均勻性和更高的擊穿電壓。但是，在考慮量產時，產能成為主要考慮因素，這就是Sol-Gel表現出局限性的地方。關於MEMS IDM和代工廠的製程選擇，Fujifilm Dimatix和Robert Bosch選擇了濺鍍，而Epson和Rohm Semiconductor將採用Sol-Gel技術。  

高效能感測器解決方案供應商艾邁斯半導體(ams)日前推出CMOS全局快門(CGSS)近紅外線(NIR)影像感測器，作為最近發表的3D系統的進一步發展。CGSS130讓臉部識別、支付認證等3D光學感測應用能以遠低於替代方案的功耗運作。OEM客戶將能以更長的單次充電使用時間作為電池供電設備關鍵的產品區隔，同時支援更複雜的感測器功能。 ams副總裁暨ISS部門總經理Stephane Curral表示，繼2020年稍早ams與SmartSens Technology開始合作夥伴的關係，很高興宣布推出首款內建CGSS130電壓NIR增強型全局快門影像感測器的3D主動立體視覺(ASV)參考設計。此一1.3M像素堆疊式BSI感測器在940nm波段提供高量子效率(QE)，適合電池供電設備應用。此外，透過一次提供照明、接收器和軟體等3D系統主要組件，ams協助客戶以更低成本打造出效能優異的產品，同時更快速將產品上市。 新推出的CGSS130感測器對於NIR波長的靈敏度四倍於市場上多數其他產品，可靠偵測3D感測系統中超低功率IR發射器的反射。由於IR發射器在臉部識別及其他3D感測應用中是主要耗電元件，因此CGSS130的採用將使製造商能有效延長行動設備的電池使用時間。同時，也讓可穿戴設備和其他僅有極小電池的產品有機會搭載臉部識別功能，甚至因為高靈敏度擴展相同功率條件下的測量範圍，因而實現臉部識別以外的創新應用。

艾邁斯半導體(ams)日前發布AS7350─市面先進的高階手機相機光譜環境光感測器(ALS)。新感測器產品即使在極高色彩對比，或在非理想/混合光源條件下，仍可提供高品質影像。AS7350透過光譜重建實現光源識別，進而在任何光照條件下達到優良自動白點平衡準確度，使消費性裝置進行專業級攝影化為可能。 ams副總裁暨色彩與光譜感測器事業部門總經理Reiner Jumpertz表示，對於許多消費者而言，相機效能是選擇高階手機的決定性因素之一，人們會針對各種機型進行研究比較，輔以專業的評測和使用心得分享。該公司認為現今正是使用消費性裝置拍攝出專業畫質的轉捩點，智慧型手機廠商現可採用AS7350光譜ALS來偵測並識別環境光源以獲取超越一般RGB感測器、精確的白平衡訊息，進而為客戶提供良好的影像品質。 由於消費者對於先進相機功能的渴望，手機廠商持續針對提高影像品質來進行差異化。AS7350光譜ALS感測器透過精確識別環境光條件，AS7350即使是在高色彩對比場景下也能提供良好的影像品質，協助供應商用行動裝置拍出專業等級影像。

Maxim宣布推出最小的2接腳雙向直流電力線通訊(PLC)元件MAX20340，在超低功耗可攜式和可穿戴應用中將充電底座的供電和通訊介面尺寸減小80%。通過單根線路供電並進行資料通訊，MAX20340省去了充電底座與真無線耳機、手環及其他小型可穿戴低壓設備間通訊所需的接腳和分離式元件。與最接近的競爭方案相比，該產品有效簡化設計，且為每只耳機節省13mm2的占位面積。 PLC晶片可大幅減少充電和通訊介面的物理觸點，有效降低成本，減少故障點並提高可靠性。此外，MAX20340整合自動線上檢測功能，提高設計靈活性，省去可靠性差、成本高的替代方案，例如：機械連接器或霍爾效應感測器。元件可利用單個外部電阻配置為通訊主機或從機。多種工作模式可協助設計者根據應用需求最大程度降低功耗。此外，MAX20340可透過介面對所有通訊進行管理，只需簡單的讀、寫I2C介面通訊協定。 主要優勢為與最接近的競爭方案相比，MAX20340可將方案尺寸減少80%；每顆MAX20340 PLC IC尺寸僅為1.84mm2，無需電感等任何大尺寸外部元件；利用單根線路進行通訊和供電，減少潛在的故障點和維護成本；同時透過I2C介面及簡單的mailbox通訊進行讀寫操作。

高智慧和互聯設備的訊號處理平台和人工智慧處理器廠商CEVA推出其Hillcrest Labs感測器融合產品系列的新一代產品：MotionEngine Air軟體。這款生產就緒的解決方案可為大批量市場中的消費性手持設備提供低功耗且建基於動作的手勢控制、3D動作跟蹤和指向功能，其中包括智慧手機和PC觸控筆、智慧電視和選用OTT(Over-the-top)影音串流服務的遙控器、遊戲控制器、AR和VR控制器以及PC的周邊設備。 CEVA副總裁兼感測器融合業務部門總經理Chad Lucien表示，Hillcrest Labs MotionEngine Air解決方案結合了該公司十五年來在遙控中使用MEMS慣性感測器而創建的功能。這款新產品可讓OEM和ODM廠商輕鬆將該軟體整合到現成的RF SoC或MCU中，直接在電池供電的控制器上運行。這為許多不同的行動設備、PC、電視、AR/VR、遊戲和企業週邊設備開啟了一扇大門，使得它們可以使用精確的運動控制來增強各種用戶體驗。 MotionEngine Air軟體是一款具有高度靈活性、低功耗和記憶體佔用空間小的解決方案，可以在包括Arm Cortex-M、RISC-V和CEVA-BX及CEVA-TeakLite DSP系列在內的各種處理器上運行。它具有多種配置，包括兼具加速度計和陀螺儀(IMU)的功能齊全的解決方案；以及建基於手勢和動作事件的解決方案，而這種方案只需要加速度計。 藍牙和其他無線掌上型控制器的全球市場正在急速擴張，預計2022年射頻(RF)設備的出貨量可望超過五億個。低功耗慣性感測器和低功耗藍牙技術以及MotionEngine Air感測器融合軟體的新進展，帶來次毫安培級水準的整體系統功耗，這可提供精確的互動式和直觀的運動控制，實現始終保持作業狀態(Always-on)且始終察覺(Always-aware)的用戶體驗。

非規劃停機所造成的成本每小時可達數千甚至上萬美元。在2017年曾經進行的一項研究中，發現許多企業遇到停機時每小時平均成本高達200萬美元，非規劃停機造成的成本遠高於計畫性維護，因為機器必須下線進行診斷、訂購替換零件，然後才能進行維修。 機器在規格範圍內持續運轉，以及機器預期的剩餘壽命，都會受到各項變數所影響，包括如運轉時間、負載與運轉環境的變動，以及各種損壞事件等。狀態監測的目的，旨在找出這些影響因素的量化數據，以在需要立即注意時即時提供警訊，並精準預測需要介入的時機。 每部機器都不盡相同，每部機器老化的過程也不一致，而老化的過程通常緩慢且難以察覺。除非長期主動觀察細微變化的徵象，不然即使長時間下來也看不出老化的現象。之後有朝一日機器忽然失效，可能是災難性故障，意謂著機器必須離線進行維修。終端使用者希望針對即將發生的失效提前收到通知，藉以提前進行停機的計畫。他們也會觀察機器細微變化的各種徵象，這些因素可能影響類似紙張與金屬板材這類最終產品的品質。 各界需要更加提早觀測出機器磨耗，以及機器輸出品質的資訊，帶動對於更靈敏與更全面性感測的需求。另外，量測的種類也更加多元，包括溫度與振動等感測模態，如今也透過音響、馬達電流，以及電壓量測等方式提供輔助。這些量測系統匯整之後，即可對設備的狀態得到更全面的認知。因此每部機器上裝設著越來越多的量測通道。個別的量測通常需要妥善協調以顯示彼此的關係，像是x/y/z三個軸向的振動數據。而對於同步化的需求，也導致系統的複雜度更加提高。 量測節點日趨分散以及模態的多元化，意謂著以人力資源進行檢視與量測的方式已無法跟上實際作業的需要(圖1)。系統必須分散部署在廠房的各處或偏僻角落，並使用現有的有線基礎設施或無線網路，運用穩定安全的無線系統進行通訊。龐大且昂貴的感測器以及匯流傳輸設備必須做得更小、低價、省電，才適合裝設在這些環境。為此，許多新元件與子系統型態的新型精準解決方案，具備更高的整合度，讓系統廠商現在就能實現上述的感測功能。 圖1　使用壓電感測器是由掌上型裝置，以人工方式檢測設備。 資料擷取是狀態分析首要任務 想要儘可能提早察知機器耗損的徵兆，就等同於須擁有預見未來的能力。在狀態監測分析方面，方法就是觀察系統中各種最細微的變化，包括系統溫度、振動，或聲響等徵狀。想要感測到這些細微的變化，感測器與資料擷取系統必須能以最小偵測分辨率單位明確觀測到這些細微改變，包括在極高的振動或溫度下也能精準量測。為此訊號鏈必須具備極高的動態範圍，意謂著系統得擁有極低的雜訊，同時還能應付極大的變動。 舉例來說，要對往復式水泵偵測出機件磨損的徵兆，就必須能偵測出活塞死點不到十分之一毫米的磨損差異，而活塞的往復行程則達到300毫米。要確保能看到如此細微的變化，其條件則是系統雜訊必須低至少10倍。因此偵測水平必須達到1:300,000或109dB，須採用18位元或更精準的資料擷取系統。 另一項考量因素，是拓展出更多傳輸頻寬範圍。馬達軸以及許多齒輪系統的振動頻率相對較低，頻率相當接近軸轉速或僅是軸轉速的數倍。然而，系統中其他零件則擁有較高頻率特徵。為此，想要偵測擁有較高頻率特徵的零件因磨損產生的偏移，像是滾珠或油封軸承這類零件，感測機制必須在超過10kHz甚至80kHz的頻率下達到高解析度與高動態範圍(圖2)。 圖2　典型振動頻率特徵 感測系統規格必須包含高動態範圍(DR)，以及極低的總諧波失真(THD)，才能在系統振動模式(Profile)下解析出這些頻域特徵。在這些系統中，主要是運用最新精準型大頻寬三角積分(Σ-Δ)轉換器來執行類比至數位轉換步驟。這類極精準的類比至數位轉換器能滿足這些系統的關鍵需求。此類轉換器擁有優異的動態範圍以及THD(一般為+108dB DR到120dB THD)，能在至少80kHz頻率下覆蓋dc直流頻寬，另外還具備許多簡單易用的特色，像是類比輸入端的預先充電緩衝器、整合式數位濾波器、跨元件同步支援多通道相位匹配，使得這些關鍵元件能用來建構最高效能的CbM資料擷取系統。 功率調整(Power Scaling)功能讓同一個實體硬體經調整後能支援特定功率上限的規範，針對整體功率匹配適合的動態範圍或頻寬。在直流以及較大頻寬條件下提供精準偵測，同一個平台的輸入通道能滿足包括溫度、形變，以及其他直流或低頻寬感測的需求，進而簡化整體條件監控系統的架構並降低複雜度，也就是單一平台即可支援所有種類的CbM感測器。 同步取樣確保相位關係保存 在CbM系統中，同步取樣用來確保各組時域資料之間的相位關係得以保存。舉例來說，兩個正交設定的振動感測器可用來偵測振動向量的方向以及振幅。在理想狀態下，相位會延著每個感測器輸入通道逐漸延遲，並應該和溫度變化相匹配。 對於CbM系統而言，設計上需要更多的彈性，方能因應取樣率、頻寬，或功耗擴充需求方面更寬廣的範圍，因此SAR ADC產品也很適宜。這些元件還提供高動態範圍與THD，吞吐量可達2 MSPS，並融入許多易用特色，除了降低訊號鏈的功耗以及訊號鏈的複雜度，還促成更高的通道密度。具備更高輸入阻抗模式的轉換器能擴展低功耗精準型放大器的範疇，這類放大器能直接驅動這些ADC，並達到最佳的效能。 為讓系統廠商針對更精小或分散式擷取節點可達到最高的通道密度，以及加快上市時程，半導體業者如ADI開發出新的訊號鏈μModule產品，可提供比以往更高的整合度。這些μModule元件結合資料擷取訊號鏈設計常用的關鍵零件，打造出小巧的積體電路(IC)形態。 μModule將類比與混合訊號元件的挑選、最佳化、以及配置等方面的設計負荷從設計者轉移到元件，藉以縮短整體設計時間以及系統除錯工作，最終則加快了上市時程。裝配在微型封裝內的μModule元件非常適合用在分散式少數量通道的微型CbM系統中，或更高通道數量的機架式系統(圖3)。 圖3　μModule組件的3D著色圖 MEMS感測器助力狀態監測執行 光是在訊號鏈的資料擷取部分提供高動態範圍、更廣的頻寬、更高的電源效率，以及更高的通道密度，只能解決CbM系統一部分的系統設計挑戰。傳統整合式電子壓電(IEPE)振動感測器龐大、笨重、昂貴，且供電線路的電壓通常比資料擷取系統還要高。一般而言，壓電式感測器採用24V的單一電源，消耗2毫安培的電流，封裝在金屬外殼內。由於感測器一般裝在資料擷取模組內，因此提高設備內部通道密度，就會衍生電源密度以及元件密度的問題。更糟的是，在以電池供電的無線擷取節點中，傳統壓電式振動感測器已不再能滿足這些設計鏈的需求。 MEMS微機電式振動與慣性感測器現在能滿足這些系統的需求。最新的高頻寬MEMS元件具備的雜訊與頻寬效能適合各種CbM應用，而且在標準的微型化表面黏著封裝就能達到這般的效能，同時功耗還比IEPE感測器低了20倍。這些MEMS感測器的小尺吋與功耗特色，讓業者能開發出超小型電池供電多軸系統，以用來執行永久與持續性狀態監測。 功耗與連結 感測機器的溫度、振動或噪音，之後將訊號轉換成數位資訊，這些都是監控作業的關鍵部分，但這些還不是完整的流程。要建構狀態監測系統，必須注意設計專案中所有類比、數位，以及混合訊號元件。資料擷取鏈要達到低雜訊，需要的不光只有低雜訊感測器以及類比至數位轉換元件，還包含低雜訊電源設計。系統要達到低功耗，電源元件必須有效率地從電池或線路汲取電力，而且不會增加設計的複雜度。 連結需求取決於應用環境。許多工業場所已有完備的布線，用來執行製程控制或現在的環境感測，像是溫度量測。然而，這類現存基礎設施大多數無法因應大規模狀態監測所涉及的龐大原始資料或資料傳輸率。 提高既有布線功能的其中一種方法，就是增加更多資料而且不影響現有的功能。舉例來說，HART技術可用來在常見4mA至20mA類比介面上加入數位格式的診斷資訊。類似的狀況，工業乙太網路能增加既有乙太網路布線的決定性以及即時控制力，反映在控制應用上就是延遲的表現，FFT資料所需的更高頻寬，以及允許每個鏈路設置多個節點。 另一種途徑就是無線傳輸資訊。在工業環境中，需要穩健且安全的無線聯網。最新的智慧網狀網路(Mesh)拓撲無線電產品，包含無線晶片，以及預先認證的電路板模組，即使置於充斥干擾雜訊且持續變動的射頻環境中，也能以低功耗執行通訊並達到超過99.9999%的資料可靠度。對於狀態監測而言，這意謂著失效或瞬變事件都能和host主控端進行通訊，並在最短的時間內做出因應作為(圖4)。 圖4　模組圖顯示典型精準資料擷取訊號鏈的子模組。 CbM角色將愈加吃重 狀態監測對於大型高資本設備是絕對必要的，包括像能源與油氣，在這類環境中，非規劃中的停機會直接影響對生產成本。另一方面，工廠扮演的角色越來越吃重，因為除了能主動執行機器維護之外，還能有一種方法來確保機器在正常運轉下能穩定一貫地生產產品。隨著這些監控功能的價值越來越顯著，這項技術將開始擴展到越來越多我們每天所運用的機器上，而不再是風力發電機或造紙廠的專利，未來，將會看到CbM廣泛地應用在火車、飛機、汽車，最終拓展到洗衣機甚至體積更小的家電中。 系統零件製造商未來必須整合感測器，或甚至整個通道都整合到零件之中。未來的馬達將配備振動與電流感測機制，而軸承與齒輪箱也是如此。未來許多自主性運行感測器節點會向行動裝置通報訊息，這些部署在車庫門上的裝置，能在車被塞在車庫內之前向車主發送警訊。 為因應在這些不同情境中持續增加的感測需求，許多設備製造商未來必須採取平台模式，運用少量的平台因應更多化的需求。量測通道必須支援不同的感測器類型，讓機架式設備能改成支援不同的感測器組合。在較小設備方面，系統必須能對不同供電條件進行調適，讓相同監控節點能用在洗衣機或電池供電工具。 狀態監測大幅減少災難性故障機率 狀態監測針對機器內部感測各項可量測的參數，藉以對機器的健康狀態取得量化數據。提高這些量測結果的精準與靈敏度，以及降低監控設備的尺寸/重量/耗電，即可讓工廠管理者將這類感測機制部署在廠房各角落。  現今的工作都配置健康監視器，就像健身追蹤裝置讓管理人員能對工廠運作有更深一層的掌握，隨時得知機器運轉的每一分鐘變化，並根據這類資訊及早做出有根據的決策。提前排定維護工作，並且僅對有需要維護的機器進行保養將能大幅降低維護成本，而技術人員在下班後的出勤以及待命成本，則能降低至零。  此外，由於工作維持在更嚴密控管的狀態，資本設備成本也能因此降低。早期偵測與替換已磨耗的零件，有助維護機器的整體健康。嚴密監視能減少災難性故障的發生機率。設備的壽命也得以延長，並持續維持到壽命終止。 工廠最終產品的生產成本得以降低。在掌握機器健康狀況下，機器的容錯性(Tolerance)即能維持在可控制的範圍內。最終產品各批次的輸出品質也更加穩定。當機器發生狀況或突然停擺的次數降低時，產品重工與廢料也會隨之減少。 (本文作者為ADI資深應用工程師)

艾邁斯半導體(ams)正在協助大幅降低電腦斷層(CT)掃描儀器的價格。借助ams在感測器設計和封裝方面的專業知識，用於X光檢測的整合式AS5950感測器晶片將能以較低的系統成本建造更先進的CT儀器以獲得更清晰的影像。 ams醫療與專用產測器業務部門行銷總監Jose Vinau表示，ams希望能讓CT掃描儀更負擔得起且更為普及。AS5950以及模組的問世將有效降低X光儀器在組裝和生產方面的障礙。 AS5950是一個CMOS元件，在同一晶粒上整合高靈敏度光電二極管陣列和64通道類比數位轉換器(ADC)。因為單晶片關係，AS5950更容易被安裝於CT檢測器模組當中。現今的CT掃描儀製造商必須在複雜的PCB上組裝分離的光電二極管陣列，並通過長走線連結到分離的讀出晶片。在8層和16層CT掃描儀中，使用單一AS5950晶片來取代這種複雜的PCB組件可大幅降低圖像雜訊效能，同時更重要的是，能大幅降低製造商的材料和生產成本。 AS5950整合架構明顯改善的影像的效能，因光電二極管陣列和讀出電路之間經過優化的晶圓級互連產生的雜訊遠比分離光電二極管/ADC組裝的板級走線低，改善影像品質。對於455pC的滿量程充電，高解析度模式下的雜訊通常僅為0.20fC。ADC線性度為±300ppm，複合線性度為±600ppm，有助於實現高影像傳真度；同時減少自熱，每通道典型0.65mW低功耗使製造商實現CT掃描儀低成本空氣冷卻。整合的溫度感測器則可以監控連結點溫度。 本產品還提供僅200µs的快速整合時間，以支援更高的掃描儀旋轉速度。數位資料讀數可透過SPI介面讀取。此外還可設置有效的感測器區域，Z方向上的總感測器尺寸由於其三邊可對接式概念而可以在16mm或32mm之間選擇；智慧型陣列允許以標準像素尺寸為0.98×0.98mm的高解析度模式或將兩個像素連接到總尺寸為1.96×0.98mm的大型Z覆蓋模式操作設備。根據所施加的輻射劑量，可以在三個滿量程範圍內將最大光電二極管電流配置在200nA至600nA間。

艾邁斯半導體(ams)日前宣布推出首款用於高速、汽車及工業馬達的感應式位置感測器。該感測器將以標準產品在市場上銷售。 ams汽車解決方案執行副總裁Chris Feige表示，隨著AS5715的推出，ams朝向未來更環保、更安全、更智慧及更舒適的汽車提供技術的使命又向前邁出了一大步。用AS5715製成的馬達將更小，更輕，並提供更平穩，更強大的輸出。再加上節省成本，這是汽車製造商用AS5715感應式感測器替換昂貴，笨重的旋轉變壓器的理由。 基於AS5715的全新轉子位置感測器可與高速馬達應用中廣泛採用的旋轉變壓器的精確度和低延遲相提並論，同時可大幅節省物料清單的成本、尺寸和重量。更重要的是，它也符合ISO 26262功能安全標準，因為該感測器方案是基於ASIL-C安全等級，而其備援方案則支援ASIL-D安全等級。 ams感應式位置感測器半導體技術的商業化標誌著電子化汽車系統(如動力方向盤)以及電動和混合動力電動汽車的牽引系統取得重要進展。AS5715感應式感測器具有高度可配置性，可用於軸上(軸端)和軸外(通過軸或軸的側面)拓撲，並具有多種類型的多極對馬達。 AS5715在效能，尺寸和成本上的突破將破壞快速增長的市場。 電動馬達(包括牽引馬達)的整體市場預計將以8.3%的年複合成長率(CAGR)增長，到2021年估計將達到346億美元。汽車馬達市場也正在發生變化，在許多高速應用中，永磁同步馬達(PMSM)正在取代無刷直流馬達。 與此同時，全球新的政府法規對汽車行業提出了更嚴格的要求，以減少其車系的平均燃料消耗以應對氣候危機。藉由採用高效的電控馬達代替傳統的機電和液壓汽車系統，汽車製造商可以更快地達到其油耗目標。 AS5715產生的高精度，低延遲位置測量結果是電子馬達控制系統運行的基礎，使高速馬達能夠最大化轉矩，限制轉矩脈動並實現高效率。基於AS5715 IC及其印刷在簡單，低成本PCB上的相關線圈的位置感測器系統，在包括四極對PMSM在內的各種馬達類型中，轉速高達100,000rpm時，都可以實現高達±0.3的精度。