压力传感器及信号调理芯片的技术市场及工程实践

　　要把质量做好，基本要素是设计。只有一个好的设计才能保证这个产品的质量。设计里有两个内容，有技术没经验不行，有经验没技术也不行。有经验，你只能照着原来的产品做，但不可能创新，一创新可能就会出错，也就是不该动的地方给动了。有了技术，你就知道哪个地方是要害，哪些地方可动、不可动，这样才能使产品在更新换代的过程中质量不容易出错。

　　设计完成之后，接下来是工艺。实际上，在设计过程中要考虑到产品在实现过程中的保障性。工艺还有一个方面，要根据人员的素质条件，包括自己的机器设备、环境。例如有些企业的自动化程度没那么高，可能更重要的是把人的精细程度校验好。一般在自动化程度不是很高或半自动化企业，生产管理人员是非常难干的工作，稍微有点差异就会出错，因为人的因素太多，冬天和夏天不一样，年初和年末也不一样。例如年初新手较多，年末有人要跳槽。冬天北方太冷，有的人可能冻得不行;夏天南方太热，可能有的人烦燥。这些都是影响产品质量的因素。

　　第四个要素，压力变送器生产过程中质量控制节点设置的准备程度和执行情况。这些要靠从业人员精准地把握每一个传感器质量的节点控制。

　　第五，对外来器件和原材料的保证。材料控制对传感器生产企业也是一个关键问题，因为国内很多传感器企业是小企业，质量控制的战线不是很长。当然一些大企业可能控制得长，会控制供应商，再控制供应商的供应商。好的企业是五级控制，至少也是三级才能保证。

　　有两个真实的案例。给中星测控供应清洗液的供应商是德国一家知名公司，德国公司以前用某家清洗液很少出问题，结果有一段时间大批量出问题，刚好西北地区的空气比较干燥，在中星测控这里显现不出来，到了潮湿地区就发现问题，在清洗液中有残留的钠离子和水汽，水汽凝聚导致产品的绝缘性不好。中星测控花了很多时间，问德国质量控制有没有什么变化，德国说没有变化，那么再往上查，德国公司的董事长、总工程师也来了，在他们层面找不出问题，然后再往上找他们的供应商，结果发现是清洗液的问题。可见，如果能控制到三级、四级、五级，这个问题可能就不会发生。

　　还有一次是密封圈。空调的密封圈非常重要。也许这种密封圈只能适应某几种机型，那种密封圈适用另外几种，如果选择不当就会导致致命问题。中星测控选择了一款密封圈，该密封圈生产企业在国内很知名，给嫦娥二号空间站做过密封圈，他们的机器设备和人员素质堪称一流，但是给中星测控做的密封圈出了问题。问题也不出在他们这里，而是他们上级的来料。当然这款产品是在大批量生产时出现的问题。中星测控当时有6000多支全部撤回。

　　4 坚守国际市场

　　开拓国际市场很难，但是要把国际守住可能会更难，因为还要和大公司进行竞争。如何做?新起点、新技术、新材料的快速应用。在“快”上面下功夫。质量是旗帜，技术是旗手、后盾。技术在产品质量中发挥的作用，在设计阶段已经起到了非常大的作用。在设计过程中要考虑的问题，就是每一个环节用技术把它保障起来。在传感器技术里要设计一些自用的装备，因为很多机器装备没有通用的测试设备，例如万用表，在市场上可以直接购买，没有的设备，只能靠企业自身的能力开发。

　　还有，设计过程中要涉及的EMC、EMI、ESD，这些都是隐性层面的。会出现这样的事：一个客户买了一个变送器，买去测试是坏的，很生气;但生产厂家也很生气，称在生产时是好的，质检也是好的。结果是因为ESD设计时有静电问题。生产技术、工装夹具、自动化、半自动化生产设备的研发、质量控制，即人们平时说的设计、工艺、配套、生产、管理质量提高这5个环节是不是都到位，即你要的结果是不是自然到了这个地方去，而不需反复纠正。如果反复纠正可能就有问题。森萨塔有一句话：产品不能返工，要从生产和设计上去找问题。因为一返工可能就会把问题掩盖掉。这符合六西格玛的理念。

　　中星测控要使工艺、设计和产品达到做好容易、做坏难。

　　5 物联网对传感器的挑战及应用探索

　　现在无线越来越普遍。没有线确实会节约很多成本，而且有些地方不可能有线，有线没有办法操作。例如不久前新闻报道的福建海上风力发电厂，操作人员在上海，在海上建的传感器，要把传感器的信号传到岸上，就算到了岸上拿有线传输也很贵。再一个是工业现场也开始无线了。过去人们有一个误区，无线的都不可靠，只有有线的可靠。但是嫦娥没有线，工作也很好。所以大家一定要朝着无线方向努力。

　　第二，低功耗。

　　第三，体积小，符合环保要求。

　　第四，智能化，简单实用和安装方便。

　　根据上述方向来拓宽市场。中星测控公司曾做了一个老人监护系统，和手机的部分功能类似，但是体积非常小，可以装在口袋里或者是挂在脖子上，老人摔倒或走丢、血压异常都可以及时反馈，便于家人监控。但可笑之处是该产品花了很大功夫在国内推广，但没在国内做起来。在国内，中星测控甚至送给那些老人体验，老人睡一晚上说不行，为什么?儿子本来就不爱看他，有了这东西，更不会来看了。但这类产品在国外有市场，中星测控95%卖给国外了，主要是美国，因为国外的老人和儿子一般不住在一起，而且美国本身就有老人管理公司。中星测控和美国最大的一家老人管理公司合作，给他们提供该设备，里边有压力传感器，老人摔倒时有角度和压力变化，通过换算来进行提醒。

　　还有车位传感器。有了这个设备以后，去之前可以看一下有没有车位，还可以提前预订。还有城市的道路交通是否拥堵，可以给你选择一个最佳路径。但总地，现在还没有一个很好的商业化模式，推广起来有些困难。

　　6 小结

　　压力传感器行业有很多同仁在共同努力。2005年中星测控参加德国展览时只是孤身一家，2006年时已有40多家，说明我国的压力传感器企业在蓬勃发展，而且得到国际市场的认可。

MEMS企业需要联合、协作

　　苏州纳米产业园研发总监王敏锐(注：也在中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所)称，本土MEMS芯片包括压力、惯性等所有领域加在一起，产值排在全国前10位差不多是3000万元。究竟是什么原因造成本土MEMS产业发展的困难?

　　第一，整个MEMS芯片产业还处在跟踪性的技术发展阶段，别人做麦克风我们也做，别人做汽车压力我们也做汽车压力，整个的竞争停留在怎么降低竞争成本，而不是在高附加值。

　　第二，从芯片产业来看，因为整个芯片流片的花费非常多，而且整个产线的维护成本非常高，一年下来的维护成本在七八千万元。如果是一家单独的企业，特别是不太大的企业，要做这个事会非常的困难。

　　第三，中国人特有的商业习惯。本土的竞争一定是把市场竞争变成战场，这个竞争到了你死我活的地步，利润率较低，不利于新产品的投资和可持续性发展。从MEMS的样机出来到最后投入使用，统计的结果无论是国内还是国际，大致需要5~7年时间。

　　第四，基础设施非常庞大。

　　那么，我们的机会究竟在哪里?通常认为应该是在发掘新的市场需求，我们不要做原来的同质化竞争。当然这也不意味着我们一定不做这个产业，我们可以做一些技术和基础积累。但是最后我们的发展方向还是不断地挖掘新的模式，通过大量的创新来提高收益，减少同质竞争。

　　如果要有一些新的技术，一定是从高校院所出来的，我们要加强产学研的协同创新，要关注技术标准的重要性，大家共同制定标准，共同发展，可能会更有利于整个MEMS芯片产业的快速发展。因此，一定在这个产业里学会分享，而不是竞争，要合作，做一些标准化技术。

　　那么，整个产业生态圈究竟怎么做?现在有一个抓手，是通过江苏省的微纳制造业的创新中心。为什么做微纳制造的创新中心?虽然设计很重要，但是现在MEMS芯片最核心的问题还在于微纳制造。江苏省微纳制造业创新中心是一个产业扶持性公司，相对来说比较公益或者中立，可扶持产业的发展。

调理芯片在压力传感器中的应用和演进路线

　　苏州纳芯微电子公司总经理王升杨称，一个典型的压力变送器主要由几个部分构成。

　　1.传感器的敏感元件，对于压力传感器，比较常见的是电阻式或电容式传感器结构。

　　2.为了要让传感器能够输出，符合所需的信号，后面就需要信号调理的电路。

　　3.这个调理电路承担几个功能：1)要给传感器信号一个激励，比如电阻式传感器有恒压或恒流的激励，2)会把传感器输出信号通过模拟前端的电路高精度地检测出来，3)因为传感器会有一些非理想的因素，例如温度系数问题，需要对这些非理想因素进行修正和补偿。

　　4.最后根据不同的应用，可能会有各种不同的输出协议，诸如电压输出、电流输出、数字输出，例如SPI输出等。

　　在压力变送器领域里，调理芯片经历过几个阶段。最早我们看到很多的压力变送器，尤其是低端的压力变送器才用变送器结构，经典的运放结构是把电压和电流转换，变成42mA(注：音)的输出，并简单地做一些补偿，这种方式一般是采用变送器，通过人工的方式做补偿。这种方案的特点是低成本，但功能有折中，比如只能调灵敏度，但是温度系数不能调，而且调整的系数范围也较低，一些复杂的功能基本无法实现。

　　在此基础上有第二种方案，是可编程的变送器，在前面的仪表放大器的基础上做了一些改进，增加了集成通信接口，可以实现对零点包括满量程做一些电子化、自动化编程校准功能的产品，这样的产品在市场上最典型的有TI的PGA308、309等等，在压力变送器领域得到了很多应用，这种技术路线的好处是已经有了数字编程的接口，可以实现自动化批量的编程和校准，也可以在现场再次重新标定。有一些可以在灵敏度的基础上做一些温度的补偿。但是这样的方案现在看还是有一些不够灵活的地方，例如想要有一个量程比，从10MPa变成1MPa的方案还是有一些困难。再如要做一个高端的隔离还是有些困难。还有做一些更高级别的，诸如带显示、诊断的功能还是比较困难的。

　　第三类调理芯片电路方案，现在应该在行业里尤其是在高端压力变送器里应用比较广泛，这种结构基于高精度的ADC+MCU+DAC，里面包括TI、ADI等公司经典的压力变送器案例。第三类产品有很多优点，因为可编程，可以实现自动化校准和现场的标定，实现改量程比，甚至支持无线和各种智能化扩展功能。但是这类方案的弊端主要是，器件的构成较多，最典型的电流型的输出有一个基本的要求，所有的部分加起来的消耗电流不能超过4mA，所以对功耗有比较苛刻的要求。因为该产品是技术要求比较高的产品，像ADC和DAC的精度都不低。多了之后，整个器件的体积自然也会变大。

　　第四种，也是苏州纳芯微电子公司着重介绍的是用集成化的方案给压力变送器做信号调理。所谓的集成化方案，就是把原本在PCB板上分立的元器件打包，尽量集成到一个芯片里，在不丧失整个系统灵活性的前提下，使集成度大幅度提高。集成度提高以后可靠性也提高，成本和功耗容易控制。现在这个方案很难用电流的两根线进行连通，除非是用HART的功能来做。通过S化(注：音)的方案可以去做一些更高效的通讯接口，而且后端的生产流程就会变得更加标准化。

　　现在国际上也有这样的趋势，像TI最近发布了PGA900、300系列，很明显就是这样的思路。纳芯最近也发布的一个产品，是NSA和NSC系列，分别针对电阻式和电容式的压力传感器。

　　苏州纳芯微电子公司在2013年成立，是初创公司，专门定位做各种各样的传感器后端处理芯片。

　　(注：本文根据“2016工业压力传感器高峰会议”的部分速记整理改编，未经讲演者确认。该会议于2016年9月13日在上海举行，是“中国(上海)国际传感器技术与应用展览会(Sensor China)”活动的一部分。)

　　参考文献：

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　　[3]王莹,叶木子.物联网时代，MEMS传感器发展面临更多挑战[J].电子产品世界,2015(10)：16-20.

　　[4]王莹.MEMS传感器市场热点[J].电子产品世界,2014(10)：9-10.

　　[5]Schäfer S.持续微型化：紧凑空间内使用力传感器系统保证质量[J].电子产品世界,2016(2-3)：19-20.

本文来源于中国科技期刊必威娱乐平台 2016年第10期第7页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。