TDK技术前沿:力争成为优秀的传感器解决方案提

2020-02-01 08:17
和记娱乐 来源:和记h88
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  在不久的将来,人类将步入一切事物均可通过互联网连接的IoT/IoE社会,而这是通过由数量庞大的传感器组建的传感器网络实现的。TDK作为世界上领先的电子元件和设备生产商,自2016年以来积极开展传感器领域的并购,扩充拥有非光学领域几乎所有的传感器的产品和技术组合。同时,利用可将多个传感器和IC、软件等联为一体的高级传感器融合技术,打造了可应对多种市场需求的强大的传感器业务阵容。

  除智能手机和平板电脑外,家电设备、OA设备、汽车、工业设备、机器人等均使用着各种各样的传感器。对越来越多功能化和智能化的电子设备来讲,传感器已成为一种不可或缺的关键设备。

  在电子学的世界里,传感器这一词语得到广泛普及的时日较短,据说其发生在1970年代。因其具有检测出光、声音、热、压力等物理量并转换成电信号的功能,1960年代之前曾被称为探测器(检测器)和换能器(转换器)等。

  1970年代随着IC技术的发展,这个时期大量的设备和装置开始搭载微型计算机,为了提高效率和便捷性、安全性,开始大量使用各种传感器。若将微型计算机比作人的大脑,那么传感器便相当于人的五感。因此,比起探测器和换能器这种生硬的表述,传感器的叫法更为贴切,因此传感器这个词便在转瞬之间作为一个常用词语被人们所接受。

  传感器不仅仅局限于五感,还有诸如加速度计和陀螺仪(角速度传感器)等与体感(运动、平衡、重量)相关的传感器。这些是在智能手机的运动传 感器、汽车系统、机器人和无人驾驶飞机的姿态控制等方面发挥着重要作用的传感器。另外,还有用来检测人类无法的、超声波、红外线、紫外线、放射线等的传感器等,种类繁多。

  1935年,为实现日本发明的具有划时代意义的磁性材料——铁氧体的工业化,TDK应运而生。自此以后,1970年代开发出可高音质音乐的盒式录音磁带,风靡全世界;1980年代完成以层叠电感器为代表的层叠芯片元件的产品化,为电子设备的小型化和轻量化做出了贡献;1990年代,又利用先进的薄膜技术开发出磁头,推动HDD实现飞跃性的大容量化。这是TDK享誉世界的“四大创新”。

  TDK发展的原动力是在不断进行革新的同时实现“非连续性进化”。现在,为了满足未来IoT/IoE社会的需求,TDK自2016年起在传感器方面积极开展M&A,不断出台大胆的战略,力争成为优秀的传感器解决方案提供商。

  传感器是利用物质的特性和物质引发的现象,将其作为电信号输出的元件。主要的传感器材料有金属或合金、金属间化合物、半导体(硅、化合物半导体等)、陶瓷(磁性、压电、半导体、热释电体等)、固体电解质、有机高等。

  另外,传感器所利用的原理和效应有光电效应(光→电)、压电效应(压力或声音→电)、热电效应(热→电)、霍尔效应和磁电阻效应(→电)等。这些原理和效应多数都是在19世纪被发现的,但要制造出具有高灵敏度、高性能和实用性的传感器元件产品,需要与其相适应的材料和制造工艺。同时,还必须要满足小型化、高可靠性、低耗电化、低价化等条件。

  例如,作为温度传感器被大量用于家电设备和OA设备、工业设备等的NTC热敏电阻,采用的是受温度影响电阻变化率极高的特殊半导体陶瓷材料。早在1833年,英国的迈克尔·法拉第便发现了具有热敏电阻特性的材料,但直到1930年代温度传感器才实现实用化,经过了大约1个世纪的时间。这是因为材料结构和制造工艺的细微差别便会对特性产生影响,要制造出具有高再现性和稳定性的温度传感器产品,需要极高的技术和Know-How。

  TDK为TDK品牌和EPCOS品牌的NTC热敏电阻进行了丰富的产品线布局。除材料设计技术、烧成技术等先进的陶瓷技术外,SMD芯片型产品还采用了积层陶瓷贴片电容器等长期积累的积层技术。

  硅作为IC和LSI的材料,也广泛应用于各种传感器。TDK以Micronas品牌名义提供的霍尔开关和线性霍尔传感器,是利用电流磁效应之一的半导体霍尔效应制成的磁传感器。霍尔传感器的特点是可灵活应用于多种用途,如检测静和动、辨别N・S磁极等。霍尔开关被用于辨别无刷式马达的磁极等,而可获得线性输出的线性霍尔传感器则作为角度传感器、传感器等得到广泛应用。

  霍尔传感器的加入,使得TDK的磁传感器产品和技术得到大幅扩充。TDK还开发出了以超高灵敏度和高输出为特点、由TMR(隧道磁电阻效应)传感器和霍尔传感器组合而成的车用角度传感器。即便在发动机舱等的使用中,其中的一方仍能维持正常传感器功能的可能性得到提高,从而大大提升了设备的冗余性。

  在传感器的小型化和量产化方面带来划时代意义的创新的,是一种被称为微加工技术的MEMS(微机电系统)技术。这是一种利用在IC和LSI等集成电生产中所采用的三维微加工技术,在硅晶圆上同时生产传感器、电、可动部等多个元件的综合制造技术。

  MEMS技术的研究始于1970年代,第一代MEMS传感器即汽车发动机控制用压力传感器实现实用化,随后用于安全气囊的加速度传感器和用于安全行驶的陀螺仪传感器等产品相继被开发出来。近年来,以智能手机的MEMS麦克风为代表,用于相机手抖补偿和动作追踪的加速度传感器和陀螺仪传感器得到广泛应用。智能手机的屏幕可根据机体的动作在横竖屏之间自动旋转,也是因为搭载了加速度传感器的缘故。

  TDK的MEMS传感器除EPCOS品牌的压力传感器等之外,还有以高设计能力著称的InvenSense公司的加速度传感器和陀螺仪传感器、Tronics公司的惯性传感器、以及Chirp公司的超声波传感器等众多传感器加盟,可实现高度的传感器融合。

  与MEMS传感器的小型化、可靠性以及低成本化密切相关的是封装技术。MEMS传感器进行芯片化切割的前一工序是在晶圆状态下完成封装。这被称为晶圆级封装(WLP)。封装手法多种多样,其中InvenSense公司发明的一种名为“Nasiri制程”的工艺,是将已形成电的IC晶圆覆盖在MEMS晶圆之上进行真空封装,同时进行电气连接的一项该公司的独有技术。世界上第一台2轴陀螺仪传感器、3轴陀螺仪传感器、6轴运动传感器(3轴陀螺仪传感器+3轴加速度传感器)、9轴运动传感器(3轴陀螺仪传感器+3轴加速度传感器+3轴电子罗盘),这些InvenSense公司的创新型MEMS传感器便是通过“Nasiri制程”开发出来的。

  TDK的MEMS传感器平台汇集了这些先进的MEMS技术,有望创造出面向IoT/IoE时代的具有高附加值的复合化传感器和传感器解决方案。

  传感器并不是单纯用来测量的元件,现在已经进化为与包含具有处理、分析和解释信息能力的软件、算法在内的IC集合于一体的智能传感器(Smart Sensor)和传感器模块。欧洲ASIC(特定用途集成电)设计方面的生产商ICsense公司也已加盟TDK集团,由此用来处理传感信号的设备所不可或缺的先进的IC设计技术也得到保障。以InvenSense公司为代表的TDK集团各公司的技术协同也值得期待。

  世界传感器的市场规模正在迅速扩大,预计2020年代世界传感器的年出货量将超过1兆台,人类将迎来“万亿传感器社会”。

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