环境传感器如何突破产业红海？

智能手机是MEMS厂商最早攻入的市场，但近些年随着众多厂商的涌入导致竞争加剧、利润摊薄，智能手机市场已然成为红海市场。不过，环境传感器在智能手机等消费电子的应用才刚刚起步，将打开传感器在消费电子市场的新局面。

博世（Bosch）亚太区总裁Leopold Beer指出，消费类MEMS在2017年面临三大挑战：一是作为MEMS最大应用市场的智能手机，目前增长已进入停滞阶段，但竞争依然激烈，因看到庞大的智能手机基数，仍有不少厂商涌入；二是新型应用领域推出缓慢，如可穿戴式产品，出货量较小且高度分散，MEMS厂商想要在穿戴式领域投入创新和应用开发，需要消耗很大的研发资源；三是客户对这种创新应用的接受度并不高，企业要面对很大的不确定性，包括整个市场的不确定性、技术不成熟与技术风险等。

而在应对策略上，集成化可能是一条出路。Leopold Beer表示，如今厂商不再是扮演最基础的元器件供应商，而是整合传感器、DSP、微控制器等，并结合自己投入研发的软件算法与应用算法，最终呈现出一个解决方案，这是一种商业模式的转变，也是应对挑战的方法之一。

相对应的，盛思锐最新推出的针对智能手机／可穿戴的气体传感器SGP也是在一个单芯片上集成传感器、传感控制、Memory和ADC等电子处理电路，可以把产品尺寸做得非常小。同时，采用了先进的DFN封装，整体体积仅为2．45x2．45x0．9mm，增加了其在智能手机等移动设备上使用的可能性。

事实上，关于传感器的“集成”化，主要体现在两个层面：一个层面是使用MEMS工艺将传感器＋MCU＋DSP进行单芯片集成；二是将多个传感器通过SiP封装的“模块”集成。上述博世和盛思锐这种“集成”属于第一个层面的集成，它在体积、功耗上会有很大的缩减。

而除了上述将DSP、微控制器整合进传感器之外，博世的多合一环境传感器体现了第二个层面的“集成”。Leopold Beer称，Bosch的BME680不再仅仅是简单的温度、湿度等单一传感器，而是融多功能于一体的集成环境单元，它整合了气压、环境温度、相对湿度和空气中VOC气体含量的首款四合一传感器，而且是将这些传感器整合到3毫米×3毫米的封装中。另外，作为解决方案提供商，Bosch已不再只提供元器件，还为客户提供合适的应用场景，以帮助客户找到用户端应用的思路。

麦姆斯咨询CEO王懿也表示，博世的多种环境检测“集成”传感器BME680是在其BME280环境传感器基础上的演进，增加了VOC气体传感功能。该传感器采用系统级封装（SiP），在一个带金属盖的8引脚LGA封装（3．0mm x 3．0mm x 0．95mm）中集成了温度、湿度、气压和VOC气体传感功能，其内部共有两颗MEMS芯片和一颗ASIC芯片，这与此前的BME280内部的芯片数量相同，但功能更多。

在谈到组合传感器受到诸多公司的青睐时，盛思锐李锦华表示公司也将会推出多种不同的复合型传感器，以PM2．5和CO2相结合的传感器为例，尽管目前尺寸较大，但由于温湿度传感器和气体检测传感器尺寸相对较小，将其集成到一个模块上是容易实现的。虽然从技术上来说，将PM2．5和CO2复合型传感器与其他传感器集成到单芯片尚有难度，但盛思锐已经在向这个目标奋力前进。

组合传感器趋势解决了环境传感器在消费电子使用中要求的“小体积”和“多功能”问题，不过目前组合传感器也面临一些成本压力和技术门槛，因为不同于其他类型的传感器特性，环境类传感器会受到周边温湿度、干扰气体的影响，甚至在气体浓度超标的情况下发生“中毒”而失效。

炜盛环保事业部副总经理王追表示，不管是单传感器还是多传感器集成，目前在结构设计及封装方面应该都不存在太大难度，更多的难点在于，如何在MEMS工艺下保证传感器的性能。MEMS式气体传感器以化学型传感器为主，往往会受到温度、湿度或干扰气体等环境因素的影响，如何在MEMS工艺下达到或超过传统气体传感器的性能水平对于各厂家都是一个挑战。

“针对这种挑战，需要各传感器厂家在传感器敏感材料方面进行深入研究，同时也需要市场的引导，让各传感器厂家有足够的动力投入相关资源。相对而言，炜盛在MEMS气体传感器方面研究较早，在MEMS式气体传感器性能方面达到了国际先进水平，可提供TVOC、酒精、燃气、一氧化碳等多种MEMS式传感器及模组。”王追强调说。

而在成本方面，WooFaa总经理周锦富坦言，一个集成了不同环境参数的传感器，可以在应用的过程中令客户有更大的发展空间，但成本也是需要考量的问题。比如，香港太古集团准备在太古广场部署建筑物环境监察系统，就要求产品能采集商场内不同区域的温湿度、二氧化碳浓度及PM2．5等。对企业来说，在额定的项目预算中，要集成多种传感器有一定难度，因此在太古集团招标的所有项目中，只有10％的传感器能同时检测 PM2．5，因此，如何达到成本与多个应用的平衡，是厂商必须深思的课题。

“我们为这个项目提供的正是集成式的传感器，除了基本参数，每个传感器都有PM2．5检测功能，还能够同时检测PM10。PM10是香港环保署要求监察的参数，现在太古广场，除了可以在成本不变的情况下，全面监察PM2．5的分布，还可以因应需要与香港环保署的数据要求作出更精准的对接。”周锦富说。

“我们还为香港一间专业录音室布置了一套智能新风系统。因为这个场地有10多间独立房间，用传统的新风系统布置会比较昂贵，所以我们把整体场地分成三个区域，用两个集成式无线室内空气传感器，用不同的空气质素参数，控制不同的管道加压机。当在某个区域有污染物（PM2．5、CO2） 被侦测到过量的时候，该污染区会被控制成空气负压，其他两个区域就会变成空气正压防止污染物扩散，这样的新风系统就可以用最短时间，将污染物移走及稀柝。”周锦富补充表示。

将不同的环境传感器封装在一起，它们之间是否会存在一些干扰？周锦富强调，不同环境参数的传感器，很少会互相干扰，但它们会共同地会被湿度及温度影响。传感器的稳定性和寿命，受应用环境的影响远远大于传感器自身的设计。

在未来的消费市场上，组合传感器与单一传感器将如何共存？王懿告诉记者，环境传感器采用SoC还是SiP取决于传感器芯片工艺和感测原理，正如上面所述，博世BME680采用了一种新型的湿度传感技术，从而将温度、湿度和气压三种传感功能集成于一颗MEMS芯片，而气体传感功能采用另一颗MEMS芯片实现，因此整体采用SiP封装。

王追认为，随着市场的需求和技术的发展，MEMS气体传感器一定是发展的必然趋势。短期内，多气体集成传感器的成本还难以满足消费类电子的需求，单一传感器会是一个过渡。相信随着技术的发展及成本的下降，消费类电子对多气体传感器模组的需求会有爆发式增长。

总的来看，随着众厂商的涌入与充分的市场竞争，以智能手机为代表的消费类电子市场，已经成为加速度计、陀螺仪等MEMS的红海市场，然而环境传感器作为新的功能需求有望打开消费电子应用的新局面。在集成化方面，组合环境传感器可以满足消费电子“小体积”和用户“多功能”的需求，不过在当前市场爆发之前成本的控制以及技术上的挑战，依然是厂商必须突破的难点。