Sensorteknologier endrer det digitale landskapet - Elektronikknett
Sensorer - en digital omveltning

Sensorteknologier endrer det digitale landskapet

Det østerrikske halvlederselskapet ams AG  har fintrimmet sine aktiviteter, og satser nå utelukkende på sensormarkedet. Der har de godt fotfeste innenfor flere fremtidsmarkeder.

Alexander Everke ams Alexander Everke, CEO ams AG.

CEO Alexander Everke mener selskapet, som har sitt hovedkontor i Premstätten, litt utenfor Graz, har endret seg betydelig de to siste årene. I fjor tok de en endelig beslutning om å konsentrere seg utelukkende om sensorer. – Alle nye produkter som kommer på markedet vil ha, eller være drevet av sensorer, sier han.

Formidabel vekst

Selskapet retter seg bredt mot alle segmenter av markedet, fra sensorer til systembrikker, grensesnitt, og programvare. De viktigste markedene er kanskje innen forbruker- og kommunikasjon, samt bilindustri, medisin og industri. Veksten er formidabel. Første kvartal var mer enn 22%, andre kvartal 34% i forhold til fjorårets perioder. Målet er årlig vekst på 40%, og økende lønnsomhet.

Solid grunnlag

ams har satt seg ut fire pillarer: optiske-, bildebehandlings-, miljø- og lydsensorer. I tillegg har de noen fokuserte nisjeområder: posisjon, ultralyd, kapasitiv, trådløs, og ikke minst sin egen silisiumsmie. – Vi fokuserer på vekstområdene i industrien, sier Everke. – Med denne satsingen skal vi vokse med dobbelt så høye sifre som den totale sensorindustrien, hevder han. Han gjør også et poeng av at de møter ulike konkurrenter i hvert segment. Ingen andre har alle de fire pillarene. Det betyr også at selskapet kan lage integrerte løsninger ingen andre har teknologi til i dag.

ams-4-sensorområder ams har sett seg ut fire hovedteknologier innen sensormarkedet.
Integrasjon

– Vi legger mye i programvarekapasitet og utvikling av algoritmer, for å kunne integrere nye muligheter. Slik kan vi lage kombinasjoner av sensorsystemer og nye typer plattformer, forklarer Everke. Selskapet beveger seg fra tradisjonelle ASIC over på ASSP. Samtidig bruker de flere modeller for å komme på markedet, fra direkte kontakt med store selskaper, til mer tradisjonell distribusjon.

Oppkjøp

For å utnytte de fire kjernesensorteknologiene i systemtankegangen har ams kjøpt opp en rekke selskaper, som Princeton Optronics, Heptagon, Incus Laboratories, MAZeT, CCMOSS, SMOSIS og NXPs monolittiske CMOS-sensorer. Ikke for å øke omsetningen, men for å få tilgang til kritisk teknologi for å bygge fusjonerte kretser. Eksempel er belysning (VCSEL lasere og LED fra Princeton), optiske ledere og pakketeknologi (Heptagon) og optiske sensorer (multifrekvens spektrale sensorer, IR- og diodeløsninger fra ams).

Spektralsensorer

– Vi har nå et stort utvalg av for eksempel optiske teknologier, som åpner nye muligheter. Det kan for eksempel være kombinasjoner av lys- og spektralsensorer. I fremtiden kan du kanskje analysere et objekt i det samme du tar bilde av det – som å finne ut om et eple er surt eller søtt, sier Everke.

Miljøsensorer

Miljøsensorer er et annet viktig område for ams. Med egen produksjon har selskapet alle muligheter til å differensiere produktene sine. De produserer nesten 200.000 silisiumskiver i sin 200mm fabrikk årlig, med fokus på CMOS/analog ned til 180nm. En spesialitet er bl.a. optisk pakking. Innen miljøsensorer kan selskapet tilby alt fra temperatur, trykk og RH/T- til gassensing, og kombinasjonsprogramvare. Innen lyd kan de tilby mems-sensorer osv.

Venter ikke

– I dag har vi en svært god posisjon i kommende vekstmarkeder som helse, 3D bildebehandling osv., sier Everke. – I tillegg vil vi være raske til å tilpasse oss straks vi ser at markedet går i en ny retning, fremholder han. – Vi sitter ikke og venter. Vi aksjonerer.

Endrer landskapet

– Sensorteknologier endrer det digitale landskapet, påpeker COO Thomas Stockmeier.  – Alt fra bygningsautomatisering til personlige enheter, og ikke minst selvkjørende biler og kollektivtrafikk medfører en stor endring i våre dagligliv, sier han. – Med mulighetene i skytjenester kan vi utnytte mengdene med sensordata på nye måter.

ams-markeder-digital-overgang Sensorteknologier endrer det digitale markedet, ifølge ams.
XYZ
ams-XYZ XYZ-teknologi gir et riktigere fargebilde enn RGB.

En interessant ting utover vanlige lyssensorerer, for eksempel, er XYZ-sensorer, som blant annet kan brukes til å tilpasse skjermfarger til øyets oppfatning, ettersom fargene i omgivelsene endrer seg i løpet av dagen.

Viktige trender

Noen av megatrendene Stockmeier nevner er innen

  • mobil, som 3D sensing;
  • smarthus som smart belysning;
  • industri, der sensorer koples sammen;
  • selvkjørende biler og førerovervåking;
  • og medisinske systemer, som pasientovervåking.

– Utfordringene i fremtidens helsevesen vil medføre at flere tjenester må kunne tilbys utenfor sykehus og legekontor, dvs. hjemme hos folk, påpeker han.

3D

Neste generasjon mobilenheter kan være utstyrt med ams’ ultratynne (0.32 mm) omgivelseslyssensorer i 3D TSV-pakke. Mobilen vil ha avanserte lysdeteksjonsfunksjoner, og gjerne spektralanalyse som gjør det mulig å detektere om for eksempel grønnsakene i butikken er friske.  Eller om frukten er sur eller søt. Deteksjon av 3D bevegelser er et annet felt som vil vokse frem i kommende mobilenheter, som vil kunne romme alt fra 3D modellering til AR/VR og geststyring.

Helse
ams-mikrokamera-DSCF9754 ams har utviklet ett av verdens minste kamera, bl.a. for bruk i endoskopi. Her filmer den et fyrstikkhode.

Diagnose og helsetjenester er svært interessant, ifølge Stockmeier. Som for eksempel deteksjon og overvåking av insulininjeksjoner. Et annet eksempel er engangs-endoskop som gjør det enkelt å gjøre raske undersøkelser. Målet er å lage kamera så billig at de kan kastes (er vanskelig å sterilisere): – Når vi kommer dit, åpner det seg et enormt marked!

Biosensorer

Sensorer kan komme til nytte på utradisjonelt vis. En interessant anvendelse innen biosensorer er en enhet som kan bygges inn i totalettsetet, og analysere ”brukerens” tilstand. Mange parametre endrer seg i løpet av dagen, som temperatur, blodtrykk, blodsukkerinnhold osv. Mange eldre og pleietrengende har behov for overvåking, men glemmer gjerne å måle seg eller ta på seg måleutstyr.

Dynamisk kollisjonspute
ams-3D-DSCF9724 Optiske 3D-sensorer er noe ams tror kommer i stor skala, både i mobilanvendelser, biler og industri. Ved hjelp av to små 3D-sensorer laget ams-teknikeren et perfekt 3D-bilde av vår finske kollega, i form av et 1080-piksels bilde, som selvsagt kunne roteres i alle retninger – en spooky følelse å se vår venn der inne i mobilen. Dybdenøyaktigheten i denne demoen var +/- 2mm, og ”bildet” kan selvsagt skrives ut med en 3D-printer.

For ams som de andre sensorleverandørene er bilmarkedet viktig. –Der har vi mange anvendelser, sier Stockmeier, men velger et spesielt eksempel. – For eksempel kan vi lage et 3D-bilde av føreren, slik at en kollisjonspute kan forme seg optimalt ved en ulykke. 

Avansert belysning, for eksempel for å finne igjen bilen, er en annen mulighet som blir nevnt, og som kan bli nyttig for oss som parkerer uten å registrere hvilken del av parkeringshuset vi befinner oss...

Et lite ”men”

Innen smarthus er det mengder av nye muligheter og anvendelser. Her kan ams levere mikrofoner, miljøsensorer, ToF-sensorer (time-of-flight), spektralbelysningssensorer, lavlyssensorer (sikkerhet), 3D sensing med mer. Men Stockmeier roper et aldri så lite varsku: I dag er det nærmest fritt frem å utstyre huset med sensorer. Men det er kanskje viktig å ta hensyn til mulig fremtidig lovregulering av overvåking og lagring av data. Vi vet ikke helt hvordan det blir ennå, understreker han.

Vil se molekyler

Men mulighetene innen sensorer er enorme. – Jeg tror vi nå bare ser overflaten av hva som kommer fremover! Men vi har teknologiene som skal til, slår Stockmeier fast. En interessant fremtidsbetraktning er blant annet hvordan spektrene utvides; – I dag sensorer opp til nær-IR, dvs. rundt 1000nm. Etter hvert blir området 1000-10.000 nanometer svært interessant. Her kan vi nemlig begynne å analysere biologiske molekyler. Utfordringen er å lage det lite nok og billig nok til å integrere i mobiltelefon, forklarer han.

Nye teknologier

Jennifer Zhao, som leder avdelingen for optiske sensorløsninger, er rimelig optimistisk idét hun forklarer oss om selskapets løsninger for styring av skjermer; nærhetssensing, omgivelseslys, spektralsensing, 3D bildebehandling med mer. Nye bildesensorteknologier gir mer informasjon, som XYZ, om objektet. Med spektralsensorer kan du få tilleggsinformasjon, som friskhet.

Oppkjøp åpner muligheter
ams-VCSEL Integrasjon og pakking av ulike teknologier, som VCSEL, er ams' styrke.

– Med oppkjøpet av Princeton er vi klar til å levere komplette optiske 3D sensorer, sier hun.  Skreddersydde VCSEL (vertikal cavity side-emitting laser) lyskilder, mikrooptisk pakketeknologi, og fargefilterteknologi  (inkludert interferensfilter) – alt har ams nå innomhus. Mulighetene åpnes bl.a. for papirlignende skjermteknologier, dvs. å få skjermer til å ligne på papir, bl.a. ved å endre hvitpunktet for å matche omgivelsesbelysningen. Denne teknologien utnytter XYZ fargemåling.

ams XYZ XYZ fargemåling: Vår oppfatning av «hvitfarge» avhenger mye av fargene rundt. XYZ faregemåling skal gi en riktigere fargegjengivelse, og er 5 ganger mer nøyaktig enn RGB.
Spektralmåling

Spektralmåling kan eksempelvis brukes i en fargesammenligningsapplikasjon – ved å kombinere fargesensor, signalbehandling, og analyse i skyen, kan man få ut ”ekte” farge. Også her åpner det seg uventede og utradisjonelle markeder. – Sammenligning av hudfarge, for eksempel, ler Zhao. Faktisk er hudblekingsmarkedet i Asia enormt – og er verdt nærmere 20 milliarder USD.  Her er det viktig å kunne gi rett sammenligningsgrunnlag ved en hudanalyse. 

På samme måte kan flerkanals spektralsensorer brukes til å undersøke frukt, som nevnt over. 

Dominerende

At halvledere produseres i Europa er ikke lenger en selvfølge. Men ams har etablert seg som en dominerende leverandør på verdensmarkedet, og ligger helt i fronten – faktisk leverer de sensorsystemer til de 15 største mobilprodusentene. De påberoper seg da også å besitte  alle ingrediensene for hele verdikjeden innen sensorer.

Bildesensorer

Hva ligger så i krystallkulen? Stephane Curral, som er leder for bildesensorløsninger, har noe tips i så måte.  – ams’ eksisterende CMOS-løsninger dekker industrisyn, medisin, profesjonell fotografering og video (utgjør 1/3 av omsetningen, og leveres bla. til Leica, red. Anm.), avansert sikkerhet, vitenskap/lab, romfart. De tre førstnevnte mest fokus, forteller han.

Disruptiv utvikling

– Maskinsyn er i en disruptiv utvikling, hevder Curral. – Synsystemer implementeres alle steder, inkludert i maskiner, automatisering, selvkjørende biler, osv. Det som er interessant, er at synssystemene også blir mer intelligente: I såkalte ”always-on vision” systemer sender sensoren også data om hva som skjer i et synsfelt, i stedet for å bare sende bilder.

48 MP maskinsyn

Produktmessig skjer det mye fra ams sin side, og vi skal ikke gå igjennom hele produktkartet. Men vi kan jo nevne at de nylig lanserte industriens første 48MP GS (global shutter) sensor, CMV50K. Slike sensorer brukes bl.a. til å undersøke kvalitet i industrisammenheng. Nyheten kan levere 8K video ved 30fps. I første kvartal 2018 kommer ams med et Line scan (4L) produkt med industriens påstått høyeste båndbredde. Også dette rettet mot kvalitetstest.

Kurvede sensorer

Og skal vi først snakke om nye produkter, så er et interessant prosjekt utviklingen av kurvede sensorer. Disse skal gi bedre bildekvalitet og synsfelt, samt enklere optisk behandling. Her utnytter man fortynnet substrat med sfærisk kurvet (R=150mm) sensorflate. Dette kan være særs interessant innen 3D-sensing. Det er snakk om kun et par mikron tykke skiver, som monteres nennsomt med en kombinasjon av vakuum og lim.

ams-kurved 3D-sensor Snart kommer kurvede 3D-sensorer, som skal gi mindre behov for etterprosessering av bilder.
Mikrokamera

En annen interessant nyhet er NanEye mikrokameramoduler. Disse utnytter Heptagons teknologi for å bygge ny MCM med bedre optiske egenskaper. I forhold til forrige generasjon skal de ha 3 ganger mindre distorsjon, og bedre oppløsning med samme størrelse.

Konkurransefordel

– Vi har en konkurransefordel gjennom differensiering, som konvergens mellom bildebehandling og spektroskopi: hyper-spektral bildebehandling (HSI), avslører Curral. – Innen medisinsk bildebehandling dekker vi hele det interessante lysspekteret – inkludert datatomografi og digitale røntgenløsninger, fremholder han.  Eksempler er 16 bit 256-kanal lavstøy utlesingsforsterkere, og AD-omformere med høy oppløsning.

Han forteller at ams også er pionerer innen ultralydbaserte smarte flyt/vannmålere.

Miljø og lyd

Når det gjelder miljø- og lydsensorer, peker produktansvarlig Mark Hamersma ut fire viktige applikasjonsområder som muliggjør ”den digitale overgangen” vi vil se fremover:

  • Stemmestyring, støykansellering og lydklassifisering
  • Miljø- og helseovervåking; detektere giftige gasser, overvåke luftkvalitet, pustanalyse osv. se foil
  • Ultra-laveffekt trådløse sensorer
  • Assistert kjøring
Nye kombinasjoner
ams-demo-DSCF9741 ams har utviklet et sett med referansekort – Simblee – med ulike sensorer, som nærhet, lys, lysfarge mm. i ett. Løsningen er trådløs, rask og kan kombineres på ulike måter for å vise hvordan aktuelle applikasjoner virker, fra fargemåling til HVAC-styring.

Også her ser man trenden mot mer integrerte løsninger, som kombinasjoner av mikrofoner og miljøsensorer. – Vi er generelt godt posisjoner for multisensorløsninger, inkludert trådløs kommunikasjon, og er en ledende leverandør av ANC og MEMS mikrofonkretser, forteller Hamersma. Bl.a. leverer de kretser for såkalte smart accessory communications & power interface (ACI), som muliggjør høyhastighets kommunikasjon og kraftforsyning på samme linje.

Monolittiske sensorer

– Vi ser et økende behov for innendørs luftkvalitetsmåling. Det er tross alt der vi gjennomsnittlig bruker 80% av tiden vår. Men det fins mange bruksområder også for mobil, HABA og bil, sier han.  – Fordel med våre sensorer, er monolittisk integrasjon i standard CMOS-prosesser for både fukt-, temperatur-, trykk- og gassensorer, noe som gir både liten formfaktor, lavt effektforbruk, høyere ytelse og robusthet samt en mer kosteffektiv løsning. I tillegg tilbyr vi en komplett systemløsning i form av API osv., fremholder han.

Posisjon og kommunikasjon

Og selvsagt kan ams by på trådløse- og posisjonssensorer, som NFC/RFID  i forskjellige varianter, komplette Bluetooth LE løsninger, Hall-effekt komponenter med mer. For å kunne utforske disse og andre løsninger har selskapet tatt frem utviklingssett i form av de Bluetooth-klare Simblee-kortene: Disse beskrives som plug & play løsninger for å lage grensesnitt til IoT, og kommer i versjoner for mobil, industri samt skyløsninger (SimbleeCloud).

Nye anvendelser for posisjonssensorer er bla. droner, robotikk og elsykler.  Nye markeder som ams satser stort på å være en del av.

  

.