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傳感器技術(shù)將開啟下一個數(shù)字時代
專欄:行業(yè)資訊
發(fā)布日期:2017-12-05
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聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的爆發(fā)式增長使得傳感器成為數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。據(jù)麥姆斯咨詢報道,數(shù)字化轉(zhuǎn)型的下一階段已經(jīng)到來,該階段利用不斷進(jìn)步的傳感器連接著數(shù)十億設(shè)備及物體來進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和傳輸,可觸及網(wǎng)絡(luò)最邊緣。新一波創(chuàng)新浪潮將數(shù)字智能化擴(kuò)展到了如個人電腦、平板電腦和智能手機(jī)等專用設(shè)備之外的其它領(lǐng)域。如果某設(shè)備的功耗性能優(yōu)異,它就可成為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)或如聯(lián)網(wǎng)汽車、可穿戴技術(shù)、智能建筑及城市等任意自動...
聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的爆發(fā)式增長使得傳感器成為數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。 據(jù)麥姆斯咨詢報道,數(shù)字化轉(zhuǎn)型的下一階段已經(jīng)到來,該階段利用不斷進(jìn)步的傳感器連接著數(shù)十億設(shè)備及物體來進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和傳輸,可觸及網(wǎng)絡(luò)最邊緣。 新一波創(chuàng)新浪潮將數(shù)字智能化擴(kuò)展到了如個人電腦、平板電腦和智能手機(jī)等專用設(shè)備之外的其它領(lǐng)域。如果某設(shè)備的功耗性能優(yōu)異,它就可成為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)或如聯(lián)網(wǎng)汽車、可穿戴技術(shù)、智能建筑及城市等任意自動化系統(tǒng)中的智能聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。 許多人認(rèn)為這些現(xiàn)象的本質(zhì)上就是數(shù)字化。畢竟,物聯(lián)網(wǎng)是一種網(wǎng)絡(luò),可在云端聚集數(shù)十億的數(shù)據(jù)點(diǎn),然后通過復(fù)雜的軟件進(jìn)行處理和分析。但這些變化的核心就是傳感器,它們是一種無處不在的器件,可測量和表征如光、熱、運(yùn)動和聲音等物理現(xiàn)象,并將數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中1和0表征錨定在現(xiàn)實(shí)世界。 盡管在硅基芯片發(fā)明之前,傳感器就以某種形式存在,但如今的傳感器為了支持?jǐn)?shù)十億新設(shè)備的擴(kuò)展,正以前所未有的速度發(fā)展著。新傳感技術(shù)正在推動創(chuàng)新應(yīng)用,如用于消費(fèi)和移動應(yīng)用的3D光學(xué)傳感技術(shù)、用于可靠的攝像頭自動對焦及圖像校正的飛行時間(ToF)測量、用于“工業(yè)4.0”操控的高端機(jī)器視覺、用于醫(yī)療診斷的高分辨率成像,還有自動調(diào)節(jié)建筑物、自動/無人駕駛汽車,以及24小時個人健康監(jiān)測器。 把握整個傳感器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展,傳感器節(jié)點(diǎn)已遍布照明設(shè)備、服裝、食品包裝,甚至是置于人體內(nèi)部或嵌入皮膚中,但它們必須滿足一些具有挑戰(zhàn)性的新要求: ˙極其微型化 ˙超低功耗 ˙連接網(wǎng)絡(luò)的能力 ˙應(yīng)用——處理信號或數(shù)據(jù)輸出 此外,這些下一代傳感器必須適用于包括照明、藥物傳輸、門鎖、公尺以及傳統(tǒng)電子器件在內(nèi)的所有類型的“事物”的制造商。許多情況下,制造商尋求的不僅僅是電容、電阻或輸出電壓不同的傳感器;他們還需要采用“即插即用型”傳感器系統(tǒng),該系統(tǒng)可以很容易地連接到網(wǎng)絡(luò),并與處理器或如智能手機(jī)等配對的主機(jī)相連。 這些為數(shù)字化轉(zhuǎn)型而設(shè)計的高性能傳感器節(jié)點(diǎn)通常由三個獨(dú)立技術(shù)層組成: ˙核心傳感器層(core sensor layer):核心傳感器層是對現(xiàn)實(shí)世界現(xiàn)象提供電子表征,如圖像、光學(xué)、環(huán)境或音頻等領(lǐng)域。 ˙微型化和集成層(miniaturization and integration layer):微型化和集成層是在硅基核心傳感技術(shù)上實(shí)現(xiàn)芯片級或模塊化(多芯片封裝)。這一層還提供將原始傳感器測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為線性信號流的算法,以供處理器使用。 ˙系統(tǒng)技術(shù)層(system technology layer):系統(tǒng)技術(shù)層是嵌入在可連接入公用網(wǎng)絡(luò)的傳感器中的軟件,如低功耗藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth Low Energy)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Wi-Fi technologies)。傳感器系統(tǒng)軟件也支持終端用戶的應(yīng)用,比如將智能腕帶中的光學(xué)傳感器信號轉(zhuǎn)換成每分鐘心跳的測量。 在下一代傳感器系統(tǒng)中,每個技術(shù)層都包括硬件和軟件,并封裝在一體后向終端產(chǎn)品制造商提供。這些微型的聯(lián)網(wǎng)傳感器很容易集成到應(yīng)用中,因此對于這些器件的持續(xù)擴(kuò)展至關(guān)重要。 打破性能界限 數(shù)字化轉(zhuǎn)型不僅僅是將更多傳感器嵌入更多類型設(shè)備的問題。此外,由于如ams等傳感器制造商正在打破傳感器性能的界限,數(shù)字化轉(zhuǎn)型也一直在進(jìn)行。這些突破可使產(chǎn)品制造商顯著改善用戶體驗(yàn),甚至創(chuàng)造全新且從前不可能實(shí)現(xiàn)的體驗(yàn)。 以下是一些新應(yīng)用中使用傳感器引起革命性變化的案例: 新型XYZ顏色傳感器芯片(New XYZ color sensor chips): 手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等擁有新型XYZ顏色傳感器芯片可“看到”光的顏色,模仿人眼對紅、綠、藍(lán)“三色”光受體的響應(yīng)曲線,與人眼完全相同。憑借顏色傳感器芯片,新一代紙屏幕比現(xiàn)有移動設(shè)備顯示器的外觀更自然,是很可能實(shí)現(xiàn)的。除這些顏色傳感器外,超高靈敏度的接近(紅外線)傳感器可實(shí)現(xiàn)顯示屏前表面無縫隙制造。 多光譜和超高光譜傳感器集成電路(Multi-spectral and hyper-spectral sensor ICs): 多光譜和超高光譜傳感器集成電路是一種實(shí)驗(yàn)室級的芯片級光譜測量儀。借助它們,有望首次出現(xiàn)準(zhǔn)確的食品顏色檢測及質(zhì)量分析。憑借光譜傳感器芯片,移動設(shè)備的顏色分析功能還將改變工廠和醫(yī)院的檢測和質(zhì)量分析流程。CMOS圖像傳感器也在包括機(jī)器視覺在內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了重要用途。 有源噪聲消除技術(shù)(Active noise cancellation,ANC): 有源噪聲消除技術(shù)(ANC)正在帶有集成傳感器/放大器解決方案的創(chuàng)新型音頻頭戴式耳機(jī)設(shè)計中采用。頭戴式耳機(jī)制造商首次在內(nèi)耳式耳機(jī)和無線耳機(jī)中采用ANC,這要?dú)w功于ANC器件小尺寸和低功耗的特性。 芯片級3D成像系統(tǒng)(3D imaging systems-on-a-chip): 芯片級3D成像系統(tǒng)承諾將改變虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)的應(yīng)用,同時還可大幅提升手勢感知、人臉掃描和3D建模。而新型解決方案利用了激光器設(shè)計、光學(xué)封裝和結(jié)構(gòu)光感知等方面的創(chuàng)新技術(shù)。 可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境(Sustainability and the environment): 從為測量而生的超精確流量傳感器,到室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的芯片級氣體傳感器,再到用于新型高效電動機(jī)的高分辨率角位置傳感器,可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境已成為先進(jìn)傳感技術(shù)的重要應(yīng)用。 醫(yī)療診斷和監(jiān)測(Medical diagnostics and monitoring): 醫(yī)療診斷和監(jiān)測是通過超精確數(shù)字成像設(shè)備在醫(yī)院進(jìn)行計算機(jī)斷層掃描,并通過芯片級微型光學(xué)傳感系統(tǒng)測量心率和血氧水平,該芯片小到足以嵌入健康腕帶中。 傳感器——數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心 在個人電腦(PC)時代,電子產(chǎn)品的主要創(chuàng)新很大程度上是依靠數(shù)字和圖形處理技術(shù)的進(jìn)步推動的。不過,如今傳感器系統(tǒng)至少對于支持現(xiàn)有產(chǎn)品類型、改善用戶體驗(yàn),甚至是全新設(shè)備類型等新用例方面非常重要。 僅在最近,以下情況才有可能發(fā)生:將心臟監(jiān)測器置于可7天24小時佩戴的腕帶中,小型手持設(shè)備對顏色的分析比人敏感60倍,以及小到可塞進(jìn)耳朵的設(shè)備可提供環(huán)境噪聲消除功能。所有這些突破均是傳感器技術(shù)新發(fā)展的結(jié)果。 那么,接下來會發(fā)生什么呢?下一階段的發(fā)展將涉及通過研發(fā)新型核心傳感技術(shù),開發(fā)出能解析傳感器數(shù)據(jù)的算法,以及原始設(shè)備制造商(OEMs)在終端產(chǎn)品中輕松使用的“即插即用型”傳感器系統(tǒng)技術(shù),通過完善的傳感器解決方案來實(shí)現(xiàn)世界數(shù)字化。如今,數(shù)字化轉(zhuǎn)型剛剛開始,傳感器正成為下一代數(shù)字變革浪潮的中心。 |