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传感器技术将开启下一个数字时代

日期: 2017-12-01
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据麦姆斯咨询报道,数字化转型的下一阶段已经到来,该阶段利用不断进步的传感器连接着数十亿设备及物体来进行数据收集和传输,可触及网络最边缘。

  新一波创新浪潮将数字智能化扩展到了如个人电脑、平板电脑和智能手机等专用设备之外的其它领域。如果某设备的功耗性能优异,它就可成为物联网(IoT)或如联网汽车、可穿戴技术、智能建筑及城市等任意自动化系统中的智能联网节点。

  许多人认为这些现象的本质上就是数字化。毕竟,物联网是一种网络,可在云端聚集数十亿的数据点,然后通过复杂的软件进行处理和分析。但这些变化的核心就是传感器,它们是一种无处不在的器件,可测量和表征如光、热、运动和声音等物理现象,并将数字网络中1和0表征锚定在现实世界。

  尽管在硅基芯片发明之前,传感器就以某种形式存在,但如今的传感器为了支持数十亿新设备的扩展,正以前所未有的速度发展着。新传感技术正在推动创新应用,如用于消费和移动应用的3D光学传感技术、用于可靠的摄像头自动对焦及图像校正的飞行时间(ToF)测量、用于“工业4.0”操控的高端机器视觉、用于医疗诊断的高分辨率成像,还有自动调节建筑物、自动/无人驾驶汽车,以及24小时个人健康监测器。

  把握整个传感器系统的实现

  随着传感器技术的快速发展,传感器节点已遍布照明设备、服装、食品包装,甚至是置于人体内部或嵌入皮肤中,但它们必须满足一些具有挑战性的新要求:

  • 极其微型化

  • 超低功耗

  • 连接网络的能力

  • 应用——处理信号或数据输出

  此外,这些下一代传感器必须适用于包括照明、药物传输、门锁、公尺以及传统电子器件在内的所有类型的“事物”的制造商。许多情况下,制造商寻求的不仅仅是电容、电阻或输出电压不同的传感器;他们还需要采用“即插即用型”传感器系统,该系统可以很容易地连接到网络,并与处理器或如智能手机等配对的主机相连。

  这些为数字化转型而设计的高性能传感器节点通常由三个独立技术层组成:

  • 核心传感器层(core sensor layer):核心传感器层是对现实世界现象提供电子表征,如图像、光学、环境或音频等领域。

  • 微型化和集成层(miniaturization and integration layer):微型化和集成层是在硅基核心传感技术上实现芯片级或模块化(多芯片封装)。这一层还提供将原始传感器测量数据转换为线性信号流的算法,以供处理器使用。

  • 系统技术层(system technology layer):系统技术层是嵌入在可连接入公用网络的传感器中的软件,如低功耗蓝牙技术(Bluetooth Low Energy)和无线网络技术(Wi-Fi technologies)。传感器系统软件也支持终端用户的应用,比如将智能腕带中的光学传感器信号转换成每分钟心跳的测量。 在下一代传感器系统中,每个技术层都包括硬件和软件,并封装在一体后向终端产品制造商提供。这些微型的联网传感器很容易集成到应用中,因此对于这些器件的持续扩展至关重要。

  打破性能界限

  数字化转型不仅仅是将更多传感器嵌入更多类型设备的问题。此外,由于如ams等传感器制造商正在打破传感器性能的界限,数字化转型也一直在进行。这些突破可使产品制造商显著改善用户体验,甚至创造全新且从前不可能实现的体验。

  以下是一些新应用中使用传感器引起革命性变化的案例:

  新型XYZ颜色传感器芯片(New XYZ color sensor chips):

  手机、平板电脑和笔记本电脑等拥有新型XYZ颜色传感器芯片可“看到”光的颜色,模仿人眼对红、绿、蓝“三色”光受体的响应曲线,与人眼完全相同。凭借颜色传感器芯片,新一代纸屏幕比现有移动设备显示器的外观更自然,是很可能实现的。除这些颜色传感器外,超高灵敏度的接近(红外线)传感器可实现显示屏前表面无缝隙制造。

  多光谱和超高光谱传感器集成电路(Multi-spectral and hyper-spectral sensor ICs):

  多光谱和超高光谱传感器集成电路是一种实验室级的芯片级光谱测量仪。借助它们,有望首次出现准确的食品颜色检测及质量分析。凭借光谱传感器芯片,移动设备的颜色分析功能还将改变工厂和医院的检测和质量分析流程。CMOS图像传感器也在包括机器视觉在内的工业应用中发现了重要用途。

  有源噪声消除技术(Active noise cancellation,ANC):

  有源噪声消除技术(ANC)正在带有集成传感器/放大器解决方案的创新型音频头戴式耳机设计中采用。头戴式耳机制造商首次在内耳式耳机和无线耳机中采用ANC,这要归功于ANC器件小尺寸和低功耗的特性。

  芯片级3D成像系统(3D imaging systems-on-a-chip):

  芯片级3D成像系统承诺将改变虚拟现实(VR)和增强现实(AR)的应用,同时还可大幅提升手势感知、人脸扫描和3D建模。而新型解决方案利用了激光器设计、光学封装和结构光感知等方面的创新技术。

  可持续发展及环境(Sustainability and the environment):

  从为测量而生的超精确流量传感器,到室内空气质量监测的芯片级气体传感器,再到用于新型高效电动机的高分辨率角位置传感器,可持续发展及环境已成为先进传感技术的重要应用。

  医疗诊断和监测(Medical diagnostics and monitoring):

  医疗诊断和监测是通过超精确数字成像设备在医院进行计算机断层扫描,并通过芯片级微型光学传感系统测量心率和血氧水平,该芯片小到足以嵌入健康腕带中。

  传感器——数字化转型的核心

  在个人电脑(PC)时代,电子产品的主要创新很大程度上是依靠数字和图形处理技术的进步推动的。不过,如今传感器系统至少对于支持现有产品类型、改善用户体验,甚至是全新设备类型等新用例方面非常重要。

  仅在最近,以下情况才有可能发生:将心脏监测器置于可7天24小时佩戴的腕带中,小型手持设备对颜色的分析比人敏感60倍,以及小到可塞进耳朵的设备可提供环境噪声消除功能。所有这些突破均是传感器技术新发展的结果。

  那么,接下来会发生什么呢?下一阶段的发展将涉及通过研发新型核心传感技术,开发出能解析传感器数据的算法,以及原始设备制造商(OEMs)在终端产品中轻松使用的“即插即用型”传感器系统技术,通过完善的传感器解决方案来实现世界数字化。如今,数字化转型刚刚开始,传感器正成为下一代数字变革浪潮的中心。

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