傳感器技術將開啟下一個數(shù)字時代

　　據(jù)麥姆斯咨詢報道，數(shù)字化轉型的下一階段已經(jīng)到來，該階段利用不斷進步的傳感器連接著數(shù)十億設備及物體來進行數(shù)據(jù)收集和傳輸，可觸及網(wǎng)絡最邊緣。

　　新一波創(chuàng)新浪潮將數(shù)字智能化擴展到了如個人電腦、平板電腦和智能手機等專用設備之外的其它領域。如果某設備的功耗性能優(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、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。

　　許多人認為這些現(xiàn)象的本質上就是數(shù)字化。畢竟，物聯(lián)網(wǎng)是一種網(wǎng)絡，可在云端聚集數(shù)十億的數(shù)據(jù)點，然后通過復雜的軟件進行處理和分析。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、運動和聲音等物理現(xiàn)象，并將數(shù)字網(wǎng)絡中1和0表征錨定在現(xiàn)實世界。

　　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數(shù)十億新設備的擴展，正以前所未有的速度發(fā)展著。新傳感技術正在推動創(chuàng)新應用，如用于消費和移動應用的3D光學傳感技術、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”操控的高端機器視覺、用于醫(yī)療診斷的高分辨率成像，還有自動調節(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)的實現(xiàn)

　　隨著傳感器技術的快速發(fā)展，傳感器節(jié)點已遍布照明設備、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)絡的能力

　　• 應用——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，并與處理器或如智能手機等配對的主機相連。

　　這些為數(shù)字化轉型而設計的高性能傳感器節(jié)點通常由三個獨立技術層組成：

　　• 核心傳感器層(core sensor layer)：核心傳感器層是對現(xiàn)實世界現(xiàn)象提供電子表征，如圖像、光學、環(huán)境或音頻等領域。

　　• 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上實現(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)轉換為線性信號流的算法，以供處理器使用。

　　• 系統(tǒng)技術層(system technology layer)：系統(tǒng)技術層是嵌入在可連接入公用網(wǎng)絡的傳感器中的軟件，如低功耗藍牙技術(Bluetooth Low Energy)和無線網(wǎng)絡技術(Wi-Fi technologies)。傳感器系統(tǒng)軟件也支持終端用戶的應用，比如將智能腕帶中的光學傳感器信號轉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用中，因此對于這些器件的持續(xù)擴展至關重要。

　　打破性能界限

　　數(shù)字化轉型不僅僅是將更多傳感器嵌入更多類型設備的問題。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)字化轉型也一直在進行。這些突破可使產(chǎn)品制造商顯著改善用戶體驗，甚至創(chuàng)造全新且從前不可能實現(xiàn)的體驗。

　　以下是一些新應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、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“三色”光受體的響應曲線，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)有移動設備顯示器的外觀更自然，是很可能實現(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驗室級的芯片級光譜測量儀。借助它們，有望首次出現(xiàn)準確的食品顏色檢測及質量分析。憑借光譜傳感器芯片，移動設備的顏色分析功能還將改變工廠和醫(yī)院的檢測和質量分析流程。CMOS圖像傳感器也在包括機器視覺在內(nèi)的工業(yè)應用中發(fā)現(xiàn)了重要用途。

　　有源噪聲消除技術(Active noise cancellation，ANC)：

　　有源噪聲消除技術(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設計中采用。頭戴式耳機制造商首次在內(nèi)耳式耳機和無線耳機中采用ANC，這要歸功于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(VR)和增強現(xiàn)實(AR)的應用，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計、光學封裝和結構光感知等方面的創(chuàng)新技術。

　　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)空氣質量監(jiān)測的芯片級氣體傳感器，再到用于新型高效電動機的高分辨率角位置傳感器，可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境已成為先進傳感技術的重要應用。

　　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)字成像設備在醫(yī)院進行計算機斷層掃描，并通過芯片級微型光學傳感系統(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)字和圖形處理技術的進步推動的。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，甚至是全新設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，小型手持設備對顏色的分析比人敏感60倍，以及小到可塞進耳朵的設備可提供環(huán)境噪聲消除功能。所有這些突破均是傳感器技術新發(fā)展的結果。

　　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，開發(fā)出能解析傳感器數(shù)據(jù)的算法，以及原始設備制造商(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，通過完善的傳感器解決方案來實現(xiàn)世界數(shù)字化。如今，數(shù)字化轉型剛剛開始，傳感器正成為下一代數(shù)字變革浪潮的中心。