傳感器技術(shù)的未來變革

作者/ams半導(dǎo)體全球銷售和執(zhí)行副總裁 Pierre Laboisse

世界正進(jìn)入數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新階段

在數(shù)字化變革的早期階段，個(gè)人電腦的普及改變了我們的工作場所。隨后，當(dāng)智能手機(jī)作為強(qiáng)大的微型電腦應(yīng)用于用戶手中時(shí)，我們的個(gè)人和社會(huì)生活也隨之轉(zhuǎn)變。

如今新一波的創(chuàng)新浪潮正將數(shù)字智能從電腦設(shè)備、平板電腦和智能手機(jī)拓展到數(shù)十億的互聯(lián)設(shè)備。這個(gè)嶄新且通過物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的世界可以成為智能互聯(lián)的節(jié)點(diǎn)，輕松地共享來自這些客戶端的信息。

這往往被看作數(shù)字化的基礎(chǔ)：因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)是能夠?qū)?shù)十億的數(shù)據(jù)點(diǎn)在云端集成、處理并通過先進(jìn)軟件分析的網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，對(duì)于數(shù)據(jù)的擴(kuò)展性使用并不局限于云端：汽車、個(gè)人健康設(shè)備和建筑正變得智能，而自動(dòng)化系統(tǒng)往往應(yīng)用了如今空前強(qiáng)大的微處理器。

然而與數(shù)字化轉(zhuǎn)型同時(shí)發(fā)生的另一個(gè)變化是：傳感器正變得無處不在，獲取諸如光、熱、運(yùn)動(dòng)和聲音等信息，并在現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中以1/0的數(shù)據(jù)形式進(jìn)行共享。

當(dāng)然，早在半導(dǎo)體集成電路被發(fā)明前，傳感器及其數(shù)據(jù)早就已經(jīng)以一種或其他形式存在多年。然而如今的傳感技術(shù)正在快速進(jìn)化，以支持?jǐn)?shù)十億新設(shè)備對(duì)傳感器的激增需求。新的傳感技術(shù)能夠支持創(chuàng)新型應(yīng)用，如用于消費(fèi)和移動(dòng)應(yīng)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)3D光學(xué)傳感技術(shù)、用于可靠的相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦和圖像美化功能的ToF (飛行時(shí)間)測量、用于工業(yè)4.0的高端機(jī)器視覺和用于醫(yī)療診斷、自主調(diào)節(jié)建筑、自動(dòng)駕駛汽車和時(shí)刻在線個(gè)人健康監(jiān)測器的高分辨率圖像傳感。

掌握整個(gè)傳感器系統(tǒng)的實(shí)施

傳感器的普及改變了一切。如果互聯(lián)的傳感器能夠應(yīng)用在任何領(lǐng)域，如照明燈具、服裝、食品包裝，甚至人體內(nèi)部或嵌入到皮膚下，那么它們必須滿足以下幾大挑戰(zhàn)性的要求：

1)極端小型化；

2)超低能耗；

3)包含網(wǎng)絡(luò)接口；

4)即插即用信號(hào)或數(shù)據(jù)輸出。

新一代傳感器必須滿足所有類型智能設(shè)備制造商的使用要求，包括燈泡、藥物輸送裝置、門鎖和傳統(tǒng)的電子設(shè)備。在許多這些應(yīng)用中，制造商不僅僅需要具備電容、電阻或輸出電壓的基本傳感器，還需要能夠輕松連接網(wǎng)絡(luò)并與處理器或低能耗藍(lán)牙?配對(duì)主機(jī)相連接的即插即用型傳感器系統(tǒng)。

未來的新型傳感器將主要包含以下3個(gè)獨(dú)立的技術(shù)層：

1）核心傳感器層-將現(xiàn)實(shí)世界中的現(xiàn)象以電子化的方式再現(xiàn)。艾邁斯半導(dǎo)體的傳感器可應(yīng)用在成像、光學(xué)、環(huán)境和音頻四大領(lǐng)域。

2）最小化集成層-以硅片的形式提供核心傳感技術(shù)的芯片級(jí)或模塊化（多芯片封裝）實(shí)現(xiàn)。這一層同時(shí)提供特殊算法，可將原始傳感器測量數(shù)值轉(zhuǎn)換為可供處理器使用線性化信號(hào)流。

3）系統(tǒng)技術(shù)層-內(nèi)嵌在傳感器中的軟件為低能耗藍(lán)牙?和Wi-Fi? 等常用網(wǎng)絡(luò)提供連接。傳感器系統(tǒng)軟件同時(shí)支持終端用戶應(yīng)用，比如將智能腕帶中的光學(xué)傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為每分鐘心跳測量值。

在下一代傳感器系統(tǒng)中，包含硬件和軟件的三大技術(shù)層將以單一封裝設(shè)備的形式運(yùn)送給終端產(chǎn)品制造商。小型、易于連接、應(yīng)用集成的便利性，將是推動(dòng)傳感器普及的關(guān)鍵。

打破傳感器性能的邊界

數(shù)字化轉(zhuǎn)型不僅僅是嵌入更多傳感器和引入更多類型設(shè)備即可解決的簡單問題：處于前沿地位的艾邁斯半導(dǎo)體正在引領(lǐng)傳感器制造商數(shù)字化變革，打破傳感器性能的邊界。這使得產(chǎn)品制造商能夠極大地改善用戶體驗(yàn)，甚至創(chuàng)造出前所未有的全新體驗(yàn)。

傳感器應(yīng)用上的顛覆性改變可以通過一些案例來說明，而這些應(yīng)用正是運(yùn)用了艾邁斯半導(dǎo)體突破性的傳感器。

用于手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦的新型XYZ三刺激高精度顏色傳感器芯片能夠與人類眼睛完全相同的方式測量(或“觀察到”)光的顏色。因?yàn)轭伾且粋€(gè)“人眼相對(duì)感知”，我們認(rèn)為顏色不是絕對(duì)的，因?yàn)轭伾⒉皇枪潭ǖ?。這可以通過我們“紙一樣”顯示效果的演示來說明，我們對(duì)顏色的認(rèn)知會(huì)隨物體表面、照明環(huán)境以及人眼之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系而改變。

這一顏色傳感器的準(zhǔn)確性使顯示屏呈現(xiàn)“紙一樣”的顯示效果，相比現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備顯示屏帶來更舒適的體驗(yàn)。

多光譜和高光譜傳感器IC是一款微型的實(shí)驗(yàn)室級(jí)片上分光儀。水果的新鮮度首次可以通過光譜測量實(shí)現(xiàn)：由于分子的震動(dòng)，光照在某一物體上后會(huì)反射回特定波長的光，加上特殊算法可以分析出該物體的組成成分。得益于艾邁斯半導(dǎo)體的光譜傳感器芯片，移動(dòng)顏色分析也將改善工廠和醫(yī)院的質(zhì)量檢驗(yàn)過程。而CMOS圖像傳感器在諸如機(jī)器視覺等工業(yè)應(yīng)用中也有重要應(yīng)用。

得益于艾邁斯半導(dǎo)體的集成傳感器/放大器解決方案，主動(dòng)降噪技術(shù)(ANC)正被應(yīng)用于創(chuàng)新的耳機(jī)設(shè)計(jì)。艾邁斯半導(dǎo)體提供的小體積、低功耗ANC器件使耳機(jī)制造商得以首次將ANC功能成功應(yīng)用于入耳式耳機(jī)和無線耳機(jī)。

3D成像系統(tǒng)芯片將為虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用帶來革新性變化，并極大改善手勢傳感、面部掃描和3D建模技術(shù)。新的艾邁斯半導(dǎo)體解決方案著眼于激光發(fā)射器設(shè)計(jì)、光學(xué)封裝和結(jié)構(gòu)光傳感技術(shù)的創(chuàng)新。

可持續(xù)性和環(huán)境是先進(jìn)的艾邁斯半導(dǎo)體傳感技術(shù)的重要應(yīng)用，從超精準(zhǔn)流量傳感器到監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量的芯片級(jí)氣體傳感器，再到用于新的高效電機(jī)的高分辨率角位置傳感器。

醫(yī)學(xué)診斷和監(jiān)測：應(yīng)用于醫(yī)院計(jì)算機(jī)斷層掃描的超精準(zhǔn)數(shù)字成像設(shè)備，外觀足夠小巧的微型光學(xué)傳感系統(tǒng)級(jí)芯片可置于健身手環(huán)中用于測量心率和血氧水平。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心是傳感器

在PC時(shí)代，電子產(chǎn)品的主要?jiǎng)?chuàng)新很大程度上由“摩爾定律”驅(qū)動(dòng)，使得數(shù)字處理和圖形處理技術(shù)取得了很大提升，而如今的傳感器系統(tǒng)在為現(xiàn)有產(chǎn)品類型帶來全新應(yīng)用、改善用戶體驗(yàn)甚至是實(shí)現(xiàn)全新設(shè)備類型方面具有同樣的重要性。

將心率監(jiān)測器放置在手環(huán)中供人們?nèi)?4小時(shí)佩戴，小型手持式儀器中的顏色分析比人眼敏感60倍，微小的耳機(jī)設(shè)備可具備主動(dòng)降噪功能，這些應(yīng)用都直到近幾年才得以實(shí)現(xiàn)。所有這些突破都得益于傳感器技術(shù)的全新應(yīng)用。

艾邁斯半導(dǎo)體希望通過創(chuàng)造新的核心傳感技術(shù)、開發(fā)使傳感器數(shù)據(jù)得到有效利用的算法、生產(chǎn)即插即用的設(shè)備使OEM廠商在終端產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)用來引領(lǐng)變革，通過傳感器解決方案打造完美世界。在我們看來，數(shù)字化轉(zhuǎn)型才剛剛開始，傳感器將是未來變化的核心，并成為現(xiàn)今和未來巨大變革的推動(dòng)力。