物联网发展的核心和关键技术感受传感器..

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    “正如眼睛、鼻子、耳朵和皮肤在人体中的作用一样,它在硬件中充当一个从外界接受信息的角色”。这句话描述的正是传感器。自从发明以来,它就一直被应用在工控和其他领域,作为一个重要的设备前端,传感器的功能几近是不可代替的。在现在步入了物联网时代,传感器变得尤其重要。

    据美国市场研究机构透明市场研究(TransparencyMarketResearch)公司*新发布的报告显示,到2020年,全球可穿戴传感器市场将以45.2%的复合年均增长率继续成长。YoleDeveloppement也预测,作为传感器重要组成部分的MEMS传感器产品需求在近年增势迅猛,从2014年起平均以12%-13%的增长率增长,到2019年,产业总值预计将达到240亿美元。

    面对这这么一个庞大市场,很多厂商正在加紧研发,攻城略地。

    什么是传感器

    在对传感器进行详细分析之前,我们需要了解一下什么是传感器,并且了解一下这些传感器可以被应用到哪些领域。

    按照国家标准GB7665-87对传感器下的定义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。

    也就是说传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

    传感器种类繁多,在不同的产品中就有不同的应用,就拿简单的手机来说,就有重力传感器、加速度传感器、距离传感器、光线感应器、三轴陀螺仪、电子罗盘等,未来更可能会有热传感器、温度传感器、湿度传感器、紫外线传感器、压力传感器等等。很难一一列举!

    按照应用市场,物联网产业可划分为智能工业、智能农业、智能物流、智能环保、智能交通、智能电网、智能医疗、智能安防、特种装备、智慧城市、智能家居等。YoleDeveloppement数据显示,传感器中占比*大的是消费类应用,其规模达到59亿美元,占传感器产品市场的45%,到2019年预计将超过100亿美元,年复合增长率约11.2%。而成长*快的医疗服务市场,将从2014年4的24.5亿美元增长至2019年的72亿美元左右,年复合增长率近30%。

    尤其是在可穿戴领域,传感器未来的需求量更是激增。据全球居**地位的关键信息、产品、解决方案和服务供应商IHS的数据显示,单个可穿戴设备所用传感器的平均数量将从2013年的1.4颗增长为2019年的4.1颗,总出货量将从6700万颗上升至4.66亿颗。一个属于传感器的时代正在到来。

    典型传感器的原理和作用

    上面我们已经谈到,传感器种类繁多,**覆盖介绍是一项繁杂的工作,我们以iPhone6为例,介绍一下传感器的原理和功用。

    (一)运动/加速度传感器Motionsensor/accelerometer

    加速传感器的原理

    在iPhone6中的加速传感器芯片为InvenSense公司的MP67B芯片,这是一个六轴加速度和重力传感器。而在之前的历代iPhone手机中该传感器采用的是STMicroelectronics公司生产的芯片。

    手机加速传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力,比如重力。加速传感器原理:运用压电效应实现,一片“重力块”和压电晶体做成一个重力感应模块,手机方向改变时,重力块作用于不同方向的压电晶体上的力也随之改变,输出电压信号不同,从而判断手机的方向。加速力可以是个常量,比如g,也可以是变量。他可以根据重力感应产生的加速度来推算出手机相对于水平面的倾斜度。

    加速度传感器的应用

    重力感应常用于自动旋转屏幕以及一些游戏,但是它本身局限性比较大,因为他是根据重力判断方向,通过感应重力正交两个方向的分力大小,来判断水平方向。常见的应用加速度传感器的手机app是一些运动型的游戏,如**飞车。这个时候可以通过重力判断水平垂直防线。

    (2)光传感器AmbientLightsensor

    光传感器的原理

    在iPhone6手机上,光传感器芯片选用的是AMS公司的TSL2581芯片。环境光传感器可以感知周围光线情况,并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度,降低产品的功耗。

    光线感应器由投光器和受光器组成,投光器将光线聚焦,在传输至受光器,*后通过感应器接收变成电器信号。光线感应的用途是可以根据周围环境光线调节手机屏幕本身的亮度。

    环境光传感器可以感知周围光线情况,并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度,降低产品的功耗。市场出售的有光敏电阻、光敏二极管、光电三极管、硅光电池等。

    光传感器的应用

    在iPhone6手机上,显示屏消耗的电量一般高达电池总电量的30%,采用环境光传感器可以*大限度地延长电池的工作时间。另一方面,环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时,使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时,显示器就会调成低亮度。

    (3)电子罗盘eCompass

    电子罗盘的原理

    从iPhone3GS开始,iPhone手机中开始内置电子罗盘传感器。在iPhone6手机中,电子罗盘芯片类型为由AKM公司生产的AKM8963芯片。AKM公司生产的电子罗盘传感器芯片一直服务于历代iPhone手机之中。

    电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场,倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿;MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器,每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值;向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值;向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到*佳点,并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。磁场测量范围为±2Gauss。通过采用12位A/D转换器,磁力仪能够分辨出小于1mGauss的磁场变化量,我们便可通过该高分辨力来准确测量出200-300mGauss的X和Y方向的磁场强度,不论是在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位置。

    电子罗盘的应用

    电子罗盘的应用很广泛,一个简单的使用电子罗盘传感器的实例是iPhone手机上的指南针app,通过指南针app可以实现在手机不联网的情况下进行指示方向,不依靠地图类app来指路,节省流量,方便快捷。在地图类的app中,电子罗盘也被用来配合设备的GPS和其他位置功能达到指向的功能。

    (4)距离传感器Proximitysensor

    距离传感器的原理

    通过发射特别短的并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间,通过测时间间隔来计算与物体之间的距离。此方法叫做飞行时间法(flyingtime)。iPhone上的距离传感器的型号一直未能得知。

    距离传感器的应用

    这个传感器能够判断iPhone6手机距离你有多近,这个传感器的一个作用是当手机贴近耳朵的时候能够自动的关闭屏幕。

    (5)指纹识别传感器fingerprintsensor

    指纹识别传感器的原理

    在iPhone6手机中选用的是TMDR92芯片。苹果手机从iPhone5s开始支持指纹识别,iPhone6及iPhone6plus依旧支持,它的指纹识别传感器的供应商为AuthenTec公司。

    指纹识别传感器位于iPhone6手机的HOME键下方,Home键周围的光环也是感应性的,当手指靠近时就能检测到。用户也能很快知道自己的指纹是否正在被扫描而无需点按Home键。iPhone6手机内的指纹识别传感器是500dpi的阵列阵列,就这一点,就可以确定是电容式指纹采集方式。然后电容式会有一个问题,也可以算是特征,就是如何让手指带电,以及,如何检测到手指在采集区,并让检测电容阵列带电,(电容阵列一直带电很伤电容的,毕竟是很精密的设备),所以5s的不锈钢圆环就是起这个作用,让手指带电,并且检测到手指接触后,触发电容检测阵列加电。

    指纹识别传感器的应用

    指纹识别传感器位于iPhone6手机的HOME键下方,有了他,用户可以安东home键来进行解锁。有了它,用户可以免输入密码,确保更加安全的操作。*近,支付宝的iosapp也已经支持了指纹识别,用户无需输入支付宝开启密码来开启支付宝,也不需要输入支付宝的支付密码,仅仅需要按动iPhone手机的HOME键就能够实现支付的功能。

    (6)陀螺仪gyroscope

    陀螺仪的原理

    iPhone手机使用的陀螺仪芯片是Invensens公司的MPU-6700。陀螺仪从2010年发布的iPhone4手机开始在iPhone手机中内置。

    陀螺仪能够同时测定6个方向的位置,移动轨迹,加速。单轴的只能测量一个方向的量,也就是一个系统需要三个陀螺仪,而3轴的一个就能替代三个单轴的。3轴的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好,是激光陀螺的发展趋势。

    陀螺仪应用

    它的主要作用是运用在游戏的控制上。通过三轴陀螺仪,我们只需要通过移动手机相应的位置,就可以达到改变方向的目的。比如平衡球游戏或者**飞车,就是应用了陀螺仪的原理,完全摒弃以前通过方向按键来控制游戏的操控方式,使游戏更加真实,操作更加灵活。

    (7)气压计Barometer

    气压计的原理

    iPhone6手机采用的气压计芯片是来自Bosch公司的MBP280芯片。

    普通的气压计原理是根据气压计里面水银的高度是由大气压支撑,也就是说,大气压有多大,水银柱的液面就会有多高,所以气压计中,水银越高,气压越大。通过水银柱的高度,分割气压计的**度,就可以来测量当前的气压了。

    iPhone手机中的气压计类似于现实生活中的这些气压计,不过没有了液体水银,代替的是两个传感器之间的转换来将压力转换成另外一个传感器可以测量的量。

    气压计的应用

    其实气压计的基本作用只是测量大气的压强,更重要的应用是为了尽用三维空间的功用来辅助GPS,通过气压的高低来判断设备的高度,再配合GPS所取得的经度和纬度来更快地计算出设备所在的位置。所以气压计在地图类,使用GPS或天气类的app中也有广泛的应用。

    (8)MEMS麦克风

    iPhone5背部使用了第三个麦克风来降噪,可实现高清晰度录像,很快成为业界标准。iPhone6Plus也是如此。

    5上的三个麦克风有一个来自楼氏电子(KnowlesElectronics),5S上有两个,6Plus上却没有发现楼氏的身影,看起来是换供应商了,也可能会影响今明两年的麦克风市场格局。

    第三个麦克风可辨认出来自意法半导体,MEMS内核来自欧姆龙,封装尺寸3.36×2.54×1.0毫米。

    另外,像湿度传感器,相机传感器,声波传感器,触摸屏传感器,温度传感器,压力传感器等,由于它们的资料较少,且实际上如声波传感器,触摸屏传感器已经十分普遍地运用在智能手机上,而温度,湿度传感器与气压传感器功能类似,都属于环境传感器,且属于**次出现在iPhone手机上,相关资料相对较少,故不再具体讨论。

    物联网传感器给中国带来的机会

    中国传感器产业已形成从技术研发、设计、生产到应用的完整产业体系,部分细分领域已跻身****水平。但就总体水平而言,国内的传感器产品仍以中低端为主,技术相对落后。中国市场上的中**传感器进口占比达80%,数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。但部分分细分领域已跻身****水平。如基于微机电系统(MEMS)的传感器,它是传感器市场的主打产品。

    据科技市场研究机构IC-Insights的数据显示,2014年全球所售传感器的80%均是基于MEMS技术。中国的歌尔声学、瑞声科技和美新半导体无锡有限公司已进入全球MEMS传感器供应商前50强,前两者分别是全球**和第四大MEMS麦克风供应商,出货量占2014年全球市场的25%;汇顶科技的隐藏式指纹识别传感器技术已引起全球关注。另外还有汉威电子、威尔泰、士兰微等国内知名传感器厂商。

    但就总体水平而言,国内的传感器产品仍以中低端为主,技术相对落后。国内企业的产品主要集中在低端的压力、温度、应变片等低附加值产品,近年内有几家企业开始MEMS产品的生产,其中麦克风产品势头发展较好,但其他如压力、加速度、陀螺等也是比较低端得产品。国内**传感器进口占比达80%,数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。

    全球目前约有40个国家从事传感器的研制、生产和应用开发,研发机构超过6000余家。其中,美国、日本和德国实力较强,产品门类繁多、覆盖面广、市场占有率总和超过60%,掌握市场主导权。

    在中国方面,据行业统计估算,我国2014年敏感元件与传感器销售额突破1200亿元;2015年需求量约为652.9亿个,增长率高于18%,销售额将突破1300亿元。目前,我国已有1700余家从事传感器研制、生产和应用的企事业单位,传感器产品达到10大类、42小类、6000多个品种。

    与欧美日相比,国内在整个产业的各个环节都是落后的,制造技术和封装技术更加明显。基础环节的问题解决不够彻底,原始性**的产品少,导致产品的附加值和市场份额都比较低。从半导体芯片行业分析看来,传感器是我国与国外差距比较小的领域,这与传感器产业整体起步较晚不无关系。而现在正是由传统向新型传感器转型的关键阶段,布局得当有可能实现“弯道超车”,这个弯道就是物联网。

    因为物联网所需的大量传感器芯片只需完成简单的数据采集、存储和传输,这就要求芯片必须低功耗、低价格。借助现有的材料、封装技术,这些性能在45nm芯片上即可**呈现。而我国在45nm左右制程和8寸晶圆上有成熟的产业布局,随着物联网的发展,这些产能将得到*大程度的释放。

    希望借着这个机会,中国半导体迎来一个全新突破。

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