传感器技术的未来变革

作者/ams半导体全球销售和执行副总裁 Pierre Laboisse

世界正进入数字化转型的新阶段

在数字化变革的早期阶段，个人电脑的普及改变了我们的工作场所。随后，当智能手机作为强大的微型电脑应用于用户手中时，我们的个人和社会生活也随之转变。

如今新一波的创新浪潮正将数字智能从电脑设备、平板电脑和智能手机拓展到数十亿的互联设备。这个崭新且通过物联网互联的世界可以成为智能互联的节点，轻松地共享来自这些客户端的信息。

这往往被看作数字化的基础：因为物联网是能够将数十亿的数据点在云端集成、处理并通过先进软件分析的网络。事实上，对于数据的扩展性使用并不局限于云端：汽车、个人健康设备和建筑正变得智能，而自动化系统往往应用了如今空前强大的微处理器。

然而与数字化转型同时发生的另一个变化是：传感器正变得无处不在，获取诸如光、热、运动和声音等信息，并在现实世界的数字网络中以1/0的数据形式进行共享。

当然，早在半导体集成电路被发明前，传感器及其数据早就已经以一种或其他形式存在多年。然而如今的传感技术正在快速进化，以支持数十亿新设备对传感器的激增需求。新的传感技术能够支持创新型应用，如用于消费和移动应用的增强现实3D光学传感技术、用于可靠的相机自动对焦和图像美化功能的ToF (飞行时间)测量、用于工业4.0的高端机器视觉和用于医疗诊断、自主调节建筑、自动驾驶汽车和时刻在线个人健康监测器的高分辨率图像传感。

掌握整个传感器系统的实施

传感器的普及改变了一切。如果互联的传感器能够应用在任何领域，如照明灯具、服装、食品包装，甚至人体内部或嵌入到皮肤下，那么它们必须满足以下几大挑战性的要求：

1)极端小型化；

2)超低能耗；

3)包含网络接口；

4)即插即用信号或数据输出。

新一代传感器必须满足所有类型智能设备制造商的使用要求，包括灯泡、药物输送装置、门锁和传统的电子设备。在许多这些应用中，制造商不仅仅需要具备电容、电阻或输出电压的基本传感器，还需要能够轻松连接网络并与处理器或低能耗蓝牙®配对主机相连接的即插即用型传感器系统。

未来的新型传感器将主要包含以下3个独立的技术层：

1）核心传感器层-将现实世界中的现象以电子化的方式再现。艾迈斯半导体的传感器可应用在成像、光学、环境和音频四大领域。

2）最小化集成层-以硅片的形式提供核心传感技术的芯片级或模块化（多芯片封装）实现。这一层同时提供特殊算法，可将原始传感器测量数值转换为可供处理器使用线性化信号流。

3）系统技术层-内嵌在传感器中的软件为低能耗蓝牙®和Wi-Fi® 等常用网络提供连接。传感器系统软件同时支持终端用户应用，比如将智能腕带中的光学传感器信号转换为每分钟心跳测量值。

在下一代传感器系统中，包含硬件和软件的三大技术层将以单一封装设备的形式运送给终端产品制造商。小型、易于连接、应用集成的便利性，将是推动传感器普及的关键。

打破传感器性能的边界

数字化转型不仅仅是嵌入更多传感器和引入更多类型设备即可解决的简单问题：处于前沿地位的艾迈斯半导体正在引领传感器制造商数字化变革，打破传感器性能的边界。这使得产品制造商能够极大地改善用户体验，甚至创造出前所未有的全新体验。

传感器应用上的颠覆性改变可以通过一些案例来说明，而这些应用正是运用了艾迈斯半导体突破性的传感器。

用于手机、平板电脑和笔记本电脑的新型XYZ三刺激高精度颜色传感器芯片能够与人类眼睛完全相同的方式测量(或“观察到”)光的颜色。因为颜色是一个“人眼相对感知”，我们认为颜色不是绝对的，因为颜色并不是固定的。这可以通过我们“纸一样”显示效果的演示来说明，我们对颜色的认知会随物体表面、照明环境以及人眼之间的动态关系而改变。

这一颜色传感器的准确性使显示屏呈现“纸一样”的显示效果，相比现有移动设备显示屏带来更舒适的体验。

多光谱和高光谱传感器IC是一款微型的实验室级片上分光仪。水果的新鲜度首次可以通过光谱测量实现：由于分子的震动，光照在某一物体上后会反射回特定波长的光，加上特殊算法可以分析出该物体的组成成分。得益于艾迈斯半导体的光谱传感器芯片，移动颜色分析也将改善工厂和医院的质量检验过程。而CMOS图像传感器在诸如机器视觉等工业应用中也有重要应用。

得益于艾迈斯半导体的集成传感器/放大器解决方案，主动降噪技术(ANC)正被应用于创新的耳机设计。艾迈斯半导体提供的小体积、低功耗ANC器件使耳机制造商得以首次将ANC功能成功应用于入耳式耳机和无线耳机。

3D成像系统芯片将为虚拟现实和增强现实应用带来革新性变化，并极大改善手势传感、面部扫描和3D建模技术。新的艾迈斯半导体解决方案着眼于激光发射器设计、光学封装和结构光传感技术的创新。

可持续性和环境是先进的艾迈斯半导体传感技术的重要应用，从超精准流量传感器到监测室内空气质量的芯片级气体传感器，再到用于新的高效电机的高分辨率角位置传感器。

医学诊断和监测：应用于医院计算机断层扫描的超精准数字成像设备，外观足够小巧的微型光学传感系统级芯片可置于健身手环中用于测量心率和血氧水平。

数字化转型的核心是传感器

在PC时代，电子产品的主要创新很大程度上由“摩尔定律”驱动，使得数字处理和图形处理技术取得了很大提升，而如今的传感器系统在为现有产品类型带来全新应用、改善用户体验甚至是实现全新设备类型方面具有同样的重要性。

将心率监测器放置在手环中供人们全天24小时佩戴，小型手持式仪器中的颜色分析比人眼敏感60倍，微小的耳机设备可具备主动降噪功能，这些应用都直到近几年才得以实现。所有这些突破都得益于传感器技术的全新应用。

艾迈斯半导体希望通过创造新的核心传感技术、开发使传感器数据得到有效利用的算法、生产即插即用的设备使OEM厂商在终端产品中实现快速应用来引领变革，通过传感器解决方案打造完美世界。在我们看来，数字化转型才刚刚开始，传感器将是未来变化的核心，并成为现今和未来巨大变革的推动力。