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无穷公开课:解读MEMS传感器在智能设备应用

ST模拟、微机电系统和传感器事业部总监 吴卫东

摘要:

今天我们讲的物联网世界是一个非常大的空间,在这里面智能汽车、智能家居、智能城市。这里面需要非常非常多的节点,每一个节点里面都是有传感器,作为信息采集的一个基本元素。

那目前除了刚才讲到的一些动作传感器、环境传感器,其实还有一些更新颖的传感器。正在从传统行业走向消费类产品,正在从模块化变成一个单个半导体元器件,尺寸缩小、精度提高、性能提升。那这些都是半导体产业推动的一个必然趋势。它也会丰富我们在物联网甚至在智能产品终端,去开发产品对于元器件的一个诉求。

MEMS相关概述:

MEMS即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems),是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展,已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术,具有广阔的应用前景。

截止到2010年,全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作,已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品,其中MEMS传感器占相当大的比例。

MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时,在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

无穷公开课:解读MEMS传感器在智能设备应用

视频文字实录:

欢迎大家来到无穷公开课。

今天我给大家分享一下,我和传感器的一些心得体会。

这是一块通常我们所说的开发板,在这上面集成了一个电子产品的基本雏形。很多的电子产品都是通过这样一个开发板开始达到产品的开发。今天我们的主题是看一下这上面的一颗产品。

它是一个三轴加速度传感器。几年之前有一个Wii的产品,它的推出几乎颠覆了整个游戏产业,风靡一时。有几款经典的游戏,比如打棒球、网球、拳击等等。手拿着摇控器通过一些简单的动作就可以达到非常互动的游戏操控。这里面的秘密其实就是MEMS(微机电系统)的一个三轴加速度传感器。它记录了实时的动作信息,配合其它一些传感器,可以达到非常互动的游戏控制。

大家可能或多或少会碰到过笔记本电脑跌落的意外事故,跌落之后的话极有可能是硬盘会损坏。最悲惨的是硬盘损坏以后,你拿去维修的时候告诉你你的硬盘已经物理损坏。原因是在跌落的过程当中,磁头碰到了磁盘造成了物理损伤。但是这个问题在几年之前就有人已经开始解决,在(笔记本)里面加入了一个三轴加速度传感器。当跌落的事故意外发生的时候,它的自由落体运动会被检测到。然后系统就会把磁头归回到原位,避免了磁头和磁盘的物理接触,这也是基于三轴加速度传感器。对这一事件的侦测,这样的例子还有很多。

可以说MEMS的传感器由来已久,已经跟我们的日常生活紧密配合,无处不在。这些就是今天非常火爆的穿戴式产品。这是一个非常典型的手环类的产品,这个产品里面其实就有一个三轴加速度传感器,它可以实现一些计步的功能、能量消耗。具体实现就是它记录了加速度这样的信息,然后通过一些后台的算法可以达到一个这方面的功能实现。

MEMS传感器现在种类繁多,就拿一个手机来讲的话,手机里面就已经有了很多的MEMS传感器。刚才所说的加速度传感器在这里面有,它可以进行一个横竖屏的切换,摇一摇的功能实现。另外还加多了陀螺仪的功能,陀螺仪可以检测到角速度的一个检测。如果把加速度和角速度的两个传感器配合起来使用的话,对于一些游戏操控,对于一些动作姿态的捕捉会非常得有功效。

另外的话像这样一台手机里面还有地磁仪,当你走到任何的地方都可以有一个方向的识别,地磁仪的俗称就是电子指南针。另外像这台手机里面,还有一个压力传感器,它可以检测大气压,具体的作用有什么样作用呢?当你是一个室外运动爱好者的时候,压力传感器可以通过大气压的变化给你一个精确的海拔高度的变化。湿度传感器就可以提供给你你所处环境的干燥潮湿程度是怎么样。对于有一些爱美的女性来讲的话,她可能可以随时地根据干燥程度对自己的皮肤进行一些维护。

讲了那么多的传感器,现在都是一个单一的应用。其实目前来讲的话,大家在开发一个非常好的应用,我们称它是室内导航。它是结合了加速度、陀螺仪、地磁、压力计的一个整合。打个比方,今天我们来一个楼,来到这个地方是一个10楼。某一个会议室大家都没有来过,第一次来如果你没有向导的话,你可能会问人甚至走错路,有了室内导航这样的一个功能的话。当你接近这个楼的时候,它就有地图提示给你,然后你启动这个室内导航、加速度、陀螺仪、地磁仪,就会形成一个轨迹的跟踪给到你。压力传感器就可以提示你楼层的不同,你在不用向导的前提下面给你地址你就可以走到任何一个地方。

今天我们已经处在了一个大数据的时代,传感器的多元化和普及让我们可以采集更多的信息。我们打一个比方,我们眼睛看到的东西已经通过摄录的方式可以采集下来。我们耳朵听到的声音可以用MEMS的麦克风可以传录下来。我们身体的运动任何的姿态可以通过刚才的运动传感器可以采集下来。我们鼻子闻到的气味可以通过气体传感器采集下来。另外当然现在也有一些采集生命体征的传感器出现在市场上。

今天我们探讨的一些智能终端智能设备甚至智能家居,其实它的源头都是从传感器开始的。传感器去采集各种各样的信息,后面的数据处理再提供相应的服务给到终端客户。最近我们在跟踪几个关于汽车保险有关的项目。我相信大家开车在路上会碰到有一些车乱变道、急停急刹乱拐弯,这些驾驶员其实对于保险公司来讲应该属于劣质客户。但是保险公司在投保的时候根本就不能判断,他的保险额度可能跟所有其他的普通大众都是一样的。

但是有这样的一个产品,现在已经在市面上渐渐地出现。它可以装在汽车上面,它可以把汽车行驶的一些关键数据可以记录下来,这些数据可以判断这个驾驶员是否是一个危险驾驶员。那保险公司在投保的时候可以通过这方面的信息来评判这个投保客户的驾驶习惯,他的保额也可以基于不同的驾驶习惯有一个不同等级的分类。

这不单单提升了一些安全性,同时的话让保险公司的服务更加人性化,这个产品我们可以称它是行车记录仪。这个行车记录仪的数据就是通过MEMS的传感器把它记录下来的。里面有各种各样比如加速度、角速度,甚至还有一些地磁的信息可以记录下来。

再看看我们的手环类的产品,那刚才讲过这个手环的产品的话,像它只是提供了一个计步的功能。有一些带有显示功能的还可以给你时间,是不是可以有更多的功能体现在这里面。目前已经有紫外线传感器推出来,它可以检测到紫外线强度,当紫外线超过一定的范围的时候。它可以通过声音提醒、震动提醒或者是说变换一个颜色,来提醒你可能要采取适当的防护措施。这样的体验对大家来讲都是非常好的。

我已经跟不少的客户进行这方面的探讨,大家都认同这样的功能,非常的贴切生活非常的实用。我相信不久的将来就有类似的产品在市面上会出现,传感器已经收到了很大的信息。

要我们真的身临其境地体验它的好处。

我们现在谈的大数据就是一个非常好的后台的支撑。打个比方,我们通过我们的五官听到了看到了闻到了摸到了很多的信息。在做出快速的正确判断的过程,其实我们的大脑是在进行理解和分析,这个过程是一个非常庞大的数据处理。

在电子领域我们打一个比方,它就像是一个软件算法,如果你的知识和经验不够的话,可能就会做出错误的判断。但是同样如果你的软件算法不好的话,你可能就会有错误的输出结果。如果反应速度慢,那么就要优化算法或者提升你的计算能力。

传感器发展正处在一个高速发展的过程当中,主要有几个方向。在我们看来第一高精度。为什么要高精度,刚才讲了传感器都是去搜集物理世界的这些信息。高精度的概念你把所有的这些物理信息,从感知的第一时刻就提高它的准确性提高它的精度。那这样的话对于后续模拟信号变成数字信号以后,你再进行真正的软件算法处理的时候可以有更好的实时状态,有更好的效果出来。

第二个是低功耗。我们很多传感器,其实今天都是在手持设备里面,手持设备是通过电池来供电的。任何1毫安的电量的节省都会对于整个产品的性能,客户的接受程度有一个不同的体验在这边。所以低功耗是我们在推动传感器进一步优化的一个必然的要求。

当然目前来讲还有一些传感器,还没用到消费类产品里面。原因就是它的功耗还比较大。

它在传统行业里面是用在一些工业产品或者是说一些宇航产品之类的。再一个就是小尺寸和集成化,我们可以看到像这样一个东西留给电子产品的空间非常有限。

我们必须要尽可能地提供小型化的器械和集成度高的器件。那这样的话可以在终端产品设计的过程当中,对于美学设计或者工艺设计方面都留足了更大的空间。我们还需要采集更多的信息,再加上不同的信息之间进行数据融合。那么我们就有无穷无尽的空间去提升我们的用户体验和应用,用户体验和应用对于我们的加强客户的黏合度是非常重要的。

有句俗话叫巧妇难为无米之炊,那我们的传感器就像是采集了足够多的信息,提供了无穷多的米。那我们的巧妇就可以利用这些资源去开发出各种智能化的应用出来,智能化的产品出来。最后我相信还会有越来越多的传感器,应用在我们的智能产品里面。

今天我们讲的物联网世界是一个非常大的空间,在这里面智能汽车、智能家居、智能城市。这里面需要非常非常多的节点,每一个节点里面都是有传感器,作为信息采集的一个基本元素。

那目前除了刚才讲到的一些动作传感器、环境传感器,其实还有一些更新颖的传感器。正在从传统行业走向消费类产品,正在从模块化变成一个单个半导体元器件,尺寸缩小、精度提高、性能提升。那这些都是半导体产业推动的一个必然趋势。它也会丰富我们在物联网甚至在智能产品终端,去开发产品对于元器件的一个诉求。

另外更多的公司也在投入软件算法的一个开发过程,还有很多网络公司也投入到了这样的一个大产业里面进行一些大数据处理。我相信传感器可以让我们的生活更舒适更精彩。

谢谢大家!

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