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苹果iPhone 6s引发传感器的崛起之路

2015-12-25 14:42 [电子高科技] 来源于:中国测控网
导读:苹果新一代手机iPhone6s和智能手表的亮相,让全球众多苹果手机的追随者又有了一次彻夜排队的理由。赋予苹果手机越来越强大功能的,不仅是越来越强大的芯片,更重要的是手机上越来

苹果新一代手机iPhone6s和智能手表的亮相,让全球众多苹果手机的追随者又有了一次彻夜排队的理由。赋予苹果手机越来越强大功能的,不仅是越来越强大的芯片,更重要的是手机上越来越多、越来越精良的传感器

数年前,当乔布斯拿着苹果手机“晃一晃”就可以让它有所反应的时候,手机的智能化时代真正开始了。几年后,手机从一种通讯工具变成了一个人们离不开的伙伴。

让手机具备这样“魔力”的,是触摸屏陀螺仪、加速度计等各式各样的传感器

——触摸屏是一种电容触摸传感器。用于感受手机位置和运动的,是陀螺仪和加速感应器。当你接电话把耳朵贴到屏幕上时,让屏幕变暗并关闭触摸屏的是红外线接近传感器。根据环境光线强弱自动调节屏幕亮度的,是环境光传感器。当然,还有用于导航的“指南针”——磁阻传感器,以及用光电传感器制作的摄像头。

在发布会上,最大的亮点还是苹果在传感器运用上的突破。iPhone6手机增加了集合多种传感器的动作协感应器,可以用来测量海拔高度的气压传感器,可以实现指纹支付的近场通讯模块和指纹传感器。iWatch背后的四个环状传感器,原理是通过LED光照射到皮肤上形成反射,以此判断血管的运动、检测佩戴者的脉搏。

不仅仅是手机,在汽车、家用电器、可穿戴设备上,以及工业自动化领域,越来越多的传感器成为机器的“耳目”。

普通公众了解甚少的是,即将给人们生活方式带来更大变化的物联网,其最核心的基础技术也是传感器。有科学家预言,传感器将像“人体的五官”一样,在未来充满各个领域和空间。

当下,随着物联网时代的开启,各式各样的传感器正成为无处不在的神经元,全球对于传感器的需求也开始呈现爆发性的增长。但是,在这一次盛宴开启的前夜,业界又遗憾地发现,中国似乎又落伍了。

在德国的博世,美国的霍尼韦尔、飞思卡尔这些传感器巨头享受它们“厚积薄发”带来的收益时,中国企业如何从中分一杯羹?

模仿人体五官

传感器就好像是人的五官。”中科院微系统所传感技术联合国家重点实验室主任李昕欣对财新记者说,人类在计算机的时代,解决了大脑的模拟问题,相当于用0和1实现了信息的数字化,利用布尔逻辑解决问题;现在是后计算机时代,开始模拟五官。

传感器(transducer、sensor)往往又被称为换能器,功用是把其他信息转换为电信号。它通常由敏感元件和转换元件组成,能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。可以说,是传感器让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。

传感器的发展,最早是来自工业自动化的推动。

出于提高效率的目的,工业生产开始由中央控制室控制各个生产节点上的参量,包括流量、物位、温度和压力四大参数,催生了传感器的发展。这个趋势从上世纪70年代开始,到现在也是传感器应用最多的一种形式。

清华大学精密仪器系教授董永贵告诉财新记者,在传感器这一概念“出现”之前,早期的测量仪器中其实就有传感器,只不过是以整套仪器中一个部件的形式出现。所以,中国在1980年以前,介绍传感器的教科书叫做“非电量的电测量”。

传感器概念的出现其实是测量仪器逐步走向模块化的结果。此后,传感器从整套仪器系统中独立出来,单独作为一个功能器件进行研究、生产、销售。

根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器两大类。物理传感器应用的是物理效应,将被测信号量的微小变化转换成电信号,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

化学传感器则是以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器。近年来,出现了利用各种生物特性做成的生物型传感器,用以检测与识别生物体内化学成分。

在董永贵看来,严格来说传感器不算是一个单纯的学科方向,因为各个学科都有研究传感器的。

依据新发现的物理现象、化学效应制造的新的传感器,实际上是对别的专业基础研究成果的二次开发。

他说,伴随电子电路技术的飞速发展,越来越多的测量问题集中到了传感器这一环节上。最终,传感器的性能决定了整套测量仪器的性能。“这是传感器发展最重要的推动力。”

“模拟人的五官”,只是传感器的一个比较形象的说法。传感器技术发展相对成熟的,还是工业测量中经常用到的如力、加速度、压力、温度等物理量。对于真实人的感觉,包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉,从传感器的角度来看,大部分不是很成熟。

“视觉、听觉可认为是物理量,相对好一些,触觉就比较差一些,至于嗅觉及味觉,由于涉及到生物化学量的测量,工作机理比较复杂,远未达到技术成熟的阶段。”他说。

传感器的市场,其实是由应用推动的。比如,化学工业中,压力、流量传感器市场相当大;汽车工业中,转速、加速度等传感器市场非常大。基于微电子机械系统(MEMS)的加速度传感器现在技术较为成熟,对汽车工业的需求拉动功不可没。

MEMS(Micro-Electro-MechaNIcalSystems)是指可批量制作的,集微型机械结构、微型传感器、微型执行器、通信等于一体的微型器件或系统。它体积小、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,同时也能实现某些传统机械传感器所不能实现的功能。

谷歌已经花费了五年的时间来研发无人驾驶汽车。这些汽车上已经没有了加速踏板、刹车踏板和后视镜,而是通过内部的传感器和车载电脑来控制汽车的运行。

在各类传感器的帮助下,过去属于人与人之间的互联网,延伸和扩展到了任何物品与物品之间。

1999年,在美国召开的移动计算和网络国际会议就提出,“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”;2003年,美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。

2005年国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》。该报告指出,无所不在的“物联网”通信时代即将来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术(RFID)、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。

美国权威咨询机构FORRESTER预测,到2020年,世界上物物互联的业务,跟人与人通信的业务相比,将达到30比1,因此,“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。

M2M就是把物与物联系起来,以达到人与物、物与物的实时交流,是物联网的最直接实现方式。

M2M技术,可以在运输过程中确保昂贵货物的安全,可以为运输中的冷藏货柜监测位置和温度,可以远程诊断发动机的状态,车主还可以实时接受导航和交通信息。

根据AT&T的评估,到2020年,全球M2M的连接数量将达到500亿。实际上,随着M2M解决方案的日渐成熟,通信、传感设备成本的下降,物联网将逐步渗入各个行业。

汽车、机械、大型设备等机器的全球互联,利用新的分析技术和商业智能解决方案,可以从海量数据中抽取出更多有价值的信息,也可以为客户提供更多的增值服务。

“物联网最核心、最基础的就是传感器。”中国物联网研究发展中心主任叶甜春对财新记者说,没有传感器就没有办法让机器自动感知信息。正是因为有了传感器加入网络,物联网的概念才被提出来。

外企厚积薄发

传感器在技术水平和功能上的迅速发展,一方面来自于计算机、检测等技术的发展,另一方面则源于应用领域需求的驱动。

2004年,摩托罗拉的半导体部门从摩托罗拉独立出来,成立飞思卡尔半导体公司,为汽车、消费、工业、网络和无线市场设计并制造嵌入式半导体产品。短短几年内,飞思卡尔就成为世界最大的半导体公司之一。

飞思卡尔迅速成功的最大理由,是手握来自摩托罗拉的数千项专利。这些专利有些可能来自几十年前,但是其厚重的积累终于换来了近年的爆发。

飞思卡尔部分重要的产品就是各类传感器。包括用于导航、动作捕捉的加速度传感器、磁力计,满足了医疗设备、导航设备、移动终端对高度精确的电子罗盘功能的需求。

近年来,在汽车领域,用于检测由于坠落、倾斜、运动、定位、振动和冲击等产生的力的变化的加速度传感器,被广泛用于安全气囊系统、电子稳定控制系统、电子泊车制动系统等解决方案。

基于MEMS的压力传感器可以测量大气压也可测量血压、胎压,为家电、医疗、消费电子、工业控制和汽车市场提供了强大的解决方案。

运动传感器结合压力传感器,可以用来监控卧床不起的患者,测量呼吸和心率,甚至在患者试图下床时向护士站报警,寻求帮助。

MEMS传感器的运用绝不仅限于手机,电脑、汽车、导航甚至电熨斗、运动装备中随处可见它的身影,比如导航仪在没有卫星信号的隧道可以判断是否可按惯性轨迹行驶,笔记本电脑在掉落时可自动开启硬盘保护程序,电熨斗在高温平放时自动切断电源等等。

“2008年乔布斯就拿着手机晃了一晃,就带来了加速度传感器市场的爆发。”无锡感芯半导体(consensic)副总经理张毅对财新记者说。但是,在他看来,压力传感器的市场将会更大。

他说,压力传感器与其他传感器不同在于,市场应用高度碎片化。压力传感器上世纪70年代已经被开发出来,几十年里应用遍布世界各个角落,但是因为距离老百姓生活比较遥远,不那么广为人知。压力传感器在汽车的胎压监测、油压监测、一些高端家电上应用非常广泛,未来将在智能产品上获得更多应用。

随着技术的进步,让压力传感器的成本降得足够低,把过去应用于军事、工业上的高端传感器,最终将应用到智能终端上。

“很多传感器过去是用在飞机上的,现在用到了手机上,比如加速度传感器、磁力计、气压计、陀螺仪。”张毅说,随着iPhone6和iWatch上实现了气压计的应用,压力传感器的市场被打开了,未来会有大幅度上升,未来五年会有10亿美元以上的增量。

有了气压计,人们所在之处的海拔高度就可以被精确识别;用于室内导航的话,就可以进行楼层识别;在为汽车导航的时候,就可以分辨汽车是在在高架上还是高架下,而且随着气压计更多的进入移动终端,就可以让每个人都成为气象终端,进行个性化的气象预报。

随着材料科学的进步,人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器,光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器,用陶瓷制成压力传感器

高小龙说,如今我们会看到传感器集成更多智能,并且需要更加紧密地将传感器与单片机和数字网络产品相互集成。传感器需要更多的分层智能,以便解决电力保存、安全性和连接性问题。随着即将来临的物联网应用浪潮,传感器系统会变得更加复杂、更具背景和环境感知能力。“幸运的是,我们所有身在其中的人将会感觉更加有趣。”

李昕欣介绍,从现在传感器的能力来说,有些地方还达不到五官的能力,但是有些能力能够超过,比如监测爆炸物的传感器。从传感器的发展趋势上看,需要解决功耗、体积、造价和寿命问题,让传感器越来越小,越来越便宜,功耗越来越低,每个人都可以有、可以大量占有。

现在博世、意法半导体、霍尼韦尔、飞思卡尔、日立等传统的电子制造业巨头,都把传感器作为未来业务的主要增长点,目前MEMS传感器年产值在200亿美元左右,但增长十分迅猛。

“现在很多公司都对传感器感兴趣,最重要的是如何设计一种产品,如何让用户接受传感器所带来的服务。”他说。

“每年20%的工业自动化传感器的更换,这不是最伟大的市场。”他说,最伟大是历史上从来没有的市场,谁也没想到陀螺仪可以用到手机里,原来根本不敢有这个奢望。但是苹果就实现了,这才是更加宝贵的第一桶金。

“武装到牙齿”

今年以来,全球几大消费电子巨头纷纷发力抢占以智能眼镜及智能手表为代表的可穿戴设备市场。

在本轮可穿戴设备的追逐热潮中,传感器已然成为可穿戴设备产业链上最重要的组成部分。

2014年初,谷歌宣布,正在研发一款血糖监测隐形眼镜,通过使用微型血糖传感器和无线发送器,依靠对人的眼泪分析就能监测出体内血糖浓度,可让患者摆脱对血糖仪的依赖。英特尔公司也宣布耗资1亿美元收购BasisScience公司,该公司的传感器技术可以监测心率、血流量和散热量。

9月初,芬兰赫尔辛基的睡眠传感器公司Beddit宣布最新一轮融资获800万美元。

这家公司的传感器,就是通过穿戴者心脏收缩力检测个人的心跳,用胸壁运动探测呼吸的节律。胸带测量使用者就寝时间、起床时间、睡眠时间,检测心率、睡眠质量和呼吸运动,包括打鼾。

常见的可穿戴式物理传感器产品,包括可以监测心率的智能手机与智能手表,更加精确测量心率

和心血管指标的胸带式传感器,放在跑鞋或鞋垫上,测量运动节奏、速度和距离的计步器。在不断发展的电子元件与新服装材料的推动下,传感器开始与服装集成,被应用到身体撞击检测、生物信号监控、生物力学监控和生物反馈等方面。

随着非植入式电化学和生物传感器的发展,可穿戴式传感器可以利用对眼泪、唾液、汗液,以及皮肤组织液等体液的检测来填补实时监测体内疾病及药效的空白。

谷歌的血糖监测隐形眼镜,就是通过泪液与血液间葡萄糖含量的相关性,应用于糖尿病的监测和管理。

过去镶嵌在假牙上的唾液传感器,现在已改进成了在牙齿上的图腾,并与远程无线数据传输相结合,实时反映人体情绪、激素、营养和代谢的情况。

此外,汗液、皮肤组织液、甚至尿液中也都有可以反映人体健康状况的物质。针对这些指标,大大小小的公司都在研发各种既轻小又精准的传感器,为实时检测人体健康状况创造了条件。

今年7月底,售价仅79元的小米手环颠覆了手环市场。小米生态链产品总监夏勇峰对OFweek传感器小编说,这已经是手环的成本价格。

小米手环最主要的成本来自蓝牙芯片和加速度传感器,可以实现手机解锁、运动量监测、睡眠质量监测等功能。其中来自美国ADI亚德诺半导体的加速度传感器,号称是最低功耗的运动传感器、最省电的军用运动传感器。据该公司介绍,在美国的军用头盔上,也用了三颗同样的传感器

加速度传感器在进入消费电子市场之前,实际上已被广泛应用于汽车电子领域,主要集中在车身操控、安全系统和导航,典型的应用如汽车安全气囊(Airbag)、ABS防抱死刹车系统、电子稳定程序(ESP)、电控悬挂系统等。

今年9月初,在上海召开的生物大数据研讨会上,军事医学科学院微生物流行病研究所教授杨瑞馥指出,基于微流控、生物传感器和微机电技术的 POCT(point-of-caretesting)快速检测技术,让检测设备越来越小型化,可以让检测走出实验室,来到野外、车载和家庭。

POCT可以解释为随时随地的检测,由于这种技术快速简便,效率高,成本低,检验周期短、标本用量少,而且试剂稳定且便于保存和携带,已经被广泛用于临床,甚至自我检测。

一个例证是,美国《时代周刊》评选出的2013年十大医疗突破中,就包括了一种能显示怀孕多久的家用验孕棒。该测试装置的原理,通俗来说就是把在原先医院中才能做的荷尔蒙人绒毛膜促性腺激素的水平检测,集成为一种生物传感器

在POCT上应用的生物传感器技术,是利用离子选择电极、底物特异性电极、电导传感器等特定的生物检测器进行分析检测。该类技术是酶化学、免疫化学、电化学与计算机技术结合的产物。现在不仅有微型血糖检测仪,微型测序仪,甚至还有包含多种药物,可以实时检测患者体内状况,选择性释放药物的智能药丸。

在高小龙看来,我们现在所接触到的仅仅是可穿戴设备的冰山一角。先进的传感器将被整合到许多领域当中,例如服装、婴儿纸尿片和创可贴等。他认为,在不影响分辨率的前提下改进传感器的尺寸和功耗是推出更多应用的第一步。其他即将涌现的很酷的传感器应用包括智能配药系统和能够改善患者生活质量的医疗设备、机器人家电产品,以及汽车主动安全系统。

中国传感器差距

传感器作为现代科技的前沿技术,被认为是现代信息技术的三大支柱之一,也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业。

然而,在传感器迎来春天的时候,中国公众看到的似乎仍然是国外半导体巨头的盛宴。

业内人士认为,虽然中国的传感器市场发展很快,但本土传感器技术与世界水平相比仍存在很大差距。

这种差距,一方面表现为传感器在感知信息方面的落后,另一方面,则表现为传感器自身在智能化和网络化方面的技术落后。由于没有形成足够的规模化应用,导致国内的传感器不仅技术低,而且价格高,在市场上很难有竞争力。

董永贵教授介绍,中国大致从1980年以后开始重视传感器技术的研究。经过多年的努力,在传感器研究方面的发展水平还算是比较好的。但是,在产品化方面的技术进步还不是很理想,很多传感器技术,其实国内的实验室研究水平并不是很差,可惜未能充分利用,没有转化为进入市场的成熟产品。

他说,传感器技术的研究需要比较长时间的投入,一款传感器的研发,要6年-8年才能成熟,一般

中国企业都承受不了这么长的周期。中国企业更难以承受失败,而传感器的研究失败的风险很高。

根据董永贵在日本访问时了解到的情况,日本企业支持的研发中,很多形不成产品,但是企业能够承受,10项中只要2项-3项能够变成产品就行。

“相比之下,我们很多企业都是准备去拿别人现有的东西。”董永贵说,这种思路是有问题的,包括我们总是希望引进国外现成的、有自己项目的人才。“都不准备养鱼,而是捞一条鱼来。”

相比于比较大型的仪器设备,传感器在产品化过程中需要的投资一般不是很大,所以比较适合小型企业投资。在这方面,中国应该是有优势的。然而,如果从另外一个方面考虑,这也是一个短处。

传感器行业的一个特点是,传感器本身技术含量高,但单只传感器的价格一般不高。此特点导致的一个结果是,尽管传感器的技术附加值高,但单纯依赖传感器很难形成可观的产值。

按照董永贵教授的比喻,传感器有点像中药里的“药引”,本身功能很重要,但真正形成规模还需要依赖整服药剂才行。国外很多传感器公司一旦在某种传感器上有突破,很快会有相关的测量仪器开发出来。

“国内的企业在后续技术研发能力相对要差一些。”他说。

李昕欣对财新记者说,其实我们研究上不是差很多,但是一到产业化就出现很多问题,虽然许多原始创新国外还是带着我们走,更重要的是产业化的步伐太慢。技术上,中国的微制造的产能很大,容易实现批量制造,但是创造性还是差一些,如果把设计上的能力提高上去,产能才能发挥更大的作用。

无锡感芯半导体主要产品集中在压力传感器领域,其负责人张毅介绍,国内做类似产品的比较多,但真正有规模的只有一两家,因为产品种类非常多,测试比较困难,投资比较大,产业链非常长,手工测试很难满足消费电子客户的要求。

“要满足需求量大的应用,必须走标准化的测试设备,流程非常好,投资会非常大。”张毅说。

而且,在中国的专利保护机制下,传感器中辛辛苦苦研发出来的关键技术,往往呈现一种“诀窍”性质,被抄袭后,很难说清楚,企业也打不起官司。国内虽然也有MEMS传感器企业,但都是委托加工,搞不好就被加工企业自己拿去做了,目前的企业创新体系有很大的问题。

2012年的时候,一位国内传感器领域的前辈在一次会议上说,为什么中国传感器事业发展不好,就是缺乏能够到国务院讲课的领袖人物,这个领域研发的时间长,显着度不够,本身是很小的东西,所依据的物理现象是几十年、上百年前就发现的。

这位学者指出,这种研究实际上非常辛苦,比如说有一种加速度传感器,在石油行业中用于地震波测量,所依据的是苏联几十年前提出的原理,但是直到这位专家在苏联解体后,到了美国才形成产品得到应用。

“越是需要厚积薄发、广种薄收的领域,我们差距越大。”董永贵认为,现在差距有进一步拉大的趋势。

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