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MEMS传感器正在不断提高人们的生活质量

实验室资讯网时间:2018-12-16 点击: 百度搜索

【导读】智能手机应用软件日益庞大的生态系统很大程度上要归功于MEMS传感器。事实上,由于智能手机永远在线的互联网访问和传感器技术的不断发展,智能手机正在快速变成地球上最大的无线传感器网络。 手机天生就是一个传感器,即使是麦克风也能从背景或交通噪声透露你所处的环境情况。通过使用传感器融......
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智能手机应用软件日益庞大的生态系统很大程度上要归功于MEMS传感器。事实上,由于智能手机永远在线的互联网访问和传感器技术的不断发展,智能手机正在快速变成地球上最大的无线传感器网络。

“手机天生就是一个传感器,即使是麦克风也能从背景或交通噪声透露你所处的环境情况。通过使用传感器融合,你可以从包括环境光线传感器在内的所有传感器上获得信息,并创建以前从未想到的应用软件。”iSuppli公司分析师Jérémie Bouchard表示。

移动手机中的MEMS传感器不仅能让用户对应用软件着迷,而且今后还能用来监视星球脉冲信号。“由于移动手机中使用了MEMS传感器,使得我们如今能以更加高效的方式与世界发生交互,而不仅只是让人感到惊叹。”MEMS Industry Group(MIG)公司管理总监Karen Lightman表示,“在整个世界范围内,MEMS传感器正在不断提高使用这些传感器的人们的生活质量。”

“今天,互联网只是一个可以寻找信息和执行计算的大脑,但传感器能使这个大脑意识到周围事物。”惠普实验室高级研究员、惠普超灵敏加速度计开发人员Peter Hartwell指出,“我们正在给地球增加中央神经系统,它能帮助我们获得我们需要的信息,以便正确理解人类带来的影响。”

 苹果公司已经开始革命性创举,在iPhone手机中配备了加速度计,可以使显示器从纵向显示自动变成横向显示。竞争对手 也迅速跟进。现在苹果有大量创新的应用软件用到iPhone的加速度计,包括游戏、健康护理、体育训练以及大量开发人员殚精竭虑想出的无数其它应用。

加速度计响应用户运动的能力可以将以前平淡无奇的操作(如手工滚动)转换成类似游戏中的体验(如通过倾斜实现滚动),从而充分激发用户对移动手机的使用激情。在前代智能手机中增加加速度计的竞赛如今已经变成增加MEMS陀螺仪的竞赛,明年的设计还可能增加大气压力、温度和湿度传感器。

“由于智能手机中所有传感器的加入,智能手机正变得越来越聪明。仅仅拥有互联网连接并不能使你的手机聪明起来。”Invensense公司创始人Seve Nasiri表示。该公司去年向市场推出了首款三轴陀螺仪。

Invensense将其陀螺仪卖给了苹果。这家OEM商从更大的供应商意法微电子公司购买产品。Invensense公司计划在今年晚些时候进行IPO,并声称有许多设计赢得了Android手机制造商的定单,同时预测采用陀螺仪的Android手机将在今年底前推向市场。

“目前有两大阵营:苹果阵营和Android阵营。”Nasiri表示,“苹果有强大的能力在iPhone手机中增加新的传感器,因为有大量开发人员正在开发使用这些传感器的应用软件。其它智能手机供应商对此一直非常羡慕,但无法超越苹果的应用软件商店。

“Android想凭借作为苹果竞争对手的应用软件商店(Android市场)攻克游戏领域。现在,Android手机制造商不必考虑下一个杀手级应用。他们只需增加传感器,应用软件商店就会找到使用这些传感器的最佳方式。”

MIG的Lightman表示,“我相信,如果没有MEMS传感器,就不会存在应用软件商店现象。”

这个市场非常巨大。随着一些MEMS传感器的价格下降至不到1美元,每家智能手机供应商都在想方设法填补苹果传感器的空白。因此针对MEMS传感器的移动设备市场将非常繁荣,iSuppli公司的Bouchard认为。他甚至预测,明年手机中的MEMS芯片将从2010年的8.21亿美元上升到10亿美元之上,到2015年这个市场将超过20亿美元。

创新使用智能手机传感器的首个应用是针对电源管理的内部程序,这是供应商在设备中增加加速度计后自己想出来的。例如,如果软件能够从振动推断手机放在汽车上,那么手机的Wi-Fi无线功能将被关闭,从而节省电能。或者,如果手机处于静止状态,可以通过停止持续地刷新来自GPS接收机的数据而达到节能效果。

虽然这些是智能功能,但它们不能充分利用来自无数正在使用的其它智能手机的信息。能够通过使用其它手机的数据而扩展传感器范围的应用软件将是下一波发展潮流。

“目前有两种全球性部署的无线传感器网络。”意法微电子公司MEMS业务部总监Benedetto Vigna表示,“第一种网络部署在所有带MEMS传感器的移动设备中,包括手机、上网本、笔记本电脑和像智能数码相机等其它手持设备。第二种网络部署是固定位置的特殊传感器节点,这些节点没有手机的全部功能,但同样通过无线方式连接到互联网。”

这种固定位置无线传感器网络正在全球范围内迅速扩散,适合从环境监视到桥梁维护到紧急事件准备等众多专门用途。惠普公司最近签署了一笔向壳牌石油公司提供超灵敏加速度计的交易,这些加速度计用于实现能够探明新石油储量的无线地震成像系统。另外,全球智能公用事业计量系统也在他们的无线节点中增加MEMS传感器。

举例来说,日本正在用加速度计升级全国范围内的无线煤气表网络,专门用于地震监测。

  “日本总有某类(地震)监测网络,因为当地的地震非常频繁。但在用加速度计改装他们的无线煤气表后,他们将拥有一个改进的网络,其中每个节点是固定的,并且在已知的位置,因此不同于装在人们口袋中随处移动的手机发出的加速度数据。”ADI公司高级应用工程师Harvey Weinberg表示。

然而,固定位置的无线网络不能跟踪实时人口分布情况,而智能手机传感器密度将随用户分布情况而变动。因此基于智能手机的无线传感器网络能够用来监视空气质量,还能成为在拥挤的体育场中检测有毒气体的更高分辨率网络。

在美国,应用软件开发人员正在集中开发地震监视软件。由斯坦福大学赞助的地震捕捉网络(QCN)要求成员自愿提供由他们的互联网连接设备(大部分是笔记本和台式电脑)中的加速度计产生的数据用于加速地震监测。地震捕捉网络激发了另一个由加州理工学院赞助的类似项目,称为公共地震网络,旨在增加来自智能手机中的加速度计产生的数据。

目前而言,这些项目能够满足记录地震活动的要求。但由于地震活动是从一个点向四周幅射出去,因此最终这些项目将试图足够快地检测震中位置,再通过呼叫震中附近人们的电话,给他们提供长达60秒的警告。

其它应用将使用手机产生的数据提供重要程度较低但同样实用的服务。“有许多应用软件可以使用由手机产生的数据流。只是知道人们在哪里就能实现难以置信地强大功能。”Weinberg表示,“如果有许多人在公交站台等车,也许可以往这条线路增派一辆公交车;或者有许多人在商店里(正在排队等待的顾客手机中发出的数据也许能提示这一点),表明在收银台需要更多的职员。”

目前已有应用软件能帮助医生远程诊断病人,将手机传感器用作诊断设备。一个被称为3GDoctor的服务可以让病人通过3G视频电话连接咨询医生。自动化助手可以收集病史和症状信息,比如伤口图像或咳嗽的声音样本。医生在远程评估这些信息,也许通过短信形式向病人询问一些问题,或请求更多的图像或声音,然后呼叫相关人员一起讨论诊断结果,并使用装有前后摄像机的视频电话面对面功能推荐治疗方案。

“我们将智能手机做成医疗诊断传感器,这比正常到医院看病还要智能。在医院里又是打针又是化验,到头来医生可能仍然不知道你的病情。”3GDoctor业务开发负责人David Doherty表示。“我们相信智能手机的每个功能都是医生可以用来诊疗的潜在医疗传感器。你可以用摄像机和麦克风描述你的症状,显示器可以显示图像来测试你的视力,触摸屏可以检测手指的震颤。未来可能会有更多使用其它传感器的应用,这些应用将有助于病人向医生描述病情。”

例如,Doherty介绍了一种未来保健应用软件,它能通过观察人们睡觉时的状态决定唤醒他们的最佳时间,使他们醒来时感觉精神百倍。预设时间的闹铃可能打断睡眠者的美梦,而这种应用软件可以观察睡眠状态,分析呼吸节奏和翻身情况,然后在合适的时刻叫醒他。

还有其它应用程序专注于检测紧急事故但不触发错误报警,因为错误报警是困绕专用医疗监护设备的一大难题。“例如,如果急救公司获得一条你摔倒了的手机短消息,他们会在派救护车前打电话给你,确认你是否只是摔了手机而已。”Doherty表示。

再过几年,Doherty预测,像3GDoctor这样的服务能让用户从其它病人那里收集庞大的传感器数据,用于自我诊断疾病。

例如,在你用你的手机麦克风记录好你的咳嗽后,这些记录将与数百万条从已知病症的人们那里获得的其它咳嗽记录进行比较和匹配。

  “ 3GDoctor是开发人员以创新方式使用全部手机传感器创建实际应用的优秀例子。”iSuppli公司的Bouchard表示。

多类别传感器全面感测未来世界

到明年这个时候,除了加速度计、磁力计(罗盘)、全球定位系统、接近传感器和陀螺仪(用于精密移动检测)外,许多智能手机有望使用大气压力传感器进行海拔高度测量。加上来自加速度计、陀螺仪、磁力计和压力传感器的数据,我们就可以实现室内的位置推测(定位),进一步完善定位服务。

“位置推测技术能缩短人们寻找东西的时间,防止人们迷路,从而改善人们的生活,而且还会出现更重要的、能够实际拯救生命的传感器应用。”Lightman指出,“我们只是摸到了MEMS传感器应用的门边而已。”

下一代MEMS器件将融合来自多个传感器的数据。惯性测量单元(IMU)将加速度计、陀螺仪、磁力计和大气压力传感器整合在单个CMOS裸片上。三轴陀螺仪可以用来保持精确的航向,而三轴加速度计用于测量线性运动,三轴磁力计正确地保持朝向用户位置的地图。压力传感器通过测量高度实现“第十轴”,从而让定位应用软件能够精确地指出用户在大楼的某一层。

“Invensense公司、也许其它MEMS供应商也一样能在5年内向市场推出在同一CMOS裸片上集成完整10轴IMU的产品。”Nasiri指出。

其它MEMS芯片制造商也在研究集成式IMU,但在较短的时间内,可能会在同一封装内集成多个MEMS芯片。“意法微电子公司将在两年半时间内开发出单个封装的IMU产品,但其内部可以包含多个MEMS芯片。”Vigna透露。

供应商们还计划开发全功能的组合式传感器,以便通过覆盖地球的互联网手机组成的全球网络监视环境变化。

“我们正在研究单封装环境传感器,可以用来测量温度、湿度和压力,并且可能包含气体传感器。”Vigna表示。

气体传感器设计用于检测广泛的化学和生物药剂。这种传感器范围十分广泛,从相当便宜、可以集成进任何手机的红外LED化验传感器到支持高端手机判断悬浮在你四周所有物质的超高精度激光光谱芯片——甚至可以识别因邻桌有人咳嗽而在空气中传播的微生物。

所有这些服务将在互联网基础上创建一个新层,这个新层由全球无线网络中每个节点上做的所有测量结果组成,惠普技术开发部著名的技术专家兼战略家Rich Duncombe表示。

“在互联网之上增加这一额外的传感层是IT业兴起的第四波浪潮,目前我们只是刚刚启动,需要用20年左右时间才能完成。”Duncombe认为,“我们已经经历了最初的三个信息技术浪潮——大型计算机、个人计算机和网络计算——目前处于第四波,或‘IT无处不在’这一波。”

MEMS传感器正在不断提高人们的生活质量

图2:MEMS传感器厂商一览表。

MEMS传感器正在不断提高人们的生活质量

图3:意法半导体的MEMS陀螺仪芯片跟踪两个对称轴的角动量驱动器。

(本文来源:电子工程专辑 )

(责任编辑:大林)

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