【導(dǎo)讀】作為物理世界和數(shù)字世界之間的接口,傳感器和換能器已經(jīng)從技術(shù)上的波瀾不驚轉(zhuǎn)變成為汽車安全、安防、醫(yī)療保健、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和人工智能(AI)等應(yīng)用賦能的前沿技術(shù)。因此,它們?cè)诔叽?、功耗和靈敏度等基本物理和電氣性能方面經(jīng)歷了革命性改變,同時(shí)引發(fā)了傳感器集成方面的新思想——范圍從傳感器融合到應(yīng)用在類似霧計(jì)算的架構(gòu)中的基于AI的傳感器處理算法的生成。
作為物理世界和數(shù)字世界之間的接口,傳感器和換能器已經(jīng)從技術(shù)上的波瀾不驚轉(zhuǎn)變成為汽車安全、安防、醫(yī)療保健、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和人工智能(AI)等應(yīng)用賦能的前沿技術(shù)。因此,它們?cè)诔叽?、功耗和靈敏度等基本物理和電氣性能方面經(jīng)歷了革命性改變,同時(shí)引發(fā)了傳感器集成方面的新思想——范圍從傳感器融合到應(yīng)用在類似霧計(jì)算的架構(gòu)中的基于AI的傳感器處理算法的生成。
這些創(chuàng)新背后的推手是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備小型化和低功耗的訴求,應(yīng)用包括:智能消費(fèi)設(shè)備、可穿戴設(shè)備和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)以及圍繞自動(dòng)駕駛汽車、無(wú)人機(jī)、安全系統(tǒng)、機(jī)器人和環(huán)境監(jiān)測(cè)等的激動(dòng)人心的發(fā)展。市場(chǎng)研究咨詢公司MarketsandMarkets預(yù)測(cè),智能傳感器市場(chǎng)(包括一定程度的信號(hào)處理和連接能力)總共將從2015年的185.8億美元增長(zhǎng)到2022年的577.7億美元,相當(dāng)于18.1%的復(fù)合年均增長(zhǎng)率(CAGR)。
最近,許多傳感器及其背后的創(chuàng)新令人興奮。博世傳感器(BST)最近直切設(shè)計(jì)師所需要的核心功能,推出了面向可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的低功耗加速度計(jì),以及面向無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的高性能慣性測(cè)量單元。
博世傳感器的這兩款器件均基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)——該技術(shù)自20世紀(jì)90年代首次用于安全氣囊以來(lái),已歷經(jīng)長(zhǎng)期發(fā)展。從那以后,它至少經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段——迅速進(jìn)入消費(fèi)電子和游戲、智能手機(jī)領(lǐng)域,現(xiàn)在該產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)階段。這就是博世傳感器全球業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Marcellino Gemelli所說(shuō)的“第三次浪潮”。
這兩款器件瞄準(zhǔn)的就是這第三次浪潮。BMA400加速度計(jì)與以前器件的尺寸相同,均為2.0mm×2.0mm,但功耗僅為十分之一。這個(gè)特性非常關(guān)鍵。
據(jù)Gemelli稱,BMA400設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為降低功耗從零開(kāi)始設(shè)計(jì)了這款器件,為此需要考慮實(shí)際應(yīng)用。他們很快發(fā)現(xiàn),典型的加速度計(jì)所用的2kHz采樣速率,對(duì)于計(jì)步器和安全系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)來(lái)說(shuō)并不必要。意識(shí)到這點(diǎn),該團(tuán)隊(duì)將采樣率降低到800Hz。隨著MEMS傳感器和相關(guān)ASIC設(shè)計(jì)的其他更有針對(duì)性的改變,現(xiàn)在當(dāng)事件發(fā)生、BMA400向主微控制器(MCU)發(fā)送中斷信號(hào)時(shí)功耗僅為1μA,而典型指標(biāo)是10μA。
BST的另一款物聯(lián)網(wǎng)MEMS器件BMI088,是一款為無(wú)人機(jī)和其他易振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的慣性測(cè)量單元(IMU),這些應(yīng)用對(duì)其既能抑制也能濾除和抵制系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲的能力感興趣。BMI088大小為3.0mm x 4.5mm(圖1),其加速度計(jì)測(cè)量范圍為±3g至±24g、陀螺儀的測(cè)量范圍為±125°/s至±2,000°/s。
圖1:BMI088 IMU可減少和濾除從無(wú)人機(jī)到洗衣機(jī)等各種應(yīng)用場(chǎng)合的振動(dòng)。
據(jù)Gemelli的說(shuō)法,BMI088設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最初通過(guò)使用不同的膠水配方將MEMS傳感器固定在基板上來(lái)抑制振動(dòng),“但還不止這些,這個(gè)方法更加全面。如果傳感器產(chǎn)生無(wú)用數(shù)據(jù),對(duì)任何人都沒(méi)好處。”考慮到這點(diǎn),該團(tuán)隊(duì)還修改了傳感器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行在ASIC上用于理解信號(hào)的軟件。
然而,另一個(gè)關(guān)乎穩(wěn)定性的關(guān)鍵特性是溫度偏移系數(shù)(TCO),其被指定為15mdps/°K。其他主要特性包括在最寬±24g的測(cè)量范圍內(nèi),偏置穩(wěn)定度小于2°/h、頻譜噪聲為230μg/√Hz。
MEMS揚(yáng)聲器登場(chǎng)
雖然傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集工具備受關(guān)注,但換能器并未成為眾人關(guān)注的焦點(diǎn)。不過(guò),通過(guò)與意法半導(dǎo)體(ST)合作,USound正在改變這種情況,最近它宣布推出了首款基于MEMS的高級(jí)微型揚(yáng)聲器(圖2)。
圖2:來(lái)自USound和意法半導(dǎo)體的微型揚(yáng)聲器,采用小體積、高效率、基于MEMS的技術(shù)(熱損耗可忽略不計(jì))取代大體積、高損耗的機(jī)電驅(qū)動(dòng)器。
微型揚(yáng)聲器采用了ST的薄膜壓電換能器(PεTra)技術(shù)和USound的揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)專利概念。這些器件不需要機(jī)電驅(qū)動(dòng)器,因此也就避免了其相關(guān)的尺寸和低效率之傷——這種驅(qū)動(dòng)器的大部分能量以線圈發(fā)熱的形式耗散掉了。
與此相對(duì),這款微型揚(yáng)聲器采用了硅MEMS,預(yù)計(jì)將是世界上最薄的產(chǎn)品,重量只有傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的一半。設(shè)計(jì)應(yīng)用包括入耳式耳機(jī)、包耳式耳機(jī)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)(AR /VR)頭盔。其不僅體積小,功耗也更低,且發(fā)熱可忽略不計(jì)(見(jiàn)圖2)。
但是,由于體積小,在聲壓級(jí)方面會(huì)不可避免地打折,因此意法半導(dǎo)體提供了一張MEMS揚(yáng)聲器與參考的平衡電樞式揚(yáng)聲器的對(duì)比圖表,顯示前者具有1kHz的平坦響應(yīng)(圖3)。
圖3:USound的微型揚(yáng)聲器(Moon)采用意法半導(dǎo)體的薄膜壓電換能器(PεTra)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)平坦聲壓級(jí)響應(yīng)達(dá)1kHz的MEMS揚(yáng)聲器。BA=平衡電樞。
Chirp將換能器化身傳感器
設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)多種方式將接近和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)集成到其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)檢測(cè)或用戶界面,或者兩者兼有。超聲波已成為多年選擇,聲納就是個(gè)好例子。然而,Chirp Microsystems公司通過(guò)推出CH-101和CH-201超聲波傳感器,將基于聲波的檢測(cè)引入到物聯(lián)網(wǎng)。
利用180°的寬范圍超聲散射,該傳感器使用揚(yáng)聲器(換能器)產(chǎn)生超聲波,然后計(jì)算返回到拾取麥克風(fēng)(傳感器)所花的時(shí)間以確定距離。除了寬散射外,該超聲波的優(yōu)勢(shì)在于低功耗(等待模式下為15µW)、低成本和小體積(可小至1mm)。
除了距離和接近檢測(cè)外,設(shè)計(jì)師還可以利用Chirp Microsystems正在申請(qǐng)專利的基于機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的手勢(shì)分類庫(kù)(GCL),開(kāi)發(fā)基于手勢(shì)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接口。然而,對(duì)于手勢(shì)檢測(cè),至少需要3個(gè)傳感器以及Chirp的IC和三邊測(cè)量算法來(lái)確定手在三維空間中的位置、方向和速度。
該器件結(jié)合了手勢(shì)、在場(chǎng)、距離和動(dòng)作檢測(cè)與低成本、低功耗和小尺寸(3.5mm×3.5mm,包括處理器)等優(yōu)勢(shì),提供簡(jiǎn)單的I2C串行輸出,整個(gè)器件完全工作在1.8V。
LiDAR和攝像頭的傳感器融合
不久前有段時(shí)間,人們認(rèn)為激光雷達(dá)(LiDAR,激光檢測(cè)及測(cè)距)本身即是自動(dòng)駕駛汽車的發(fā)展方向。最近,我們已經(jīng)明晰,即使LiDAR性能獲得顯著提高,安全性需要也要求使用多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速、精確和智能的環(huán)境檢測(cè)??紤]到這一點(diǎn),AEye公司開(kāi)發(fā)了智能檢測(cè)及測(cè)距(iDAR)技術(shù)。
iDAR是一種增強(qiáng)型LiDAR,它將2D配置攝像頭像素疊加到3D體素上,然后使用其專有軟件對(duì)每個(gè)幀內(nèi)的這兩種像素進(jìn)行分析。此舉通過(guò)使用攝像頭覆蓋來(lái)檢測(cè)諸如顏色和標(biāo)志的特征,來(lái)克服LiDAR的視敏度限制。然后它可以關(guān)注感興趣的對(duì)象(圖4)。
圖4:AEye的iDAR技術(shù)將2D攝像頭像素疊加到LiDAR 3D體素上,因此可以識(shí)別特別感興趣的對(duì)象并將其展現(xiàn)出來(lái)。
雖然AEye的技術(shù)是數(shù)據(jù)和處理密集型的,但它確實(shí)允許動(dòng)態(tài)配置資源,根據(jù)速度和位置等參數(shù)來(lái)自定義數(shù)據(jù)收集和分析。
將傳感器與AI和霧計(jì)算相融合
據(jù)博世傳感器的Gemelli介紹,下一步是重新思考該如何設(shè)計(jì)和應(yīng)用傳感器。Gemelli并不是說(shuō)要從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)傳感器及其相關(guān)算法,而是建議現(xiàn)在就開(kāi)始應(yīng)用AI技術(shù),根據(jù)對(duì)隨時(shí)間采集到的數(shù)據(jù)和應(yīng)用進(jìn)行分析,自動(dòng)生成傳感器使用的新算法。例如,一套不同的傳感器可以很好地執(zhí)行特定功能,但是通過(guò)AI監(jiān)控,我們可能發(fā)現(xiàn),這些傳感器可以用來(lái)跟蹤我們從未打算將其用于檢測(cè)的參數(shù),或者它們的使用效率也可以提高。
Gemelli表示,這個(gè)概念越來(lái)越受青睞。它也與霧計(jì)算架構(gòu)相吻合——該架構(gòu)的目標(biāo)是盡可能減小傳感器與云之間必須傳遞的數(shù)據(jù)量。相反,通過(guò)應(yīng)用AI,傳感器本身可以進(jìn)行更多處理,隨著時(shí)間的推移,其僅在需要時(shí)才會(huì)去使用較大的網(wǎng)絡(luò)和云。
本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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