單芯片技術(shù)與傳感器融合技術(shù)的整合推動Sensor 3.0變革

說到運(yùn)動傳感器，大家肯定和我一樣，首先想到的就是智能手環(huán)、智能手表這類目前主要功能仍是計(jì)步的產(chǎn)品，但是如果只能想到這些的話，就略顯小low了。作為如今遍布智能手機(jī)、可穿戴、工業(yè)控制、城市交通、醫(yī)療健康等各個領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)品之一，你生活中應(yīng)用到的手機(jī)、平板，乃至共享單車等電子產(chǎn)品，都有配備運(yùn)動傳感器。

而作為目前高度集成的電子產(chǎn)品，又對各個功能模塊有多功能、小型化、低功耗、低成本等諸多要求，而對于經(jīng)常應(yīng)用到陀螺儀、加速度、溫度及壓力等傳感器的工程師，如何在設(shè)計(jì)中正確配置自己設(shè)計(jì)方案中的各功能模塊，如何正確解讀各模塊的器件參數(shù)就決定了你設(shè)計(jì)方案究竟是會成為經(jīng)典還是備選。

多芯片模塊

在當(dāng)下電子產(chǎn)品的高集成度趨勢下，為解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問題，把多個高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多層互聯(lián)基板上用SMD技術(shù)組成各種電子模塊，從而出現(xiàn)多芯片模塊（Multi Chip Model，MCM）。

MCM是將多個裸芯片直接安裝在單個載體或基板上，再通過高導(dǎo)電金屬將裸芯片之間連接起來，最后用鑄塑或陶瓷包封技術(shù)封裝成一個模塊。簡單來說，MCM就是將多個芯片集成在一個封裝中。較多個單芯片封裝后再在PCB板上連接起來而言，由于MCM在一個模塊中含有多個芯片，不僅提高封裝密度，還由于多個芯片之間的間距減小，布線密度提高，以至整個模塊的性能以及可靠性都有明顯提高。

單芯片技術(shù)

單芯片技術(shù)是mCube（矽立科技）在MCM的基礎(chǔ)上，將多個裸片整合在單個芯片上的技術(shù)。

圖1 單芯片技術(shù)平臺

如圖1所示為單芯片技術(shù)平臺。其中整個芯片結(jié)構(gòu)的下半部分是一個CMOS數(shù)字芯片及灰色的電極，上部則為MEMS結(jié)構(gòu)。在運(yùn)動過程中，檢測質(zhì)量塊（proof mass）會發(fā)生晃動，這時就會影響到質(zhì)量塊與周邊環(huán)境的電容，而電容的變化被采集后會轉(zhuǎn)換成（x,y,z）三個方向的加速度，從而通過這一原理可以將該技術(shù)平臺用于設(shè)計(jì)加速度傳感器、陀螺儀等。

單芯片技術(shù)平臺可以將MEMS和CMOS合二為一，將一顆芯片做得更小、功耗更低、指標(biāo)更好，同時還可以通過這一平臺整合不同的傳感器。例如，可以將CMOS部分做得大一些，上面則可以加入諸如加速度、陀螺儀、壓力、溫度等多個不同的MEMS架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)裸片級別的芯片整合。單芯片技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在體積更小，功耗更低，芯片外部引腳更少，從而降低了設(shè)計(jì)難度和成本，提高了產(chǎn)品的可靠性和產(chǎn)率。

傳感器融合技術(shù)

MSIF（Multi-sensorInformation Fusion，多傳感器信息融合技術(shù)）是一種對多種信息的獲取、表示及其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將來自多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)，在一定的準(zhǔn)則下加以自動分析和綜合，以完成所需要的預(yù)測和決策而進(jìn)行的信息處理過程。

圖2 傳感器融合技術(shù)

MSIF可以說與MCM有異曲同工之處，因?yàn)樗麄兌际菫榱私鉀Q單一傳感器功能有限的問題。同時也大有不同，至于不同之處則是MCM是通過改變硬件結(jié)構(gòu)完成多傳感器功能集成，而MSIF則是通過軟件實(shí)現(xiàn)多個傳感器之間的信息互補(bǔ)和優(yōu)化組合。

Xsens是MSIF技術(shù)做得很好的一個公司，其主要擅長領(lǐng)域是工業(yè)應(yīng)用和動作捕捉，而在動作捕捉方面，其運(yùn)用傳感器進(jìn)行動作捕捉比運(yùn)用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動捕捉能力還要強(qiáng)，而由于通過傳感器技術(shù)進(jìn)行動作捕捉又比用攝像技術(shù)便宜10倍以上，因而其在動作捕捉方面優(yōu)勢很大。

動作捕捉應(yīng)用

運(yùn)動傳感器在動作捕捉方面的應(yīng)用已經(jīng)有很多，例如拍視頻、MV，甚至好萊塢大片中很多比較震撼的場景都會用到運(yùn)動傳感器制成的衣服或設(shè)備做動作中。如圖4所示，電影的演員穿著衣服動作，他的動作被捕捉下來后可以放在熊的身上。

圖3 視頻制作中的動作捕捉

另外一個應(yīng)用是在運(yùn)動員康復(fù)診斷中的應(yīng)用。以職業(yè)球隊(duì)為例，職業(yè)球隊(duì)最主要的資產(chǎn)就是球員的健康，球員受傷后，隊(duì)醫(yī)就不會再讓他們上場，如果球員因?yàn)閹蠄鲆鸶鼑?yán)重的傷害，近而毀掉整個賽季，就是很嚴(yán)重的損失。但是球員想打球，會對自己的傷勢恢復(fù)情況進(jìn)行隱瞞或誤判，穿上這樣的衣服可以判斷出身體是否容易受傷及是否已經(jīng)康復(fù)等參數(shù)指標(biāo)。

圖4 運(yùn)動傳感器在康復(fù)球員康復(fù)診斷中的應(yīng)用

mCube（矽立科技）收購Xsens

圖5 mCube（矽立科技）收購Xsens

以小體積、低功耗運(yùn)動傳感器著稱的mCube（矽立科技）于2017年11月9日收購了專注3D運(yùn)動追蹤技術(shù)和產(chǎn)品的Xsens。這一收購也將會使得mCube（矽立科技）的單芯片技術(shù)于Xsens的傳感器融合技術(shù)得到整合，從而推動Sensor 3.0的進(jìn)一步變革和發(fā)展。mCube(矽立科技)總裁王瀚青博士表示，mCube(矽立科技)和Xsens的結(jié)合是將好的硬件和好的軟件融合在一起，是將高性能和低成本的結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)高性價比。

實(shí)際上，整個IoT領(lǐng)域就像是一個連續(xù)性的光譜，從便宜的消費(fèi)類設(shè)備到很貴的軍用級設(shè)備是一個很寬的光譜，隨著價格越低，需求量越大。而在每一個價格點(diǎn)上都強(qiáng)調(diào)這個價格點(diǎn)上的性價比，王瀚青博士稱，mCube（矽立科技）收購Xsens后可以填補(bǔ)各個頻道上的空白，使整個市場變大。另外，對于Xsens來說，如果不會將成本做的更低，量產(chǎn)做得更大的話，他們的發(fā)展是很有限的，一旦他們知道如何將一千塊錢的產(chǎn)品做到兩百塊，將兩百塊的產(chǎn)品做到五十塊，他們的市場將會成數(shù)量級地增長。例如動作捕捉產(chǎn)品在球隊(duì)上的應(yīng)用，mCube（矽立科技）收購Xsens后，將不僅會做職業(yè)球隊(duì)的市場，還可以下潛到高中及大學(xué)的市場，而這將會是一個更大的市場。