數(shù)字傳感器：新興的應(yīng)用

摘要：伴隨著技術(shù)的成熟和進(jìn)步，在不久的將來(lái)數(shù)字傳感器對(duì)電子市場(chǎng)具有重要的推動(dòng)作用，數(shù)字傳感器衍生出諸多新的應(yīng)用領(lǐng)域，并且?guī)?dòng)數(shù)字傳感器技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字傳感器；MEMES；圖像傳感器；生物識(shí)別

　　“靈敏傳感器”(smart sensor)或“數(shù)字傳感器”(digital sensor)指的是高級(jí)傳感器，它包括調(diào)節(jié)和處理信號(hào)的電路及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊的界面。它們通常以模塊（modules）形式制成，包含一個(gè)傳感器、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、一個(gè)DSC（數(shù)字信號(hào)控制器）或一個(gè)ASIC（特定用途集成電路）；另外也有以系統(tǒng)封裝（System in Package）或系統(tǒng)芯片(System on Chip)的方式制成。在微處理器和傳感器變得越來(lái)越便宜的今天，全自動(dòng)或半自動(dòng)（通過人工指令進(jìn)行高層次操作，自動(dòng)處理低層次操作）系統(tǒng)可以包含更多智能性功能，能從其環(huán)境中獲得并處理更多不同的參數(shù)。尤其是MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，它使數(shù)字傳感器的體積非常微小并且能耗與成本也很低。以納米碳管或其它納米材料制成的納米傳感器同樣具有巨大的潛力。市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)NanoMarkets LC 估計(jì)在2008年，納米傳感器在全球的市場(chǎng)將達(dá)到二百八十萬(wàn)美金，到2012年會(huì)增至一千七百二十萬(wàn)美金。


圖1  在不久的將來(lái)，數(shù)字傳感器被認(rèn)為是電子市場(chǎng)的主力。

　　即使在萌芽階段，人們?nèi)匀徽J(rèn)為在不久的將來(lái)數(shù)字傳感器對(duì)電子市場(chǎng)具有重要的推動(dòng)作用。制作數(shù)字傳感器的接口以及支持用于數(shù)字傳感器網(wǎng)絡(luò)的形式多樣的通訊協(xié)議都是對(duì)技術(shù)工藝的巨大挑戰(zhàn)。傳感器的非均質(zhì)特性和其操作條件的多樣化也對(duì)技術(shù)工藝提出了巨大的挑戰(zhàn)。目前在全世界有超過3000家傳感器制造商正在運(yùn)作，Intechno 咨詢公司估計(jì)它們?cè)?008年的總銷售額將會(huì)超過500億美金。

　　數(shù)字傳感器不僅能夠感知所測(cè)量的物理參數(shù)，諸如位置、溫度、照度、壓力、電壓或電流等；它們還能處理接收到的信號(hào)并將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去。因此一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了傳感器本身，還包括信號(hào)獲取、處理、通訊及能耗管理等等的一整套電路系統(tǒng)。


圖2  越來(lái)越多的傳感器被整合到現(xiàn)代化汽車中。（來(lái)源：Strategy Analytics）

　　現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)所包含的傳感器和處理器越來(lái)越多。隨著傳感器和處理器價(jià)格的不斷降低，取代機(jī)械控制結(jié)構(gòu)的閾值也在不斷變化。在系統(tǒng)中選擇正確的傳感器組合和處理算法可以顯著地降低原材料及能耗的費(fèi)用并提高系統(tǒng)的總體性能。目前，不斷提高操作的簡(jiǎn)化程度和延長(zhǎng)能源的使用壽命變得越來(lái)越重要，尤其是如今越來(lái)越多的傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)輒就配置1000或更多的傳感器節(jié)點(diǎn)。

數(shù)字傳感器：在汽車中的幾例應(yīng)用

　　傳感器越來(lái)越多地被應(yīng)用到許多領(lǐng)域，包括軍事、汽車、工業(yè)、醫(yī)藥、家居的安全與警戒、環(huán)境監(jiān)測(cè)等等，甚至被應(yīng)用到消費(fèi)領(lǐng)域。在大型家用電器尤其是洗衣機(jī)和冰箱中，集成傳感器的使用顯著增長(zhǎng)。

　　傳感器技術(shù)在現(xiàn)代汽車的重大改進(jìn)中起到了主要作用?？勾判裕ň艽牛﹤鞲衅鳎∕agnetoresistive? sensors）在汽車中用于決定機(jī)械系統(tǒng)的角度、速度或位置，汽車的防滑系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的控制需要這些數(shù)據(jù)。在汽車中還有其它各種各樣的傳感器，像雷達(dá)、紅外線、視頻、慣性和超聲傳感器等等，它們的設(shè)計(jì)是以防鎖煞車系統(tǒng)（antilock braking）、可遙控自動(dòng)駕駛儀、電壓穩(wěn)壓控制器（electronic-stability control）、換道并線及盲點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)、牽引控制、防撞系統(tǒng)以及氣囊調(diào)節(jié)等等為目標(biāo)的。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)是一個(gè)富含傳感器的系統(tǒng)。除了監(jiān)控司機(jī)與踏板之間的接觸狀況，此系統(tǒng)還測(cè)量許多變量，諸如系統(tǒng)中的空氣、燃料和尾氣的溫度、壓力以及化學(xué)成分等，并綜合所有這些信息，以便優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率、燃料效率、排放性能、傳動(dòng)經(jīng)驗(yàn)甚至是適應(yīng)不同的燃料類型。


圖3  汽車發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)是傳感器分支系統(tǒng)的一個(gè)代表。

數(shù)字傳感器的新興標(biāo)準(zhǔn)

　　如今傳感器網(wǎng)絡(luò)使用多種技術(shù)來(lái)為不同的工業(yè)服務(wù)。用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種專屬協(xié)議的數(shù)量激增。這就需要在傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入綜合翻譯途徑，它是一個(gè)復(fù)雜而又昂貴的體系。因此人們需要更大程度的標(biāo)準(zhǔn)化。

　　工程任務(wù)組（The Internet Engineering Task Force－IETF）正在為以藍(lán)牙、Wi-Fi和802.15.4網(wǎng)等為基礎(chǔ)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開列一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，以便能將傳感器節(jié)點(diǎn)連接到更寬廣的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上。IETF的目標(biāo)是在傳感器之間建立一種通訊方式，這種通訊方式不需要專屬的翻譯途徑。這項(xiàng)協(xié)議將在2009年六月制定出臺(tái)。由IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的1451委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)于上世紀(jì)90年代中期被引入，它為連接在網(wǎng)絡(luò)中的變換器（傳感器和執(zhí)行器）之間提供了一個(gè)通用而且完全透明的界面。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系包含不同的子體系：IEEE P1451.0定義了物理層面的必備條件，通訊協(xié)議和基本功能；IEEE1451.1控制信息在網(wǎng)絡(luò)上的獲取和發(fā)送；IEEE1451.2處理有線網(wǎng)絡(luò)的界面事宜，與RS－233、ES－485和USB等標(biāo)準(zhǔn)兼容；IEEE1451.3啟動(dòng)處在多分支網(wǎng)絡(luò)中的傳感器的運(yùn)行；于2003年通過的IEEE P1451.4規(guī)定與數(shù)字傳感器相關(guān)的數(shù)據(jù)（像傳感器的類別、型號(hào)、操作參數(shù)以及位置等）必須能夠以電子數(shù)據(jù)表的格式從整合在傳感器中的EEPROM（電可擦除只讀存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)器中讀取，這種數(shù)據(jù)表被稱為變換器電子數(shù)據(jù)表（TEDS－Transducer Electronic Data Sheet)。IEEE P1451.4標(biāo)準(zhǔn)極大地簡(jiǎn)化了傳感器的布線以及更換故障傳感器的問題。 它同時(shí)也免除了傳感器在設(shè)置和校準(zhǔn)方面的人工干預(yù)，這種干預(yù)即費(fèi)時(shí)又易出錯(cuò)。這樣傳感器就成了即插即用的裝置。在國(guó)家儀器網(wǎng)站（National Instruments’ web site）中有一個(gè)有效TEDS的數(shù)據(jù)庫(kù)，它包括了可以在IEEE P1451網(wǎng)絡(luò)中使用的各種老式的或沒有EEPROM的傳感器的專門資料。IEEE 1451.5標(biāo)準(zhǔn)仍在審核階段，它規(guī)定的是將TEDS連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的必要條件，如與802.11、藍(lán)牙或ZigBee等的連接。最近又提出了IEEE 1451.6標(biāo)準(zhǔn)議案，它定義TEDS和CAN總線的接口。


圖4  IEEE P1451標(biāo)準(zhǔn)的制定為連接在網(wǎng)絡(luò)上的變換器（傳感器和執(zhí)行器）之間提供了一個(gè)通用且完全透明的界面。

無(wú)線數(shù)字傳感器

　　幾十億的有線傳感器被廣泛地用于電子系統(tǒng)中，從簡(jiǎn)單的熱電偶到更復(fù)雜的專用系統(tǒng)。它們被用于測(cè)量和監(jiān)控物理參數(shù)。許多工程師正在考慮改用無(wú)線傳感器，因?yàn)樗鼈兙哂幸恍╋@著的優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格低廉、適應(yīng)性好，即使在不良環(huán)境中也易于安裝和使用。根據(jù)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)Cahners Instat的估計(jì)，到2010年，將有超過1600億個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被賣出。

　　傳感器的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將在一定區(qū)域內(nèi)分布的各種傳感器連接在一起并結(jié)合智能電路進(jìn)行信號(hào)處理和數(shù)據(jù)傳輸。其可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括軍事、環(huán)境及道路交通的監(jiān)控、安全與警戒、家庭與工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)和汽車。在工業(yè)環(huán)境中，建立一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用有80%花在布線上，而且建立這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有時(shí)是不現(xiàn)實(shí)甚至是不可能的。在汽車方面，傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用是用于遙控開鎖系統(tǒng)（RKE－Remote Keyless Entry Systems），以無(wú)線代替了CAN總線，這樣做大大節(jié)省了成本及空間，去除了昂貴而粗大的電纜。根據(jù)Cahners Instat最近的預(yù)測(cè)，到2010年將有超過1600億個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被賣出；而且建立包含一萬(wàn)至十萬(wàn)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)也是非?？赡艿氖?。這樣，可測(cè)量性成為了一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。此外，傳感器必須可以現(xiàn)場(chǎng)編程和自行設(shè)置；網(wǎng)絡(luò)必須能夠在有一個(gè)或多個(gè)故障傳感器存在的情況下正常運(yùn)行。另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是能耗，因?yàn)闊o(wú)線傳感器也可能被設(shè)置在偏遠(yuǎn)地區(qū)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面，一個(gè)非常有前途的無(wú)線技術(shù)是ZigBee，它是按照IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的，能確保低能耗和低成本。ZigBee 聯(lián)盟的發(fā)起公司有深圳的華威科技、Ember、Freescale、Philips、STMicroelectronics、Texas Instruments、Samsung 和Siemens。West Technology，一個(gè)定向于無(wú)線電技術(shù)市場(chǎng)調(diào)查的公司預(yù)測(cè)，利用ZigBee 技術(shù)制作的符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的傳感器芯片組的銷售量將從今年的三千一百萬(wàn)組上升至2012年的三億一千二百萬(wàn)組，其增長(zhǎng)為稍高于100%的復(fù)合比。其它應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線技術(shù)還有由Cypress Semiconductor推出的無(wú)線－USB；以及z-Wave，一種由Zensys公司研發(fā)的技術(shù)，有超過160家公司組成了一個(gè)z-Wave 聯(lián)盟來(lái)共同推廣這一技術(shù)。


圖5  MEMS加速計(jì)將成為便攜式用戶（消費(fèi)）設(shè)備中許多高級(jí)界面的啟動(dòng)器。（來(lái)源：Sensor Platform）

無(wú)線傳感器：新興的用途

　　應(yīng)用于住宅方面的傳感器在全球具有60億個(gè)節(jié)點(diǎn)的潛在市場(chǎng)，用于以無(wú)線傳感器為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)，它是無(wú)線傳感器用途的一個(gè)重要體現(xiàn)。到2012年，用于智能住宅（smart house）的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)有價(jià)值二十八億美金的全球市場(chǎng)；相比較而言，其在2007年的市場(chǎng)只有四億七千萬(wàn)美金。傳感器最被看好的用途有照明控制、節(jié)能系統(tǒng)、保安模塊、娛樂系統(tǒng)和遠(yuǎn)程就醫(yī)（telemedicine）。無(wú)線傳感器比有線傳感器更易安裝并且免除了昂貴而粗大的電纜。這種優(yōu)勢(shì)在工業(yè)領(lǐng)域尤為重要，電纜在其傳感器網(wǎng)絡(luò)安裝費(fèi)用中占80%。無(wú)線傳感器在惡劣環(huán)境中使用具有優(yōu)勢(shì)，在這些環(huán)境中傳感器要經(jīng)得起震動(dòng)、高溫和電子噪聲甚至是爆炸性氣體。在如此惡劣的環(huán)境中安裝有線傳感器是不現(xiàn)實(shí)、昂貴甚或是不可能的。過去阻礙無(wú)線傳感器在工業(yè)領(lǐng)域中使用的原因是保安問題以及工廠中不同無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)之間可能存在的干擾問題。無(wú)線傳感器在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以作為參照來(lái)解決其在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用所遇到的這些問題。例如，解碼技術(shù)被用來(lái)保護(hù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拒絕非法訪問。

　　無(wú)線傳感器應(yīng)用的另一個(gè)強(qiáng)勢(shì)領(lǐng)域是由汽車氣體力學(xué)中的輪胎壓力傳感器產(chǎn)生的。根據(jù)2001年頒發(fā)的一項(xiàng)法律，美國(guó)強(qiáng)制性要求每一種新款汽車都必須配備這種輪胎壓力傳感器。The Yole Développement，一家法國(guó)市場(chǎng)分析公司預(yù)計(jì)，到2012年這種傳感器的市場(chǎng)將達(dá)到1830億美金，相對(duì)于2007年的一億六千八百萬(wàn)美金，由于價(jià)格不斷下跌的緣故其復(fù)合增長(zhǎng)率僅為2%。從銷售量的角度分析，德國(guó)的Wicht Technologie公司預(yù)計(jì)，在市場(chǎng)上此類無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量將會(huì)由2011年的十萬(wàn)組增加到2015年的超過六千萬(wàn)組。如果類似美國(guó)的輪胎壓力傳感器法也在歐洲和亞洲通過的話，到2012年其市場(chǎng)可能會(huì)超過三億美金。


圖6  許多產(chǎn)品公司正在開發(fā)具有經(jīng)濟(jì)效益的解決方案以及小型化MEMS傳感器技術(shù)，這些技術(shù)據(jù)稱可以很經(jīng)濟(jì)地將運(yùn)動(dòng)感應(yīng)功能加入到手機(jī)和消費(fèi)產(chǎn)品中。（來(lái)源：STMicroelectronics）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的必備條件

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分是數(shù)字傳感器。無(wú)線傳感器的主要必備條件是一個(gè)被降低的波形因數(shù)、低能耗以及有效工作范圍，其有效工作范圍與所發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度和能耗均成正比的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須具備高效性、可靠性和可縮放性，它們還應(yīng)該能支持?jǐn)?shù)量眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)（10,000 – 100,000個(gè)）。其另一個(gè)必要條件是極低的維修需求。無(wú)線傳感器通常都安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，人工介入，即使是像更換電池這樣簡(jiǎn)單的事也是很困難和昂貴的。因此無(wú)線傳感器的能耗一定要極其低，以使其在一個(gè)電池更換周期內(nèi)可以運(yùn)行幾個(gè)月甚至幾年。基于這些原因，人們已經(jīng)研發(fā)出了幾種不需要電池的解決方案。它們以能量搜集技術(shù)為基礎(chǔ)，可以從環(huán)境中汲取運(yùn)行所需要的能量。它們通常能利用太陽(yáng)能、熱能或振動(dòng)所帶來(lái)的能量。再有，傳感器必須能夠現(xiàn)場(chǎng)編程和自我設(shè)置；即使在有一個(gè)或多個(gè)故障傳感器存在的情況下，網(wǎng)絡(luò)也能正常運(yùn)行。信號(hào)發(fā)送率通常不是問題，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)應(yīng)用中，傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不是很大，能以非連續(xù)方式來(lái)發(fā)送。


圖7  在汽車領(lǐng)域，MEMS被用于導(dǎo)航和信息娛樂設(shè)備中。

數(shù)字微粒（smart dust）

　　微粒是放置在集成度非常高的驅(qū)動(dòng)器和功能部件中的微型數(shù)字傳感器，用于收集和分析信息以及管理靜態(tài)存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器。它的特性是能耗極低并支持近距離無(wú)線電通信。人們通常把它們與“無(wú)所不在的計(jì)算”和“數(shù)字微粒”等名稱相提并論。這項(xiàng)技術(shù)是在1997年由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)的。它的應(yīng)用領(lǐng)域包括軍事、保安、家居自動(dòng)化、工業(yè)控制、建筑控制、汽車網(wǎng)絡(luò)（automotive networks）、醫(yī)療系統(tǒng)以及智能型消費(fèi)電器等。目前，一個(gè)數(shù)字微粒的價(jià)格大約為100美金，并需要體積大壽命卻比較短的電池來(lái)供電。不過其研究者說，在五年內(nèi)它們的單價(jià)會(huì)被降到10美金以下。通過能量搜集技術(shù)，微粒也將能利用太陽(yáng)能或動(dòng)能自行供電。

　　這些微型數(shù)字傳感器已經(jīng)被用于商品電器中。伯克利大學(xué)正在與Intel合作研制傳感器平臺(tái)，使之與XScale處理器結(jié)合以保證電池壽命超過一年。數(shù)字微粒傳感器的主要制造商是總部設(shè)在加州的Crossbow公司。根據(jù)市場(chǎng)分析家的預(yù)測(cè)，到2008年底，微粒的銷售量將會(huì)超過2億個(gè)。


圖8  許多公司開始將生物測(cè)定傳感器納入現(xiàn)有的保安基礎(chǔ)設(shè)施中。

微型機(jī)電傳感器正在占領(lǐng)陣地

　　我們每天都在不知不覺中與微型機(jī)電傳感器（MEMS－micromechanical sensor）打交道：壓力、臨近與運(yùn)動(dòng)傳感器（proximity and movement sensor）、陀螺儀、加速計(jì)、麥克風(fēng)和壓電裝置等等?，F(xiàn)如今，MEMS技術(shù)在以下四個(gè)領(lǐng)域取得了商業(yè)性的成功：用于氣囊控制的加速計(jì)；用于監(jiān)測(cè)汽車耗油量的壓力傳感器；噴墨打印機(jī)頭和用于投影顯示的反射鏡。根據(jù)iSuppli的預(yù)測(cè)，微型機(jī)電傳感器的全球市場(chǎng)將會(huì)由2006年的61億美金增長(zhǎng)到2012年的88億美金。到2012年為止，MEMS儀器的單位出貨量的年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為6.4%，其同期年銷售額的復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為5.5%。雖然產(chǎn)品總需求量的增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，但某些單項(xiàng)產(chǎn)品的市場(chǎng)卻成長(zhǎng)得非常迅速；例如，iSuppli預(yù)言手機(jī)的平均復(fù)合增長(zhǎng)率將為22.9％，到2012年，僅此一項(xiàng)產(chǎn)品的市場(chǎng)將達(dá)到九億二千五百萬(wàn)美金。事實(shí)上MEMS傳感器正在越來(lái)越多地被用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。MEMS肯定會(huì)被大量地應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中，最大的MEMS制造商們都把賭注押在了這塊市場(chǎng)上。STMicroelectronics公司MEMS事業(yè)部門的總監(jiān)Benedetto Vigna認(rèn)為，MEMS技術(shù)的用戶化將為此項(xiàng)技術(shù)開辟新的領(lǐng)域，它也將會(huì)受到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主體配置的影響。MEMS傳感器也可以被整合到游戲控制器中，使它們能夠在便攜式終端上跟蹤操縱者手部的運(yùn)動(dòng)，并以此來(lái)調(diào)節(jié)顯示屏上的畫面變化或進(jìn)行目錄瀏覽。

　　市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)iSuppli認(rèn)為，移動(dòng)傳感器(motion sensors)將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳感器成為MEMS市場(chǎng)的主要推動(dòng)力，至少在2012年之前會(huì)是這樣。尤其是加速計(jì)(accelerometer)，它在便攜式消費(fèi)電器中將被用來(lái)啟動(dòng)一系列高級(jí)界面功能。傳感器在消費(fèi)電器中的應(yīng)用正在迅速飆升，像用于游戲、筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)中的移動(dòng)傳感器就是實(shí)例。雖然以傳感器為基礎(chǔ)的微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS－microelectromechanical systems）的價(jià)格已經(jīng)在迅速下降，它們還是太昂貴而不能被用在一些對(duì)價(jià)格敏感的消費(fèi)產(chǎn)品中。

　　自從MEMS加速計(jì)被用在Wii和蘋果牌iPhone中后，它們?cè)谙M(fèi)市場(chǎng)中得到越來(lái)越多的關(guān)注。像Analo Devices 和STMicroelectronics 等MEMS加速計(jì)廠商都在其MEMS產(chǎn)品的銷售上取得了巨大成功，這些產(chǎn)品全是為Wii 控制器和iPhone設(shè)計(jì)的。ABI Research 公司強(qiáng)調(diào)，為了打進(jìn)一個(gè)主體市場(chǎng)，傳感器的單位價(jià)格必須低于一美元。

　　產(chǎn)品制造商們正在研發(fā)低成本解決方案，據(jù)說用于手機(jī)和其它消費(fèi)電器的微型化MEMS傳感器在保證移動(dòng)感應(yīng)功能的同時(shí)成本更為低廉。

　　STMicroelectronics公司去年推出了新一代高度壓縮的三軸線性加速計(jì)。LIS331系列的低能耗MEMS傳感器為消費(fèi)用電器及工業(yè)用電器提供了靈敏的內(nèi)嵌式微型移動(dòng)感應(yīng)解決方案。這些功能包括便攜和游戲裝置中的移動(dòng)用戶界面、用于保護(hù)硬盤數(shù)據(jù)的自由落體探測(cè)以及家用電器的震動(dòng)探測(cè)與補(bǔ)償。

　　Freescale Semiconductor 公司也完成了它的MEMS傳感器產(chǎn)品系列，推出了一個(gè)三軸數(shù)據(jù)輸出加速計(jì)。這個(gè)裝置免除了對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和外部存儲(chǔ)器的需要。MMA7450L裝置則能啟動(dòng)各種以移動(dòng)為基礎(chǔ)的功能，如在便攜式終端和用手指點(diǎn)擊操作的用戶界面中需要感知移動(dòng)、加速或減速，以便實(shí)施屏幕滾動(dòng)、游戲控制及硬盤自由落體保護(hù)等功能。Anolog Devices也推出了ADXL330三軸加速計(jì)的隨續(xù)產(chǎn)品，用于Wii的遙控。新加速計(jì)的功能有所改善，其中包括低能耗和低成本。

　　總部設(shè)在加利福尼亞的Sensor Platforms研制出了一種移動(dòng)感應(yīng)技術(shù)，它可以插入在設(shè)備中用于硬盤的自由空間指示、內(nèi)部巡視和震動(dòng)消除。本年度的下半年這個(gè)公司的此項(xiàng)產(chǎn)品將會(huì)面市。這類產(chǎn)品使用第三方供應(yīng)商所提供的低成本MEMS加速計(jì)、磁力計(jì)和GPS傳感器。Sensor Platforms聲稱研制出了一個(gè)自由空間指示器，它可以用AA電池來(lái)驅(qū)動(dòng)，并保證其總的材料成本低于10美元。

　　在汽車領(lǐng)域，MEMS用于麥克風(fēng)、加速計(jì)和MEMS陀螺儀，如導(dǎo)航儀、信息娛樂設(shè)備和駕駛員記錄儀等。這后幾種應(yīng)用被嵌入CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）照相機(jī)，它們可以登記在事故發(fā)生前幾秒鐘內(nèi)所發(fā)生的事件。STMicroelectronics 為日本和韓國(guó)的一些客戶研發(fā)了類似的解決方案。

　　市場(chǎng)研究公司Yole Développement認(rèn)為，在汽車市場(chǎng)中，陀螺儀、加速計(jì)和壓力傳感器是最重要的MEMS應(yīng)用項(xiàng)目。例如許多國(guó)家立法要求在汽車的氣囊和座椅中安裝壓力傳感器。到2011年為止，MEMS在運(yùn)輸領(lǐng)域的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以12.5%的速率增長(zhǎng)，銷售額將達(dá)到十三億五千萬(wàn)美金。

　　在汽車用MEMS的經(jīng)銷商中Bosch是第一名，其2007年的銷售額為四億三千萬(wàn)美金，其次是STMicroelectronics (三億二千萬(wàn)美金)，F(xiàn)reescale Semiconductor （二億三千五百萬(wàn)美金），Analog Devices (二億一千萬(wàn)美金)，Denso (一億七千六百萬(wàn)美金)，Infineon (由其分公司Sensonor帶來(lái)的一億三千萬(wàn)美金的年收入)，Delphi（一億一千六百萬(wàn)美金）和Continental AG(五千六百萬(wàn)美金)。

　　其它被認(rèn)為很具有前途的應(yīng)用是防盜系統(tǒng)和LBS（Location Based Services－定位服務(wù)）系統(tǒng)。其中包括定向廣告信息（以地區(qū)為基礎(chǔ)的廣告業(yè)）以及無(wú)線多人游戲，這種游戲可以把游戲參加者的地理位置考慮在內(nèi)。MEMS也是將GPS功能整合入手機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵裝置。GPS定位需要在高電流（約為50mM）下進(jìn)行；這種特性使其非常難于整合入像手機(jī)一類的便攜式終端，因?yàn)樵诖祟惤K端中一般都采用能耗優(yōu)化來(lái)延長(zhǎng)電池的使用壽命。與之相反的是MEMS陀螺儀和磁力傳感器所需的電流比GPS低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。一旦用戶的位置被確定下來(lái)，MEMS傳感器就可以代替GPS，因此可以在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中定期地短暫使用GPS來(lái)修正用戶的位置，以便糾正MEMS傳感器可能引起的誤差。

　　在家居自動(dòng)化中，MEMS傳感器可用于降低洗衣機(jī)等的水電消耗量。像自動(dòng)吸塵器和自動(dòng)割草機(jī)等小型家用電器會(huì)以適當(dāng)?shù)臄?shù)量打入市場(chǎng)，因?yàn)樗鼈兊哪芎男什皇呛芨?。MEMS傳感器另一些引人注目的應(yīng)用是在醫(yī)療領(lǐng)域，例如用于監(jiān)控患者的各種重要生理指標(biāo)，或用于對(duì)老年人進(jìn)行遠(yuǎn)程就醫(yī)等。


圖9  生物測(cè)定傳感器和讀出器經(jīng)常被用于像個(gè)人電腦、筆記本電腦、硬盤等大宗產(chǎn)品中，以防這些產(chǎn)品在被盜或丟失后其中的文件被非法用戶讀取。
　　
生行測(cè)定傳感器在保安方面的應(yīng)用

　　一些公司正在著手把生物測(cè)定傳感器納入其現(xiàn)有的保安基礎(chǔ)設(shè)施中。用于訪問授權(quán)控制（access control）的硬件與軟件銷售額高達(dá)四十億美金。國(guó)際生物測(cè)定集團(tuán)（International Biometric Group）預(yù)計(jì)到2009年，僅生物測(cè)定訪問授權(quán)控制系統(tǒng)一項(xiàng)將會(huì)占據(jù)整個(gè)生物測(cè)定系統(tǒng)市場(chǎng)的30%；到2010年，銷售額將達(dá)到五十七億美金。含有多種生物測(cè)定傳感技術(shù)的綜合生物測(cè)定系統(tǒng)將占總市場(chǎng)的5%。

　　生物測(cè)定傳感器和讀出器通常被整合到大宗電子產(chǎn)品中，諸如個(gè)人電腦、筆記本電腦、DVD、手機(jī)、USB存儲(chǔ)器以及硬盤等，用來(lái)防止在此類物品被盜或丟失后其中的文件被非法用戶讀取。其它重要的應(yīng)用有公共行政管理、移動(dòng)交易（如電子商務(wù)或郵遞商務(wù)）以及機(jī)場(chǎng)和在醫(yī)院中控制患者的病歷等。

　　以生物測(cè)定監(jiān)視系統(tǒng)為基礎(chǔ)的傳感器技術(shù)發(fā)展十分迅速，并且在圖象顯示、反應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理等方面提供了非常優(yōu)越的性能。指紋傳感器在分辨率、有效面積的獲取、可靠性、堅(jiān)固程度、體積、價(jià)格及保養(yǎng)需求等方面有著很大區(qū)別。NIST（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一個(gè)“好”的指紋圖像的分辨率應(yīng)該高于500dpi（dot per inch）。當(dāng)今應(yīng)用最普遍的技術(shù)是光學(xué)法，使用一個(gè)傳感器或一組CCD（電荷耦合裝置）或CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器；還有使用電容法的。電容掃描器是更為精簡(jiǎn)的裝置，因此它們是容量有限的便攜式儀器的理想選擇。最新一代用于獲取指紋的傳感器不需要手指與儀器有實(shí)質(zhì)性的接觸，這樣就避免了由前一次獲取指紋殘留下來(lái)的指印所帶來(lái)的干擾問題，這種殘留指印會(huì)改變指紋讀取結(jié)果。Upek，一個(gè)2004年由STMicroelectronics 派生出的公司，研制出了一種叫作TouchChip的活性像素電容感應(yīng)技術(shù)，它提供了最佳的信號(hào)與噪聲比率以及成像質(zhì)量。與以往的電容感應(yīng)技術(shù)相比，它也確保了圖像不受寄生元件的干擾（parasite effects）。其感應(yīng)區(qū)域由一個(gè)二維像素組構(gòu)成，每一維由兩個(gè)相鄰的金屬電極組成，由一個(gè)保護(hù)罩將它們與用戶的手指和周圍環(huán)境分開。那些電極形成了一個(gè)散射狀的電容，它的電場(chǎng)力線被鋪在硅表面上。當(dāng)手指的皮膚處在傳感器的感應(yīng)區(qū)內(nèi)時(shí)，它干擾了其電場(chǎng)的電場(chǎng)力線，因而降低了兩個(gè)電極之間的有效電容量，通過電容減弱的程度就可以探測(cè)到皮膚表面高低起伏的變化。

　　雖然目前生物測(cè)定傳感器的單位價(jià)格已經(jīng)低于五美元，但是為了進(jìn)一步降低它們的價(jià)格，奧地利的Nanoident公司研制出了由聚合物半導(dǎo)體制成的光學(xué)傳感器，它的價(jià)格比其同類的硅半導(dǎo)體傳感器要低廉得多。使用這種傳感器能制出柔軟易曲的指紋掃描器并能將其嵌入到智能卡中。每個(gè)傳感器帶有256個(gè)50μ×50μ的像素，所產(chǎn)生圖像的分辨率為250dpi。

　　手掌靜脈紋識(shí)別雖然是一項(xiàng)不太常用的生物測(cè)定技術(shù)，但它也在逐漸流行起來(lái)。它通常與指紋識(shí)別共同使用來(lái)實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的保安措施。其應(yīng)用包括人員識(shí)別、人員進(jìn)入的控制以及對(duì)使用電子收款機(jī)進(jìn)行的金融交易實(shí)施保護(hù)等。Fujitsu公司研發(fā)了一種使用近紅外光來(lái)確定靜脈形狀的技術(shù)。原理是在靜脈中流動(dòng)的血紅蛋白吸收波長(zhǎng)為760nm的近紅外光，因此這項(xiàng)非接觸性的技術(shù)是很可靠而安全的。靜脈構(gòu)造圖是非常難以復(fù)制和偽造的，原因是它在手的組織內(nèi)部并且需要血液流動(dòng)才能夠構(gòu)成圖像。由Fujitsu研發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)使錯(cuò)誤接受率低于0.00008%，而錯(cuò)誤拒絕率則低于0.01%。
　　
圖像傳感器：用CCD 還是CMOS？

　　對(duì)保安問題日益增加的關(guān)注導(dǎo)致了人們?cè)诒O(jiān)視系統(tǒng)上的投資越來(lái)越多。事實(shí)上視頻監(jiān)視領(lǐng)域正在不斷地?cái)U(kuò)大。根據(jù)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)RNCOS的預(yù)測(cè)，人們對(duì)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的需求量將從目前的10%增加到2009年的36%；在今后的五年里，其總銷售額將從目前的七十億美金增至一百三十億美金。監(jiān)視產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)重大變革。據(jù)估計(jì)超過90%的監(jiān)視錄像機(jī)是模擬型的。模擬監(jiān)視系統(tǒng)通過同軸電纜將CCTV（Closed-circuit television-閉路電視）攝像機(jī)連接到中央磁帶錄像機(jī)或硬盤上。如今模擬錄像正逐步地被數(shù)字化、壓縮并按照Internet 協(xié)議做成數(shù)據(jù)包送到Internet的服務(wù)器上。最新一代智能攝像機(jī)可以對(duì)捕捉到的圖像進(jìn)行高等分析。監(jiān)視錄像可以在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)上直接被編譯成H.264碼并以較低的位速率在Ethernet上傳送。

　　圖像傳感器技術(shù)是上世紀(jì)六十年代末伴隨第一代CCD（電荷耦合裝置）而產(chǎn)生的，它是監(jiān)視系統(tǒng)必備的裝置。在一個(gè)CCD傳感器中，每個(gè)像素中的電荷通過數(shù)目有限的輸出節(jié)點(diǎn)（有時(shí)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)）傳遞并被轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓值作為模擬信號(hào)送出芯片。多年來(lái)CCD是起主導(dǎo)作用的圖像獲取技術(shù)，因?yàn)樵诂F(xiàn)有的處理技術(shù)條件下CCD所提供的圖像質(zhì)量非常高（以效率和噪聲作為衡量標(biāo)準(zhǔn)）。CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器幾乎是與CCD同時(shí)期發(fā)明的。在一個(gè)CMOS傳感器中，每個(gè)像素都具有電荷/電壓轉(zhuǎn)換功能，它通常還帶有放大器、噪聲補(bǔ)償電路和數(shù)字化區(qū)。這些功能增加了芯片的復(fù)雜性也減少了傳感器的體積。由于其信號(hào)轉(zhuǎn)換是由每一個(gè)芯片獨(dú)立完成的，因此像素的均一性比較差。盡管如此，CMOS傳感器的整合性卻非常好，使芯片攝像機(jī)（camera on a chip）得以實(shí)現(xiàn)。低成本CMOS圖像傳感器的出現(xiàn)也促進(jìn)了攝像機(jī)或圖像傳感器在工序自動(dòng)化方面的應(yīng)用。CMOS傳感器使整個(gè)系統(tǒng)的能耗及成本都大幅度降低。

　　據(jù)IC Insights估計(jì)，2008年圖像傳感器的市場(chǎng)總銷售額將會(huì)達(dá)到七十六億美金，比2007年多10%。CMOS圖像傳感器的銷售額于2007年降低了12%之后，在2008年預(yù)計(jì)會(huì)上升19%，達(dá)到四十四億美金；同時(shí)CCD（電荷耦合裝置）的銷售額在2008年會(huì)達(dá)到三十二億美金，下降1%，相比之下，其2007年的銷售額與以往持平。OmniVision在2007年成為CMOS圖像傳感器的最大供應(yīng)商，其次是Micron Technology、STMicroelectronics、Toshiba和Sony。

　　CCD在CMOS傳感器在性能上的差距隨著處理技術(shù)和設(shè)計(jì)技巧的不斷改進(jìn)而被大大地縮小。上世紀(jì)九十年代產(chǎn)生了活性像素傳感器（APS－active pixel sensor），它使用活性晶體管（active transistor）對(duì)光敏二極管產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行緩沖。DPS（Digital Pixel System－數(shù)字像素系統(tǒng)）平臺(tái)是斯坦福大學(xué)歷時(shí)八年的研究成果，它由斯坦福大學(xué)的讓產(chǎn)易股公司Pixim銷售，用于攝像機(jī)錄像監(jiān)視系統(tǒng)。DPS技術(shù)使整合在傳感器中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter－ADC)在像素階段直接對(duì)到達(dá)傳感器的光進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。它的結(jié)構(gòu)可以使更多的低速ADC平行運(yùn)行并盡可能地靠近光敏二極管產(chǎn)生信號(hào)的位點(diǎn)；這使得每一個(gè)像素的信號(hào)與噪聲比達(dá)到最佳值，傳感器的數(shù)字化也使信號(hào)的讀取更快更準(zhǔn)確。意大利公司NeuriCam推出了一系列VISoC (Vision System on Chip – 芯片上的影像系統(tǒng))光學(xué)傳感器，它們可以用C或匯編語(yǔ)言編程并且其設(shè)計(jì)最適合用于汽車領(lǐng)域。VISoC是一個(gè)完整的微型影像系統(tǒng)，它包含一個(gè)32位RISC CPU（精簡(jiǎn)指令集中央處理器）、一個(gè)中性處理器（neutral processor）以及平行和串行接口。其CPU性能可以達(dá)到60MIPS（百萬(wàn)條指令/秒）；而平行處理器的性能可以達(dá)到1000MOPS(百萬(wàn)次運(yùn)算/秒)。為了能夠自主運(yùn)行，它只需要RAM和閃速存儲(chǔ)器（flash memory）。

　　Sharp公司最近推出了兩種CCD傳感器RJ2311CA0PB和RJ2321CA0PB，其敏感度為3,200mV，是目前CCD攝像機(jī)市場(chǎng)中最高的。多虧有了Sharp公司的微型精加工技術(shù)（micro-finishing technology），這項(xiàng)技術(shù)起源于高分辨率小型數(shù)碼相機(jī)，使入射光的采集率和光電轉(zhuǎn)化率得到了非常大的提高，敏感度比以前的類型高1.6倍。因?yàn)樗鼈兊倪@些優(yōu)良性能，新的CCD傳感器很適合用于保安攝像機(jī)系統(tǒng)，即使在夜間光線很差的情況下它們也能攝出清晰的圖像。RJ2311CA0PB傳感器產(chǎn)生的NTSC信號(hào)的分辨率為270,000像素；而RJ2321CA0PB產(chǎn)生的PAL信號(hào)的分辨率為320,000像素。

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