傳感器技術(shù)的未來發(fā)展：新興趨勢(shì)與創(chuàng)新成果

配備傳感器的現(xiàn)代設(shè)備無需手動(dòng)按鍵，可根據(jù)傳感器輸入的信息自動(dòng)運(yùn)行。

幾乎所有輔助人類日常活動(dòng)的電子設(shè)備都離不開傳感器。傳感器可監(jiān)測(cè)人體重要體征，并檢測(cè)異常情況。在汽車領(lǐng)域，傳感器可用于識(shí)別交通標(biāo)志、探測(cè)障礙物和警告車道偏離，助力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。未來，用戶與所有智能設(shè)備的簡(jiǎn)單交互都可通過傳感器實(shí)現(xiàn)。本文將深入分析傳感器在汽車、醫(yī)療保健和工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域的新興趨勢(shì)和未來應(yīng)用方向，以及在操作和安全方面取得的進(jìn)展。

傳感器感知功能類似于人類感官

設(shè)計(jì)人員通過創(chuàng)建傳感解決方案簡(jiǎn)化人類與設(shè)備的交互。不同傳感器結(jié)合先進(jìn)軟件，就能形成對(duì)真實(shí)世界的感知。傳感解決方案將多個(gè)智能傳感器整合到統(tǒng)一的智能系統(tǒng)中，讓人們能夠輕松與設(shè)備互動(dòng)。

圖1 模擬人類感官的傳感解決方案

智能耳朵/麥克風(fēng)

人耳能夠分辨多達(dá) 40 萬(wàn)種聲音、10 個(gè)八度音和 7,000 個(gè)音調(diào)。MEMS 麥克風(fēng)為音頻和聲控設(shè)備提供了“智能耳朵”。新一代麥克風(fēng)具備一系列優(yōu)勢(shì)，包括超低自噪聲（高 SNR）、即使在高聲壓級(jí) (SPL) 下也具有極低的失真 (THD)、部件間相位和靈敏度高度匹配、具有低 LFRO（低頻滾降）的平坦頻率響應(yīng)以及超低群延遲。新一代麥克風(fēng)可選擇功率模式，并且封裝尺寸極小。

嗅覺/CO₂（二氧化碳）傳感器

人體具有 400 多個(gè)嗅覺感受器，能夠分辨 10,000 多種香味和氣味。二氧化碳傳感器采用光聲光譜 (PAS) 技術(shù)，令設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊且功能齊全，解決了現(xiàn)有二氧化碳?xì)怏w檢測(cè)器所面臨的技術(shù)難題。PAS 二氧化碳傳感器模塊將 PAS 傳感器、微控制器和 MOSFET 集成在電路板上 。

視覺（ToF 3D 圖像傳感器/雷達(dá)傳感器）

借助飛行時(shí)間 (ToF) 圖像傳感器，電子設(shè)備能夠獲取設(shè)備前方場(chǎng)景的精確 3D 地圖。周遭環(huán)境、物體和人物都會(huì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為數(shù)字空間。算法利用這些數(shù)據(jù)來測(cè)量距離和尺寸、跟蹤運(yùn)動(dòng)，并將物體形狀轉(zhuǎn)換為 3D 模型。設(shè)計(jì)人員開發(fā)的產(chǎn)品可無縫集成到最微型的 3D ToF 相機(jī)模塊中，以最低功耗精確測(cè)量短距離和長(zhǎng)距離深度。

與被動(dòng)紅外 (PIR) 技術(shù)相比，雷達(dá)傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用中具有許多優(yōu)勢(shì)。其中包括精度更高，以及能夠精確測(cè)量探測(cè)對(duì)象，為新的速度探測(cè)和運(yùn)動(dòng)傳感功能奠定基礎(chǔ)。雷達(dá)傳感器可以在雨、雪、霧、灰塵等惡劣環(huán)境條件下正常運(yùn)行。一些先進(jìn)的雷達(dá)傳感器靈敏度極高，能夠捕捉呼吸和心跳，感知生命體征的存在。

觸覺（觸摸傳感器）

觸摸傳感器使用多種技術(shù)，如電阻膜、電容、紅外線、超聲波表面聲波和電磁感應(yīng)。觸控面板由輸入設(shè)備（觸控面板）和輸出設(shè)備（顯示器）共同組成。了解e絡(luò)盟根據(jù)不同需求量身定制的各種傳感器產(chǎn)品，包括麥克風(fēng)、流量傳感器、ToF 3D圖像傳感器、雷達(dá)傳感器和觸摸傳感器。

用于確保安全駕駛的汽車傳感器

制造商通常會(huì)在現(xiàn)代汽車上裝配多種傳感器。汽車傳感器獲取胎壓、油量和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度等信息，并在儀表盤上顯示。另有一些傳感器旨在維持車輛高效運(yùn)轉(zhuǎn)，包括監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件位置，監(jiān)測(cè)車輪速度，以控制牽引力或防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)車內(nèi)外空氣溫度，保持車內(nèi)舒適。制造商可將多個(gè)傳感器集成到車輛設(shè)計(jì)中，使汽車更安全可靠、高效舒適。

如今的傳感器還能提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息。越來越多自動(dòng)駕駛解決方案開始采用基于視覺的技術(shù)。為了確保安全性和響應(yīng)速度，這些技術(shù)需要高帶寬和快速響應(yīng)時(shí)間?，F(xiàn)代汽車集成多項(xiàng)新興技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更智能的駕駛體驗(yàn)。這些技術(shù)包括：

激光雷達(dá)（激光測(cè)距儀）

激光雷達(dá)掃描儀是自動(dòng)駕駛車輛原型系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)巡航控制 (ACC)、防碰撞系統(tǒng)、交通標(biāo)志識(shí)別、盲點(diǎn)檢測(cè)和車道偏離預(yù)警等現(xiàn)有系統(tǒng)中?；诩す饫走_(dá)的系統(tǒng)可以在沒有傳感器的情況下正常工作，充當(dāng)系統(tǒng)的“眼睛”。

圖2 激光雷達(dá)技術(shù)傳感器在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

如圖 2 所示，激光雷達(dá)技術(shù)需要獨(dú)立的傳感器系統(tǒng)，這些系統(tǒng)必須配備安全和環(huán)境適應(yīng)功能。例如，傳感器單元應(yīng)能在 -40 至 125 °C（-40 至 257 °F）的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，以應(yīng)對(duì)其他系統(tǒng)組件和外部環(huán)境的熱量影響。傳感器必須具備最佳信噪比，以便在各種干擾背景中準(zhǔn)確檢測(cè)到信號(hào)。由于光學(xué)檢測(cè)器需要應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境光水平，其內(nèi)部傳感器應(yīng)覆蓋廣泛的動(dòng)態(tài)范圍。要了解有關(guān)激光雷達(dá)技術(shù)的更多信息，請(qǐng)點(diǎn)擊此處。

產(chǎn)品類別：激光雷達(dá)傳感器

用于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)垂直起降 (VTOL) 飛機(jī)自主導(dǎo)航的傳感器

電池供電的電動(dòng)垂直起降飛機(jī)是一種新型飛行器，如圖 3 所示。這種飛行器結(jié)合電動(dòng)乘用車與超大型無人機(jī)的功能，內(nèi)部設(shè)計(jì)類似于豪華汽車。航空專家表示，電動(dòng)垂直起降飛機(jī)能像直升機(jī)一樣飛行，并且配備傳感器控制系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員能夠輕松上手。飛行器配備慣性傳感器，用于監(jiān)控原型機(jī)的飛行控制和飛行特性，如俯仰、翻滾和角速度值。傳感器還可用于測(cè)量螺旋槳推力、振動(dòng)、應(yīng)變和負(fù)載特性。

產(chǎn)品類別：慣性傳感器、加速度計(jì)、陀螺測(cè)試儀

圖3 電動(dòng)垂直起降 (eVTOL) 飛機(jī)

用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化和確保人類安全的傳感器

機(jī)器人應(yīng)用需要將精確的傳感元件集成到設(shè)備中，以有效應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)。例如，傳感系統(tǒng)必須能夠識(shí)別出人類的存在，從而在協(xié)作應(yīng)用中防止機(jī)器人與附近工人發(fā)生碰撞。先進(jìn)的傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。扭矩傳感器可測(cè)量協(xié)作機(jī)器人 (cobot) 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的機(jī)械扭矩，檢測(cè)故障或過載情況，防止人員受傷和潛在的協(xié)作機(jī)器人故障。此外，傳感器還可用于光幕等設(shè)備，當(dāng)人進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)域時(shí)停止機(jī)器運(yùn)作，數(shù)字環(huán)境光和接近傳感器 (APD) 則可作為激光掃描儀的“人工眼”。傳感器還可用于監(jiān)控機(jī)器人周圍環(huán)境，包括物體檢測(cè)、負(fù)載能力和抓取力測(cè)量，從而確保工作場(chǎng)所的安全、可靠和高效運(yùn)行。熱釋電紅外運(yùn)動(dòng)傳感器是一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高的特點(diǎn)，采用集成電路封裝，提供多種鏡頭選擇，并有低功耗類型可選。通過在機(jī)器人中集成更多傳感器，可延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間，優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃。

產(chǎn)品類別：扭矩傳感器、數(shù)字環(huán)境光和接近傳感器(APD)、熱釋電紅外運(yùn)動(dòng)傳感器

圖4 配備機(jī)器人和傳感器的工業(yè)自動(dòng)化裝置

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，基本傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)控機(jī)器運(yùn)作等常規(guī)任務(wù)。與此同時(shí)，現(xiàn)代制造業(yè)還運(yùn)用一些復(fù)雜的傳感器（位置和速度、ToF 和雷達(dá)、壓力、CMOS 圖像和電流傳感器或 MEMS 麥克風(fēng)）來簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程。智能工廠的裝配線可以檢測(cè)待制造物體的多種特性，如距離、大小、形狀、成分和表面，并精確跟蹤其移動(dòng)和運(yùn)動(dòng)。盡管低成本傳感器具有一定優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)監(jiān)控所有傳感器極具挑戰(zhàn)性，沒必要將各種傳感器集成到機(jī)器人中以監(jiān)測(cè)其健康狀況。如果出現(xiàn)溫度升高、運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)或功耗增加，可能預(yù)示著軸承或齒輪箱出現(xiàn)故障。傳感器能夠監(jiān)測(cè)電力消耗，并觸發(fā)相應(yīng)措施，從而提高工廠能效。如果設(shè)備因短路而發(fā)生電氣故障，就會(huì)觸發(fā)供電中斷，避免對(duì)工廠造成損害。

推進(jìn)汽車圖像傳感技術(shù)

現(xiàn)代汽車系統(tǒng)可在各種情況下提醒駕駛員，如偏離車道、探測(cè)到附近物體或盲區(qū)車輛，以及在高速巡航模式下保持車速和車距。汽車圖像傳感器使這些安全功能得以實(shí)現(xiàn)。

許多傳感器設(shè)計(jì)采用雙增益像素技術(shù)，并在高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR) 下工作，以增強(qiáng)汽車應(yīng)用中的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 功能?，F(xiàn)代圖像傳感器采用基于大小不同子像素的分割像素技術(shù)來生成高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR) 圖像。其中，分配給單個(gè)像素的傳感器區(qū)域被分為兩部分，大部分區(qū)域由較大的光電二極管覆蓋，而較小的光電二極管占據(jù)剩余區(qū)域。然而，分割像素可能會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降、暗噪聲增大、性能降低等問題，溫度較高時(shí)尤其明顯。

圖5 分割像素與多重曝光技術(shù)比較

分割像素方法的替代方案是多重曝光技術(shù)，即為像素分配額外的空間，以容納大信號(hào)或電荷的潛在溢出。這種方法類似于使用水桶來接雨水，但水桶附帶一個(gè)更大的水槽，可在水桶滿溢時(shí)接住多余的雨水?！八啊毙盘?hào)可輕松讀取，并且精度極高，因此可以實(shí)現(xiàn)出色的弱光性能，溢出“水槽”則能容納溢出的所有信號(hào)，從而擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，并能捕捉明亮物體和場(chǎng)景的真實(shí)色彩。圖 5 比較了這兩種曝光技術(shù)。

產(chǎn)品類別：圖像傳感器

結(jié)語(yǔ)

傳感器將徹底改變測(cè)量設(shè)備，使其具備各種智能功能，包括自我監(jiān)測(cè)、向操作系統(tǒng)傳輸狀態(tài)診斷，以及創(chuàng)建可靠的測(cè)量和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。受此影響，機(jī)器和設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)將變得越來越高效、便捷且經(jīng)濟(jì)，從而提升正常運(yùn)行時(shí)間。未來，維護(hù)工作將依賴傳感器執(zhí)行，而不再由人力資源部門根據(jù)需求時(shí)間表來安排。飛行器將實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，具備遠(yuǎn)程無線連接功能，并內(nèi)置電源系統(tǒng)。傳感器將在整個(gè)生命周期內(nèi)自我學(xué)習(xí)，無需人工維護(hù)、修改或校準(zhǔn)。傳感器還將更深入地洞察人類行為，進(jìn)而影響人們對(duì)空氣質(zhì)量、出行、汽車保養(yǎng)、生活方式、保險(xiǎn)、能耗等方面的預(yù)期。新型激光雷達(dá)系統(tǒng)將為自動(dòng)駕駛車輛提供真正的“視力”。