此篇關(guān)于微型傳感器的綜述中，我們將介紹三款不同的傳感器，分別展示了如今電子設(shè)備尺寸不斷縮小，其內(nèi)部傳感器不斷向微型化、低功率發(fā)展的趨勢。

 

據(jù)麥姆斯咨詢報道，傳感器的實際應(yīng)用林林總總，幾乎覆蓋了全球每個行業(yè)。而且，隨著我們看到的，現(xiàn)在幾乎所有行業(yè)都在朝著更小器件尺寸的方向發(fā)展，隨之而來的傳感器尺寸也在縮小。本文中，我們將介紹三款微型傳感器及其實際應(yīng)用的案例。

 

博世BMA400加速度計：可穿戴應(yīng)用

 

BMA400是一款12位加速度計，尺寸僅為2mm x 2mm x 0.95 mm。憑借低噪聲性能，BMA400在睡眠模式下（800nA）功耗極低，同時能夠在25Hz到800Hz之間的用戶可選范圍內(nèi)輸出數(shù)據(jù)。

 

結(jié)合這些規(guī)格，你會得到什么？一款非常適合移動和可穿戴設(shè)備的加速度計。

 

博世用于可穿戴設(shè)備的加速度計BMA400

 

該加速度計能夠測量X、Y、Z軸上的加速度，偏移量為±80mg，測量范圍為±2g、±4g、±8g和±16g，溫度系數(shù)為±1mg/K。同時，BMA400還具有許多內(nèi)置功能，包括活動識別（跑步、步行等）、活動變化、方向、點擊/雙擊、兩個通用中斷控制器和1kB FIFO緩沖器。BMA400同時兼具SPI和I2C串行接口，工作電壓介于1.7V至3.6V之間，具有低功耗性能、微型12引腳LGA封裝和許多嵌入式功能，非常適合物聯(lián)網(wǎng)和移動設(shè)備。

 

BMA400憑借其低電量消耗、嵌入式即插即用的計步與活動識別功能，大大延長了可穿戴設(shè)備（如智能腕表和健身記錄儀）的電池壽命。它可在檢測到運動時自動喚醒，并在運動結(jié)束后返回睡眠模式，從而避免喚醒主應(yīng)用程序處理器。該功能可顯著降低電量消耗，延長充電間隔。

 

對智能家居中的室內(nèi)氣候系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，BMA400的連續(xù)測量功能和始終明確的帶寬使其成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如室內(nèi)氣候環(huán)境系統(tǒng)和智能家居安全系統(tǒng)）無障礙使用的理想選擇。例如，它可以區(qū)分如碎玻璃之類的真實警報和隨機振動產(chǎn)生的虛假信號，從而避免誤報。

 

BMA400獲得了2018年消費電子展（CES）技術(shù)創(chuàng)新獎。因為其超低功耗，房主無需經(jīng)常更換電池，非常適合家庭使用。

 

BMA400應(yīng)用場景及優(yōu)勢示意圖

 

工程師在選用加速度計時需要在低功耗和高性能之間做出取舍。現(xiàn)在，BMA400將超低功耗與卓越性能進行了完美結(jié)合。其內(nèi)置計步器僅耗電4μA?？偟膩碚f，BMA400所需耗電量僅為當前市面上加速度計的十分之一。

 

通過其內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器，BMA400能在寬電源電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的性能，并實現(xiàn)對功耗、噪音和輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）參數(shù)的靈活微調(diào)。在180μg/√Hz噪聲密度中連續(xù)測量，BMA400的耗電量最佳值約為14μA。

 

尺寸僅為2.0 x 2.0 x 0.95mm的小巧體積與集成即插即用計步器使BMA400可輕松集成于新型可穿戴設(shè)備之中，如普通腕表和珠寶。

 

來自Nanoz的“全球最小”氣體傳感器

 

說到氣體傳感器，Nanoz以生產(chǎn)全球最小氣體傳感器而著名，其生產(chǎn)的氣體傳感器尺寸僅為1.8mm x 1.8mm，厚度只有0.45mm。

 

基于金屬氧化物制備技術(shù)，其傳感器不僅尺寸非常小，而且能夠檢測多種氣體，包括但不限于CO2、CO、CH4、BTEX和NO2等。

 

Nanoz聲稱，氣體傳感器是目前市場上能耗最低、工作時間內(nèi)最穩(wěn)定、制造成本最低的金屬氧化物器件。這些特性使得Nanoz傳感器尤其適用于大規(guī)模開發(fā)的移動和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用，而這些應(yīng)用可以讓用戶通過智能手機更好地監(jiān)控他們周圍的日常環(huán)境。

 

Nanoz的全球最小氣體傳感器尺寸為1.8mm x 1.8mm x 0.45mm

 

雖然這種傳感器集成技術(shù)對于工業(yè)應(yīng)用中的工程師和工人來說具有顯著優(yōu)勢，但是如果將此傳感器安裝到人們?nèi)粘Ｊ褂玫闹悄苁謾C中，相信將會對個人安全產(chǎn)生顛覆性的改變。如果主探測器出現(xiàn)故障，用戶則可以使用他們的智能手機作為備用煙霧探測器，或者作為氣體泄漏的便攜式報警裝置。

 

來自IBM的指甲傳感器

 

雖然如今許多傳感器的尺寸已經(jīng)小型化（比如硅基材料器件遵循的摩爾定律），但是其它傳感器，比如IBM研究人員研發(fā)的指甲傳感器（fingernail sensor），已開始利用人工智能（AI）和無線技術(shù)通過可穿戴設(shè)備（比如Apple Watch）來處理傳感器讀數(shù)。

 

指尖握力的強弱對于帕金森等疾病來說是比較實用的指標，而此類疾病也是IBM的主要研究領(lǐng)域，經(jīng)過進一步的研究，IBM意識到指尖握力強度還可以用于其它測量，包括心臟健康和認知能力。為了測量指尖的強度，研究人員先將小型應(yīng)變儀連接到手指的指甲上，然后應(yīng)變儀的讀數(shù)就可以通過無線傳輸?shù)教O果智能手表端，最后AI軟件再從手表端處理數(shù)據(jù)以確定相關(guān)性。

 

指甲上的傳感器可以檢測手指活動

 

據(jù)IBM稱，在皮膚上安裝電子設(shè)備，其最大障礙是粘附性差（出于多種原因，將傳感器黏附在皮膚上是不合適的。例如，一般需要進行握力監(jiān)測的對象通常為老年人，他們的皮膚狀態(tài)都比較脆弱，使用傳感器有時會引發(fā)皮膚感染等問題），但是使用指甲傳感器則可以克服這些問題。與皮膚不同，指甲是固體，通常比皮膚結(jié)實得多，也不會四處移動，而且由于指甲不會脫落，也不會長得太快，因此可以提供更持久的解決方案。用指甲代替皮膚的另一個主要優(yōu)點是，像帕金森這樣的疾病幾乎都是出現(xiàn)在老年人身上，而他們的皮膚狀態(tài)都比較脆弱，無法可靠安裝傳感器。人工智能的使用使得傳感器不僅可以記錄信息，還可以識別傳感器佩戴者的個人環(huán)境。通過與人工智能的結(jié)合，傳感器數(shù)據(jù)可用于有效地評估帕金森病的典型癥狀，包括運動震顫和遲緩。這種新型傳感器收集的數(shù)據(jù)有助于醫(yī)生更好地監(jiān)測患者的健康狀況，以便使用新療法或藥物進行治療。同時，這項研究也為使用指尖結(jié)構(gòu)作為模型的新設(shè)備提供了靈感。

 

年復(fù)一年，生產(chǎn)“最小的XX傳感器”的愿景在各個元器件之間傳遞。制造商們也在不斷研究新的半導(dǎo)體材料、封裝和編程環(huán)境，以使傳感器越來越小，從而適應(yīng)行業(yè)趨勢。

 

 

推薦閱讀：