到2020年，全球可穿戴傳感器市場(chǎng)將以45.2%的復(fù)合年均增長(zhǎng)率繼續(xù)成長(zhǎng)。
“正如眼睛、鼻子、耳朵和皮膚在人體中的作用一樣，它在硬件中充當(dāng)一個(gè)從外界接受信息的角色”。這句話(huà)描述的正是傳感器。自從發(fā)明以來(lái)，它就一直被應(yīng)用在工控和其他領(lǐng)域，作為一個(gè)重要的設(shè)備前端，傳感器的功能幾近是不可代替的。在現(xiàn)在步入了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，傳感器變得尤其重要。
據(jù)美國(guó)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)透明市場(chǎng)研究(TransparencyMarketResearch)公司最新發(fā)布的報(bào)告顯示，到2020年，全球可穿戴傳感器市場(chǎng)將以45.2%的復(fù)合年均增長(zhǎng)率繼續(xù)成長(zhǎng)。YoLEDeveloppement也預(yù)測(cè)，作為傳感器重要組成部分的 MEMS傳感器產(chǎn)品需求在近年增勢(shì)迅猛，從2014年起平均以12%-13%的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2019年，產(chǎn)業(yè)總值預(yù)計(jì)將達(dá)到240億美元。
面對(duì)這這么一個(gè)龐大市場(chǎng)，很多廠(chǎng)商正在加緊研發(fā)，攻城略地。
什么是傳感器?
在對(duì)傳感器進(jìn)行詳細(xì)分析之前，我們需要了解一下什么是傳感器，并且了解一下這些傳感器可以被應(yīng)用到哪些領(lǐng)域。
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。
也就是說(shuō)傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。
傳感器種類(lèi)繁多，在不同的產(chǎn)品中就有不同的應(yīng)用，就拿簡(jiǎn)單的手機(jī)來(lái)說(shuō)，就有重力傳感器、加速度傳感器、距離傳感器、光線(xiàn)感應(yīng)器、三 軸陀螺儀、電子羅盤(pán)等，未來(lái)更可能會(huì)有熱傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、紫外線(xiàn)傳感器、壓力傳感器等等。很難一一列舉!
按照應(yīng)用市場(chǎng)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)可劃分為智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能環(huán)保、智能交通、智能電網(wǎng)、智能醫(yī)療、智能安防、特種裝 備、智慧城市、智能家居等。YoleDeveloppement數(shù)據(jù)顯示，傳感器中占比最大的是消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用，其規(guī)模達(dá)到59億美元，占傳感器產(chǎn)品市場(chǎng)的 45%，到2019年預(yù)計(jì)將超過(guò)100億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約11.2%。而成長(zhǎng)最快的醫(yī)療服務(wù)市場(chǎng)，將從2014年4的24.5億美元增長(zhǎng)至2019年的72億美 元左右，年復(fù)合增長(zhǎng)率近30%。
尤其是在可穿戴領(lǐng)域，傳感器未來(lái)的需求量更是激增。據(jù)全球居領(lǐng)先地位的關(guān)鍵信息、產(chǎn)品、解決方案和服務(wù)供應(yīng)商IHS的數(shù)據(jù)顯示，單個(gè)可 穿戴設(shè)備所用傳感器的平均數(shù)量將從2013年的1.4顆增長(zhǎng)為2019年的4.1顆，總出貨量將從6700萬(wàn)顆上升至4.66億顆。一個(gè)屬于傳感器的時(shí)代正在 到來(lái)。
典型傳感器的原理和作用
上面我們已經(jīng)談到，傳感器種類(lèi)繁多，全面覆蓋介紹是一項(xiàng)繁雜的工作，我們以iPhone6為例，介紹一下傳感器的原理和功用。
(一)運(yùn)動(dòng)/加速度傳感器Motionsensor/accelerometer
加速傳感器的原理
在iPhone6中的加速傳感器芯片為InvenSense公司的MP67B芯片，這是一個(gè)六軸加速度和重力傳感器。而在之前的歷代iPhone手機(jī)中該傳感器采用的是STMicroelectronics公司生產(chǎn)的芯片。
手機(jī)加速傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過(guò)程中作用在物體上的力，比如重力。加速傳感器原理：運(yùn)用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，一片“重力塊”和壓電晶體做成一個(gè)重力感應(yīng)模塊，手機(jī)方向改變時(shí)，重力塊作用于不同方向的壓電晶體上的力也隨之改變，輸出電壓信號(hào)不同，從而判斷手機(jī)的方向。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。他可以根據(jù)重力感應(yīng)產(chǎn)生的加速度來(lái)推算出手機(jī)相對(duì)于水平面的傾斜度。
加速度傳感器的應(yīng)用
重力感應(yīng)常用于自動(dòng)旋轉(zhuǎn)屏幕以及一些游戲，但是它本身局限性比較大，因?yàn)樗歉鶕?jù)重力判斷方向，通過(guò)感應(yīng)重力正交兩個(gè)方向的分力大小，來(lái)判斷水平方向。常見(jiàn)的應(yīng)用加速度傳感器的手機(jī)app是一些運(yùn)動(dòng)型的游戲，如極品飛車(chē)。這個(gè)時(shí)候可以通過(guò)重力判斷水平垂直防線(xiàn)。
(二)光傳感器AmbientLightsensor
光傳感器的原理
在iPhone6手機(jī)上，光傳感器芯片選用的是AMS公司的TSL2581芯片。環(huán)境光傳感器可以感知周?chē)饩€(xiàn)情況，并告知處理芯片自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示器背光亮度，降低產(chǎn)品的功耗。
光線(xiàn)感應(yīng)器由投光器和受光器組成，投光器將光線(xiàn)聚焦，在傳輸至受光器，最后通過(guò)感應(yīng)器接收變成電器信號(hào)。光線(xiàn)感應(yīng)的用途是可以根據(jù)周?chē)h(huán)境光線(xiàn)調(diào)節(jié)手機(jī)屏幕本身的亮度。
環(huán)境光傳感器可以感知周?chē)饩€(xiàn)情況，并告知處理芯片自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示器背光亮度，降低產(chǎn)品的功耗。市場(chǎng)出售的有光敏電阻、光敏二極管、光電三極管、硅光電池等。
光傳感器的應(yīng)用
在iPhone6手機(jī)上，顯示屏消耗的電量一般高達(dá)電池總電量的30%，采用環(huán)境光傳感器可以最大限度地延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間。另一方面，環(huán)境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫(huà)面。當(dāng)環(huán)境亮度較高時(shí)，使用環(huán)境光傳感器的液晶顯示器會(huì)自動(dòng)調(diào)成高亮度。當(dāng)外界環(huán)境較暗時(shí)，顯示器就會(huì)調(diào)成低亮度。
(三)電子羅盤(pán)eCompass
電子羅盤(pán)的原理
從iPhone3GS開(kāi)始，iPhone手機(jī)中開(kāi)始內(nèi)置電子羅盤(pán)傳感器。在iPhone6手機(jī)中，電子羅盤(pán)芯片類(lèi)型為由AKM公司生產(chǎn)的AKM8963芯片。AKM公司生產(chǎn)的電子羅盤(pán)傳感器芯片一直服務(wù)于歷代iPhone手機(jī)之中。
電子羅盤(pán)由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構(gòu)成。三維磁阻傳感器用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償;MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補(bǔ)償。該磁力儀是采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器，每個(gè)軸向上的傳感器檢測(cè)在該方向上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度。向前的方向稱(chēng)為x方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在x方向的矢量值;向左或Y方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Y方向的矢量值;向下或Z方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Z方向的矢量值。每個(gè)方向的傳感器的靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場(chǎng)的分矢量調(diào)整到最佳點(diǎn)，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產(chǎn)生的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行放大后送入MCU進(jìn)行處理。磁場(chǎng)測(cè)量范圍為±2Gauss。通過(guò)采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，磁力儀能夠分辨出小于1mGauss的磁場(chǎng)變化量，我們便可通過(guò)該高分辨力來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位置。
電子羅盤(pán)的應(yīng)用
電子羅盤(pán)的應(yīng)用很廣泛，一個(gè)簡(jiǎn)單的使用電子羅盤(pán)傳感器的實(shí)例是iPhone手機(jī)上的指南針app，通過(guò)指南針app可以實(shí)現(xiàn)在手機(jī)不聯(lián)網(wǎng)的情況下進(jìn)行指示方向，不依靠地圖類(lèi)app來(lái)指路，節(jié)省流量，方便快捷。在地圖類(lèi)的app中，電子羅盤(pán)也被用來(lái)配合設(shè)備的 GPS和其他位置功能達(dá)到指向的功能。
(四)距離傳感器Proximitysensor
距離傳感器的原理
通過(guò)發(fā)射特別短的并測(cè)量此光脈沖從發(fā)射到被物體反射回來(lái)的時(shí)間，通過(guò)測(cè)時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算與物體之間的距離。此方法叫做飛行時(shí)間法(flyingtime)。iPhone上的距離傳感器的型號(hào)一直未能得知。
距離傳感器的應(yīng)用
這個(gè)傳感器能夠判斷iPhone6手機(jī)距離你有多近，這個(gè)傳感器的一個(gè)作用是當(dāng)手機(jī)貼近耳朵的時(shí)候能夠自動(dòng)的關(guān)閉屏幕。
(五)指紋識(shí)別傳感器fingerprintsensor
指紋識(shí)別傳感器的原理
在iPhone6手機(jī)中選用的是TMDR92芯片。蘋(píng)果手機(jī)從iPhone5s開(kāi)始支持指紋識(shí)別，iPhone6及iPhone6plus依舊支持，它的指紋識(shí)別傳感器的供應(yīng)商為AuthenTec公司。
指紋識(shí)別傳感器位于iPhone6手機(jī)的HOME鍵下方，Home鍵周?chē)墓猸h(huán)也是感應(yīng)性的，當(dāng)手指靠近時(shí)就能檢測(cè)到。用戶(hù)也能很快知道自己的指紋是否正在被掃描而無(wú)需點(diǎn)按Home鍵。iPhone6手機(jī)內(nèi)的指紋識(shí)別傳感器是500dpi的陣列陣列，就這一點(diǎn)，就可以確定是電容式指紋采集方式。然后電容式會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，也可以算是特征，就是如何讓手指帶電，以及，如何檢測(cè)到手指在采集區(qū)，并讓檢測(cè)電容陣列帶電，(電容陣列一直帶電很傷電容的，畢竟是很精密的設(shè)備)，所以5s的不銹鋼圓環(huán)就是起這個(gè)作用，讓手指帶電，并且檢測(cè)到手指接觸后，觸發(fā)電容檢測(cè)陣列加電。
指紋識(shí)別傳感器的應(yīng)用
指紋識(shí)別傳感器位于iPhone6手機(jī)的HOME鍵下方，有了他，用戶(hù)可以安東home鍵來(lái)進(jìn)行解鎖。有了它，用戶(hù)可以免輸入密碼，確保更加安全的操作。最近，支付寶的iosapp也已經(jīng)支持了指紋識(shí)別，用戶(hù)無(wú)需輸入支付寶開(kāi)啟密碼來(lái)開(kāi)啟支付寶，也不需要輸入支付寶的支付密碼，僅僅需要按動(dòng)iPhone手機(jī)的HOME鍵就能夠?qū)崿F(xiàn)支付的功能。
(六)陀螺儀gyroscope
陀螺儀的原理
iPhone手機(jī)使用的陀螺儀芯片是Invensens公司的MPU-6700。陀螺儀從2010年發(fā)布的iPhone4手機(jī)開(kāi)始在iPhone手機(jī)中內(nèi)置。
陀螺儀能夠同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置，移動(dòng)軌跡，加速。單軸的只能測(cè)量一個(gè)方向的量，也就是一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀，而3軸的一個(gè)就能替代三個(gè)單軸的。3軸的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，是激光陀螺的發(fā)展趨勢(shì)。
陀螺儀應(yīng)用
它的主要作用是運(yùn)用在游戲的控制上。通過(guò)三軸陀螺儀，我們只需要通過(guò)移動(dòng)手機(jī)相應(yīng)的位置，就可以達(dá)到改變方向的目的。比如平衡球游戲或者極品飛車(chē)，就是應(yīng)用了陀螺儀的原理，完全摒棄以前通過(guò)方向按鍵來(lái)控制游戲的操控方式，使游戲更加真實(shí)，操作更加靈活。
(七)氣壓計(jì)Barometer
氣壓計(jì)的原理
iPhone6手機(jī)采用的氣壓計(jì)芯片是來(lái)自Bosch公司的MBP280芯片。
普通的氣壓計(jì)原理是根據(jù)氣壓計(jì)里面水銀的高度是由大氣壓支撐，也就是說(shuō)，大氣壓有多大，水銀柱的液面就會(huì)有多高，所以氣壓計(jì)中，水銀越高，氣壓越大。通過(guò)水銀柱的高度，分割氣壓計(jì)的精確度，就可以來(lái)測(cè)量當(dāng)前的氣壓了。
iPhone手機(jī)中的氣壓計(jì)類(lèi)似于現(xiàn)實(shí)生活中的這些氣壓計(jì)，不過(guò)沒(méi)有了液體水銀，代替的是兩個(gè)傳感器之間的轉(zhuǎn)換來(lái)將壓力轉(zhuǎn)換成另外一個(gè)傳感器可以測(cè)量的量。
氣壓計(jì)的應(yīng)用
其實(shí)氣壓計(jì)的基本作用只是測(cè)量大氣的壓強(qiáng)，更重要的應(yīng)用是為了盡用三維空間的功用來(lái)輔助GPS，通過(guò)氣壓的高低來(lái)判斷設(shè)備的高度，再配合GPS所取得的經(jīng)度和緯度來(lái)更快地計(jì)算出設(shè)備所在的位置。所以氣壓計(jì)在地圖類(lèi)，使用GPS或天氣類(lèi)的app中也有廣泛的應(yīng)用。