目前,全球MEMS传感器的应用大概有5亿美金规模。随着2007年智能手机大量发力,加速度传感器、陀螺仪、压力传感器和温湿度传感器等已经遍布到所有的手机中。未来,手机领域会出现更多新的传感器应用,以提升手机价值。此外,消费类电子、AR/VR、智能眼镜、智能工业技术、机器人和手腕等也都是MEMS传感器未来的应用方向,这些方向都需要有更好的解决方案甚或系统级的准备。

传感器一开始主要用来实现像画面稳定或横屏竖屏等较单纯的应用界面。这些应用大部分是使用原生数据,设计工程师基于这些数据设计相关的应用。但是随后这些应用被升华,变成了更多的需求。动作识别、计步器和运动检测等应用逐渐开始演进,需要不只是提供单纯硬件传感器的输出,同时还要有预先编程好的软件来看目前动作所代表的意义,比如登山、跑步等等。知道所处运动环境后,下一步就演进到预测未来环境的变化。这就有点像是人工直觉,我们需要做更多大数据的分析,提供给使用者更好的预测和结果。

但是,据Gartner调查报告,目前我们还没有看到可穿戴设备和AR等市场出现真正的爆发。其原因是,这些新兴应用还需解决性能和功耗(续航时间)、小尺寸、低延迟和灵活性等各种痛点。

日前,Bosch Sensortec(博世传感器)在新闻发布会暨媒体见面会上一举发布了3款MEMS/MOEMS器件——超低功耗加速度传感器BMA400、6轴惯性测量单元(IMU)BMI085以及交互式投影模块,直击上诉各大痛点。你很想知道它们是怎么实现的吧?

击破痛点一:面向可穿戴和IoT,BMA400加速度计兼顾高性能和低功耗

第一款产品是面向可穿戴设备和物联网(IoT)应用的超低功耗加速度传感器BMA400。Bosch Sensortec GmbH 亚太区总裁百里博(Leopold Beer)告诉记者,BMA400所需耗电量仅为现有加速度计的1/10,并能提供稳定且高性能的服务。尤其是对于那些使用钮扣电池供电的设备,其大幅降低的功率需求显著提高了电池使用寿命。“这相当于以前在智能手表一天充电一次的情况下,现在只要10天充电一次,因此大大改变了使用者的使用习惯,不用天天去给手表充电,它的应用可以更多元化。” 百里博先生补充说。

001ednc20180328 Bosch Sensortec GmbH 亚太区总裁百里博(Leopold Beer)

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通常,加速度计的设计必须在低功耗和高性能之间做出取舍。现在,BMA400可以带来两全其美的效果:其低功耗、高性能和高级功能的结合,是当今市场上任何其他设备无可比拟的——可以说已到了遥不可及的程度。

Bosch Sensortec微机电系统(MEMS)产品领域总负责人Ralf Schellin表示,要开启智能世界,我们首先要了解用户的痛点在哪里,再做相应的解决方案,让设计者或使用者能够有更好的使用体验。首先,使用者需要更小尺寸、更好设计的产品,这就需要小尺寸的传感器解决方案。第二,功耗。过去的可穿戴产品,例如手表,一般都是半年、一年才换一次电池;现在的智能可穿戴产品很多都是戴两三天就需要充一次电,因此需要低功耗的解决方案来延长电池使用时间。第三,功能方面,之前手表只能做计步之类的应用,我们需要更多的功能才能吸引到使用者。最后,过去的设计比较单调,现在需要更时尚的产品吸引到使用者,觉得这是个很时髦的产品,而不是个很单纯的机器,没有任何生活的感觉。

“可穿戴市场从2017年以20%的年复合增长率在增加,需要低功耗的解决方案去支持它的成长。这里不局限于针对健康的市场有这样的应用,还有更多智能产品会出来。越来越多的市场品牌加入这个产品队伍,可穿戴设备也会更多元化,从手表、耳环到珠宝、服饰,大大小小的产品,会更多元化地衍生出来。”Schellin先生补充说。

003ednc20180328 Bosch Sensortec微机电系统(MEMS)产品领域总负责人Ralf Schellin

BMA400加速度计,在实现超低功耗的同时,没有牺牲掉任何的高性能。这好像打破了我们的常识。其原因是它具有一个智能电源管理系统。

BMA400凭借其步进式计数器仅4μA的超低耗电量,和该智能电源管理功能(如内置活动识别),能前所未有延长可穿戴设备(如健身带、智能服装、腕表和活动追踪器)所配电池的使用寿命。“这个智能电源管理系统能够启动到不同的模式,从最低的模式,侦测到环境的变化,从小于1μA的最低模式到有行为发生以后陆续启动到不同的模式,提升侦测等级。到计步器侦测等级的时候,大概是4μA的计步套件,一直提升到全开的时候大概是14μA的数值。”Schellin先生介绍说。

为了进一步延长电池使用寿命,BMA400只有在检测到物体运动时才会自动唤醒,并在运动停止后自动恢复到睡眠模式。这一功能特别适用于由纽扣电池供电的超低功耗物联网应用,即室内环境控制中所使用的智能门窗传感器或智能安防系统中所用传感器。

仅2.0 x 2.0 x 0.95mm³的体积大小,和所配备的即插即用式步进计数器,使得新型BMA400加速度传感器易集成于各种应用之中。这不仅缩短了产品上市时间,而且令在新型可穿戴设备(如普通腕表和珠宝)中新增计步功能更加简便,令全新产品具有领先优势。

此外,该传感器由于是连续测量,其高质量测量信号能精确限定截止频率,这使其具有极佳的抗振性。BMA400可以分辨出例如玻璃破碎情况下的真实警报和由随机振动造成的错误报警信号,这使得它在如家庭智能安防系统等物联网使用案例中能够大展身手。因此,这一传感器能有效防止由外部环境振动(如建筑工程)而触发的错误警报。

通过其内置的电压调节器,BMA400能在宽电源电压范围内提供稳定的性能,并实现对功耗、噪音和输出数据速率(ODR)参数的灵活微调。在启动最高性能设置,于220μg/√Hz噪声频谱密度中保持连续测量的情况下,BMA400的耗电量约为14μA。在超低功耗自唤醒模式下,其耗电量可降低至1μA以下。这一新型传感器还提供1KB大小的FIFO储存空间。

击破痛点二:BMI085 IMU解决VR和AR应用的晕眩问题

另一款MEMS传感器是高性能6轴惯性测量单元(IMU)BMI085。它是BMI055的下一代产品,在一个小型封装中集成了一个3轴16位MEMS加速度传感器和一个3轴16位MEMS陀螺仪。

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这款IMU性能强大,非常适合要求苛刻的虚拟现实(VR)和增强现实(AR)应用以及其他应用,如导航、身体/人体运动跟踪和高端游戏。“它当然不是给一般的手机使用,而是专门针对于虚拟现实或增强现实的场景,因为它有更高的性能表现。” 百里博先生表示。该MEMS传感器集成了多种功能,它结合了极低漂移陀螺仪和低噪声加速度计,可显著减少令人不适的晕动病效应。其对头部运动的超精确瞬时检测将时间延迟缩短至几乎不可察觉的最小值。因此,电子设备制造商能够创造出更加真实和身临其境的虚拟和增强现实体验,使耳机用户能够更长时间地融入虚拟环境,而不需要时常进行休息。

“AR、VR最常遇到的问题就是容易晕眩,这是最主要造成使用者不好的反映,对于AR、VR有很多应用,当你一旦有晕眩感,会一两天不舒服,会让人对它害怕,这是第一个痛点。”Ralf Schellin补充说,“对于这个最主要的痛点,在BMI085中,我们通过低延迟特性,通过融合加速度计和陀螺仪的数据,并进行一些补偿及陀螺仪定盘设计,来解决晕眩的问题。同时,由于它温度漂移很低,因此在长时间使用之后不会影响性能。此外,过去需要做很多外部辅助,价格昂贵,现在只需要一个独立式头盔,价格已到可承担的级别。因此,现在BMI085可以解决AR、VR的痛点,将会大量地使用在AR、VR上。”

BMI085的极低延迟,使耳机制造商能够消除图像漂移,而提供逼真的实境体验。IMU提供低于3ms的运动至光子延迟,并且能够在连续头戴式显示器(HMD)或增强现实头戴式耳机场景中经常遇到的高温度波动环境下,实现接近完美的稳定性。这套系统进一步提高了准确性,对于当今极快的高清增强现实/虚拟现实应用来说至关重要。

该传感器内的加速度计具有非常好的温度稳定性,温度系数补偿(TCO)通常小于0.2mg/K,且温度系数灵敏度(TCS)可达0.002%/K。陀螺仪的偏置不稳定性通常低于2°/h。

BMI085的陀螺仪具有强大的闭合回路模数转换机制,即使在波动较大的温度环境下也可确保低漂移特性。加速度计可实现低于120μg/√Hz的噪声密度,且IMU的精度通过加速度计和陀螺仪的数据同步获得进一步提升。

BMI085采用3.0×4.5×0.95mm3的紧凑封装,与博世BMI055 IMU引脚兼容,因此改用BMI085设计非常轻松。

击破痛点三:交互式投影模块无需聚焦,实现灵活的物联网界面

目前,物联网正在推动许多行业的增长。IDC预测,2018年度全球物联网支出将超过7720亿美元,到2020年将突破1万亿美元大关。为实现如此大胆的增长预测,物联网解决方案将需要证明其价值,并克服尺寸、成本、功耗和可用性方面的众多技术挑战。

用户界面这一领域拥有大量改进空间,以及尚待开发的潜力,能够将物联网推向更高水平。为了顺畅并扩大用户与技术之间的互动,博世开发出独家MOEMS激光扫描技术,用于投影和感应交互式图像,例如菜单。为了促进营收,用户必须能够看到实际的产品图像,因为仅仅音频控制界面所提供的刺激感不足以触发客户在例如网上购物时的购买行为。

交互式投影模块可实现免对焦激光投影,并可灵活地将任何表面转变为尤为直观和具有视觉吸引力的虚拟用户界面(UI),非常适合与家用电器、智能扬声器、增强现实眼镜、可穿戴设备等配合使用。

“针对于物联网这块的使用痛点,第一,需要一个很占空间的大屏显示,这通常限制了IoT的发展——我们需要的是更灵活、更小巧的设备。第二,不管是环境或者是用户随时随地使用,移动设备都需要频繁充电。第三,对于线上购物,语音控制不足以应对所有场景。最后,目前视频和图片随时投放并不是特别完善——我们需要有免聚焦投影的解决方案。”Ralf Schellin表示。新推出的交互式投影模块是一个免聚焦的产品。它通过激光的方式实现投影,也不需要加装特别的镜片模块,而可以把体积设计得更小。

交互式投影模块将虚拟用户界面图像投影到物体表面上,并持续扫描,检测用户的手势和交互,例如触摸、拖动或点击。虚拟界面能够按需投影到任何表面上,提供了近乎无限的应用可能性。它免除了物理控制拨号和按钮的束缚,将会为物联网和消费产品空间带来革新。普通设备将可迅速实现灵活的物联网界面,同时,得益于其小巧且节能的特性,交互式投影模块非常适合实现智能手表和个人移动设备等投影用户界面图像的科幻功能。

交互式投影模块具有实现这一愿景所需的技术特征,包括免对焦投影、小尺寸和低功耗。此模块使产品设计人员能够创建非常好的用户界面概念,这些概念有望使物联网、智能家居和其他应用达到令人惊叹的性能水平。

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