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单芯片技术与传感器融合技术的整合推动Sensor 3.0变革
左小木 | 2017-11-13 12:18:06    阅读:2525   发布文章

说到运动传感器,大家肯定和我一样,首先想到的就是智能手环、智能手表这类目前主要功能仍是计步的产品,但是如果只能想到这些的话,就略显小low了。作为如今遍布智能手机、可穿戴、工业控制、城市交通、医疗健康等各个领域应用产品之一,你生活中应用到的手机、平板,乃至共享单车等电子产品,都有配备运动传感器。

而作为目前高度集成的电子产品,又对各个功能模块有多功能、小型化、低功耗、低成本等诸多要求,而对于经常应用到陀螺仪、加速度、温度及压力等传感器的工程师,如何在设计中正确配置自己设计方案中的各功能模块,如何正确解读各模块的器件参数就决定了你设计方案究竟是会成为经典还是备选。

多芯片模块

在当下电子产品的高集成度趋势下,为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题,把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片,在高密度多层互联基板上用SMD技术组成各种电子模块,从而出现多芯片模块(Multi Chip ModelMCM)。

MCM是将多个裸芯片直接安装在单个载体或基板上,再通过高导电金属将裸芯片之间连接起来,最后用铸塑或陶瓷包封技术封装成一个模块。简单来说,MCM就是将多个芯片集成在一个封装中。较多个单芯片封装后再在PCB板上连接起来而言,由于MCM在一个模块中含有多个芯片,不仅提高封装密度,还由于多个芯片之间的间距减小,布线密度提高,以至整个模块的性能以及可靠性都有明显提高。

单芯片技术

单芯片技术是mCube(矽立科技)在MCM的基础上,将多个裸片整合在单个芯片上的技术。

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1 单芯片技术平台

如图1所示为单芯片技术平台。其中整个芯片结构的下半部分是一个CMOS数字芯片及灰色的电极,上部则为MEMS结构。在运动过程中,检测质量块(proof mass)会发生晃动,这时就会影响到质量块与周边环境的电容,而电容的变化被采集后会转换成(x,y,z)三个方向的加速度,从而通过这一原理可以将该技术平台用于设计加速度传感器、陀螺仪等。

单芯片技术平台可以将MEMSCMOS合二为一,将一颗芯片做得更小、功耗更低、指标更好,同时还可以通过这一平台整合不同的传感器。例如,可以将CMOS部分做得大一些,上面则可以加入诸如加速度、陀螺仪、压力、温度等多个不同的MEMS架构,从而实现裸片级别的芯片整合。单芯片技术的优势体现在体积更小,功耗更低,芯片外部引脚更少,从而降低了设计难度和成本,提高了产品的可靠性和产率。

传感器融合技术

MSIFMulti-sensor Information Fusion,多传感器信息融合技术)是一种对多种信息的获取、表示及其内在联系进行综合处理和优化的技术,利用计算机技术将来自多传感器或多源的信息和数据,在一定的准则下加以自动分析和综合,以完成所需要的预测和决策而进行的信息处理过程。

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2 传感器融合技术

MSIF可以说与MCM有异曲同工之处,因为他们都是为了解决单一传感器功能有限的问题。同时也大有不同,至于不同之处则是MCM是通过改变硬件结构完成多传感器功能集成,而MSIF则是通过软件实现多个传感器之间的信息互补和优化组合。

XsensMSIF技术做得很好的一个公司,其主要擅长领域是工业应用和动作捕捉,而在动作捕捉方面,其运用传感器进行动作捕捉比运用光学方法实现的运动捕捉能力还要强,而由于通过传感器技术进行动作捕捉又比用摄像技术便宜10倍以上,因而其在动作捕捉方面优势很大。

动作捕捉应用

运动传感器在动作捕捉方面的应用已经有很多,例如拍视频、MV,甚至好莱坞大片中很多比较震撼的场景都会用到运动传感器制成的衣服或设备做动作中。如图4所示,电影的演员穿着衣服动作,他的动作被捕捉下来后可以放在熊的身上。

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3 视频制作中的动作捕捉

另外一个应用是在运动员康复诊断中的应用。以职业球队为例,职业球队最主要的资产就是球员的健康,球员受伤后,队医就不会再让他们上场,如果球员因为带伤上场引起更严重的伤害,近而毁掉整个赛季,就是很严重的损失。但是球员想打球,会对自己的伤势恢复情况进行隐瞒或误判,穿上这样的衣服可以判断出身体是否容易受伤及是否已经康复等参数指标。

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4 运动传感器在康复球员康复诊断中的应用

mCube(矽立科技)收购 Xsens

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5 mCube(矽立科技)收购 Xsens

以小体积、低功耗运动传感器著称的mCube(矽立科技)于2017119日收购了专注3D运动追踪技术和产品的Xsens。这一收购也将会使得mCube(矽立科技)的单芯片技术于Xsens的传感器融合技术得到整合,从而推动Sensor 3.0的进一步变革和发展。mCube(矽立科技)总裁王瀚青博士表示,mCube(矽立科技)Xsens的结合是将好的硬件和好的软件融合在一起,是将高性能和低成本的结合,最终实现高性价比。

实际上,整个IoT领域就像是一个连续性的光谱,从便宜的消费类设备到很贵的军用级设备是一个很宽的光谱,随着价格越低,需求量越大。而在每一个价格点上都强调这个价格点上的性价比,王瀚青博士称,mCube(矽立科技)收购Xsens后可以填补各个频道上的空白,使整个市场变大。另外,对于Xsens来说,如果不会将成本做的更低,量产做得更大的话,他们的发展是很有限的,一旦他们知道如何将一千块钱的产品做到两百块,将两百块的产品做到五十块,他们的市场将会成数量级地增长。例如动作捕捉产品在球队上的应用,mCube(矽立科技)收购Xsens后,将不仅会做职业球队的市场,还可以下潜到高中及大学的市场,而这将会是一个更大的市场。

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