中心議題：

• 介紹了數字傳感器的新興標準
• 無(wú)線(xiàn)數字傳感器將廣泛應用在各種電子系統中。
• 闡述微型機電傳感器的更多應用
• 生物測定傳感器在保安方面的應用
• CCD和CMOS圖像傳感器的比較分析

解決方案：

• 傳感器技術(shù)提高汽車(chē)操作的簡(jiǎn)化程度和延長(cháng)能源的使用壽命
• 無(wú)線(xiàn)傳感器價(jià)格低廉、適應性好，即使在不良環(huán)境中也易于安裝和使用
• 無(wú)線(xiàn)傳感器可應用在智能住宅、節能系統、娛樂(lè )系統、遠程就醫、工業(yè)領(lǐng)域和汽車(chē)電子
• 能耗極低并支持近距離無(wú)線(xiàn)電通信微型數字傳感器已經(jīng)在商品電器中成功應用
• MEMS陀螺儀和磁力傳感器的低功耗在防盜系統和LBS系統發(fā)揮重要作用
• 生物測定傳感器在圖象顯示、反應速度和數據處理等方面提供優(yōu)越性能
• CMOS傳感器使整個(gè)系統的能耗及成本都大幅度降低。

“靈敏傳感器”(smart sensor)或“數字傳感器”(digital sensor)指的是高級傳感器，它包括調節和處理信號的電路及一個(gè)網(wǎng)絡(luò )通訊的界面。它們通常以模塊（modules）形式制成，包含一個(gè)傳感器、DSP（數字信號處理器）、一個(gè)DSC（數字信號控制器）或一個(gè)ASIC（特定用途集成電路）；另外也有以系統封裝（System in Package）或系統芯片(System on Chip)的方式制成。在微處理器和傳感器變得越來(lái)越便宜的今天，全自動(dòng)或半自動(dòng)（通過(guò)人工指令進(jìn)行高層次操作，自動(dòng)處理低層次操作）系統可以包含更多智能性功能，能從其環(huán)境中獲得并處理更多不同的參數。尤其是MEMS（微型機電系統）技術(shù)，它使數字傳感器的體積非常微小并且能耗與成本也很低。以納米碳管或其它納米材料制成的納米傳感器同樣具有巨大的潛力。市場(chǎng)分析機構NanoMarkets LC 估計在2008年，納米傳感器在全球的市場(chǎng)將達到二百八十萬(wàn)美金，到2012年會(huì )增至一千七百二十萬(wàn)美金。

圖1  在不久的將來(lái)，數字傳感器被認為是電子市場(chǎng)的主力。

使在萌芽階段，人們仍然認為在不久的將來(lái)數字傳感器對電子市場(chǎng)具有重要的推動(dòng)作用。制作數字傳感器的接口以及支持用于數字傳感器網(wǎng)絡(luò )的形式多樣的通訊協(xié)議都是對技術(shù)工藝的巨大挑戰。傳感器的非均質(zhì)特性和其操作條件的多樣化也對技術(shù)工藝提出了巨大的挑戰。目前在全世界有超過(guò)3000家傳感器制造商正在運作，Intechno 咨詢(xún)公司估計它們在2008年的總銷(xiāo)售額將會(huì )超過(guò)500億美金。

數字傳感器不僅能夠感知所測量的物理參數，諸如位置、溫度、照度、壓力、電壓或電流等；它們還能處理接收到的信號并將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )中去。因此一個(gè)傳感器節點(diǎn)除了傳感器本身，還包括信號獲取、處理、通訊及能耗管理等等的一整套電路系統。

圖2  越來(lái)越多的傳感器被整合到現代化汽車(chē)中。（來(lái)源：Strategy Analytics）

現在系統設計所包含的傳感器和處理器越來(lái)越多。隨著(zhù)傳感器和處理器價(jià)格的不斷降低，取代機械控制結構的閾值也在不斷變化。在系統中選擇正確的傳感器組合和處理算法可以顯著(zhù)地降低原材料及能耗的費用并提高系統的總體性能。目前，不斷提高操作的簡(jiǎn)化程度和延長(cháng)能源的使用壽命變得越來(lái)越重要，尤其是如今越來(lái)越多的傳感器網(wǎng)絡(luò )動(dòng)輒就配置1000或更多的傳感器節點(diǎn)。

數字傳感器：在汽車(chē)中的幾例應用
傳感器越來(lái)越多地被應用到許多領(lǐng)域，包括軍事、汽車(chē)、工業(yè)、醫藥、家居的安全與警戒、環(huán)境監測等等，甚至被應用到消費領(lǐng)域。在大型家用電器尤其是洗衣機和冰箱中，集成傳感器的使用顯著(zhù)增長(cháng)。

傳感器技術(shù)在現代汽車(chē)的重大改進(jìn)中起到了主要作用?？勾判裕ň艽牛﹤鞲衅鳎∕agnetoresistive? sensors）在汽車(chē)中用于決定機械系統的角度、速度或位置，汽車(chē)的防滑系統以及發(fā)動(dòng)機和變速箱的控制需要這些數據。在汽車(chē)中還有其它各種各樣的傳感器，像雷達、紅外線(xiàn)、視頻、慣性和超聲傳感器等等，它們的設計是以防鎖煞車(chē)系統（antilock braking）、可遙控自動(dòng)駕駛儀、電壓穩壓控制器（electronic-stability control）、換道并線(xiàn)及盲點(diǎn)探測系統、牽引控制、防撞系統以及氣囊調節等等為目標的。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機管理系統是一個(gè)富含傳感器的系統。除了監控司機與踏板之間的接觸狀況，此系統還測量許多變量，諸如系統中的空氣、燃料和尾氣的溫度、壓力以及化學(xué)成分等，并綜合所有這些信息，以便優(yōu)化發(fā)動(dòng)機的輸出功率、燃料效率、排放性能、傳動(dòng)經(jīng)驗甚至是適應不同的燃料類(lèi)型。

圖3  汽車(chē)發(fā)動(dòng)機管理系統是傳感器分支系統的一個(gè)代表。

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數字傳感器的新興標準
如今傳感器網(wǎng)絡(luò )使用多種技術(shù)來(lái)為不同的工業(yè)服務(wù)。用于傳感器網(wǎng)絡(luò )的各種專(zhuān)屬協(xié)議的數量激增。這就需要在傳感器網(wǎng)絡(luò )中引入綜合翻譯途徑，它是一個(gè)復雜而又昂貴的體系。因此人們需要更大程度的標準化。

工程任務(wù)組（The Internet Engineering Task Force－IETF）正在為以藍牙、Wi-Fi和802.15.4網(wǎng)等為基礎的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)列一個(gè)標準，以便能將傳感器節點(diǎn)連接到更寬廣的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )上。IETF的目標是在傳感器之間建立一種通訊方式，這種通訊方式不需要專(zhuān)屬的翻譯途徑。這項協(xié)議將在2009年六月制定出臺。由IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì )）的1451委員會(huì )制定的標準于上世紀90年代中期被引入，它為連接在網(wǎng)絡(luò )中的變換器（傳感器和執行器）之間提供了一個(gè)通用而且完全透明的界面。這個(gè)標準體系包含不同的子體系：IEEE P1451.0定義了物理層面的必備條件，通訊協(xié)議和基本功能；IEEE1451.1控制信息在網(wǎng)絡(luò )上的獲取和發(fā)送；IEEE1451.2處理有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的界面事宜，與RS－233、ES－485和USB等標準兼容；

IEEE1451.3啟動(dòng)處在多分支網(wǎng)絡(luò )中的傳感器的運行；于2003年通過(guò)的IEEE P1451.4規定與數字傳感器相關(guān)的數據（像傳感器的類(lèi)別、型號、操作參數以及位置等）必須能夠以電子數據表的格式從整合在傳感器中的EEPROM（電可擦除只讀存儲器）存儲器中讀取，這種數據表被稱(chēng)為變換器電子數據表（TEDS－Transducer Electronic Data Sheet)。IEEE P1451.4標準極大地簡(jiǎn)化了傳感器的布線(xiàn)以及更換故障傳感器的問(wèn)題。它同時(shí)也免除了傳感器在設置和校準方面的人工干預，這種干預即費時(shí)又易出錯。這樣傳感器就成了即插即用的裝置。在國家儀器網(wǎng)站（National Instruments’ web site）中有一個(gè)有效TEDS的數據庫，它包括了可以在IEEE P1451網(wǎng)絡(luò )中使用的各種老式的或沒(méi)有EEPROM的傳感器的專(zhuān)門(mén)資料。IEEE 1451.5標準仍在審核階段，它規定的是將TEDS連接到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的必要條件，如與802.11、藍牙或ZigBee等的連接。最近又提出了IEEE 1451.6標準議案，它定義TEDS和CAN總線(xiàn)的接口。

圖4  IEEE P1451標準的制定為連接在網(wǎng)絡(luò )上的變換器（傳感器和執行器）之間提供了一個(gè)通用且完全透明的界面。

無(wú)線(xiàn)數字傳感器
幾十億的有線(xiàn)傳感器被廣泛地用于電子系統中，從簡(jiǎn)單的熱電偶到更復雜的專(zhuān)用系統。它們被用于測量和監控物理參數。許多工程師正在考慮改用無(wú)線(xiàn)傳感器，因為它們具有一些顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格低廉、適應性好，即使在不良環(huán)境中也易于安裝和使用。根據市場(chǎng)分析機構Cahners Instat的估計，到2010年，將有超過(guò)1600億個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)被賣(mài)出。

傳感器的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將在一定區域內分布的各種傳感器連接在一起并結合智能電路進(jìn)行信號處理和數據傳輸。其可能的應用領(lǐng)域包括軍事、環(huán)境及道路交通的監控、安全與警戒、家庭與工業(yè)自動(dòng)化、醫療衛生系統和汽車(chē)。在工業(yè)環(huán)境中，建立一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )的費用有80%花在布線(xiàn)上，而且建立這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò )有時(shí)是不現實(shí)甚至是不可能的。在汽車(chē)方面，傳感器的一個(gè)重要應用是用于遙控開(kāi)鎖系統（RKE－Remote Keyless Entry Systems），以無(wú)線(xiàn)代替了CAN總線(xiàn)，這樣做大大節省了成本及空間，去除了昂貴而粗大的電纜。根據Cahners Instat最近的預測，到2010年將有超過(guò)1600億個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)被賣(mài)出；而且建立包含一萬(wàn)至十萬(wàn)個(gè)傳感器節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )也是非?？赡艿氖?。這樣，可測量性成為了一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。此外，傳感器必須可以現場(chǎng)編程和自行設置；網(wǎng)絡(luò )必須能夠在有一個(gè)或多個(gè)故障傳感器存在的情況下正常運行。另一個(gè)關(guān)鍵參數是能耗，因為無(wú)線(xiàn)傳感器也可能被設置在偏遠地區。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )方面，一個(gè)非常有前途的無(wú)線(xiàn)技術(shù)是ZigBee，它是按照IEEE 802.15.4標準研發(fā)的，能確保低能耗和低成本。ZigBee 聯(lián)盟的發(fā)起公司有深圳的華威科技、Ember、Freescale、Philips、STMicroelectronics、Texas Instruments、Samsung 和Siemens。West Technology，一個(gè)定向于無(wú)線(xiàn)電技術(shù)市場(chǎng)調查的公司預測，利用ZigBee 技術(shù)制作的符合IEEE 802.15.4標準的傳感器芯片組的銷(xiāo)售量將從今年的三千一百萬(wàn)組上升至2012年的三億一千二百萬(wàn)組，其增長(cháng)為稍高于100%的復合比。其它應用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)技術(shù)還有由Cypress Semiconductor推出的無(wú)線(xiàn)－USB；以及z-Wave，一種由Zensys公司研發(fā)的技術(shù)，有超過(guò)160家公司組成了一個(gè)z-Wave 聯(lián)盟來(lái)共同推廣這一技術(shù)。

圖5  MEMS加速計將成為便攜式用戶(hù)（消費）設備中許多高級界面的啟動(dòng)器。（來(lái)源：Sensor Platform）

無(wú)線(xiàn)傳感器：新興的用途
應用于住宅方面的傳感器在全球具有60億個(gè)節點(diǎn)的潛在市場(chǎng)，用于以無(wú)線(xiàn)傳感器為基礎的監控系統，它是無(wú)線(xiàn)傳感器用途的一個(gè)重要體現。到2012年，用于智能住宅（smart house）的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將會(huì )有價(jià)值二十八億美金的全球市場(chǎng)；相比較而言，其在2007年的市場(chǎng)只有四億七千萬(wàn)美金。傳感器最被看好的用途有照明控制、節能系統、保安模塊、娛樂(lè )系統和遠程就醫（telemedicine）。無(wú)線(xiàn)傳感器比有線(xiàn)傳感器更易安裝并且免除了昂貴而粗大的電纜。這種優(yōu)勢在工業(yè)領(lǐng)域尤為重要，電纜在其傳感器網(wǎng)絡(luò )安裝費用中占80%。無(wú)線(xiàn)傳感器在惡劣環(huán)境中使用具有優(yōu)勢，在這些環(huán)境中傳感器要經(jīng)得起震動(dòng)、高溫和電子噪聲甚至是爆炸性氣體。在如此惡劣的環(huán)境中安裝有線(xiàn)傳感器是不現實(shí)、昂貴甚或是不可能的。過(guò)去阻礙無(wú)線(xiàn)傳感器在工業(yè)領(lǐng)域中使用的原因是保安問(wèn)題以及工廠(chǎng)中不同無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )之間可能存在的干擾問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感器在其它領(lǐng)域中的應用經(jīng)驗可以作為參照來(lái)解決其在工業(yè)環(huán)境中應用所遇到的這些問(wèn)題。例如，解碼技術(shù)被用來(lái)保護無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )拒絕非法訪(fǎng)問(wèn)。

無(wú)線(xiàn)傳感器應用的另一個(gè)強勢領(lǐng)域是由汽車(chē)氣體力學(xué)中的輪胎壓力傳感器產(chǎn)生的。根據2001年頒發(fā)的一項法律，美國強制性要求每一種新款汽車(chē)都必須配備這種輪胎壓力傳感器。The Yole Développement，一家法國市場(chǎng)分析公司預計，到2012年這種傳感器的市場(chǎng)將達到1830億美金，相對于2007年的一億六千八百萬(wàn)美金，由于價(jià)格不斷下跌的緣故其復合增長(cháng)率僅為2%。從銷(xiāo)售量的角度分析，德國的Wicht Technologie公司預計，在市場(chǎng)上此類(lèi)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的數量將會(huì )由2011年的十萬(wàn)組增加到2015年的超過(guò)六千萬(wàn)組。如果類(lèi)似美國的輪胎壓力傳感器法也在歐洲和亞洲通過(guò)的話(huà)，到2012年其市場(chǎng)可能會(huì )超過(guò)三億美金。

圖6  許多產(chǎn)品公司正在開(kāi)發(fā)具有經(jīng)濟效益的解決方案以及小型化MEMS傳感器技術(shù)，這些技術(shù)據稱(chēng)可以很經(jīng)濟地將運動(dòng)感應功能加入到手機和消費產(chǎn)品中。（來(lái)源：STMicroelectronics）

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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的必備條件
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的主要組成部分是數字傳感器。無(wú)線(xiàn)傳感器的主要必備條件是一個(gè)被降低的波形因數、低能耗以及有效工作范圍，其有效工作范圍與所發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電信號強度和能耗均成正比的。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須具備高效性、可靠性和可縮放性，它們還應該能支持數量眾多的傳感器節點(diǎn)（10,000 – 100,000個(gè)）。其另一個(gè)必要條件是極低的維修需求。無(wú)線(xiàn)傳感器通常都安裝在偏遠地區，人工介入，即使是像更換電池這樣簡(jiǎn)單的事也是很困難和昂貴的。因此無(wú)線(xiàn)傳感器的能耗一定要極其低，以使其在一個(gè)電池更換周期內可以運行幾個(gè)月甚至幾年?；谶@些原因，人們已經(jīng)研發(fā)出了幾種不需要電池的解決方案。它們以能量搜集技術(shù)為基礎，可以從環(huán)境中汲取運行所需要的能量。它們通常能利用太陽(yáng)能、熱能或振動(dòng)所帶來(lái)的能量。再有，傳感器必須能夠現場(chǎng)編程和自我設置；即使在有一個(gè)或多個(gè)故障傳感器存在的情況下，網(wǎng)絡(luò )也能正常運行。信號發(fā)送率通常不是問(wèn)題，因為在大多數應用中，傳感器所產(chǎn)生的數據量不是很大，能以非連續方式來(lái)發(fā)送。

圖7  在汽車(chē)領(lǐng)域，MEMS被用于導航和信息娛樂(lè )設備中。

數字微粒（smart dust）
微粒是放置在集成度非常高的驅動(dòng)器和功能部件中的微型數字傳感器，用于收集和分析信息以及管理靜態(tài)存儲器和閃速存儲器。它的特性是能耗極低并支持近距離無(wú)線(xiàn)電通信。人們通常把它們與“無(wú)所不在的計算”和“數字微粒”等名稱(chēng)相提并論。這項技術(shù)是在1997年由美國加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)的。它的應用領(lǐng)域包括軍事、保安、家居自動(dòng)化、工業(yè)控制、建筑控制、汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )（automotive networks）、醫療系統以及智能型消費電器等。目前，一個(gè)數字微粒的價(jià)格大約為100美金，并需要體積大壽命卻比較短的電池來(lái)供電。不過(guò)其研究者說(shuō)，在五年內它們的單價(jià)會(huì )被降到10美金以下。通過(guò)能量搜集技術(shù)，微粒也將能利用太陽(yáng)能或動(dòng)能自行供電。

這些微型數字傳感器已經(jīng)被用于商品電器中。伯克利大學(xué)正在與Intel合作研制傳感器平臺，使之與XScale處理器結合以保證電池壽命超過(guò)一年。數字微粒傳感器的主要制造商是總部設在加州的Crossbow公司。根據市場(chǎng)分析家的預測，到2008年底，微粒的銷(xiāo)售量將會(huì )超過(guò)2億個(gè)。

圖8  許多公司開(kāi)始將生物測定傳感器納入現有的保安基礎設施中。

微型機電傳感器正在占領(lǐng)陣地
我們每天都在不知不覺(jué)中與微型機電傳感器（MEMS－micromechanical sensor）打交道：壓力、臨近與運動(dòng)傳感器（proximity and movement sensor）、陀螺儀、加速計、麥克風(fēng)和壓電裝置等等?，F如今，MEMS技術(shù)在以下四個(gè)領(lǐng)域取得了商業(yè)性的成功：用于氣囊控制的加速計；用于監測汽車(chē)耗油量的壓力傳感器；噴墨打印機頭和用于投影顯示的反射鏡。根據iSuppli的預測，微型機電傳感器的全球市場(chǎng)將會(huì )由2006年的61億美金增長(cháng)到2012年的88億美金。到2012年為止，MEMS儀器的單位出貨量的年復合增長(cháng)率預計為6.4%，其同期年銷(xiāo)售額的復合增長(cháng)率預計為5.5%。雖然產(chǎn)品總需求量的增長(cháng)相對緩慢，但某些單項產(chǎn)品的市場(chǎng)卻成長(cháng)得非常迅速；例如，iSuppli預言手機的平均復合增長(cháng)率將為22.9％，到2012年，僅此一項產(chǎn)品的市場(chǎng)將達到九億二千五百萬(wàn)美金。事實(shí)上MEMS傳感器正在越來(lái)越多地被用于消費電子產(chǎn)品。MEMS肯定會(huì )被大量地應用于消費電子產(chǎn)品中，最大的MEMS制造商們都把賭注押在了這塊市場(chǎng)上。STMicroelectronics公司MEMS事業(yè)部門(mén)的總監Benedetto Vigna認為，MEMS技術(shù)的用戶(hù)化將為此項技術(shù)開(kāi)辟新的領(lǐng)域，它也將會(huì )受到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )主體配置的影響。MEMS傳感器也可以被整合到游戲控制器中，使它們能夠在便攜式終端上跟蹤操縱者手部的運動(dòng)，并以此來(lái)調節顯示屏上的畫(huà)面變化或進(jìn)行目錄瀏覽。

市場(chǎng)調研機構iSuppli認為，移動(dòng)傳感器(motion sensors)將代替傳統的傳感器成為MEMS市場(chǎng)的主要推動(dòng)力，至少在2012年之前會(huì )是這樣。尤其是加速計(accelerometer)，它在便攜式消費電器中將被用來(lái)啟動(dòng)一系列高級界面功能。傳感器在消費電器中的應用正在迅速飆升，像用于游戲、筆記本電腦和數碼相機中的移動(dòng)傳感器就是實(shí)例。雖然以傳感器為基礎的微型機電系統（MEMS－microelectromechanical systems）的價(jià)格已經(jīng)在迅速下降，它們還是太昂貴而不能被用在一些對價(jià)格敏感的消費產(chǎn)品中。

自從MEMS加速計被用在Wii和蘋(píng)果牌iPhone中后，它們在消費市場(chǎng)中得到越來(lái)越多的關(guān)注。像Analo Devices 和STMicroelectronics 等MEMS加速計廠(chǎng)商都在其MEMS產(chǎn)品的銷(xiāo)售上取得了巨大成功，這些產(chǎn)品全是為Wii 控制器和iPhone設計的。ABI Research 公司強調，為了打進(jìn)一個(gè)主體市場(chǎng)，傳感器的單位價(jià)格必須低于一美元。

產(chǎn)品制造商們正在研發(fā)低成本解決方案，據說(shuō)用于手機和其它消費電器的微型化MEMS傳感器在保證移動(dòng)感應功能的同時(shí)成本更為低廉。

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STMicroelectronics公司去年推出了新一代高度壓縮的三軸線(xiàn)性加速計。LIS331系列的低能耗MEMS傳感器為消費用電器及工業(yè)用電器提供了靈敏的內嵌式微型移動(dòng)感應解決方案。這些功能包括便攜和游戲裝置中的移動(dòng)用戶(hù)界面、用于保護硬盤(pán)數據的自由落體探測以及家用電器的震動(dòng)探測與補償。

Freescale Semiconductor 公司也完成了它的MEMS傳感器產(chǎn)品系列，推出了一個(gè)三軸數據輸出加速計。這個(gè)裝置免除了對模數轉換器和外部存儲器的需要。MMA7450L裝置則能啟動(dòng)各種以移動(dòng)為基礎的功能，如在便攜式終端和用手指點(diǎn)擊操作的用戶(hù)界面中需要感知移動(dòng)、加速或減速，以便實(shí)施屏幕滾動(dòng)、游戲控制及硬盤(pán)自由落體保護等功能。Anolog Devices也推出了ADXL330三軸加速計的隨續產(chǎn)品，用于Wii的遙控。新加速計的功能有所改善，其中包括低能耗和低成本。

總部設在加利福尼亞的Sensor Platforms研制出了一種移動(dòng)感應技術(shù)，它可以插入在設備中用于硬盤(pán)的自由空間指示、內部巡視和震動(dòng)消除。本年度的下半年這個(gè)公司的此項產(chǎn)品將會(huì )面市。這類(lèi)產(chǎn)品使用第三方供應商所提供的低成本MEMS加速計、磁力計和GPS傳感器。Sensor Platforms聲稱(chēng)研制出了一個(gè)自由空間指示器，它可以用AA電池來(lái)驅動(dòng)，并保證其總的材料成本低于10美元。

在汽車(chē)領(lǐng)域，MEMS用于麥克風(fēng)、加速計和MEMS陀螺儀，如導航儀、信息娛樂(lè )設備和駕駛員記錄儀等。這后幾種應用被嵌入CMOS（互補金屬氧化物半導體）照相機，它們可以登記在事故發(fā)生前幾秒鐘內所發(fā)生的事件。STMicroelectronics 為日本和韓國的一些客戶(hù)研發(fā)了類(lèi)似的解決方案。

市場(chǎng)研究公司Yole Développement認為，在汽車(chē)市場(chǎng)中，陀螺儀、加速計和壓力傳感器是最重要的MEMS應用項目。例如許多國家立法要求在汽車(chē)的氣囊和座椅中安裝壓力傳感器。到2011年為止，MEMS在運輸領(lǐng)域的市場(chǎng)預計將以12.5%的速率增長(cháng)，銷(xiāo)售額將達到十三億五千萬(wàn)美金。

在汽車(chē)用MEMS的經(jīng)銷(xiāo)商中Bosch是第一名，其2007年的銷(xiāo)售額為四億三千萬(wàn)美金，其次是STMicroelectronics (三億二千萬(wàn)美金)，Freescale Semiconductor （二億三千五百萬(wàn)美金），Analog Devices (二億一千萬(wàn)美金)，Denso (一億七千六百萬(wàn)美金)，Infineon (由其分公司Sensonor帶來(lái)的一億三千萬(wàn)美金的年收入)，Delphi（一億一千六百萬(wàn)美金）和Continental AG(五千六百萬(wàn)美金)。

其它被認為很具有前途的應用是防盜系統和LBS（Location Based Services－定位服務(wù)）系統。其中包括定向廣告信息（以地區為基礎的廣告業(yè)）以及無(wú)線(xiàn)多人游戲，這種游戲可以把游戲參加者的地理位置考慮在內。MEMS也是將GPS功能整合入手機的一個(gè)關(guān)鍵裝置。GPS定位需要在高電流（約為50mM）下進(jìn)行；這種特性使其非常難于整合入像手機一類(lèi)的便攜式終端，因為在此類(lèi)終端中一般都采用能耗優(yōu)化來(lái)延長(cháng)電池的使用壽命。與之相反的是MEMS陀螺儀和磁力傳感器所需的電流比GPS低兩個(gè)數量級。一旦用戶(hù)的位置被確定下來(lái)，MEMS傳感器就可以代替GPS，因此可以在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中定期地短暫使用GPS來(lái)修正用戶(hù)的位置，以便糾正MEMS傳感器可能引起的誤差。

在家居自動(dòng)化中，MEMS傳感器可用于降低洗衣機等的水電消耗量。像自動(dòng)吸塵器和自動(dòng)割草機等小型家用電器會(huì )以適當的數量打入市場(chǎng)，因為它們的能耗效率不是很高。MEMS傳感器另一些引人注目的應用是在醫療領(lǐng)域，例如用于監控患者的各種重要生理指標，或用于對老年人進(jìn)行遠程就醫等。

圖9  生物測定傳感器和讀出器經(jīng)常被用于像個(gè)人電腦、筆記本電腦、硬盤(pán)等大宗產(chǎn)品中，以防這些產(chǎn)品在被盜或丟失后其中的文件被非法用戶(hù)讀取。

生物測定傳感器在保安方面的應用
一些公司正在著(zhù)手把生物測定傳感器納入其現有的保安基礎設施中。用于訪(fǎng)問(wèn)授權控制（access control）的硬件與軟件銷(xiāo)售額高達四十億美金。國際生物測定集團（International Biometric Group）預計到2009年，僅生物測定訪(fǎng)問(wèn)授權控制系統一項將會(huì )占據整個(gè)生物測定系統市場(chǎng)的30%；到2010年，銷(xiāo)售額將達到五十七億美金。含有多種生物測定傳感技術(shù)的綜合生物測定系統將占總市場(chǎng)的5%。

生物測定傳感器和讀出器通常被整合到大宗電子產(chǎn)品中，諸如個(gè)人電腦、筆記本電腦、DVD、手機、USB存儲器以及硬盤(pán)等，用來(lái)防止在此類(lèi)物品被盜或丟失后其中的文件被非法用戶(hù)讀取。其它重要的應用有公共行政管理、移動(dòng)交易（如電子商務(wù)或郵遞商務(wù)）以及機場(chǎng)和在醫院中控制患者的病歷等。

以生物測定監視系統為基礎的傳感器技術(shù)發(fā)展十分迅速，并且在圖象顯示、反應速度和數據處理等方面提供了非常優(yōu)越的性能。指紋傳感器在分辨率、有效面積的獲取、可靠性、堅固程度、體積、價(jià)格及保養需求等方面有著(zhù)很大區別。NIST（美國國家標準技術(shù)研究所）標準規定一個(gè)“好”的指紋圖像的分辨率應該高于500dpi（dot per inch）。當今應用最普遍的技術(shù)是光學(xué)法，使用一個(gè)傳感器或一組CCD（電荷耦合裝置）或CMOS（互補金屬氧化物半導體）傳感器；還有使用電容法的。電容掃描器是更為精簡(jiǎn)的裝置，因此它們是容量有限的便攜式儀器的理想選擇。最新一代用于獲取指紋的傳感器不需要手指與儀器有實(shí)質(zhì)性的接觸，這樣就避免了由前一次獲取指紋殘留下來(lái)的指印所帶來(lái)的干擾問(wèn)題，這種殘留指印會(huì )改變指紋讀取結果。Upek，一個(gè)2004年由STMicroelectronics 派生出的公司，研制出了一種叫作TouchChip的活性像素電容感應技術(shù)，它提供了最佳的信號與噪聲比率以及成像質(zhì)量。與以往的電容感應技術(shù)相比，它也確保了圖像不受寄生元件的干擾（parasite effects）。其感應區域由一個(gè)二維像素組構成，每一維由兩個(gè)相鄰的金屬電極組成，由一個(gè)保護罩將它們與用戶(hù)的手指和周?chē)h(huán)境分開(kāi)。那些電極形成了一個(gè)散射狀的電容，它的電場(chǎng)力線(xiàn)被鋪在硅表面上。當手指的皮膚處在傳感器的感應區內時(shí)，它干擾了其電場(chǎng)的電場(chǎng)力線(xiàn)，因而降低了兩個(gè)電極之間的有效電容量，通過(guò)電容減弱的程度就可以探測到皮膚表面高低起伏的變化。

雖然目前生物測定傳感器的單位價(jià)格已經(jīng)低于五美元，但是為了進(jìn)一步降低它們的價(jià)格，奧地利的Nanoident公司研制出了由聚合物半導體制成的光學(xué)傳感器，它的價(jià)格比其同類(lèi)的硅半導體傳感器要低廉得多。使用這種傳感器能制出柔軟易曲的指紋掃描器并能將其嵌入到智能卡中。每個(gè)傳感器帶有256個(gè)50μ×50μ的像素，所產(chǎn)生圖像的分辨率為250dpi。

手掌靜脈紋識別雖然是一項不太常用的生物測定技術(shù)，但它也在逐漸流行起來(lái)。它通常與指紋識別共同使用來(lái)實(shí)現更高級別的保安措施。其應用包括人員識別、人員進(jìn)入的控制以及對使用電子收款機進(jìn)行的金融交易實(shí)施保護等。Fujitsu公司研發(fā)了一種使用近紅外光來(lái)確定靜脈形狀的技術(shù)。原理是在靜脈中流動(dòng)的血紅蛋白吸收波長(cháng)為760nm的近紅外光，因此這項非接觸性的技術(shù)是很可靠而安全的。靜脈構造圖是非常難以復制和偽造的，原因是它在手的組織內部并且需要血液流動(dòng)才能夠構成圖像。由Fujitsu研發(fā)的這項技術(shù)使錯誤接受率低于0.00008%，而錯誤拒絕率則低于0.01%。

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圖像傳感器：用CCD 還是CMOS？
對保安問(wèn)題日益增加的關(guān)注導致了人們在監視系統上的投資越來(lái)越多。事實(shí)上視頻監視領(lǐng)域正在不斷地擴大。根據市場(chǎng)分析機構RNCOS的預測，人們對視頻監視系統的需求量將從目前的10%增加到2009年的36%；在今后的五年里，其總銷(xiāo)售額將從目前的七十億美金增至一百三十億美金。監視產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)重大變革。據估計超過(guò)90%的監視錄像機是模擬型的。模擬監視系統通過(guò)同軸電纜將CCTV（Closed-circuit television-閉路電視）攝像機連接到中央磁帶錄像機或硬盤(pán)上。如今模擬錄像正逐步地被數字化、壓縮并按照Internet 協(xié)議做成數據包送到Internet的服務(wù)器上。最新一代智能攝像機可以對捕捉到的圖像進(jìn)行高等分析。監視錄像可以在數字攝像機上直接被編譯成H.264碼并以較低的位速率在Ethernet上傳送。

圖像傳感器技術(shù)是上世紀六十年代末伴隨第一代CCD（電荷耦合裝置）而產(chǎn)生的，它是監視系統必備的裝置。在一個(gè)CCD傳感器中，每個(gè)像素中的電荷通過(guò)數目有限的輸出節點(diǎn)（有時(shí)只有一個(gè)節點(diǎn)）傳遞并被轉換成一個(gè)電壓值作為模擬信號送出芯片。多年來(lái)CCD是起主導作用的圖像獲取技術(shù)，因為在現有的處理技術(shù)條件下CCD所提供的圖像質(zhì)量非常高（以效率和噪聲作為衡量標準）。CMOS（互補金屬氧化物半導體）圖像傳感器幾乎是與CCD同時(shí)期發(fā)明的。在一個(gè)CMOS傳感器中，每個(gè)像素都具有電荷/電壓轉換功能，它通常還帶有放大器、噪聲補償電路和數字化區。這些功能增加了芯片的復雜性也減少了傳感器的體積。由于其信號轉換是由每一個(gè)芯片獨立完成的，因此像素的均一性比較差。盡管如此，CMOS傳感器的整合性卻非常好，使芯片攝像機（camera on a chip）得以實(shí)現。低成本CMOS圖像傳感器的出現也促進(jìn)了攝像機或圖像傳感器在工序自動(dòng)化方面的應用。CMOS傳感器使整個(gè)系統的能耗及成本都大幅度降低。

據IC Insights估計，2008年圖像傳感器的市場(chǎng)總銷(xiāo)售額將會(huì )達到七十六億美金，比2007年多10%。CMOS圖像傳感器的銷(xiāo)售額于2007年降低了12%之后，在2008年預計會(huì )上升19%，達到四十四億美金；同時(shí)CCD（電荷耦合裝置）的銷(xiāo)售額在2008年會(huì )達到三十二億美金，下降1%，相比之下，其2007年的銷(xiāo)售額與以往持平。OmniVision在2007年成為CMOS圖像傳感器的最大供應商，其次是Micron Technology、STMicroelectronics、Toshiba和Sony。

CCD在CMOS傳感器在性能上的差距隨著(zhù)處理技術(shù)和設計技巧的不斷改進(jìn)而被大大地縮小。上世紀九十年代產(chǎn)生了活性像素傳感器（APS－active pixel sensor），它使用活性晶體管（active transistor）對光敏二極管產(chǎn)生的信號進(jìn)行緩沖。DPS（Digital Pixel System－數字像素系統）平臺是斯坦福大學(xué)歷時(shí)八年的研究成果，它由斯坦福大學(xué)的讓產(chǎn)易股公司Pixim銷(xiāo)售，用于攝像機錄像監視系統。DPS技術(shù)使整合在傳感器中的模擬/數字轉換器(analog-to-digital converter－ADC)在像素階段直接對到達傳感器的光進(jìn)行信號轉換。它的結構可以使更多的低速ADC平行運行并盡可能地靠近光敏二極管產(chǎn)生信號的位點(diǎn)；這使得每一個(gè)像素的信號與噪聲比達到最佳值，傳感器的數字化也使信號的讀取更快更準確。意大利公司NeuriCam推出了一系列VISoC (Vision System on Chip – 芯片上的影像系統)光學(xué)傳感器，它們可以用C或匯編語(yǔ)言編程并且其設計最適合用于汽車(chē)領(lǐng)域。VISoC是一個(gè)完整的微型影像系統，它包含一個(gè)32位RISC CPU（精簡(jiǎn)指令集中央處理器）、一個(gè)中性處理器（neutral processor）以及平行和串行接口。其CPU性能可以達到60MIPS（百萬(wàn)條指令/秒）；而平行處理器的性能可以達到1000MOPS(百萬(wàn)次運算/秒)。為了能夠自主運行，它只需要RAM和閃速存儲器（flash memory）。

Sharp公司最近推出了兩種CCD傳感器RJ2311CA0PB和RJ2321CA0PB，其敏感度為3,200mV，是目前CCD攝像機市場(chǎng)中最高的。多虧有了Sharp公司的微型精加工技術(shù)（micro-finishing technology），這項技術(shù)起源于高分辨率小型數碼相機，使入射光的采集率和光電轉化率得到了非常大的提高，敏感度比以前的類(lèi)型高1.6倍。因為它們的這些優(yōu)良性能，新的CCD傳感器很適合用于保安攝像機系統，即使在夜間光線(xiàn)很差的情況下它們也能攝出清晰的圖像。RJ2311CA0PB傳感器產(chǎn)生的NTSC信號的分辨率為270,000像素；而RJ2321CA0PB產(chǎn)生的PAL信號的分辨率為320,000像素。

參考文獻
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