單芯片技術(shù)與傳感器融合技術(shù)的整合推動(dòng)Sensor 3.0變革

說(shuō)到運動(dòng)傳感器，大家肯定和我一樣，首先想到的就是智能手環(huán)、智能手表這類(lèi)目前主要功能仍是計步的產(chǎn)品，但是如果只能想到這些的話(huà)，就略顯小low了。作為如今遍布智能手機、可穿戴、工業(yè)控制、城市交通、醫療健康等各個(gè)領(lǐng)域應用產(chǎn)品之一，你生活中應用到的手機、平板，乃至共享單車(chē)等電子產(chǎn)品，都有配備運動(dòng)傳感器。

而作為目前高度集成的電子產(chǎn)品，又對各個(gè)功能模塊有多功能、小型化、低功耗、低成本等諸多要求，而對于經(jīng)常應用到陀螺儀、加速度、溫度及壓力等傳感器的工程師，如何在設計中正確配置自己設計方案中的各功能模塊，如何正確解讀各模塊的器件參數就決定了你設計方案究竟是會(huì )成為經(jīng)典還是備選。

多芯片模塊

在當下電子產(chǎn)品的高集成度趨勢下，為解決單一芯片集成度低和功能不夠完善的問(wèn)題，把多個(gè)高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多層互聯(lián)基板上用SMD技術(shù)組成各種電子模塊，從而出現多芯片模塊（Multi Chip Model，MCM）。

MCM是將多個(gè)裸芯片直接安裝在單個(gè)載體或基板上，再通過(guò)高導電金屬將裸芯片之間連接起來(lái)，最后用鑄塑或陶瓷包封技術(shù)封裝成一個(gè)模塊。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MCM就是將多個(gè)芯片集成在一個(gè)封裝中。較多個(gè)單芯片封裝后再在PCB板上連接起來(lái)而言，由于MCM在一個(gè)模塊中含有多個(gè)芯片，不僅提高封裝密度，還由于多個(gè)芯片之間的間距減小，布線(xiàn)密度提高，以至整個(gè)模塊的性能以及可靠性都有明顯提高。

單芯片技術(shù)

單芯片技術(shù)是mCube（矽立科技）在MCM的基礎上，將多個(gè)裸片整合在單個(gè)芯片上的技術(shù)。

圖1 單芯片技術(shù)平臺

如圖1所示為單芯片技術(shù)平臺。其中整個(gè)芯片結構的下半部分是一個(gè)CMOS數字芯片及灰色的電極，上部則為MEMS結構。在運動(dòng)過(guò)程中，檢測質(zhì)量塊（proof mass）會(huì )發(fā)生晃動(dòng)，這時(shí)就會(huì )影響到質(zhì)量塊與周邊環(huán)境的電容，而電容的變化被采集后會(huì )轉換成（x,y,z）三個(gè)方向的加速度，從而通過(guò)這一原理可以將該技術(shù)平臺用于設計加速度傳感器、陀螺儀等。

單芯片技術(shù)平臺可以將MEMS和CMOS合二為一，將一顆芯片做得更小、功耗更低、指標更好，同時(shí)還可以通過(guò)這一平臺整合不同的傳感器。例如，可以將CMOS部分做得大一些，上面則可以加入諸如加速度、陀螺儀、壓力、溫度等多個(gè)不同的MEMS架構，從而實(shí)現裸片級別的芯片整合。單芯片技術(shù)的優(yōu)勢體現在體積更小，功耗更低，芯片外部引腳更少，從而降低了設計難度和成本，提高了產(chǎn)品的可靠性和產(chǎn)率。

傳感器融合技術(shù)

MSIF（Multi-sensorInformation Fusion，多傳感器信息融合技術(shù)）是一種對多種信息的獲取、表示及其內在聯(lián)系進(jìn)行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)，利用計算機技術(shù)將來(lái)自多傳感器或多源的信息和數據，在一定的準則下加以自動(dòng)分析和綜合，以完成所需要的預測和決策而進(jìn)行的信息處理過(guò)程。

圖2 傳感器融合技術(shù)

MSIF可以說(shuō)與MCM有異曲同工之處，因為他們都是為了解決單一傳感器功能有限的問(wèn)題。同時(shí)也大有不同，至于不同之處則是MCM是通過(guò)改變硬件結構完成多傳感器功能集成，而MSIF則是通過(guò)軟件實(shí)現多個(gè)傳感器之間的信息互補和優(yōu)化組合。

Xsens是MSIF技術(shù)做得很好的一個(gè)公司，其主要擅長(cháng)領(lǐng)域是工業(yè)應用和動(dòng)作捕捉，而在動(dòng)作捕捉方面，其運用傳感器進(jìn)行動(dòng)作捕捉比運用光學(xué)方法實(shí)現的運動(dòng)捕捉能力還要強，而由于通過(guò)傳感器技術(shù)進(jìn)行動(dòng)作捕捉又比用攝像技術(shù)便宜10倍以上，因而其在動(dòng)作捕捉方面優(yōu)勢很大。

動(dòng)作捕捉應用

運動(dòng)傳感器在動(dòng)作捕捉方面的應用已經(jīng)有很多，例如拍視頻、MV，甚至好萊塢大片中很多比較震撼的場(chǎng)景都會(huì )用到運動(dòng)傳感器制成的衣服或設備做動(dòng)作中。如圖4所示，電影的演員穿著(zhù)衣服動(dòng)作，他的動(dòng)作被捕捉下來(lái)后可以放在熊的身上。

圖3 視頻制作中的動(dòng)作捕捉

另外一個(gè)應用是在運動(dòng)員康復診斷中的應用。以職業(yè)球隊為例，職業(yè)球隊最主要的資產(chǎn)就是球員的健康，球員受傷后，隊醫就不會(huì )再讓他們上場(chǎng)，如果球員因為帶傷上場(chǎng)引起更嚴重的傷害，近而毀掉整個(gè)賽季，就是很?chē)乐氐膿p失。但是球員想打球，會(huì )對自己的傷勢恢復情況進(jìn)行隱瞞或誤判，穿上這樣的衣服可以判斷出身體是否容易受傷及是否已經(jīng)康復等參數指標。

圖4 運動(dòng)傳感器在康復球員康復診斷中的應用

mCube（矽立科技）收購Xsens

圖5 mCube（矽立科技）收購Xsens

以小體積、低功耗運動(dòng)傳感器著(zhù)稱(chēng)的mCube（矽立科技）于2017年11月9日收購了專(zhuān)注3D運動(dòng)追蹤技術(shù)和產(chǎn)品的Xsens。這一收購也將會(huì )使得mCube（矽立科技）的單芯片技術(shù)于Xsens的傳感器融合技術(shù)得到整合，從而推動(dòng)Sensor 3.0的進(jìn)一步變革和發(fā)展。mCube(矽立科技)總裁王瀚青博士表示，mCube(矽立科技)和Xsens的結合是將好的硬件和好的軟件融合在一起，是將高性能和低成本的結合，最終實(shí)現高性?xún)r(jià)比。

實(shí)際上，整個(gè)IoT領(lǐng)域就像是一個(gè)連續性的光譜，從便宜的消費類(lèi)設備到很貴的軍用級設備是一個(gè)很寬的光譜，隨著(zhù)價(jià)格越低，需求量越大。而在每一個(gè)價(jià)格點(diǎn)上都強調這個(gè)價(jià)格點(diǎn)上的性?xún)r(jià)比，王瀚青博士稱(chēng)，mCube（矽立科技）收購Xsens后可以填補各個(gè)頻道上的空白，使整個(gè)市場(chǎng)變大。另外，對于Xsens來(lái)說(shuō)，如果不會(huì )將成本做的更低，量產(chǎn)做得更大的話(huà)，他們的發(fā)展是很有限的，一旦他們知道如何將一千塊錢(qián)的產(chǎn)品做到兩百塊，將兩百塊的產(chǎn)品做到五十塊，他們的市場(chǎng)將會(huì )成數量級地增長(cháng)。例如動(dòng)作捕捉產(chǎn)品在球隊上的應用，mCube（矽立科技）收購Xsens后，將不僅會(huì )做職業(yè)球隊的市場(chǎng)，還可以下潛到高中及大學(xué)的市場(chǎng)，而這將會(huì )是一個(gè)更大的市場(chǎng)。