深入探討MEMS和傳感器的未來

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，2017年對MEMS和傳感器產(chǎn)業(yè)來說是個(gè)好年景，且這種增長趨勢會持續(xù)下去。Yole預(yù)測所有固態(tài)傳感器和執(zhí)行器市場將實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁增長，到2023年達(dá)到千億美元級，出貨量達(dá)1850億顆。光學(xué)傳感器，特別是CMOS圖像傳感器，將占據(jù)該領(lǐng)域近40%的市場份額。MEMS也將在這一增長中發(fā)揮重要作用：在2018~2023年期間，MEMS市場規(guī)模增長率為17.5%，出貨量增長率為26.7%，其中消費(fèi)領(lǐng)域占比超過50%。

2017~2023年MEMS市場（按應(yīng)用領(lǐng)域細(xì)分）來源：《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2018版》

傳感器的演變歷程最初開發(fā)的傳感器主要用于物理量的探測：如沖擊、壓力，后來用于測量加速度和旋轉(zhuǎn)。隨著研發(fā)投入增加，MEMS從對物理量的探測擴(kuò)展到對光的感應(yīng)和操控（如MEMS微鏡），再進(jìn)一步擴(kuò)展到非制冷紅外傳感器（如微輻射熱計(jì)）。從對光的感應(yīng)到對聲音的感應(yīng)，MEMS麥克風(fēng)掀起了下一波MEMS浪潮。MEMS和傳感器正在進(jìn)入令人興奮的全新演變階段，因?yàn)樗鼈兂搅巳祟惛泄?，向超聲波、紅外和高光譜傳感方向發(fā)展。

當(dāng)我們的身體或情緒感知在某種程度上受到限制時(shí)，傳感器卻能彌補(bǔ)我們的不足。超越人耳的MEMS麥克風(fēng)已經(jīng)用于聽障人士。亞利桑那州立大學(xué)的研究人員正在開發(fā)人工耳蝸植入物——壓電MEMS傳感器，有朝一日可能會使那些聽力受損嚴(yán)重的人士恢復(fù)聽力。

聲學(xué)傳感器將是下一代創(chuàng)新的推動者

斯坦福大學(xué)的研究人員正在合作研究硅基視網(wǎng)膜植入物，將成為視力障礙者的福音。Pixium Vision已于2017年開始使用硅基視網(wǎng)膜植入物進(jìn)行人體臨床試驗(yàn)。未來，人類使用下一代傳感器進(jìn)行情感或心理感應(yīng)將不再是科幻小說里的情節(jié)。感知技術(shù)有很多用途，甚至可能幫助自閉癥譜系患者更容易地理解他人情緒。通過分析，我們總結(jié)出MEMS發(fā)展的三個(gè)階段：1. 最初幾年，使用簡單的傳感器來探測沖擊力，稱為“探測時(shí)代”（Detection Era）。2. 當(dāng)傳感器不僅可以感知和探測，還可以測量（例如旋轉(zhuǎn)）的時(shí)期，稱為“測量時(shí)代”（Measuring Era）。3. 當(dāng)我們越來越多地使用傳感器來對周圍環(huán)境進(jìn)行測繪，“全局感知意識時(shí)代”（Global-Perception Awareness Era）出現(xiàn)了。我們使用激光雷達(dá)為自動駕駛汽車進(jìn)行3D成像，使用環(huán)境傳感器監(jiān)控空氣質(zhì)量，使用加速度計(jì)或超聲波識別手勢，使用指紋和人臉識別傳感器實(shí)現(xiàn)生物測量。隨著多參數(shù)傳感器融合和人工智能，這一切將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。眾多技術(shù)突破則是不斷進(jìn)步的源泉：傳感器的新設(shè)計(jì)、新工藝、新材料、新的集成方法、新的封裝技術(shù)、傳感器融合和新檢測原理的誕生。

全局感知意識時(shí)代的來臨我們正經(jīng)歷全局感知意識時(shí)代。我們可以將全局感知意識視為人類感知能力的延伸（例如將紅外成像作為人類可見圖像的延伸）或超人類感知能力（具有卓越環(huán)境感知能力的機(jī)器，例如自動駕駛車輛中的激光雷達(dá)）。想想《漫威宇宙》中的X教授，你就可以想象未來人類的感知能力會如何演變！

從探測走向全局感知意識一些公司在進(jìn)入MEMS行業(yè)就設(shè)想了全局感知意識。例如，Movea（已被TDK的InvenSense所收購）最初就采用MEMS慣性傳感器技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。其他廠商通過結(jié)合光學(xué)傳感器（如激光雷達(dá)）和用于自動駕駛車輛的夜視傳感器實(shí)現(xiàn)全局感知意識。還有一派的廠商將環(huán)境傳感器（氣體、顆粒、壓力、溫度）用于空氣質(zhì)量檢測。顆粒傳感器在空氣質(zhì)量傳感方面可以發(fā)揮特別重要的作用，特別是在可穿戴設(shè)備中。由于社會越來越關(guān)注全球空氣質(zhì)量惡化，空氣污染已成為社會的主要話題。研究表明，沒有安全的顆粒物水平。相反，空氣中PM10或PM2.5可吸入顆粒的濃度每增加一倍，肺癌比例就會相應(yīng)增加。將顆粒傳感器與可穿戴設(shè)備中的地圖應(yīng)用相結(jié)合，可以讓人類識別污染最嚴(yán)重的地區(qū)。

隊(duì)友“人工智能”的地位舉足輕重為了實(shí)現(xiàn)全局感知意識，我們還需要人工智能（AI），但我們還需要解決諸多挑戰(zhàn)。例如，活動跟蹤需要對AI數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)分類。然而，將所有AI處理重新關(guān)聯(lián)到主處理器會消耗大量CPU資源，從而降低可用處理能力。同樣，將所有AI數(shù)據(jù)存儲在設(shè)備上會增加存儲成本。要將AI與MEMS結(jié)合，我們必須做到以下幾點(diǎn)：1. 將功能處理從分類引擎執(zhí)行分離到功能更強(qiáng)大的外部處理器。2. 通過只部署準(zhǔn)確活動識別所需的功能來降低存儲和處理需求。3. 安裝能整合多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)（傳感器融合）的低功耗MEMS傳感器，以保證始終在線執(zhí)行的預(yù)處理。4. 使用可以準(zhǔn)確識別用戶活動的系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)來重新訓(xùn)練模型。在智能手機(jī)和汽車應(yīng)用中，添加AI和軟件有兩種方式。第一種是集中式，其中傳感器數(shù)據(jù)在包含軟件的輔助電源單元（APU）中處理。第二種是分散式，其中傳感器芯片與軟件和AI（例如CMOS圖像傳感器的DSP中）封裝在一起。無論采用何種方法，MEMS和傳感器制造商都需要了解AI，盡管在傳感器芯片級別不會獲得太多價(jià)值。走向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界多年來，人類在傳感器開發(fā)方面取得了巨大進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到傳感器能夠模仿甚至增強(qiáng)人類大部分感知的程度：視覺、聽覺、觸覺、嗅覺，乃至情感/心靈感應(yīng)以及美學(xué)欣賞。我們應(yīng)該認(rèn)識到，人類不是這一進(jìn)步的唯一受益者。增強(qiáng)感知還將允許機(jī)器人在日常生活中幫助我們（通過智能交通、醫(yī)療保健、環(huán)境感知環(huán)境等）。我們需要將智能傳感器的開發(fā)與AI結(jié)合起來，以進(jìn)一步增強(qiáng)對生活中的人物、地點(diǎn)和事物的體驗(yàn)。