到(dào)2020年，全球可穿戴傳感器市場將(jiāng)以45.2%的複合年均增長(cháng)率繼續成(chéng)長(cháng)。

“正如眼睛、鼻子、耳朵和皮膚在人體中的作用一樣(yàng)，它在硬件中充當一個從外界接受信息的角色”。這(zhè)句話描述的正是傳感器。自從發(fā)明以來，它就(jiù)一直被(bèi)應用在工控和其他領域，作為一個重要的設備前端，傳感器的功能(néng)幾近是不可代替的。在現在步入了物聯網時(shí)代，傳感器變得尤其重要。

據美國(guó)市場研究機構透明市場研究(TransparencyMarketResearch)公司最新發(fā)布的報告顯示，到(dào)2020年，全球可穿戴傳感器市場將(jiāng)以45.2%的複合年均增長(cháng)率繼續成(chéng)長(cháng)。YoLEDeveloppement也預測，作為傳感器重要組成(chéng)部分的 MEMS傳感器産品需求在近年增勢迅猛，從2014年起(qǐ)平均以12%-13%的增長(cháng)率增長(cháng)，到(dào)2019年，産業總值預計將(jiāng)達到(dào)240億美元。

面(miàn)對(duì)這(zhè)這(zhè)麼(me)一個龐大市場，很多廠商正在加緊研發(fā)，攻城略地。

什麼(me)是傳感器?

在對(duì)傳感器進(jìn)行詳細分析之前，我們需要了解一下什麼(me)是傳感器，并且了解一下這(zhè)些傳感器可以被(bèi)應用到(dào)哪些領域。

按照國(guó)家标準GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是“能(néng)感受規定的被(bèi)測量并按照一定的規律轉換成(chéng)可用信号的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成(chéng)”。

也就(jiù)是說(shuō)傳感器是一種(zhǒng)檢測裝置，能(néng)感受到(dào)被(bèi)測量的信息，并能(néng)將(jiāng)檢測感受到(dào)的信息，按一定規律變換成(chéng)為電信号或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

傳感器種(zhǒng)類繁多，在不同的産品中就(jiù)有不同的應用，就(jiù)拿簡單的手機來說(shuō)，就(jiù)有重力傳感器、加速度傳感器、距離傳感器、光線感應器、三 軸陀螺儀、電子羅盤等，未來更可能(néng)會(huì)有熱傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、紫外線傳感器、壓力傳感器等等。很難一一列舉!

按照應用市場，物聯網産業可劃分為智能(néng)工業、智能(néng)農業、智能(néng)物流、智能(néng)環保、智能(néng)交通、智能(néng)電網、智能(néng)醫療、智能(néng)安防、特種(zhǒng)裝 備、智慧城市、智能(néng)家居等。YoleDeveloppement數據顯示，傳感器中占比最大的是消費類應用，其規模達到(dào)59億美元，占傳感器産品市場的 45%，到(dào)2019年預計將(jiāng)超過(guò)100億美元，年複合增長(cháng)率約11.2%。而成(chéng)長(cháng)最快的醫療服務市場，將(jiāng)從2014年4的24.5億美元增長(cháng)至2019年的72億美 元左右，年複合增長(cháng)率近30%。

尤其是在可穿戴領域，傳感器未來的需求量更是激增。據全球居領先地位的關鍵信息、産品、解決方案和服務供應商IHS的數據顯示，單個可 穿戴設備所用傳感器的平均數量將(jiāng)從2013年的1.4顆增長(cháng)為2019年的4.1顆，總出貨量將(jiāng)從6700萬顆上升至4.66億顆。一個屬于傳感器的時(shí)代正在 到(dào)來。

典型傳感器的原理和作用

上面(miàn)我們已經(jīng)談到(dào)，傳感器種(zhǒng)類繁多，全面(miàn)覆蓋介紹是一項繁雜的工作，我們以iPhone6為例，介紹一下傳感器的原理和功用。

(一)運動/加速度傳感器Motionsensor/accelerometer

加速傳感器的原理

在iPhone6中的加速傳感器芯片為InvenSense公司的MP67B芯片，這(zhè)是一個六軸加速度和重力傳感器。而在之前的曆代iPhone手機中該傳感器采用的是STMicroelectronics公司生産的芯片。

手機加速傳感器是一種(zhǒng)能(néng)夠測量加速力的電子設備。加速力就(jiù)是當物體在加速過(guò)程中作用在物體上的力，比如重力。加速傳感器原理：運用壓電效應實現，一片“重力塊”和壓電晶體做成(chéng)一個重力感應模塊，手機方向(xiàng)改變時(shí)，重力塊作用于不同方向(xiàng)的壓電晶體上的力也随之改變，輸出電壓信号不同，從而判斷手機的方向(xiàng)。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。他可以根據重力感應産生的加速度來推算出手機相對(duì)于水平面(miàn)的傾斜度。

加速度傳感器的應用

重力感應常用于自動旋轉屏幕以及一些遊戲，但是它本身局限性比較大，因為他是根據重力判斷方向(xiàng)，通過(guò)感應重力正交兩(liǎng)個方向(xiàng)的分力大小，來判斷水平方向(xiàng)。常見的應用加速度傳感器的手機app是一些運動型的遊戲，如極品飛車。這(zhè)個時(shí)候可以通過(guò)重力判斷水平垂直防線。

(二)光傳感器AmbientLightsensor

光傳感器的原理

在iPhone6手機上，光傳感器芯片選用的是AMS公司的TSL2581芯片。環境光傳感器可以感知周圍光線情況，并告知處理芯片自動調節顯示器背光亮度，降低産品的功耗。

光線感應器由投光器和受光器組成(chéng)，投光器將(jiāng)光線聚焦，在傳輸至受光器，最後(hòu)通過(guò)感應器接收變成(chéng)電器信号。光線感應的用途是可以根據周圍環境光線調節手機屏幕本身的亮度。

環境光傳感器可以感知周圍光線情況，并告知處理芯片自動調節顯示器背光亮度，降低産品的功耗。市場出售的有光敏電阻、光敏二極管、光電三極管、矽光電池等。

光傳感器的應用

在iPhone6手機上，顯示屏消耗的電量一般高達電池總電量的30%，采用環境光傳感器可以最大限度地延長(cháng)電池的工作時(shí)間。另一方面(miàn)，環境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫面(miàn)。當環境亮度較高時(shí)，使用環境光傳感器的液晶顯示器會(huì)自動調成(chéng)高亮度。當外界環境較暗時(shí)，顯示器就(jiù)會(huì)調成(chéng)低亮度。

(三)電子羅盤eCompass

電子羅盤的原理

從iPhone3GS開(kāi)始，iPhone手機中開(kāi)始内置電子羅盤傳感器。在iPhone6手機中，電子羅盤芯片類型為由AKM公司生産的AKM8963芯片。AKM公司生産的電子羅盤傳感器芯片一直服務于曆代iPhone手機之中。

電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構成(chéng)。三維磁阻傳感器用來測量地球磁場，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀态時(shí)進(jìn)行補償;MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信号以及數據輸出和軟鐵、硬鐵補償。該磁力儀是采用三個互相垂直的磁阻傳感器，每個軸向(xiàng)上的傳感器檢測在該方向(xiàng)上的地磁場強度。向(xiàng)前的方向(xiàng)稱為x方向(xiàng)的傳感器檢測地磁場在x方向(xiàng)的矢量值;向(xiàng)左或Y方向(xiàng)的傳感器檢測地磁場在Y方向(xiàng)的矢量值;向(xiàng)下或Z方向(xiàng)的傳感器檢測地磁場在Z方向(xiàng)的矢量值。每個方向(xiàng)的傳感器的靈敏度都(dōu)已根據在該方向(xiàng)上地磁場的分矢量調整到(dào)最佳點，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器産生的模拟輸出信号進(jìn)行放大後(hòu)送入MCU進(jìn)行處理。磁場測量範圍為±2Gauss。通過(guò)采用12位A/D轉換器，磁力儀能(néng)夠分辨出小于1mGauss的磁場變化量，我們便可通過(guò)該高分辨力來準确測量出200-300mGauss的X和Y方向(xiàng)的磁場強度，不論是在赤道(dào)上的向(xiàng)上變化還(hái)是在南北極的更低值位置。

電子羅盤的應用

電子羅盤的應用很廣泛，一個簡單的使用電子羅盤傳感器的實例是iPhone手機上的指南針app，通過(guò)指南針app可以實現在手機不聯網的情況下進(jìn)行指示方向(xiàng)，不依靠地圖類app來指路，節省流量，方便快捷。在地圖類的app中，電子羅盤也被(bèi)用來配合設備的 GPS和其他位置功能(néng)達到(dào)指向(xiàng)的功能(néng)。

(四)距離傳感器Proximitysensor

距離傳感器的原理

通過(guò)發(fā)射特别短的并測量此光脈沖從發(fā)射到(dào)被(bèi)物體反射回來的時(shí)間，通過(guò)測時(shí)間間隔來計算與物體之間的距離。此方法叫(jiào)做飛行時(shí)間法(flyingtime)。iPhone上的距離傳感器的型号一直未能(néng)得知。

距離傳感器的應用

這(zhè)個傳感器能(néng)夠判斷iPhone6手機距離你有多近，這(zhè)個傳感器的一個作用是當手機貼近耳朵的時(shí)候能(néng)夠自動的關閉屏幕。

(五)指紋識别傳感器fingerprintsensor

指紋識别傳感器的原理

在iPhone6手機中選用的是TMDR92芯片。蘋果手機從iPhone5s開(kāi)始支持指紋識别，iPhone6及iPhone6plus依舊支持，它的指紋識别傳感器的供應商為AuthenTec公司。

指紋識别傳感器位于iPhone6手機的HOME鍵下方，Home鍵周圍的光環也是感應性的，當手指靠近時(shí)就(jiù)能(néng)檢測到(dào)。用戶也能(néng)很快知道(dào)自己的指紋是否正在被(bèi)掃描而無需點按Home鍵。iPhone6手機内的指紋識别傳感器是500dpi的陣列陣列，就(jiù)這(zhè)一點，就(jiù)可以确定是電容式指紋采集方式。然後(hòu)電容式會(huì)有一個問題，也可以算是特征，就(jiù)是如何讓手指帶電，以及，如何檢測到(dào)手指在采集區，并讓檢測電容陣列帶電，(電容陣列一直帶電很傷電容的，畢竟是很精密的設備)，所以5s的不鏽鋼圓環就(jiù)是起(qǐ)這(zhè)個作用，讓手指帶電，并且檢測到(dào)手指接觸後(hòu)，觸發(fā)電容檢測陣列加電。

指紋識别傳感器的應用

指紋識别傳感器位于iPhone6手機的HOME鍵下方，有了他，用戶可以安東home鍵來進(jìn)行解鎖。有了它，用戶可以免輸入密碼，确保更加安全的操作。最近，支付寶的iosapp也已經(jīng)支持了指紋識别，用戶無需輸入支付寶開(kāi)啟密碼來開(kāi)啟支付寶，也不需要輸入支付寶的支付密碼，僅僅需要按動iPhone手機的HOME鍵就(jiù)能(néng)夠實現支付的功能(néng)。

(六)陀螺儀gyroscope

陀螺儀的原理

iPhone手機使用的陀螺儀芯片是Invensens公司的MPU-6700。陀螺儀從2010年發(fā)布的iPhone4手機開(kāi)始在iPhone手機中内置。

陀螺儀能(néng)夠同時(shí)測定6個方向(xiàng)的位置，移動軌迹，加速。單軸的隻能(néng)測量一個方向(xiàng)的量，也就(jiù)是一個系統需要三個陀螺儀，而3軸的一個就(jiù)能(néng)替代三個單軸的。3軸的體積小、重量輕、結構簡單、可靠性好(hǎo)，是激光陀螺的發(fā)展趨勢。

陀螺儀應用

它的主要作用是運用在遊戲的控制上。通過(guò)三軸陀螺儀，我們隻需要通過(guò)移動手機相應的位置，就(jiù)可以達到(dào)改變方向(xiàng)的目的。比如平衡球遊戲或者極品飛車，就(jiù)是應用了陀螺儀的原理，完全摒棄以前通過(guò)方向(xiàng)按鍵來控制遊戲的操控方式，使遊戲更加真實，操作更加靈活。

(七)氣壓計Barometer

氣壓計的原理

iPhone6手機采用的氣壓計芯片是來自Bosch公司的MBP280芯片。

普通的氣壓計原理是根據氣壓計裡(lǐ)面(miàn)水銀的高度是由大氣壓支撐，也就(jiù)是說(shuō)，大氣壓有多大，水銀柱的液面(miàn)就(jiù)會(huì)有多高，所以氣壓計中，水銀越高，氣壓越大。通過(guò)水銀柱的高度，分割氣壓計的精确度，就(jiù)可以來測量當前的氣壓了。

iPhone手機中的氣壓計類似于現實生活中的這(zhè)些氣壓計，不過(guò)沒(méi)有了液體水銀，代替的是兩(liǎng)個傳感器之間的轉換來將(jiāng)壓力轉換成(chéng)另外一個傳感器可以測量的量。

氣壓計的應用

其實氣壓計的基本作用隻是測量大氣的壓強，更重要的應用是為了盡用三維空間的功用來輔助GPS，通過(guò)氣壓的高低來判斷設備的高度，再配合GPS所取得的經(jīng)度和緯度來更快地計算出設備所在的位置。所以氣壓計在地圖類，使用GPS或天氣類的app中也有廣泛的應用。