Sensortechnologien werden das nächste digitale Zeitalter bestimmen

- Mar 16, 2019-

Die nächste Phase der digitalen Transformation ist angebrochen und reicht bis an die äußersten Ränder der Netzwerke mit Verbindungen zu Milliarden von Geräten und Objekten, die Daten von sich ständig weiterentwickelnden Sensoren sammeln und übertragen.

Diese neue Innovationswelle erweitert die digitale Intelligenz über dedizierte Geräte wie PCs, Tablets und Smartphones hinaus. Wenn ein Objekt über eine Art von elektrischer Energie verfügt, kann es sich um einen intelligenten, vernetzten Knoten im Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) oder in einer beliebigen Anzahl autonomer Systeme wie vernetzten Autos, tragbaren Technologien sowie intelligenten Gebäuden und Städten handeln.

Viele halten dieses Phänomen für grundlegend digital. Immerhin ist das IoT ein Netzwerk, mit dem Milliarden von Datenpunkten in der Cloud aggregiert und dann von einer hochentwickelten Software verarbeitet und analysiert werden können. Im Zentrum dieser Veränderungen stehen jedoch Sensoren - die allgegenwärtigen Geräte, die physikalische Phänomene wie Licht, Wärme, Bewegung und Ton messen und darstellen und die Einsen und Nullen des digitalen Netzwerks in der realen Welt verankern.

Während es seit der Erfindung des Siliziumchips Sensoren in der einen oder anderen Form gab, entwickeln sich die heutigen Sensoren schneller als je zuvor, um die Verbreitung von Milliarden neuer Geräte zu unterstützen. Die neue Sensortechnologie ermöglicht innovative Anwendungen wie die optische 3D-Sensortechnologie für Verbraucher- und Mobilanwendungen, die Flugzeitmessung (ToF) für zuverlässige Autofokussierung und Bildkorrektur der Kamera, High-End-Bildverarbeitung für Industrie 4.0-Operationen sowie Auflösungsbildgebung für die medizinische Diagnostik, selbstregulierende Gebäude, autonome Fahrzeuge und permanente persönliche Gesundheitsmonitore.

Beherrschung der Implementierung des gesamten Sensorsystems

Da sich die Sensortechnologie schnell weiterentwickelt und in Beleuchtungskörpern, Kleidung, Lebensmittelverpackungen und sogar im menschlichen Körper oder in der Haut eingesetzt werden kann, müssen sie einige herausfordernde neue Anforderungen erfüllen:

Extreme Miniaturisierung
Extrem geringer Stromverbrauch
Fähigkeit zur Verbindung mit Netzwerken
Anwendungsbereite Signal- oder Datenausgänge

Darüber hinaus müssen diese Sensoren der nächsten Generation für die Verwendung durch Hersteller von „Dingen“ aller Art geeignet sein, einschließlich Glühbirnen, Vorrichtungen zur Abgabe von Medikamenten, Türschlössern, Messgeräten sowie traditionell elektronischen Geräten. In vielen Fällen streben die Hersteller nach mehr als nur der variierenden Kapazität, dem variierenden Widerstand oder der variierenden Ausgangsspannung eines Basissensors. Sie möchten anwendungsbereite Sensorsysteme, die sich problemlos in Netzwerke einbinden und mit Prozessoren oder einem gekoppelten Host wie einem Smartphone verbinden lassen.

Diese für die digitale Transformation entwickelten Hochleistungssensoren bestehen normalerweise aus drei separaten Technologieebenen:

Die Kernsensorschicht liefert eine elektrische Darstellung eines realen Phänomens, wie beispielsweise Bereiche einschließlich Bildgebung, Optik, Umgebung oder Audio.
Die Miniaturisierungs- und Integrationsschicht bietet eine Implementierung der Core-Sensing-Technologie im Chipmaßstab oder modular (Multichip-Package) in Silizium. Diese Schicht liefert auch die Algorithmen, die rohe Sensormessungen in lineare Signalströme zur Verwendung durch einen Prozessor umwandeln.
Die Systemtechnologieebene ist eine in den Sensor eingebettete Software, die eine Verbindung zu gängigen Netzwerken wie Bluetooth Low Energy und Wi-Fi-Technologien herstellt. Die Sensorsystemsoftware unterstützt auch Endbenutzeranwendungen, z. B. die Umwandlung von optischen Sensorsignalen in einem intelligenten Armband in eine Messung des Herzschlags pro Minute.

In Sensorsystemen der nächsten Generation enthält jede der Schichten Hardware- und Softwareelemente und wird in einem einzelnen Gerät geliefert, das an Endprodukthersteller ausgeliefert wird. Diese winzigen, angeschlossenen Sensoren, die sich leicht in Anwendungen integrieren lassen, sind für die weitere Verbreitung dieser Geräte von entscheidender Bedeutung.

Leistungsgrenzen überschreiten

Bei der digitalen Transformation geht es nicht nur darum, mehr Sensoren in mehr Gerätetypen einzubetten. Transformation findet auch statt, weil Sensorhersteller wie ams die Grenzen der Sensorleistung überschreiten. Diese Durchbrüche ermöglichen es den Produktherstellern, das Benutzererlebnis dramatisch zu verbessern oder sogar völlig neue und bisher unmögliche Erfahrungen zu schaffen.

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Im Folgenden finden Sie Beispiele dafür, wie radikale Änderungen im Sensorbetrieb neue Anwendungen ermöglichen:
Neue XYZ-Farbsensorchips für Mobiltelefone, Tablets und Laptops „sehen“ die Lichtfarbe genauso wie das menschliche Auge und ahmen die Reaktionskurve des roten, grünen und blauen „Tri-Stimulus“ -Lichts des Auges nach Rezeptoren. Mit Farbsensorchips ist eine neue Generation von papierähnlichen Displays möglich, die ein viel natürlicheres Erscheinungsbild aufweisen als bestehende Displays für Mobilgeräte. Neben diesen Farbsensoren ermöglichen ultra-hochempfindliche Näherungssensoren (Infrarot), dass das Display ohne Blende auf der Vorderseite aufgebaut werden kann.

Multi-Spektral- und Hyper-Spektral-Sensor-ICs sind ein Labor-Spektrometer auf dem Chip. Mit ihnen wird erstmals auf dem Feld eine genaue Lebensmittelfarbkontrolle und Ernteanalyse möglich sein. Die mobile Farbanalyse wird dank spektraler Sensorchips auch Inspektions- und Qualitätsprozesse in Fabriken und Krankenhäusern verändern. CMOS-Bildsensoren finden auch wichtige Anwendungen in industriellen Anwendungen, einschließlich der Bildverarbeitung.

Active Noise Cancellation (ANC) wird in innovativen Audio-Headset-Designs mit integrierten Sensor- / Verstärkerlösungen implementiert. Dank der geringen Größe und des geringen Stromverbrauchs von ANC-Geräten bauen die Hersteller von Headsets erstmals die ANC-Fähigkeit in In-Ear-Kopfhörer und drahtlose Kopfhörer ein.

3D-Bildgebungssysteme auf einem Chip versprechen die Transformation von Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen sowie eine deutlich verbesserte Gestenerkennung, Gesichtserkennung und 3D-Modellierung. Neue Lösungen stützen sich auf Innovationen in den Bereichen Laser-Emitter-Design, optische Verpackung und strukturierte Lichtsensorik.

Nachhaltigkeit und Umwelt sind wichtige Anwendungen für fortschrittliche Sensortechnologien, die von ultragenauen Durchflusssensoren zur Messung über Gassensoren auf einem Chip zur Überwachung der Raumluftqualität bis hin zu hochauflösenden Winkelsensoren für neue hochauflösende Sensoren reichen. Effizienz Elektromotoren.

Die medizinische Diagnose und Überwachung wird durch hochpräzise digitale Bildgebungsgeräte für die Computertomographie in Krankenhäusern sowie durch optische Miniatursensorsysteme auf einem Chip ermöglicht, die klein genug für ein Fitnessarmband sind und Herzfrequenz- und Blutsauerstoffwerte messen.

Sensoren im Herzen der digitalen Transformation

In der PC-Ära wurden die wichtigsten Innovationen bei Elektronikprodukten hauptsächlich durch Fortschritte in der Digital- und Grafikverarbeitungstechnologie vorangetrieben. Heute sind Sensorsysteme jedoch mindestens genauso wichtig, um neue Anwendungsfälle bestehender Produkttypen, ein verbessertes Benutzererlebnis und sogar völlig neue Gerätetypen zu ermöglichen.
Erst in jüngster Zeit war es möglich, einen Herzmonitor in ein Armband zu stecken, das eine Person rund um die Uhr tragen kann, um eine 60-mal empfindlichere Farbanalyse als das menschliche Auge in einem kleinen Handinstrument zu ermöglichen oder Umgebungsgeräusche zu unterdrücken in einem Gerät so klein, dass es ins Ohr passt. Alle diese Durchbrüche sind das Ergebnis neuer Implementierungen der Sensortechnologie.

Was kommt als nächstes? Die nächste Phase besteht darin, die Welt mit Sensorlösungen zu gestalten, indem neue Kern-Sensortechnologien entwickelt, Algorithmen entwickelt, die Sensordaten verstehen, und anwendungsfertige Geräte gebaut werden, die OEMs problemlos in Endprodukte implementieren können. Die heutige digitale Transformation steht erst am Anfang - und Sensoren werden im Mittelpunkt der kommenden Wellen des Wandels stehen.


Quelle: http: //www.electronicdesign.com/analog/sensor-technologies-will-drive-next-digital-age