这些传感器,成就了苹果的16万亿市值

16万亿市值!史上最大企业,市值相当于5个深圳GDP!这是不久前苹果公司市值又创新高,一些媒体的赞美之词。

苹果(Apple)无疑是一家伟大的公司,其崛起源于它推出了iPhone、iPad、AirPods等具有划时代意义的产品,从而引领产业发展,也占尽先发红利优势。

这些产品为什么能够带来无与伦比的用户体验?答案是,传感器,这才是苹果产品带给我们更好用户体验的关键,才是支撑苹果市值的重要原因。

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初代iPhone:为什么能提供跨时代的人机交互体验?

2007年1月,乔布斯在苹果 Macworld 2007上,向大家介绍了初代iPhone手机:iPhone 2G。

从现在看,这部手机开创了消费电子的新时代,并创造了一个全新的人际交互时代:iPhone正面仅有一块屏幕和一个Home键,除此之外竟然没有任何一个实体按键!

怎么操作?怎么打字?放在口袋里会误触吗?听电话会碰到屏幕吗?

我们有很多疑问,苹果的解决方案就是:传感器,更多的传感器。

多点触控屏幕:第一款用户可以用手指直接进行交互的手机

iPhone的成功,很大程度上归功于其革命性的人机交互操作。在iPhone之前,我们是怎么操作手机、电脑等电子设备呢?

要么是键盘、鼠标,要么是一根小小的手写笔,总之,在iPhone出现之前,人类的手指无法与设备直接、流畅的互动,必须通过额外的设备进行复杂的操作,显然,这违背了人类的操作体验。

乔布斯发布的iPhone,上下滑动,手动点击,双指缩放等操作方式,直接使用手指即可完成,已经十分接近于人类的本能行为了。在发布会上,乔布斯仅仅一个滑动歌曲菜单这个简单操作,就引发了下面的一阵阵欢呼。

在此之前,这种操作方式,只在科幻电影中出现,或者在我们的现象中出现,而这正是初代iPhone成功的最大原因。

这种操作方式的实现,有赖于多点触控技术的成熟——这实际上是一套放置在显示屏之上的多点触控传感系统,即在显示屏上方加上触摸传感层

正如我们所知,iPhone上使用的是电容式触控屏,即手指在点击触控层形成电流,手机感知到电流并通过计算就获得手指在屏幕上的位置,从而完成相应的操作。

在发布会上,乔布斯用了很长的篇幅介绍了这种交互方式,乔布斯说:“这就是未来。”

多点触控屏幕,让 iPhone 有了触觉。

初代iPhone不支持彩信、不支持文本复制粘贴、不能安装第三方APP,如果从这些角度看,初代iPhone还只是个功能机。之所以说iPhone是智能手机的鼻祖,除了多点触控屏幕外,就是众多传感器组合带给iPhone远超同时代众多手机的智能化水平。

前文我们提到,iPhone会不会误触?打电话怎么关屏幕?等等疑问,iPhone内置了大量传感器优雅地解决了这些问题。

接近传感器(Proximity sensor)

在 iPhone 的正面,有一个接近传感器,通过红外线感应,可以检测到人脸与手机屏幕的距离。

如果距离非常贴近,手机就会将屏幕关掉,这样既能省电,又能避免脸部触碰产生的误操作。

在iPhone右侧,有一个光度传感器,可以检测可见光的亮度强弱,这样手机就可以智能调节屏幕亮度,不必手动调亮度。

这是iPhone上最令人印象深刻的传感器之一,这个加速度传感器是一个基于MEMS(微机电系统)的 加速度计,可以用来判断手机的朝向。

iPhone使用加速度传感器,可以让手机屏幕翻转以横向格式查看图片和视讯——这又是一项令人惊叹的交互操作,那时还没有人这么做,也很少有手机结合MEMS功能,就算有也只是用于一些与屏幕无关的应用程序。

而在苹果推出基于MEMS传感器的应用后,不久就有应用开发社群加以扩展了。

接近传感器、环境光传感器、加速度传感器,这是乔布斯在初代iPhone发布会上着重介绍的三个重要传感器,通过这些传感器组合,iPhone完成了智能关闭屏幕避免误操作、智能调节屏幕亮度、智能旋转屏幕等操作,其智能化吊打当时市面其他竞品,传感器赋予手机智能化!

而这些传感器,现在已经成为智能手机的标配。

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更智能、更强大、更多传感器

随着iPhone的进化,其传感器也越配置越多,提供了更智能的体验。

时至今日,iPhone的传感器越来越强大,譬如加入了色温传感器,比检测环境光强度更进一步,能够检测环境光线色温情况,调整屏幕色温(冷色还是暖色),让人眼始终有非常舒适的观感。

伟大的定位:GPS传感器

在iPhone二代(2008),即iPhone 3G引入了GPS,通过卫星信号,能够确定手机的位置,因此也叫位置传感器。

让手机具备导航功能,这让手机的使用场景又大大扩展了:譬如地图导航,基于位置服务的各种应用(没错,就是美团、滴滴等等)。

甚至,借助GPS定位功能,让丢失的手机能够被找到也成为可能。

但是,GPS只能定位,不能辨别方向,只有你向某个方向进行移动,系统才能估算你的运动方向。同时,如果GPS信号不好,没有运动方向修正,这样带来的位置误差也非常大。

为了解决这个问题,在iPhone 三代(2009)即iPhone 3GS上,引入了电子罗盘(Compass),这是个磁传感器,直白点说,就是指南针的功能,只不过是基于MEMS的指南针,小到能集成在手机主板上,能够辨别手机的朝向。

你在手机上玩过赛车或者平衡球等游戏吗?通过摆动手机,我们就能操控汽车转向或者球的运动轨迹,这怎么做到?

为了感知物体的这些动作,需要用到一个传感器——陀螺仪(Gyroscope),也叫做角速率传感器。

而iPhone 4(2010),是世界上第一个带有陀螺仪传感器的手机!

陀螺仪的原理,是一个正在高速旋转的物体(陀螺),它的旋转轴没有受到外力影响时,旋转轴的指向是不会有任何改变的。陀螺仪就是以这个原理作为依据,通过转动位移,来计算出转动加速度。

当然,iPhone上用的是MEMS三轴陀螺仪,通过转动时的电容变化量来测定角速度,再配合加速度计传感器,来计算姿态。

有了陀螺仪,我们就可以很“灵活”的操纵手机,手机里的程序,也可以根据传感器的反馈,对我们的操作进行相应计算,进行相应操作。

这样,手机更有趣了!通过转动、移动手机,我们就可以操纵游戏或者程序进行各种操作,这些操作以前只在电影中出现!

  • 过热危险!内部温度传感器(Internal Temperature Sensor)

如我们所见,手机的功能越来越强大,需要更高的计算量,与此同时,芯片也带来更大的发热量。为了监测手机内部温度情况,避免过热导致的安全风险。

iPhone首次在手机引入了内部温度传感器,如果手机温度过热,就会提示关机等操作,以将温度降下来。从安全角度上看,苹果总是更领先其他厂家。

iPhone 4 是乔布斯最后一次亲自发布的苹果手机,之后一年乔布斯去世。

走了几步楼梯?气压传感器(Barometer)

在iPhone 6/6 Plus上,苹果引入了气压传感器(也叫气压计),有了气压计,就可以根据气压变化,准确测量海报。

那么,有人会问,这跟GPS测量海拔有什么不同?GPS测量海拔通过卫星信号数据计算,存在误差较大,而通过气压计则相对误差小很多。同时,在室内,譬如爬楼梯等情况,只有气压计能够准备计算爬升步数和高度。

此外,气压计在辅助GPS定位、室内定位、测试防水等方面,也有重要作用。

有趣的是,初代iPhone SE上就没有气压计。然而,到2022年,还是有一些中低端智能手机没有配备气压计,这也是某些手机不能计算楼梯步数的原因。

更好的陀螺仪——六轴陀螺仪

对于引入更先进的传感器,Apple一直有着一股执念,因为苹果始终认为,更先进、更准确的传感器,是提供更优质智能体验的基础。

在iPhone 6/6 Plus上,苹果除了引入气压外,还将原来一直使用的三轴陀螺仪升级为六轴陀螺仪,对于转向的辨别,能够带来更高的灵敏度。

iPhone 6/6 Plus上使用的MEMS六轴陀螺仪来自著名MEMS传感器厂商应美盛(InvenSense),同时还搭载了一个博世(Bosch)的三轴加速度计作为辅助。

为什么有了六轴陀螺仪还有加个三轴加速度计?

答案是体验和功耗。加速度的启动需要一个时间,专门的加速度传感器只需要 3 ms,而六轴陀螺仪需要 30 ms。另外,同样是测量加速度,六轴陀螺仪是加速度传感器的 3 倍电耗。于是苹果在实现上,对于手机横屏、计步这样的应用,只调用加速度传感器,而对于灵敏度比较高的场景,再用六轴陀螺仪。苹果在细节设计上,真是舍得下功夫。

不仅能感知位置还能感知压力的屏幕:压力传感器(3D Touch)

3D Touch是苹果在iPhone 6S/6S Plus上引入的传感技术,通过在屏幕上增加压力传感器,使屏幕不仅能感知手指的位置,还能感知手指按压的力度。

为了模拟屏幕按压的反馈,苹果特意加入了叫TAPTIC Engine的反馈马达,以在按压屏幕时,根据不同压力提供相应的反馈振动。

然而,这一功能除了唤出二级菜单外,也只有称重等寥寥几款应用在使用,也是罕见的没有其他安卓厂商跟进的iPhone传感器技术。

拍出深度:激光雷达(LiDAR)

在iPhone 12 pro上,苹果引入了在此前iPad系列中已经加入的激光雷达LiDAR传感器,让iPhone的传感器阵容更加壮大,这也是手机上第一次搭载激光雷达传感器!

激光雷达通过发射激光获得反射,可以快速探测物体距离、记录深度信息等,目前激光雷达已被认为是实现自动驾驶的关键技术,在智能汽车中正被广泛使用。

通过iPhone的激光雷达,除了能够在拍照时获得更好的景深效果,还可以扫描物体的3维数据,从而生成3D图片,打破现实与虚拟的界限,在游戏、3D 设计等场景有更多的可能性。

更好的图像传感器:建立行业拍照标杆

图像传感器,是手机上最重要的传感器,iPhone上最重要的三个传感器之一,拍照摄像也是消费者最看重的功能。而手机的图像传感器,不计算前置摄像头,背面由一颗、两颗,到现在的3颗、4颗已经成为手机图像传感器常规配置。

而无论手机图像传感器如何进化,iPhone总是各家友商对比的标杆,可以说,是iPhone奠定了图像传感器在手机的重要地位。

在一开始,iPhone就将手机拍照功能作为最重要的应用之一,从硬件到软件,其优化是全方位的,力度也是排在手机所有部件前列。

优秀的图像传感器,是带来良好摄像的基础。

2007年,初代iPhone配置了200万像素的CMOS摄像头,其拍照效果就走在行业前列,其拍照效果超过了同时期的诺基亚 7500的200万像素摄像头。

iPhone手机图像传感器选择的品牌变化,见证的CMOS图像传感器风云变幻的岁月。

初代iPhone的CMOS图像传感器来自Micron Imaging,即美光科技旗下,在当时的CMOS图像传感器市场,其排在全球第二,豪威科技第一,索尼第五。

初代iPhone和iPhone 3G都采用的Micron Imaging的 图像传感器。到了2009年开始,苹果转而使用豪威科技(OmniVision)的CMOS图像传感器,一直到2011年 IPone 4s发布,苹果才转用索尼的CMOS图像传感器,直到今天。

iPhone相机图像传感器硬件的变化,很好地见证了CMOS图像传感器十余年来的技术更迭:从“前照式”到“背照式”,再到“堆栈式”。

豪威科技目前已被我国韦尔股份收购,成为地道中国企业。而豪威科技也与索尼、三星等在CMOS图像传感器领域三足鼎立,远远甩开其他竞争对手。

从初代iPhone的200像素的摄像头,到500万、800万、1200万,从一颗到两颗到三颗,从长焦、广角、超广角……每一代iPhone发布,苹果都会对其图像传感器进行升级,使用的也都是这个星球上最好的图像传感器产品。

iPhone对其图像传感器和拍摄系统的重视和优化,是全方位的。

不断进化的生物安全识别:从指纹识别传感器到深度传感器

生物识别传感器,是iPhone手机上最重要的三大传感器之一。从指纹识别传感器到3D深度传感器,苹果一直在思考更好的生物安全识别方式。

手机里有很多重要的资料和宝贵的数据,怎么避免这些资料在手机丢失后的安全?最开始我们使用了数字密码和图案识别的方式,显然,这样不够“人性化”,也不够安全。

2013年,在iPhone 5C/5S上,苹果引入了指纹识别传感器(Touch ID),这是首次在手机上引入了生物指纹识别传感器!

指纹识别传感器的加入,又开创了一条人机交互的先河,从此,解锁手机刷指纹,成为主流方式,直到今天。

同时,在苹果的引路下,指纹识别传感器也在消费市场得到不可思议的增长,造就了一大批指纹传感器厂商,尤其是国内的汇顶科技、迈瑞微、费恩格尔、信炜、贝特莱、思立微、集创北方、比亚迪等厂商。

深度传感器:舍弃指纹,用脸部解锁?

之后,iPhone的指纹识别传感器经过了多次迭代,最终在2017年的iPhone X上,被去除,取而代之的是一套“刘海”传感器系统——真深度摄像系统,这也是苹果认为替代指纹识别传感器的iPhone下一个十年的形态。

在iPhone的“刘海”上,密密麻麻遍布了8种传感器,其中深度传感器最核心的是两个部分,发射端(Dot projector)和接收端(Infrared camera)

发射端发射出 30000 个点的红外激光,有一定倾斜度,然后通过人脸反射到接收端中,这样根据反射角度情况,就能判断脸部每块的深浅了。

如果光线太暗怎么办?iPhone增加了一个泛光照明器(Flood Illuminator),就像一个补光灯——不同的是其发射的是红外线,这样即使在黑夜也不影响人脸识别了。

此外,位置传感器(Plroximity sensor)用来感知人脸到屏幕的距离,环境光传感器(Ambient light sensor)用来感知环境的亮度,这些传感器都一脉相传。

虽然因为形态问题,iPhone的“刘海”屏备受吐槽,但却也一直沿用至今。那么,苹果的下一代生物识别传感解决方案会是什么?会回归屏下指纹传感器吗?

Hey Siri!越来越多的MEMS麦克风,另一个亿级产品的诞生

MEMS麦克风是苹果手机最重要的三大传感器之一,从初代iPhone的一个MEMS麦克风,到iPhone 4上集成两个MEMS麦克风,iPhone 5上变3个MEMS麦克风。

可以看到,与图像传感器一样,iPhone上的麦克风也是不断地在增加,其性能也不断地被加强。

有了麦克风,手机就有了耳朵,可以收到声音,这也是手机最重要的功能。

加入第二颗麦克风,一般是为了降噪考虑,通过算法,使用两个麦克风,可以除去除语音外的环境噪声,从而带来更好的通话体验。

目前,一般手机都配置了两颗MEMS麦克风。

在iPhone上,第三颗麦克风在集成在了屏幕里,主要是为了响应语音助手“Hey Siri”的唤醒和操作,这是一颗“always-on”低功耗MEMS麦克风。

而MEMS麦克风等微型传感器的成熟,也造就苹果继iPhone后的另一个亿级产品——AirPods的诞生。

2016年9月,苹果发布了第一代AirPods,以其轻巧的方便的佩戴,引爆了TWS真无线蓝牙耳机市场,AirPods及其后继者年销售量已经超过1亿副。

AirPods上配备了麦克风、红外传感器和一个运动加速计来进行入耳检测,同时,最新的AirPods系列耳机,配置了3颗MEMS麦克风,用于拾音、降噪、语音命令、自适应均衡等功能。

苹果公司产品的MEMS主要为我国厂商歌尔股份、瑞声科技等制造,经过多年的发展,歌尔股份已经成为全球最大的MEMS声学传感器厂商,中国最大的MEMS传感器企业,在全球排名第6,相关信息可参看《中国最大传感器企业是?最大MEMS公司是?这些很多人都不知道》内容。

今天,歌尔股份、瑞声科技、敏芯科技等为代表的中国MEMS麦克风企业,在全球已占有一席之地,因此,苹果也间接带动了我国MEMS产业的发展。

结语

遍历苹果电子产品的发展历史,我们可以发现,随着产品的升级,越来越多的传感器被应用在里面。许多传感器,譬如指纹识别传感器等,领先其他厂商一个时代,正是这些传感器,给消费者带来无与伦比的产品体验。

随着MEMS、柔性电子技术在传感器的深入渗透,传感器将在元宇宙、物联网、智能可穿戴等越来越多的产品上应用,而苹果,也已计划在最新的电子产品引入血压、血糖等监测传感器。

更好的产品,更受用户青睐的产品,必定配备更高质量的传感器。万物传感的时代,也将到来。未来,是属于传感器的时代!

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