1. 背景簡介

眾所周知, 最新的傳感器都采用微機電系統 (MEMS) 技術?；?MEMS 的元器件 (傳感器和致動器) 在大約 10 年前開始進入穿戴產品市場, 在計步器中, 加速度計首次替代機械式彈簧。

過去十年, MEMS 技術取得顯著進步, MEMS 產品廠商克服了制造工藝挑戰, 新的 MEMS 產品大量涌現, 尺寸越來越小, 性能明顯提升, 同時售價大幅降低, 這些進步為穿戴產品實現新應用鋪平了道路。

加速度計、陀螺儀、磁強計等慣性傳感器和壓力、濕度、紫外指數等環境傳感器被廣泛用于消費類穿戴產品, 不過, 專有解決方案卻需要定制的 MEMS 傳感器。例如, MEMS 青光眼鏡是一種柔軟的一次性硅隱形眼鏡, 內置一個 MEMS 傳感器, 用于捕捉角膜區自發性周向變化 。因為能夠 24 小時連續無創測量角膜變化, 該解決方案是目前辨別正常眼壓青光眼和非青光眼的最實用方法 。

MEMS 技術還用于制造微致動器。在消費和醫療市場上, 微致動器可讓穿戴產品實現很多新應用。例如, MEMS 微致動器用于讓微反射鏡高頻率旋轉, 將投影光線反射到一個表面。今天, 在很多穿戴產品上都能看到這些微鏡, 例如, 抬顯 (HUD)、 頭戴顯示器(HMD) 和虛擬現實(VR) 眼鏡。微致動器還被用于開發穿戴式微型輸液泵, 例如, 胰島素注射泵。Debiotech 公司利用 MEMS 微致動器開發出一個胰島素泵解決方案, 這個液泵以藥貼為載體, 由一次性藥液單元和控制器組成, 控制器包括一個基于 MEMS 微致動器的液泵引擎。

下面, 我們討論 MEMS 傳感器在穿戴產品中的作用以及市場前景。

2.MEMS 傳感器在穿戴產品市場的發展歷程

MEMS 傳感器得到穿戴產品市場認可并取得成功, 歸功于以下四個要素:

i. 尺寸:

最近幾年, MEMS 傳感器尺寸顯著縮減。十年前, 市場上最小的 MEMS 加速度計需要在印刷電路板 (PCB) 上占用約 35mm2 的面積。如今, 最新的高性能加速度計只需 4mm2 的空間[4, 5], 相當于一個番茄籽的大小。這些微型傳感器在很大程度上幫助穿戴產品變小, 從而提高了不同市場對穿戴產品的接受度。

ii. 功耗:

所有穿戴產品廠商都希望自己的電池供電產品有更長的續航時間。MEMS 傳感器廠商為降低傳感器的功耗投入很大, 并取得了巨大成功。例如, 幾年前, 加速度計的功耗約 0.7mA, 獨立式陀螺儀的功耗約 6mA, 兩者功耗總和大約 7mA。如今, 在相同的傳感器配置條件下, 加速度計和陀螺儀組成的高性能 MEMS 慣性模塊的功耗不足 1mA。功耗大幅降低加快了多傳感器模塊在穿戴產品市場的推廣應用, 并推動穿戴產品市場不斷涌現大量新產品。

iii. 價格:

最近幾年, MEMS 傳感器價格大幅下降, 導致穿戴產品的售價走低, 讓普通消費者也能買得起。十年前, 加速度計的售價高于 3 美元; 今天, 一顆功能更先進、性能更好的加速度計大約 30 美分。隨著 MEMS 傳感器價格持續下探, MEMS 技術不斷進步, 更多的 MEMS 傳感器取得了規模經濟效應。

iv. 硬件集成與嵌入式功能:

在一個封裝內集成多個傳感器和功能, 有助于軟硬件工程師更快速、更輕松將傳感器集成到穿戴產品內。除硬件集成外, 更先進的功能和嵌入式算法為應用開發人員提供一個強大的開發平臺, 加快應用項目開發速度。

3. 傳感器在穿戴產品中的應用

穿戴產品的成功在很大程度上歸功于其具備的功能, 市面在售的穿戴產品能夠為用戶提供各種先進的功能和特性。

穿戴產品環境感知功能是一個典型的傳感器數據應用示例。檢測人類活動是環境感知應用系統的一個重要模塊, 因為需要考慮不同的應用場景, 所以人類活動檢測是一個具有挑戰性的復雜技術。

用戶出行方式可能步行、騎行或駕車。

假如用戶步行, 則需要考慮靜止、走步、快走、跑步、上下樓、乘坐電梯等場景。

假如用戶參加體育比賽或健身鍛煉, 可能出現的場景包括游泳、跳繩或場地運動 (網球、籃球等)。

瞥視、拾起、觀看、搖晃、輕敲、揮擊、旋轉、以及用戶定義的姿勢也需要考慮。

穿戴產品內部環境感知系統在健康護理方面也起重要作用:

老人專用穿戴產品可以檢測日常生活中潛在的危險情況, 例如, 摔倒, 或者能夠檢測生命體征, 預測緊迫危急的健康風險。

人體活動中的變化或異常可用于確定某些疾病的早期癥狀, 因此, 穿戴式健康監視系統檢測這些變化或異常, 幫助醫療人員及早發現與年齡相關的疾病或嚴重的健康狀況。以長期健康監測計劃為例, 穿戴式健康監視系統可檢測那些預示關節炎和老年癡呆癥早期癥狀的身體變化或異常。

穿戴式環境感知提醒功能可以為行動不便的老年人提供日常生活輔助, 例如, 聲控急救電話和開門時自動開燈, 推廣更積極、健康的生活方式, 提供一個慢性疾病管理平臺。

4. 穿戴產品傳感器

我們剛才討論的所有場景表明, 在穿戴產品中, 人類活動檢測技術的復雜性非常高, 需要用到多個傳感器。圖 1 所示是一些最新的可用于穿戴產品的傳感器。每個傳感器都提供有用的用戶數據及其社交和物理環境信息。經過整合、處理、分析后, 傳感器數據可用于創造有用的知識, 為決策系統提供重要的支持。

圖 1: 穿戴產品內的多個傳感器

在今天的穿戴產品市場上, 傳感器廠商很快意識到, 只提供傳感器硬件解決方案不足以擴大市場份額。為區別于競爭對手, 除硬件解決方案外, 傳感器廠商還應提供軟件, 例如, 傳感器數據整合 [7]。軟件解決方案可用作先進應用的模塊, 整合軟硬件的解決方案為用戶提供一個開發平臺, 因此, 軟件解決方案正在成為產品差異化的關鍵要素。

圖 2 所示的 SensorTile 就是這樣一個應用示例。這款小尺寸的印刷電路板是為穿戴式產品設計, 搭載多個傳感器和一顆 Cortex-M4 微控制器, 開發人員可以把這塊板子與一個底座和一個擴展板組裝在一起, 搭建一個完整的開發工具套件 [8]。

圖 2:SensorTile 開發套件的核心系統

5.MEMS 傳感器在穿戴產品市場的前景

穿戴 MEMS 傳感器的市場前景廣闊、光明。目前正在開發的傳感器包括氣體傳感器和生物傳感器, 這些器件將會讓穿戴產品變得更實用, 性能更強大。在不久的將來, 重大創新成果和技術進步將會提高現有傳感器的性能和軟件集成度, 幫助穿戴產品廠商簡化設計, 加快應用開發。嵌入式狀態機、智能功能、編程功能 、提高的動態范圍和改進的性能, 將會把穿戴產品提升到一個全新的境界。智能傳感器將提供人類活動自動檢測功能, 例如, 步行、快走、跑步、騎行、駕車和靜止。下一代智能傳感器將會提供編程功能, 設計人員只依靠傳感器內部嵌入式運算能力就能開發應用, 而無需使用外部微控制器。這些應用將大幅降低功耗, 滿足穿戴產品和物聯網 (IoT) 傳感器節點的始終要處于工作狀態的要求以及其它具有挑戰性的需求。

隨著穿戴產品集成更多的傳感器, 傳感器數據量正在顯著增加。受限于功耗, 穿戴產品的運算能力有限, 計算、處理和分析大量數據將超出穿戴產品的能力范圍。為此, 很多數據將發送到云端, 交由云服務器進行永久、安全的處理和存儲。

6. 亟待解決的挑戰

為讓更多的消費者接受穿戴產品, 穿戴產品廠家必須克服其所面臨的主要挑戰。圖 3 列出了技術層面和消費者層面的挑戰。技術挑戰主要包括數據的持續可用性、完整性和可靠性。這些挑戰要求始終工作的傳感器必須連續捕捉數據, 并將這些數據以可靠的方式上傳至網關或云服務器, 進行后續處理。

穿戴產品必須為開發者提供應用開發平臺, 因為穿戴產品的應用和功能越多, 穿戴產品的潛在用戶才會越多。

消費者層面的挑戰包括數據安全性、隱私保護和用戶忠誠度。當涉及個人隱私數據時, 用戶不會妥協讓步。穿戴產品廠商必須能夠保證個人數據傳輸安全, 只有授權第三方才有權訪問用戶數據。

此外, 穿戴設備必須安全, 無健康威脅, 特別是醫用穿戴設備必須安全, 所用材質無有害物質, 不會破壞環境。

迄今, 穿戴產品在很大程度上還未能讓我們看到長久的客戶忠誠度。如果穿戴市場未來增長勢頭更強勁, 廠商則需要更積極提高用戶的對其產品的忠誠度, 這樣用戶才能全面了解這些產品的優勢, 充分利用產品特性。

7. 結論

可以說, 沒有 MEMS 傳感器, 就沒有穿戴產品市場。在穿戴產品市場未來發展方向上, MEMS 傳感器將繼續扮演重要角色。傳感器集成、嵌入式功能、軟件和編程將是穿戴產品的發展動力。雖然在技術和消費者層面有亟待解決的挑戰, 但是穿戴產品市場前景依然看好。