可穿戴傳感器趨勢及部分新產品技術　

作者 / 迎九 《電子產品世界》編輯

摘要：傳感器分為三個發展階段，集成度越來越高，并融合了軟件，甚至人工智能等。可穿戴傳感器需要低功耗、高性能、小體積，面向不同的可穿戴產品，列舉了部分創新產品。

傳感器的三個發展階段

　　全球MEMS傳感器的市場規模有5億美元，主要應用除汽車之外，還有手機、消費類智能應用。除了手機之外，消費類電子設備的AR/VR、智能眼鏡、智能工業技術、機器人、手表、手環等，未來會有很多不同的方向，這些方向都需要更好的解決方案，甚至是系統級的準備。

　　傳感器的應用經歷了三個階段(如圖1)。

　　①僅僅是傳感器(硬件)。一開始傳感器的主要應用來自于單純的應用界面，像畫面穩定、橫屏豎屏或者一些游戲的使用，大部分使用的是原始數據。

　　②智能傳感器(硬件+軟件)。但是這樣的應用在升華，演變成更多的需求，像動作識別或計步器，還有運動檢測，甚至到行動的監控，需要的不只是單純的硬件傳感器來提供輸出，同時要有預先編程好的軟件，以認知目前動作代表的意義。

　　更進一步，可以感測使用者所處的環境，例如在山上，具有較高的溫度和濕度，附近有什么特殊氣體，這需要更多的智能傳感器，而不只是慣性傳感器、加速傳感器，更需要像環境類傳感器去感受周邊的情況。

　　③智能鏈接的傳感器。預測未來環境的變化、未來動作可能會是什么樣的，變成接近人工智能(AI)的感覺。這需要更多大數據的分析和傳感器的智能鏈接，以做多種運算分析，來提供給使用者更好的預測和結果。

可穿戴市場

　　據IDC 2017年數據，預計總體的可穿戴市場從2017年的1.132億出貨量，以18.4%的年復合增長率增長，在2021年將增長到2.223億。在產品性能中，嵌入式低功耗解決方案的需求日益增長。另外，多功能可穿戴市場的增長不僅只局限針對健康市場，也從基本的手環邁向混合/智能手表(從2017年的6150萬件，預計在2021年增長到1.495億件)。如今，知名時尚品牌也開始加入到可穿戴市場，可穿戴市場的設備也更多樣化：手表、耳戴式、服飾和珠寶等。

部分新產品技術

　　*超低功耗加速度計。Bosch Sensortec推出了超低功耗加速度計BMA400。特點是超低功耗與高性能相結合，為電池供電設備打造的智能電源管理系統，內置計數器且僅耗電4μA，僅有2.0 mm x 2.0 mm x 0.95 mm的超小體積。

　　那么，BMA400在哪些方面或者性能在行業當中是領先的?Bosch Sensortec亞太區總裁Leopold Beer先生稱，BMA400最主要的特點是超低功耗，但是不僅是數字低，而且在噪聲以及功耗之間取得了好的平衡。而有些其他傳感器號稱超低功耗，它的使用方法有時候打開、有時候關掉，像用作計步器的時候就非常不準確，只能是打開的時候測量到步數，但是關掉的時候沒法測量到。

　　BMA400在信噪比以及功耗方面取得了平衡，同時有不同的模式，從低于1個到好幾個不同的模式，甚至到全開的模式做調整。此外，針對DC/DC，它不需要額外一個穩定電源供應，里面具有智能電源管理系統實現低功耗的表現，這是它主要的特色。其他額外的特色，計步功能是內建的，不需要通過外部做計步運算。

　　BMA400是超低功耗和高信噪比的結合，這運用了哪些技術?據悉，一個是設計電路的單元在功耗定義上有特別的設計;另一個是要選擇適當的MEMS做搭配——選信噪比最高的單元。

　　*紫外線傳感器。日本ABLIC目前開發的UV(紫外)傳感器，能感測UV-A和UV-B兩個波段的光。預計2018年5月推出。是ABLIC與日本東北大學的教授共同開發的。

　　紫外線分成了UV-A、UV-B、UV-C三個區域。此次開發的IC只能檢測到UV-A和UV-B區域的光。UV-A和UV-B是能夠照射到地球上的太陽光里含有的紫外線區域，UV-C照不到地球上，因為已經被大氣層/臭氧層阻擋了。

　　此UV Sensor最大的特點是在芯片里做了兩個感應紫外線的二極管，分別是高感度和低感度的。通過這兩個二極管感應光，并把它們做了差分計算(即減法)，以減掉可見光與紅外光等，留下紫外光。

　　封裝體現了ABLIC的Small(小)的特點，是2 mm尺寸的透明封裝，之所以透明，是因為要感應到光。透明材料是樹脂。UV傳感器可以用于手環或太陽眼鏡，可以測太陽光里的紫外線光強，手機上就可以顯示出來，以指導該涂哪類、哪個級別的防曬霜。

　　市面上紅外傳感器較多，為何UV紫外產品少?紫外傳感器難在哪兒?ABLIC商品開發本部商品開發二部開發四課企劃擔當白井正樹先生稱，半導體感應紅外線的感光度會高一些;UV非常難感應到。再有，能夠感應到紫外線的半導體器件會發生劣化。所以ABLIC與日本東北大學研究出了一種特殊工藝，以對抗劣化，保證能夠長時間地應用。材料仍是普通的晶圓。另外，后期處理電路也要有非常好的技術，因為雖然做了差分，但取回來的信號是極其微弱的，如果沒有非常低的零失真放大器和低漂移放大器，外部的噪聲會把信號淹沒。為此，ABLIC做了一款非常小的零失真的放大器——S-89713系列，以搭配此UV傳感器。

　　*交互式投影模塊。Bosch Sensortec開發出獨家MOEMS激光掃描技術，用于投影和感應交互式圖像。該交互式投影模塊可實現免對焦激光投影，并可靈活地將任何表面轉變為直觀和具有視覺吸引力的虛擬用戶界面(UI)，非常適合與家用電器、智能揚聲器、AR眼鏡、可穿戴設備等配合使用。

　　那么，它為什么能自動對焦呢?因為它是通過激光去做投影，所以它是多個直線(筆者注：激光線束)去把圖像投影上去的。而以往是采用光學鏡片原理，因此需要不同的焦距，需要人為對焦。具體地，交互式投影模塊是每一個點直接透過里面的一個MEMS鏡片做很快速的運動/投射動作，所以無需對焦，因為每個點都是實體的焦點。該方案的最大優勢是：由于無需對焦，所以整個體積可以設計得非常小。

AR/VR市場及產品

　　IDC 2017年預計，增強現實(AR)和虛擬現實(VR)頭盔市場從 2017年的1370萬件市場出貨量以56.1%的復合年增長率，到2021年增長到8120萬件的市場出貨量。直到2019年，VR頭盔的市場份額將占據90%的市場，AR頭盔的市場份額到2021年將增長到1/4。AR眼鏡市場強勁增長，市場容量預計將于2024年達到 3000萬件。低價位的頭戴式顯示器將在未來兩年內獲得市場份額。獨立式頭盔將長期獲得市場份額。

　　*高性能慣性測量單元(IMU)。為解決AR/VR的痛點，Bosch Sensortec推出了高性能慣性測量單元(IMU)BMI085。其高穩性和低延遲的特性顯著降低了運動暈眩效應，低噪聲加速度計和陀螺儀具有極低的零偏不穩定性，有很好的溫度穩定性，可實現內外空間定位追蹤。

　　那么，如何解決該MEMS器件的零漂問題，博世算法當中對慣性動作捕捉的技術有做實時校準的方案嗎?這樣可以避免不斷校準的麻煩。Bosch Sensortec公司MEMS產品領域總負責人Ralf Schellin稱，博世的確有這樣的技術，但不是整合在所有產品里，因為要根據不同的痛點去實現不同的產品。在一些產品里整合了實時校準方案，但是有些產品需要低功耗，因為增加算法很可能增加功耗，所以要取得平衡，看到底實時校準重要，還是低功耗重要。

　　那么，為什么會加入溫濕度類的監測?因為前一代產品BMI055陀螺儀的性能就很好，但是AR/VR對于加速度計傳感器有更多的需求，因此新一代的BMI085針對加速度傳感器有更大的改進，包括降低噪聲，也降低了漂移的部分，還有因為雙重MEMS設計的結構，所以它還包含噪聲、零漂和TCU(溫度控制單元)的表現。關于與溫度TCU相關的參數值，因為有熱脹冷縮的物理特性，所以當溫度上升或下降時，都會影響到傳感器的性能表現，這意味著參數值會偏移，當這樣一個物理特性限制在最小的范圍內時，就不會因為溫度的改變而影響原來參數的變化，這樣才能確保我們的高性能的表現。

　　同時除了這些硬件的特色，加速度傳感器以及陀螺儀之間的同步也會增加總體IMU(慣性測量單元)性能的提升，以適合AR/VR使用的領域。

　　更精確的數值是，噪聲表現相較于上一代BMI055加速度的噪聲進步了3倍。TCU進步了5倍的性能。可見，BMI055增加了加速度計的性能，也提升了整體IMU傳感器的應用穩定性，也降低了它的噪聲和延遲。

結論

　　可穿戴傳感器正在向更高性能、更低功耗和更小體積邁進。同時，需要更多的應用工程師開發出有創意和良好用戶體驗的創新產品。

　　本文來源于《電子產品世界》2018年第5期第25頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。