穿戴產品中的MEMS

作者：Jay Esfandyari 時間：2017-12-22 來源：電子產品世界

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　　1. 背景簡介

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201712/373440.htm

　　眾所周知，最新的傳感器都采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術?；?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/MEMS">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(zhàn)，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(huán)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(qū)自發(fā)性周向變化 [1] 。因為能夠24小時連續(xù)無創(chuàng)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 [2] 。

　　MEMS技術還用于制造微致動器。在消費和醫(yī)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(fā)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(fā)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[3]。

　　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(fā)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(xù)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[6]。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(xù)下探， MEMS技術不斷進步，更多的MEMS傳感器取得了規(guī)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(fā)人員提供一個強大的開發(fā)平臺，加快應用項目開發(fā)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(huán)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(huán)境感知應用系統(tǒng)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(zhàn)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(huán)境感知系統(tǒng)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?？捎糜诖_定某些疾病的早期癥狀，因此，穿戴式健康監(jiān)視系統(tǒng)檢測這些變化或異常，幫助醫(yī)療人員及早發(fā)現與年齡相關的疾病或嚴重的健康狀況。以長期健康監(jiān)測計劃為例，穿戴式健康監(jiān)視系統(tǒng)可檢測那些預示關節(jié)炎和老年癡呆癥早期癥狀的身體變化或異常。

　　穿戴式環(huán)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(huán)境信息。經過整合、處理、分析后，傳感器數據可用于創(chuàng)造有用的知識，為決策系統(tǒng)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(qū)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(fā)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(fā)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(fā)工具套件[8]。

　　圖2：SensorTile開發(fā)套件的核心系統(tǒng)

　　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(fā)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(chuàng)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(fā)。嵌入式狀態(tài)機、智能功能、編程功能、提高的動態(tài)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(fā)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(jié)點的始終要處于工作狀態(tài)的要求以及其它具有挑戰(zhàn)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(fā)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(zhàn)

　　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(zhàn)。圖3列出了技術層面和消費者層面的挑戰(zhàn)。技術挑戰(zhàn)主要包括數據的持續(xù)可用性、完整性和可靠性。這些挑戰(zhàn)要求始終工作的傳感器必須連續(xù)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(xù)處理。