穿戴產(chǎn)品中的MEMS

　　1. 背景簡(jiǎn)介

　　眾所周知，最新的傳感器都采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)。基于MEMS的元器件(傳感器和致動(dòng)器)在大約10年前開(kāi)始進(jìn)入穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)，在計(jì)步器中，加速度計(jì)首次替代機(jī)械式彈簧。

　　過(guò)去十年，MEMS技術(shù)取得顯著進(jìn)步，MEMS產(chǎn)品廠(chǎng)商克服了制造工藝挑戰(zhàn)，新的MEMS產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，尺寸越來(lái)越小，性能明顯提升，同時(shí)售價(jià)大幅降低，這些進(jìn)步為穿戴產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用鋪平了道路。

　　加速度計(jì)、陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)等慣性傳感器和壓力、濕度、紫外指數(shù)等環(huán)境傳感器被廣泛用于消費(fèi)類(lèi)穿戴產(chǎn)品，不過(guò)，專(zhuān)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(nèi)置一個(gè)MEMS傳感器，用于捕捉角膜區(qū)自發(fā)性周向變化 [1] 。因?yàn)槟軌?4小時(shí)連續(xù)無(wú)創(chuàng)測(cè)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(shí)用方法 [2] 。

　　MEMS技術(shù)還用于制造微致動(dòng)器。在消費(fèi)和醫(yī)療市場(chǎng)上，微致動(dòng)器可讓穿戴產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)很多新應(yīng)用。例如，MEMS微致動(dòng)器用于讓微反射鏡高頻率旋轉(zhuǎn)，將投影光線(xiàn)反射到一個(gè)表面。今天，在很多穿戴產(chǎn)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(xiàn)實(shí)(VR)眼鏡。微致動(dòng)器還被用于開(kāi)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(dòng)器開(kāi)發(fā)出一個(gè)胰島素泵解決方案，這個(gè)液泵以藥貼為載體，由一次性藥液?jiǎn)卧涂刂破鹘M成，控制器包括一個(gè)基于MEMS微致動(dòng)器的液泵引擎[3]。

　　下面，我們討論MEMS傳感器在穿戴產(chǎn)品中的作用以及市場(chǎng)前景。

　　2. MEMS傳感器在穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展歷程

　　MEMS傳感器得到穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)認(rèn)可并取得成功，歸功于以下四個(gè)要素：

　　i. 尺寸:

　　最近幾年，MEMS傳感器尺寸顯著縮減。十年前，市場(chǎng)上最小的MEMS加速度計(jì)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(jì)只需4mm2的空間[4, 5]，相當(dāng)于一個(gè)番茄籽的大小。這些微型傳感器在很大程度上幫助穿戴產(chǎn)品變小，從而提高了不同市場(chǎng)對(duì)穿戴產(chǎn)品的接受度。

　　ii. 功耗:

　　所有穿戴產(chǎn)品廠(chǎng)商都希望自己的電池供電產(chǎn)品有更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。MEMS傳感器廠(chǎng)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(jì)的功耗約0.7mA，獨(dú)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(jì)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(chǎn)品市場(chǎng)的推廣應(yīng)用，并推動(dòng)穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)不斷涌現(xiàn)大量新產(chǎn)品。

　　iii. 價(jià)格:

　　最近幾年，MEMS傳感器價(jià)格大幅下降，導(dǎo)致穿戴產(chǎn)品的售價(jià)走低，讓普通消費(fèi)者也能買(mǎi)得起。十年前，加速度計(jì)的售價(jià)高于3美元;今天，一顆功能更先進(jìn)、性能更好的加速度計(jì)大約30美分。隨著MEMS傳感器價(jià)格持續(xù)下探， MEMS技術(shù)不斷進(jìn)步，更多的MEMS傳感器取得了規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

　　iv. 硬件集成與嵌入式功能:

　　在一個(gè)封裝內(nèi)集成多個(gè)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(chǎn)品內(nèi)。除硬件集成外，更先進(jìn)的功能和嵌入式算法為應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員提供一個(gè)強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，加快應(yīng)用項(xiàng)目開(kāi)發(fā)速度。

　　3. 傳感器在穿戴產(chǎn)品中的應(yīng)用

　　穿戴產(chǎn)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(chǎn)品能夠?yàn)橛脩?hù)提供各種先進(jìn)的功能和特性。

　　穿戴產(chǎn)品環(huán)境感知功能是一個(gè)典型的傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)用示例。檢測(cè)人類(lèi)活動(dòng)是環(huán)境感知應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)重要模塊，因?yàn)樾枰紤]不同的應(yīng)用場(chǎng)景，所以人類(lèi)活動(dòng)檢測(cè)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜技術(shù)。

　　用戶(hù)出行方式可能步行、騎行或駕車(chē)。

　　假如用戶(hù)步行，則需要考慮靜止、走步、快走、跑步、上下樓、乘坐電梯等場(chǎng)景。

　　假如用戶(hù)參加體育比賽或健身鍛煉，可能出現(xiàn)的場(chǎng)景包括游泳、跳繩或場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)(網(wǎng)球、籃球等)。

　　瞥視、拾起、觀看、搖晃、輕敲、揮擊、旋轉(zhuǎn)、以及用戶(hù)定義的姿勢(shì)也需要考慮。

　　穿戴產(chǎn)品內(nèi)部環(huán)境感知系統(tǒng)在健康護(hù)理方面也起重要作用：

　　老人專(zhuān)用穿戴產(chǎn)品可以檢測(cè)日常生活中潛在的危險(xiǎn)情況，例如，摔倒，或者能夠檢測(cè)生命體征，預(yù)測(cè)緊迫危急的健康風(fēng)險(xiǎn)。

　　人體活動(dòng)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(cè)這些變化或異常，幫助醫(yī)療人員及早發(fā)現(xiàn)與年齡相關(guān)的疾病或嚴(yán)重的健康狀況。以長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)計(jì)劃為例，穿戴式健康監(jiān)視系統(tǒng)可檢測(cè)那些預(yù)示關(guān)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(dòng)不便的老年人提供日常生活輔助，例如，聲控急救電話(huà)和開(kāi)門(mén)時(shí)自動(dòng)開(kāi)燈，推廣更積極、健康的生活方式，提供一個(gè)慢性疾病管理平臺(tái)。

　　4. 穿戴產(chǎn)品傳感器

　　我們剛才討論的所有場(chǎng)景表明，在穿戴產(chǎn)品中，人類(lèi)活動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的復(fù)雜性非常高，需要用到多個(gè)傳感器。圖1所示是一些最新的可用于穿戴產(chǎn)品的傳感器。每個(gè)傳感器都提供有用的用戶(hù)數(shù)據(jù)及其社交和物理環(huán)境信息。經(jīng)過(guò)整合、處理、分析后，傳感器數(shù)據(jù)可用于創(chuàng)造有用的知識(shí)，為決策系統(tǒng)提供重要的支持。

　　圖1：穿戴產(chǎn)品內(nèi)的多個(gè)傳感器

　　在今天的穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)上，傳感器廠(chǎng)商很快意識(shí)到，只提供傳感器硬件解決方案不足以擴(kuò)大市場(chǎng)份額。為區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，除硬件解決方案外，傳感器廠(chǎng)商還應(yīng)提供軟件，例如，傳感器數(shù)據(jù)整合[7]。軟件解決方案可用作先進(jìn)應(yīng)用的模塊，整合軟硬件的解決方案為用戶(hù)提供一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因此，軟件解決方案正在成為產(chǎn)品差異化的關(guān)鍵要素。

　　圖2所示的SensorTile就是這樣一個(gè)應(yīng)用示例。這款小尺寸的印刷電路板是為穿戴式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，搭載多個(gè)傳感器和一顆Cortex-M4微控制器，開(kāi)發(fā)人員可以把這塊板子與一個(gè)底座和一個(gè)擴(kuò)展板組裝在一起，搭建一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)工具套件[8]。

　　圖2：SensorTile開(kāi)發(fā)套件的核心系統(tǒng)

　　5. MEMS傳感器在穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)的前景

　　穿戴MEMS傳感器的市場(chǎng)前景廣闊、光明。目前正在開(kāi)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(huì)讓穿戴產(chǎn)品變得更實(shí)用，性能更強(qiáng)大。在不久的將來(lái)，重大創(chuàng)新成果和技術(shù)進(jìn)步將會(huì)提高現(xiàn)有傳感器的性能和軟件集成度，幫助穿戴產(chǎn)品廠(chǎng)商簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，加快應(yīng)用開(kāi)發(fā)。嵌入式狀態(tài)機(jī)、智能功能、編程功能 、提高的動(dòng)態(tài)范圍和改進(jìn)的性能，將會(huì)把穿戴產(chǎn)品提升到一個(gè)全新的境界。智能傳感器將提供人類(lèi)活動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)功能，例如，步行、快走、跑步、騎行、駕車(chē)和靜止。下一代智能傳感器將會(huì)提供編程功能，設(shè)計(jì)人員只依靠傳感器內(nèi)部嵌入式運(yùn)算能力就能開(kāi)發(fā)應(yīng)用，而無(wú)需使用外部微控制器。這些應(yīng)用將大幅降低功耗，滿(mǎn)足穿戴產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)傳感器節(jié)點(diǎn)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(chǎn)品集成更多的傳感器，傳感器數(shù)據(jù)量正在顯著增加。受限于功耗，穿戴產(chǎn)品的運(yùn)算能力有限，計(jì)算、處理和分析大量數(shù)據(jù)將超出穿戴產(chǎn)品的能力范圍。為此，很多數(shù)據(jù)將發(fā)送到云端，交由云服務(wù)器進(jìn)行永久、安全的處理和存儲(chǔ)。

　　6. 亟待解決的挑戰(zhàn)

　　為讓更多的消費(fèi)者接受穿戴產(chǎn)品，穿戴產(chǎn)品廠(chǎng)家必須克服其所面臨的主要挑戰(zhàn)。圖3列出了技術(shù)層面和消費(fèi)者層面的挑戰(zhàn)。技術(shù)挑戰(zhàn)主要包括數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以可靠的方式上傳至網(wǎng)關(guān)或云服務(wù)器，進(jìn)行后續(xù)處理。

　　穿戴產(chǎn)品必須為開(kāi)發(fā)者提供應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因?yàn)榇┐鳟a(chǎn)品的應(yīng)用和功能越多，穿戴產(chǎn)品的潛在用戶(hù)才會(huì)越多。

　　消費(fèi)者層面的挑戰(zhàn)包括數(shù)據(jù)安全性、隱私保護(hù)和用戶(hù)忠誠(chéng)度。當(dāng)涉及個(gè)人隱私數(shù)據(jù)時(shí)，用戶(hù)不會(huì)妥協(xié)讓步。穿戴產(chǎn)品廠(chǎng)商必須能夠保證個(gè)人數(shù)據(jù)傳輸安全，只有授權(quán)第三方才有權(quán)訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)數(shù)據(jù)。

　　此外，穿戴設(shè)備必須安全，無(wú)健康威脅，特別是醫(yī)用穿戴設(shè)備必須安全，所用材質(zhì)無(wú)有害物質(zhì)，不會(huì)破壞環(huán)境。

　　迄今，穿戴產(chǎn)品在很大程度上還未能讓我們看到長(zhǎng)久的客戶(hù)忠誠(chéng)度。如果穿戴市場(chǎng)未來(lái)增長(zhǎng)勢(shì)頭更強(qiáng)勁，廠(chǎng)商則需要更積極提高用戶(hù)的對(duì)其產(chǎn)品的忠誠(chéng)度，這樣用戶(hù)才能全面了解這些產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，充分利用產(chǎn)品特性。

　　7. 結(jié)論

　　可以說(shuō)，沒(méi)有MEMS傳感器，就沒(méi)有穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)。在穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)未來(lái)發(fā)展方向上，MEMS傳感器將繼續(xù)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(chǎn)品的發(fā)展動(dòng)力。雖然在技術(shù)和消費(fèi)者層面有亟待解決的挑戰(zhàn)，但是穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)前景依然看好。

　　8. 參考文獻(xiàn)

　　[1] http://www.sensimed.ch/en/

　　[2] http://www.sensimed.ch/pdf/2016-08-22_J_Glaucoma

　　[3] http://www.debiotech.com

　　[4] http://www.st.com/en/mems-and-sensors/lis2ds12.html

　　[5] http://www.st.com/en/mems-and-sensors/lis2dw12.html

　　[6] http://www.st.com/en/mems-and-sensors/lsm6dsm.html

　　[7] http://www.st.com/en/embedded-software/osxmotionfx.html

　　[8] http://www.st.com/en/evaluation-tools/steval-stlkt01v1.html

        作者：Jay Esfandyari, Ph.D. 意法半導(dǎo)體