可穿戴設(shè)備中的傳感器：尺寸越來(lái)越“小”，左右越來(lái)越“大”！

市場(chǎng)上的可穿戴設(shè)備五花八門(mén)，歸結(jié)起來(lái)主要分為兩類(lèi)：醫(yī)用可穿戴設(shè)備、健身穿戴設(shè)備。其中，醫(yī)用可穿戴設(shè)備是直接支持醫(yī)生監(jiān)測(cè)和治療患者的設(shè)備，所有這些設(shè)備在上市前必須經(jīng)過(guò)醫(yī)療主管部門(mén)的批準(zhǔn)。對(duì)于健身穿戴設(shè)備而言，其主要應(yīng)用也可以說(shuō)是用于醫(yī)療保健，只不過(guò)它們收集的數(shù)據(jù)大多用于運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)，這些設(shè)備在上市前基本不需要醫(yī)療部門(mén)的批準(zhǔn)。最常見(jiàn)的例子是健身帶和智能手表。它們被用于跟蹤佩戴者的各種生命體征，包括心率、體溫、血氧飽和度、血壓等。未來(lái)，隨著微型化和生物傳感技術(shù)的進(jìn)步，有可能將傳感器植入到患者的手臂內(nèi)，并與其個(gè)人電話(huà)連接用于接收采集到的人體生物學(xué)數(shù)據(jù)。

MEMS器件具有重量輕、體積小、成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，非常有利于MEMS器件在電信和消費(fèi)電子等行業(yè)中的應(yīng)用。近年來(lái)，MEMS技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)尤其是包括安全氣囊系統(tǒng)在內(nèi)的車(chē)輛安全系統(tǒng)中越來(lái)越受到青睞。

智能可穿戴設(shè)備大舉滲透醫(yī)療領(lǐng)域

據(jù)Research and Markets發(fā)布的“2028年可穿戴傳感器市場(chǎng)預(yù)測(cè)分析”的最新研究報(bào)告，可穿戴傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2021年的約19億美元增長(zhǎng)到2028年的57.6億美元。2021年至2028年，預(yù)計(jì)復(fù)合年增長(zhǎng)率為17.1%。智能可穿戴設(shè)備，如智能手表、健身跟蹤器、VR頭盔、智能腕帶、活動(dòng)跟蹤器和運(yùn)動(dòng)手表等，與人工智能（AR）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等先進(jìn)技術(shù)集成后，用戶(hù)可以通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦或與這些設(shè)備連接的計(jì)算機(jī)即可輕松訪問(wèn)與健康相關(guān)的信息。也許這就是智能可穿戴市場(chǎng)能夠保持高增長(zhǎng)的重要原因之一。

隨著消費(fèi)者意識(shí)的不斷增強(qiáng)，智能可穿戴設(shè)備在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用大幅上升。智能手表和脈搏血氧計(jì)是與光學(xué)傳感器結(jié)合的可穿戴設(shè)備之一，可提供實(shí)時(shí)的患者健康跟蹤解決方案。其中，幫助監(jiān)測(cè)心臟和呼吸頻率的光體積描記（PPG）傳感器的市場(chǎng)表現(xiàn)最為突出。光電容積描記（PPG）是利用紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)心率檢測(cè)的一項(xiàng)技術(shù)，它通過(guò)光電傳感器檢測(cè)經(jīng)過(guò)人體血液和組織吸收后的反射光強(qiáng)度的不同,描記出血管容積在心動(dòng)周期內(nèi)的變化，從得到的脈搏波形中計(jì)算出心率。蘋(píng)果公司在2021年推出的幾款智能手表都內(nèi)置了PPG傳感器。Realme手表具有廣泛的健康功能，其中就包括血氧水平和頂級(jí)PPG心率傳感器。Mobvoi推出的TicWatch Pro 3智能手表同樣包含PPG傳感器功能。

根據(jù)美國(guó)心臟協(xié)會(huì)（American Heart Association）公布的數(shù)據(jù)，全美每年約有1,700萬(wàn)人死于心臟異常，預(yù)計(jì)到2030年這一數(shù)字將增至2,300萬(wàn)。由此可見(jiàn)，帶有PPG功能的可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)潛力不可低估。

便攜式傳感器將可穿戴設(shè)備帶入新時(shí)代

現(xiàn)在的傳感器變得比過(guò)去小得多，成本更低，能效更高，這些發(fā)展促進(jìn)了它們?cè)诒銛y式設(shè)備上的應(yīng)用。在“可穿戴”領(lǐng)域，“健身服”和其他外圍設(shè)備借助生物傳感器可獲得人體的一些生物學(xué)數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)智能手機(jī)或電腦等進(jìn)行分析，為人們提供健康監(jiān)測(cè)服務(wù)。

比如，使用內(nèi)嵌在衣服上的傳感器，只需分析人的膚色，即可對(duì)其心率進(jìn)行無(wú)接觸分析。通常，我們將這種“可穿戴”的便攜式傳感器分為皮下植入的內(nèi)部傳感器和可佩戴的外部傳感器兩種。便攜式傳感器技術(shù)在過(guò)去幾年中的發(fā)展十分迅速，大多數(shù)新應(yīng)用主要集中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著使用便攜式傳感器電子設(shè)備的激增，當(dāng)今的醫(yī)療保健途徑有可能發(fā)生徹底改變。

最新的便攜式傳感器技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在小型化、低功耗等方面。傳感器的微型化給我們帶來(lái)的最具吸引力的發(fā)明之一是數(shù)字藥丸。這些內(nèi)置了微型傳感器的藥丸主要用于成像、藥物監(jiān)測(cè)、氣體傳感和電化學(xué)氣體傳感。一旦患者服用了數(shù)字藥丸，傳感器就會(huì)被胃酸激活并產(chǎn)生電信號(hào)。這些電信號(hào)由佩戴在胸腔上的貼片拾取，然后再傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)上進(jìn)行進(jìn)一步分析。幾十年前只能借助昂貴的醫(yī)療設(shè)備才能實(shí)施的健康檢查，現(xiàn)在通過(guò)數(shù)字藥丸、可穿戴設(shè)備、智能手表和智能手機(jī)就能輕松完成。

從在醫(yī)療設(shè)施中使用復(fù)雜的機(jī)器測(cè)量心率、血糖和血氧飽和度，到能夠在自己的智能手表上測(cè)量，傳感器技術(shù)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路。這期間的技術(shù)重點(diǎn)一方面是醫(yī)療的準(zhǔn)確性，另一方面就是產(chǎn)品的微型化。微型化已經(jīng)成為用于健康監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也將可穿戴設(shè)備帶入了新的時(shí)代。正是因?yàn)橛辛诉@些醫(yī)療和健身可穿戴設(shè)備，我們才能輕松地、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身的健康狀況。

據(jù)預(yù)測(cè)，醫(yī)用可穿戴設(shè)備的數(shù)量在2022年有望突破10億美元大關(guān)。根據(jù)IDC 2020年的報(bào)告，與前一年相比，2020年全球可穿戴設(shè)備出貨量激增了28.4%，到2021第三季度，進(jìn)一步增長(zhǎng)了9.9%，其中醫(yī)用可穿戴設(shè)備功不可沒(méi)。

可穿戴設(shè)備中的傳感器

傳感器并不是消費(fèi)電子設(shè)計(jì)的新元素，隨著它們變得比過(guò)去更小、成本更低、能效更高，在便攜式電子設(shè)備中的應(yīng)用不斷被擴(kuò)展。如今的智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備的用戶(hù)吸引力在很大程度上取決于它們采用的傳感器解決方案的質(zhì)量。ReportLinker的分析數(shù)據(jù)表明，全球智能傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2022年的458億美元增長(zhǎng)到2027年的1,045億美元，2022年至2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為17.9%。而推動(dòng)該市場(chǎng)增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素則源于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品（如智能家電和可穿戴設(shè)備）中對(duì)智能傳感器的需求激增。

市場(chǎng)上的傳感器種類(lèi)繁多，可穿戴設(shè)備中使用的傳感器也是五花八門(mén)，包括壓力、光學(xué)、接近度、運(yùn)動(dòng)、溫度、聲學(xué)、觸摸和圖像傳感器等。區(qū)別于其他行業(yè)，可穿戴應(yīng)用不僅注重傳感器的功能，對(duì)傳感器的尺寸和功耗也非常敏感?，F(xiàn)在就讓我們來(lái)看一些典型的可穿戴產(chǎn)品中的代表性傳感器。

#01 加速度計(jì)

加速度計(jì)是可穿戴設(shè)備中使用較普遍的傳感器。例如，跑步的用戶(hù)可以訪問(wèn)他/她的最高速度輸出以及加速度。此外，加速計(jì)還可以跟蹤睡眠模式。在為超低功耗應(yīng)用選擇加速度計(jì)時(shí)，必須在數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)稱(chēng)的功耗水平下仔細(xì)觀察傳感器的功能，其中的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)是帶寬和采樣速率是否會(huì)降至無(wú)法測(cè)量可用加速度數(shù)據(jù)的水平。

之所以這樣考慮的原因是：為了維持較低功耗，很多加速度計(jì)會(huì)通過(guò)每秒關(guān)斷并喚醒的方式達(dá)到節(jié)能的目的。由于有效采樣速率下降了，這樣做會(huì)錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵的加速度數(shù)據(jù)。因此，選型時(shí)一定要在這些參數(shù)中做有效的權(quán)衡。

ADI公司的ADXL362和ADXL363采用全數(shù)據(jù)速率對(duì)傳感器的整個(gè)帶寬進(jìn)行采樣，不會(huì)通過(guò)欠采樣混疊輸入信號(hào)，它們可在功耗僅為3μA的狀態(tài)下，以最高400Hz的速率進(jìn)行采樣。在可穿戴設(shè)備中，這些較高的數(shù)據(jù)速率可實(shí)現(xiàn)額外的功能，如單擊/雙擊檢測(cè)。

非必要時(shí)段，ADXL362和ADXL363的采樣速率可降至6Hz，以便在被拾起時(shí)或者檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)設(shè)備能啟動(dòng)，此時(shí)的平均功耗僅為270nA。因此，ADXL362和ADXL363非常適合電池更換非常困難的植入式應(yīng)用。ADI公司還開(kāi)發(fā)了一款僅供演示使用的VSM手表，旨在展示ADXL362等超低功耗器件在電池供電和空間受限應(yīng)用中的潛力。

圖1：集成了ADXL362器件的VSM手表

（圖源：ADI）

#02 陀螺儀

陀螺儀也是一種較常見(jiàn)的可穿戴傳感器，與加速度計(jì)的不同之處在于，它只記錄角加速度。在一些方案中，加速度計(jì)主要用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)加速度。在更多應(yīng)用中，我們看到的是陀螺儀和加速度計(jì)兩者相結(jié)合，以最大限度地縮小測(cè)量誤差。

TDK InvenSense的ICG-1020S雙軸MEMS角速度傳感器設(shè)計(jì)用于智能手機(jī)攝像頭模塊和其他移動(dòng)設(shè)備中的光學(xué)圖像穩(wěn)定（OIS）應(yīng)用，支持高達(dá)32kHz的ODR，向后兼容其他InvenSense專(zhuān)用OIS陀螺儀產(chǎn)品。ICG-1020S陀螺儀擁有極低的RMS噪聲和噪聲密度，超高分辨率、高達(dá)32KHz的快速采樣率、包括快速20MHz SPI接口的低相位延遲、4mdps/√Hz的極低速率噪聲。精確的靈敏度控制允許該陀螺儀采用無(wú)校準(zhǔn)策略，有效節(jié)省了生產(chǎn)成本。

圖2：ICG-1020S雙軸MEMS陀螺儀方框圖

（圖源：TDK）

#03 磁性傳感器

在消費(fèi)電子產(chǎn)品中，磁性傳感器有許多類(lèi)別，主要用于解析速度、方向、位置、對(duì)準(zhǔn)、接近或旋轉(zhuǎn)位置，關(guān)鍵的一點(diǎn)是，測(cè)量過(guò)程中這類(lèi)傳感器和目標(biāo)之間無(wú)需直接接觸。磁性傳感器可以安裝在堅(jiān)固的保護(hù)外殼中，以適應(yīng)惡劣環(huán)境，也可以安裝在小型電路板封裝中，以最大限度地減少空間使用?；魻杺鞲衅魇谴艂鞲衅鞯囊环N，是由霍爾元件和及其附屬電路組成的集成傳感器。

由于霍爾傳感器可以通過(guò)非鐵部件檢測(cè)磁場(chǎng)，因此磁傳感器和目標(biāo)可以嵌入到系統(tǒng)的內(nèi)部，并檢測(cè)外部和內(nèi)部特征相反側(cè)的目標(biāo)。現(xiàn)在，霍爾傳感器已廣泛用于消費(fèi)電子、運(yùn)動(dòng)器材、家用電器、數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)、玩具、電子儀器和其他電子設(shè)備中。

Bosch公司的BMM150 3軸數(shù)字地磁傳感器是低功耗、低噪聲3軸數(shù)字地磁傳感器，可滿(mǎn)足羅盤(pán)應(yīng)用的需求。通過(guò)為硬件量身定制的傳感器數(shù)據(jù)融合軟件，BMM150地磁傳感器可提供高準(zhǔn)確、高動(dòng)態(tài)的空間定位和運(yùn)動(dòng)矢量，主要用于室內(nèi)導(dǎo)航，例如在組合加速計(jì)中計(jì)步，還特別適合用于支持無(wú)人機(jī)精確領(lǐng)航。

BMM150的應(yīng)用包括感應(yīng)手機(jī)、手持設(shè)備、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、人機(jī)界面、虛擬現(xiàn)實(shí)功能和游戲控制器中的三軸地磁。BMM150的封裝和接口設(shè)計(jì)符合多種硬件要求，因其具有超小的占地面積和扁平的封裝，非常適和可穿戴設(shè)備等尺寸敏感型應(yīng)用。

圖3：BMM150地磁傳感器方框圖

（圖源：Bosch）

#04 全球定位系統(tǒng)（GPS）

GPS是智能手機(jī)和智能手表等許多智能便攜設(shè)備上較常見(jiàn)的傳感器，用于掃描并通知用戶(hù)其位置。

u-blox公司的ZED-F9T全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）模塊將F9多頻帶平臺(tái)集成在一個(gè)外形尺寸僅為22mm x 17mm的小型封裝中，這些多頻帶GNSS模塊提供5ns（1西格瑪）的定時(shí)精度和超低功耗。ZED-F9T模塊具有并行GNSS接收器，可接收和跟蹤多個(gè)GNSS系統(tǒng)。該模塊具有GPS、伽利略、GLONASS和北斗等四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，因采用多頻帶射頻前端架構(gòu)，可以做到同時(shí)接收。

圖4：ZED-F9T模塊內(nèi)部架構(gòu)

（圖源：貿(mào)澤電子）

#05 壓力傳感器

壓力傳感器主要通過(guò)應(yīng)變計(jì)工作，當(dāng)對(duì)傳感器施加壓力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電阻的變化。這種測(cè)量壓力的方法常常通過(guò)惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)，該電橋可以跟蹤靜態(tài)或動(dòng)態(tài)電阻變化。

TE公司的MS5837-02BA是一款超小型凝膠填注壓力傳感器，針對(duì)高度計(jì)和氣壓計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，主要面向健身跟蹤器、無(wú)人機(jī)和可穿戴設(shè)備等應(yīng)用。MS5837-02BA基于MEMS的傳感器包括一個(gè)高線性壓力傳感器，具有超低功耗24位數(shù)字輸出（I2C）和13cm海平面的高度分辨率，可實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量，例如計(jì)算樓梯段數(shù)。

圖5：超小型壓力傳感器MS5837-02BA

（圖源：TE）

互為推力的可穿戴設(shè)備與智能傳感技術(shù)

可穿戴健身技術(shù)已經(jīng)融入整個(gè)社會(huì)，隨著消費(fèi)者對(duì)監(jiān)測(cè)自身健康和跟蹤自身生命體征的需求不斷增加，可穿戴技術(shù)的使用在過(guò)去四年中增加了兩倍多。根據(jù)Insider Intelligence的研究，超過(guò)80%的消費(fèi)者愿意使用健身技術(shù)。在美國(guó)，到2022年，大約1/4的美國(guó)人將會(huì)使用可穿戴設(shè)備，主要用途是健身或身體健康監(jiān)測(cè)。

圖6：2022年，接近1/4的美國(guó)人口將使用可穿戴設(shè)備

（圖源：Insider Intelligence）

根據(jù)maximize market research的預(yù)測(cè)，全球消費(fèi)電子傳感器市場(chǎng)到2027年預(yù)計(jì)將達(dá)到413.4億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為16.32%。智能、高可靠、低功耗、低成本和高集成度是消費(fèi)電子產(chǎn)品中傳感器獲得大規(guī)模應(yīng)用的推動(dòng)力。

未來(lái)的可穿戴設(shè)備還將配備最新的信息處理和連接硬件，其中的信息技術(shù)市場(chǎng)的發(fā)展將是爆炸性的，硬件升級(jí)每隔幾年也會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化。便攜式傳感器和可穿戴設(shè)備很可能也會(huì)經(jīng)歷同樣的急劇發(fā)展過(guò)程。一方面，傳感器技術(shù)的微型化開(kāi)創(chuàng)了可穿戴設(shè)備的新時(shí)代。另一方面，可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的巨大需求反過(guò)來(lái)將推動(dòng)傳感器技術(shù)的進(jìn)步。