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，歸結(jié)起來(lái)主要分為兩類：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)在汽車行業(yè)尤其是包括安全氣囊系統(tǒng)在內(nèi)的車輛安全系統(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)上的傳感器種類繁多，可穿戴設(shè)備中使用的傳感器也是五花八門，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。霍爾傳感器是磁傳感器的一種，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)?，F(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，可滿足羅盤應(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。