可穿戴傳感器趨勢及部分新產(chǎn)品技術(shù)　

作者 / 迎九 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：傳感器分為三個發(fā)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(chǎn)品，列舉了部分創(chuàng)新產(chǎn)品。

傳感器的三個發(fā)展階段

　　全球MEMS傳感器的市場規(guī)模有5億美元，主要應(yīng)用除汽車之外，還有手機(jī)、消費類智能應(yīng)用。除了手機(jī)之外，消費類電子設(shè)備的AR/VR、智能眼鏡、智能工業(yè)技術(shù)、機(jī)器人、手表、手環(huán)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(tǒng)級的準(zhǔn)備。

　　傳感器的應(yīng)用經(jīng)歷了三個階段(如圖1)。

　?、賰H僅是傳感器(硬件)。一開始傳感器的主要應(yīng)用來自于單純的應(yīng)用界面，像畫面穩(wěn)定、橫屏豎屏或者一些游戲的使用，大部分使用的是原始數(shù)據(jù)。

　?、谥悄軅鞲衅?硬件+軟件)。但是這樣的應(yīng)用在升華，演變成更多的需求，像動作識別或計步器，還有運(yùn)動檢測，甚至到行動的監(jiān)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(yù)先編程好的軟件，以認(rèn)知目前動作代表的意義。

　　更進(jìn)一步，可以感測使用者所處的環(huán)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(huán)境類傳感器去感受周邊的情況。

　?、壑悄苕溄拥膫鞲衅?。預(yù)測未來環(huán)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(shù)據(jù)的分析和傳感器的智能鏈接，以做多種運(yùn)算分析，來提供給使用者更好的預(yù)測和結(jié)果。

可穿戴市場

　　據(jù)IDC 2017年數(shù)據(jù)，預(yù)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(fù)合增長率增長，在2021年將增長到2.223億。在產(chǎn)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(huán)邁向混合/智能手表(從2017年的6150萬件，預(yù)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(shè)備也更多樣化：手表、耳戴式、服飾和珠寶等。

部分新產(chǎn)品技術(shù)

　　*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(jié)合，為電池供電設(shè)備打造的智能電源管理系統(tǒng)，內(nèi)置計數(shù)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(yè)當(dāng)中是領(lǐng)先的?Bosch Sensortec亞太區(qū)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(shù)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(guān)掉，像用作計步器的時候就非常不準(zhǔn)確，只能是打開的時候測量到步數(shù)，但是關(guān)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(diào)整。此外，針對DC/DC，它不需要額外一個穩(wěn)定電源供應(yīng)，里面具有智能電源管理系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗的表現(xiàn)，這是它主要的特色。其他額外的特色，計步功能是內(nèi)建的，不需要通過外部做計步運(yùn)算。

　　BMA400是超低功耗和高信噪比的結(jié)合，這運(yùn)用了哪些技術(shù)?據(jù)悉，一個是設(shè)計電路的單元在功耗定義上有特別的設(shè)計;另一個是要選擇適當(dāng)?shù)腗EMS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(fā)的UV(紫外)傳感器，能感測UV-A和UV-B兩個波段的光。預(yù)計2018年5月推出。是ABLIC與日本東北大學(xué)的教授共同開發(fā)的。

　　紫外線分成了UV-A、UV-B、UV-C三個區(qū)域。此次開發(fā)的IC只能檢測到UV-A和UV-B區(qū)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(qū)域，UV-C照不到地球上，因為已經(jīng)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(yīng)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(yīng)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(xiàn)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(yīng)到光。透明材料是樹脂。UV傳感器可以用于手環(huán)或太陽眼鏡，可以測太陽光里的紫外線光強(qiáng)，手機(jī)上就可以顯示出來，以指導(dǎo)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(chǎn)品少?紫外傳感器難在哪兒?ABLIC商品開發(fā)本部商品開發(fā)二部開發(fā)四課企劃擔(dān)當(dāng)白井正樹先生稱，半導(dǎo)體感應(yīng)紅外線的感光度會高一些;UV非常難感應(yīng)到。再有，能夠感應(yīng)到紫外線的半導(dǎo)體器件會發(fā)生劣化。所以ABLIC與日本東北大學(xué)研究出了一種特殊工藝，以對抗劣化，保證能夠長時間地應(yīng)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(shù)，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(fā)出獨家MOEMS激光掃描技術(shù)，用于投影和感應(yīng)交互式圖像。該交互式投影模塊可實現(xiàn)免對焦激光投影，并可靈活地將任何表面轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^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(yáng)聲器、AR眼鏡、可穿戴設(shè)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(xué)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(yùn)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(yōu)勢是：由于無需對焦，所以整個體積可以設(shè)計得非常小。

AR/VR市場及產(chǎn)品

　　IDC 2017年預(yù)計，增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)和虛擬現(xiàn)實(VR)頭盔市場從 2017年的1370萬件市場出貨量以56.1%的復(fù)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(jù)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(qiáng)勁增長，市場容量預(yù)計將于2024年達(dá)到 3000萬件。低價位的頭戴式顯示器將在未來兩年內(nèi)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(wěn)性和低延遲的特性顯著降低了運(yùn)動暈眩效應(yīng)，低噪聲加速度計和陀螺儀具有極低的零偏不穩(wěn)定性，有很好的溫度穩(wěn)定性，可實現(xiàn)內(nèi)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(dāng)中對慣性動作捕捉的技術(shù)有做實時校準(zhǔn)的方案嗎?這樣可以避免不斷校準(zhǔn)的麻煩。Bosch Sensortec公司MEMS產(chǎn)品領(lǐng)域總負(fù)責(zé)人Ralf Schellin稱，博世的確有這樣的技術(shù)，但不是整合在所有產(chǎn)品里，因為要根據(jù)不同的痛點去實現(xiàn)不同的產(chǎn)品。在一些產(chǎn)品里整合了實時校準(zhǔn)方案，但是有些產(chǎn)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(zhǔn)重要，還是低功耗重要。

　　那么，為什么會加入溫濕度類的監(jiān)測?因為前一代產(chǎn)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(jìn)，包括降低噪聲，也降低了漂移的部分，還有因為雙重MEMS設(shè)計的結(jié)構(gòu)，所以它還包含噪聲、零漂和TCU(溫度控制單元)的表現(xiàn)。關(guān)于與溫度TCU相關(guān)的參數(shù)值，因為有熱脹冷縮的物理特性，所以當(dāng)溫度上升或下降時，都會影響到傳感器的性能表現(xiàn)，這意味著參數(shù)值會偏移，當(dāng)這樣一個物理特性限制在最小的范圍內(nèi)時，就不會因為溫度的改變而影響原來參數(shù)的變化，這樣才能確保我們的高性能的表現(xiàn)。

　　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(lǐng)域。

　　更精確的數(shù)值是，噪聲表現(xiàn)相較于上一代BMI055加速度的噪聲進(jìn)步了3倍。TCU進(jìn)步了5倍的性能?？梢?，BMI055增加了加速度計的性能，也提升了整體IMU傳感器的應(yīng)用穩(wěn)定性，也降低了它的噪聲和延遲。

結(jié)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(jìn)。同時，需要更多的應(yīng)用工程師開發(fā)出有創(chuàng)意和良好用戶體驗的創(chuàng)新產(chǎn)品。

　　本文來源于《電子產(chǎn)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。