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(gè)發(fā)展階段，集成度越來(lái)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(gè)發(fā)展階段

　　全球MEMS傳感器的市場(chǎng)規模有5億美元，主要應用除汽車(chē)之外，還有手機、消費類(lèi)智能應用。除了手機之外，消費類(lèi)電子設備的AR/VR、智能眼鏡、智能工業(yè)技術(shù)、機器人、手表、手環(huán)等，未來(lái)會(huì )有很多不同的方向，這些方向都需要更好的解決方案，甚至是系統級的準備。

　　傳感器的應用經(jīng)歷了三個(gè)階段(如圖1)。

　?、賰H僅是傳感器(硬件)。一開(kāi)始傳感器的主要應用來(lái)自于單純的應用界面，像畫(huà)面穩定、橫屏豎屏或者一些游戲的使用，大部分使用的是原始數據。

　?、谥悄軅鞲衅?硬件+軟件)。但是這樣的應用在升華，演變成更多的需求，像動(dòng)作識別或計步器，還有運動(dòng)檢測，甚至到行動(dòng)的監控，需要的不只是單純的硬件傳感器來(lái)提供輸出，同時(shí)要有預先編程好的軟件，以認知目前動(dòng)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(lèi)傳感器去感受周邊的情況。

　?、壑悄苕溄拥膫鞲衅?。預測未來(lái)環(huán)境的變化、未來(lái)動(dòng)作可能會(huì )是什么樣的，變成接近人工智能(AI)的感覺(jué)。這需要更多大數據的分析和傳感器的智能鏈接，以做多種運算分析，來(lái)提供給使用者更好的預測和結果。

可穿戴市場(chǎng)

　　據IDC 2017年數據，預計總體的可穿戴市場(chǎng)從2017年的1.132億出貨量，以18.4%的年復合增長(cháng)率增長(cháng)，在2021年將增長(cháng)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(cháng)。另外，多功能可穿戴市場(chǎng)的增長(cháng)不僅只局限針對健康市場(chǎng)，也從基本的手環(huán)邁向混合/智能手表(從2017年的6150萬(wàn)件，預計在2021年增長(cháng)到1.495億件)。如今，知名時(shí)尚品牌也開(kāi)始加入到可穿戴市場(chǎng)，可穿戴市場(chǎng)的設備也更多樣化：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(diǎn)是超低功耗與高性能相結合，為電池供電設備打造的智能電源管理系統，內置計數器且僅耗電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)當中是領(lǐng)先的?Bosch Sensortec亞太區總裁Leopold Beer先生稱(chēng)，BMA400最主要的特點(diǎn)是超低功耗，但是不僅是數字低，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(chēng)超低功耗，它的使用方法有時(shí)候打開(kāi)、有時(shí)候關(guān)掉，像用作計步器的時(shí)候就非常不準確，只能是打開(kāi)的時(shí)候測量到步數，但是關(guān)掉的時(shí)候沒(méi)法測量到。

　　BMA400在信噪比以及功耗方面取得了平衡，同時(shí)有不同的模式，從低于1個(gè)到好幾個(gè)不同的模式，甚至到全開(kāi)的模式做調整。此外，針對DC/DC，它不需要額外一個(gè)穩定電源供應，里面具有智能電源管理系統實(shí)現低功耗的表現，這是它主要的特色。其他額外的特色，計步功能是內建的，不需要通過(guò)外部做計步運算。

　　BMA400是超低功耗和高信噪比的結合，這運用了哪些技術(shù)?據悉，一個(gè)是設計電路的單元在功耗定義上有特別的設計;另一個(gè)是要選擇適當的MEMS做搭配——選信噪比最高的單元。

　　*紫外線(xiàn)傳感器。日本ABLIC目前開(kāi)發(fā)的UV(紫外)傳感器，能感測UV-A和UV-B兩個(gè)波段的光。預計2018年5月推出。是ABLIC與日本東北大學(xué)的教授共同開(kāi)發(fā)的。

　　紫外線(xiàn)分成了UV-A、UV-B、UV-C三個(gè)區域。此次開(kāi)發(fā)的IC只能檢測到UV-A和UV-B區域的光。UV-A和UV-B是能夠照射到地球上的太陽(yáng)光里含有的紫外線(xiàn)區域，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(diǎn)是在芯片里做了兩個(gè)感應紫外線(xiàn)的二極管，分別是高感度和低感度的。通過(guò)這兩個(gè)二極管感應光，并把它們做了差分計算(即減法)，以減掉可見(jiàn)光與紅外光等，留下紫外光。

　　封裝體現了ABLIC的Small(小)的特點(diǎn)，是2 mm尺寸的透明封裝，之所以透明，是因為要感應到光。透明材料是樹(shù)脂。UV傳感器可以用于手環(huán)或太陽(yáng)眼鏡，可以測太陽(yáng)光里的紫外線(xiàn)光強，手機上就可以顯示出來(lái)，以指導該涂哪類(lèi)、哪個(gè)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(kāi)發(fā)本部商品開(kāi)發(fā)二部開(kāi)發(fā)四課企劃擔當白井正樹(shù)先生稱(chēng)，半導體感應紅外線(xiàn)的感光度會(huì )高一些;UV非常難感應到。再有，能夠感應到紫外線(xiàn)的半導體器件會(huì )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(cháng)時(shí)間地應用。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(lái)的信號是極其微弱的，如果沒(méi)有非常低的零失真放大器和低漂移放大器，外部的噪聲會(huì )把信號淹沒(méi)。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(kāi)發(fā)出獨家MOEMS激光掃描技術(shù)，用于投影和感應交互式圖像。該交互式投影模塊可實(shí)現免對焦激光投影，并可靈活地將任何表面轉變?yōu)橹庇^(guān)和具有視覺(jué)吸引力的虛擬用戶(hù)界面(UI)，非常適合與家用電器、智能揚聲器、AR眼鏡、可穿戴設備等配合使用。

　　那么，它為什么能自動(dòng)對焦呢?因為它是通過(guò)激光去做投影，所以它是多個(gè)直線(xiàn)(筆者注：激光線(xiàn)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(gè)點(diǎn)直接透過(guò)里面的一個(gè)MEMS鏡片做很快速的運動(dòng)/投射動(dòng)作，所以無(wú)需對焦，因為每個(gè)點(diǎn)都是實(shí)體的焦點(diǎn)。該方案的最大優(yōu)勢是：由于無(wú)需對焦，所以整個(gè)體積可以設計得非常小。

AR/VR市場(chǎng)及產(chǎn)品

　　IDC 2017年預計，增強現實(shí)(AR)和虛擬現實(shí)(VR)頭盔市場(chǎng)從 2017年的1370萬(wàn)件市場(chǎng)出貨量以56.1%的復合年增長(cháng)率，到2021年增長(cháng)到8120萬(wàn)件的市場(chǎng)出貨量。直到2019年，VR頭盔的市場(chǎng)份額將占據90%的市場(chǎng)，AR頭盔的市場(chǎng)份額到2021年將增長(cháng)到1/4。AR眼鏡市場(chǎng)強勁增長(cháng)，市場(chǎng)容量預計將于2024年達到 3000萬(wàn)件。低價(jià)位的頭戴式顯示器將在未來(lái)兩年內獲得市場(chǎng)份額。獨立式頭盔將長(cháng)期獲得市場(chǎng)份額。

　　*高性能慣性測量單元(IMU)。為解決AR/VR的痛點(diǎn)，Bosch Sensortec推出了高性能慣性測量單元(IMU)BMI085。其高穩性和低延遲的特性顯著(zhù)降低了運動(dòng)暈眩效應，低噪聲加速度計和陀螺儀具有極低的零偏不穩定性，有很好的溫度穩定性，可實(shí)現內外空間定位追蹤。

　　那么，如何解決該MEMS器件的零漂問(wèn)題，博世算法當中對慣性動(dòng)作捕捉的技術(shù)有做實(shí)時(shí)校準的方案嗎?這樣可以避免不斷校準的麻煩。Bosch Sensortec公司MEMS產(chǎn)品領(lǐng)域總負責人Ralf Schellin稱(chēng)，博世的確有這樣的技術(shù)，但不是整合在所有產(chǎn)品里，因為要根據不同的痛點(diǎn)去實(shí)現不同的產(chǎn)品。在一些產(chǎn)品里整合了實(shí)時(shí)校準方案，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(shí)時(shí)校準重要，還是低功耗重要。

　　那么，為什么會(huì )加入溫濕度類(lèi)的監測?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設計的結構，所以它還包含噪聲、零漂和TCU(溫度控制單元)的表現。關(guān)于與溫度TCU相關(guān)的參數值，因為有熱脹冷縮的物理特性，所以當溫度上升或下降時(shí)，都會(huì )影響到傳感器的性能表現，這意味著(zhù)參數值會(huì )偏移，當這樣一個(gè)物理特性限制在最小的范圍內時(shí)，就不會(huì )因為溫度的改變而影響原來(lái)參數的變化，這樣才能確保我們的高性能的表現。

　　同時(shí)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(huì )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。

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

結論

　　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(shí)，需要更多的應用工程師開(kāi)發(fā)出有創(chuàng )意和良好用戶(hù)體驗的創(chuàng )新產(chǎn)品。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第25頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。