為什么可穿戴設備需要高集成的智能傳感器?

　　如今，隨著(zhù)一些可穿戴產(chǎn)品的成功推出，如谷歌眼鏡和Fitbit個(gè)人活動(dòng)追蹤器，“可穿戴電子產(chǎn)品”正成為另一個(gè)極具發(fā)展潛力的市場(chǎng)。事實(shí)上，“可穿戴電子產(chǎn)品”涵蓋的產(chǎn)品范圍非常廣，不僅包括已有的健康和娛樂(lè )產(chǎn)品，還包括一些尚未被證實(shí)的概念，如生物傳感器陣列、電子服裝，甚至是電子紋身。

　　和其它新興市場(chǎng)一樣，可穿戴電子產(chǎn)品的市場(chǎng)前景也遭受著(zhù)質(zhì)疑。開(kāi)發(fā)商和用戶(hù)不知道哪款產(chǎn)品能?chē)L到甜頭，哪款產(chǎn)品會(huì )前景慘敗;對于如今一些分類(lèi)明確的產(chǎn)品，如健康監控器和醫療設備，在將來(lái)可能會(huì )合并為一類(lèi)產(chǎn)品。

　　但是，如今所有的可穿戴電子產(chǎn)品和發(fā)展中的可穿戴理念都有一些共同的特點(diǎn)：

　　1)可穿戴設備可以和人體直接接觸，因此，可以輔助監控人體的健康狀況;

　　2)可穿戴設備可以和主機搭配使用，因為主機可為其提供運行應用軟件的平臺和較大的顯示屏幕。

　　可穿戴設備對消費者來(lái)說(shuō)非常實(shí)用，因為它體積小，可以貼近用戶(hù)的皮膚，并且它還可和iOS或安卓系統兼容。但正是因為具備這些特點(diǎn)，可穿戴設備的電路設計十分困難。很多可穿戴設計理念都把可穿戴設備的功能定義為檢測生理數據或者檢測和用戶(hù)十分貼近的環(huán)境數據，如用戶(hù)的心率和血壓，或者用戶(hù)附近的空氣質(zhì)量。

　　限制可穿戴傳感器運行的主要因素

　　顯然，理論上來(lái)說(shuō)，傳感器在體表或皮膚附近的安放位置以及和移動(dòng)計算設備的連接會(huì )給用戶(hù)提供非常實(shí)用和有趣的功能。上述所有案例的基礎技術(shù)也已經(jīng)存在：如今，實(shí)驗室已經(jīng)可以測量心率、血氧含量和空氣質(zhì)量等參數，或者通過(guò)LED和光傳感器實(shí)現接近檢測。

　　那么，如何在真實(shí)的環(huán)境下使這些功能有效發(fā)揮呢?這是我們面臨的主要挑戰。

　　主要的困難有如下三大類(lèi)：

　　1)環(huán)境：可穿戴設備主要是供人們“穿”“戴”的，也就是說(shuō)，他們將會(huì )附著(zhù)或靠近人體皮膚，因此，難免會(huì )發(fā)熱或沾染灰塵，被汗漬或油漬弄臟。因此，設備的功能難免會(huì )受到影響，因為用戶(hù)可能過(guò)度振動(dòng)該設備，將其浸入水中，或者在具有嚴重電磁噪聲的環(huán)境下使用。

　　2)能耗：為了滿(mǎn)足用戶(hù)“穿”“戴”的要求，可穿戴設備必須體積足夠小，重量足夠輕。因此，可穿戴設備內部供安裝電池的空間非常小。如果需頻繁地對電池進(jìn)行充電或更換電池，無(wú)疑會(huì )讓用戶(hù)對設備的價(jià)值和功能倍加質(zhì)疑。因此，整個(gè)電路在設備運行時(shí)應消耗盡可能少的電量，在非運行狀態(tài)時(shí)開(kāi)啟省電模式。

　　3)質(zhì)量：第一代健康監控器的參數檢測(如心率和運動(dòng))數據結果并非十分精確，因此，用戶(hù)可能并不會(huì )因為這些設備的新奇功能而對它們十分滿(mǎn)意。

　　若想更好地使用這些可穿戴生理傳感器，我們必須保證設備的準確性和可靠性。例如，可穿戴心率或血氧傳感器在未來(lái)可能會(huì )當作醫療設備來(lái)使用，并且需要接受美國食品藥物管理局的嚴格審核。在具有大量干擾的環(huán)境中保證高精確性和可靠性對于傳感器制造商來(lái)說(shuō)是極具挑戰的工作。

　　將傳感器輸出轉變?yōu)橛幸饬x的應用

　　可穿戴傳感設備生產(chǎn)的挑戰在于在實(shí)驗室中驗證過(guò)的技術(shù)需在又小又熱、又臟又有很多電子噪聲的實(shí)際應用環(huán)境中實(shí)現。這就考驗了模擬集成電路制造商的能力，并對他們提出了要求：

　　·更高的集成度和小型化

　　·更低的能耗

　　·更高的靈敏度

　　·更多的應用專(zhuān)業(yè)知識

　　有一個(gè)例子可以說(shuō)明情況：手勢感應是可穿戴設備即將需要的一種常見(jiàn)功能，因為它無(wú)需在產(chǎn)品表面安裝按鈕。一個(gè)手勢控制電路可能包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的紅外發(fā)光二極管和一個(gè)紅外光敏二極管。當用戶(hù)的手經(jīng)過(guò)發(fā)光二極管上方，通過(guò)分析反射到光電二極管的紅外線(xiàn)就能識別手勢。

　　可穿戴手勢傳感器的應用在環(huán)境上具有挑戰性，因為紅外光線(xiàn)傳感器受制于大量噪音。通?？纱┐髟O備會(huì )暴露于環(huán)境光下，這些光可能包含紅外線(xiàn)亮度。此外，設備表面上的傳感器窗口可能會(huì )因為用戶(hù)的汗液和油脂、灰塵、污垢等污染物而變得模糊不清。為了明確區分環(huán)境光中的紅外線(xiàn)和發(fā)光二極管反射的紅外線(xiàn)，光電傳感器必須非常敏感，這需要先進(jìn)的模擬半導體技術(shù)。

　　同時(shí)，可穿戴設備具有小而輕的特點(diǎn)。高度集成半導體設計有助于實(shí)現小型化要求，以適應可穿戴式設備的所需的規格。光電二極管、模擬前端和處理器核心可能合為一體，在單一芯片上實(shí)現完整的手勢控制系統。

　　換句話(huà)說(shuō)，在可穿戴設備上實(shí)現手勢控制系統不能簡(jiǎn)單地在設備的小型電路板上安裝紅外發(fā)光二極管和紅外光電二極管，而需要硬件和應用軟件的結合。系統中的元素是相互影響的，例如，光電二極管的靈敏度影響LED的規格，同時(shí)影響解讀原始測量數據的軟件的運行。系統的質(zhì)量，也就是快速、可靠識別手勢的能力，依賴(lài)于應用軟件，也同樣取決于傳感器硬件。

　　可穿戴設備制造商也越來(lái)越傾向于特定的傳感器系統而不是傳感器組件，要想在市場(chǎng)贏(yíng)得競爭，模擬芯片制造商必須提供成熟的應用算法和應用軟件來(lái)支持傳感器硬件。

　　其它便攜式應用也是如此。舉例來(lái)說(shuō)，在脈搏血氧儀的應用中，當它壓住用戶(hù)的血管后，可以通過(guò)感應LED光來(lái)測量血氧水平。在這里同樣需用軟件解讀原始測量數據，并將其轉化為精確的血氧測量，即便傳感器被油脂、灰塵或汗水污染，或是周?chē)协h(huán)境光，最終結果也不會(huì )受到影響。