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                      可穿戴設備中的傳感器:尺寸越來越“小”,左右越來越“大”!

                      發布時間:2022-10-07 來源:貿澤電子 責任編輯:wenwei

                      【導讀】市場上的可穿戴設備五花八門,歸結起來主要分為兩類:醫用可穿戴設備、健身穿戴設備。其中,醫用可穿戴設備是直接支持醫生監測和治療患者的設備,所有這些設備在上市前必須經過醫療主管部門的批準。對于健身穿戴設備而言,其主要應用也可以說是用于醫療保健,只不過它們收集的數據大多用于運動健康監測,這些設備在上市前基本不需要醫療部門的批準。最常見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,隨著微型化和生物傳感技術的進步,有可能將傳感器植入到患者的手臂內,并與其個人電話連接用于接收采集到的人體生物學數據。


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                      圖源:ME Image/adobe.stock.com


                      MEMS器件具有重量輕、體積小、成本低、功耗小等優點,非常有利于MEMS器件在電信和消費電子等行業中的應用。近年來,MEMS技術在汽車行業尤其是包括安全氣囊系統在內的車輛安全系統中越來越受到青睞。


                      智能可穿戴設備大舉滲透醫療領域


                      據Research and Markets發布的“2028年可穿戴傳感器市場預測分析”的最新研究報告,可穿戴傳感器市場預計將從2021年的約19億美元增長到2028年的57.6億美元。2021年至2028年,預計復合年增長率為17.1%。智能可穿戴設備,如智能手表、健身跟蹤器、VR頭盔、智能腕帶、活動跟蹤器和運動手表等,與人工智能(AR)和物聯網(IoT)等先進技術集成后,用戶可以通過智能手機、平板電腦或與這些設備連接的計算機即可輕松訪問與健康相關的信息。也許這就是智能可穿戴市場能夠保持高增長的重要原因之一。


                      隨著消費者意識的不斷增強,智能可穿戴設備在醫療保健領域的應用大幅上升。智能手表和脈搏血氧計是與光學傳感器結合的可穿戴設備之一,可提供實時的患者健康跟蹤解決方案。其中,幫助監測心臟和呼吸頻率的光體積描記(PPG)傳感器的市場表現最為突出。光電容積描記(PPG)是利用紅外無損檢測技術進行人體運動心率檢測的一項技術,它通過光電傳感器檢測經過人體血液和組織吸收后的反射光強度的不同,描記出血管容積在心動周期內的變化,從得到的脈搏波形中計算出心率。蘋果公司在2021年推出的幾款智能手表都內置了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。


                      根據美國心臟協會(American Heart Association)公布的數據,全美每年約有1,700萬人死于心臟異常,預計到2030年這一數字將增至2,300萬。由此可見,帶有PPG功能的可穿戴設備的市場潛力不可低估。


                      便攜式傳感器將可穿戴設備帶入新時代


                      現在的傳感器變得比過去小得多,成本更低,能效更高,這些發展促進了它們在便攜式設備上的應用。在“可穿戴”領域,“健身服”和其他外圍設備借助生物傳感器可獲得人體的一些生物學數據,然后再通過智能手機或電腦等進行分析,為人們提供健康監測服務。


                      比如,使用內嵌在衣服上的傳感器,只需分析人的膚色,即可對其心率進行無接觸分析。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部傳感器和可佩戴的外部傳感器兩種。便攜式傳感器技術在過去幾年中的發展十分迅速,大多數新應用主要集中在醫學領域。隨著使用便攜式傳感器電子設備的激增,當今的醫療保健途徑有可能發生徹底改變。


                      最新的便攜式傳感器技術進步主要體現在小型化、低功耗等方面。傳感器的微型化給我們帶來的最具吸引力的發明之一是數字藥丸。這些內置了微型傳感器的藥丸主要用于成像、藥物監測、氣體傳感和電化學氣體傳感。一旦患者服用了數字藥丸,傳感器就會被胃酸激活并產生電信號。這些電信號由佩戴在胸腔上的貼片拾取,然后再傳輸到智能手機上進行進一步分析。幾十年前只能借助昂貴的醫療設備才能實施的健康檢查,現在通過數字藥丸、可穿戴設備、智能手表和智能手機就能輕松完成。


                      從在醫療設施中使用復雜的機器測量心率、血糖和血氧飽和度,到能夠在自己的智能手表上測量,傳感器技術走過了漫長的道路。這期間的技術重點一方面是醫療的準確性,另一方面就是產品的微型化。微型化已經成為用于健康監測的可穿戴設備的發展趨勢,同時也將可穿戴設備帶入了新的時代。正是因為有了這些醫療和健身可穿戴設備,我們才能輕松地、實時監測自身的健康狀況。


                      據預測,醫用可穿戴設備的數量在2022年有望突破10億美元大關。根據IDC 2020年的報告,與前一年相比,2020年全球可穿戴設備出貨量激增了28.4%,到2021第三季度,進一步增長了9.9%,其中醫用可穿戴設備功不可沒。


                      可穿戴設備中的傳感器


                      傳感器并不是消費電子設計的新元素,隨著它們變得比過去更小、成本更低、能效更高,在便攜式電子設備中的應用不斷被擴展。如今的智能手機、平板電腦、可穿戴設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量。ReportLinker的分析數據表明,全球智能傳感器市場預計將從2022年的458億美元增長到2027年的1,045億美元,2022年至2027年的復合年增長率為17.9%。而推動該市場增長的關鍵因素則源于物聯網設備和消費電子產品(如智能家電和可穿戴設備)中對智能傳感器的需求激增。


                      市場上的傳感器種類繁多,可穿戴設備中使用的傳感器也是五花八門,包括壓力、光學、接近度、運動、溫度、聲學、觸摸和圖像傳感器等。區別于其他行業,可穿戴應用不僅注重傳感器的功能,對傳感器的尺寸和功耗也非常敏感?,F在就讓我們來看一些典型的可穿戴產品中的代表性傳感器。


                      #01 加速度計


                      加速度計是可穿戴設備中使用較普遍的傳感器。例如,跑步的用戶可以訪問他/她的最高速度輸出以及加速度。此外,加速計還可以跟蹤睡眠模式。在為超低功耗應用選擇加速度計時,必須在數據手冊中標稱的功耗水平下仔細觀察傳感器的功能,其中的一項關鍵指標是帶寬和采樣速率是否會降至無法測量可用加速度數據的水平。


                      之所以這樣考慮的原因是:為了維持較低功耗,很多加速度計會通過每秒關斷并喚醒的方式達到節能的目的。由于有效采樣速率下降了,這樣做會錯過關鍵的加速度數據。因此,選型時一定要在這些參數中做有效的權衡。


                      ADI公司的ADXL362和ADXL363采用全數據速率對傳感器的整個帶寬進行采樣,不會通過欠采樣混疊輸入信號,它們可在功耗僅為3μA的狀態下,以最高400Hz的速率進行采樣。在可穿戴設備中,這些較高的數據速率可實現額外的功能,如單擊/雙擊檢測。


                      非必要時段,ADXL362和ADXL363的采樣速率可降至6Hz,以便在被拾起時或者檢測到運動時設備能啟動,此時的平均功耗僅為270nA。因此,ADXL362和ADXL363非常適合電池更換非常困難的植入式應用。ADI公司還開發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用中的潛力。


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                      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的可穿戴傳感器,與加速度計的不同之處在于,它只記錄角加速度。在一些方案中,加速度計主要用于測量旋轉加速度。在更多應用中,我們看到的是陀螺儀和加速度計兩者相結合,以最大限度地縮小測量誤差。


                      TDK InvenSense的ICG-1020S雙軸MEMS角速度傳感器設計用于智能手機攝像頭模塊和其他移動設備中的光學圖像穩定(OIS)應用,支持高達32kHz的ODR,向后兼容其他InvenSense專用OIS陀螺儀產品。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校準策略,有效節省了生產成本。


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                      圖2:ICG-1020S雙軸MEMS陀螺儀方框圖

                      (圖源:TDK)


                      #03 磁性傳感器


                      在消費電子產品中,磁性傳感器有許多類別,主要用于解析速度、方向、位置、對準、接近或旋轉位置,關鍵的一點是,測量過程中這類傳感器和目標之間無需直接接觸。磁性傳感器可以安裝在堅固的保護外殼中,以適應惡劣環境,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非鐵部件檢測磁場,因此磁傳感器和目標可以嵌入到系統的內部,并檢測外部和內部特征相反側的目標?,F在,霍爾傳感器已廣泛用于消費電子、運動器材、家用電器、數碼相機、智能手機、玩具、電子儀器和其他電子設備中。


                      Bosch公司的BMM150 3軸數字地磁傳感器是低功耗、低噪聲3軸數字地磁傳感器,可滿足羅盤應用的需求。通過為硬件量身定制的傳感器數據融合軟件,BMM150地磁傳感器可提供高準確、高動態的空間定位和運動矢量,主要用于室內導航,例如在組合加速計中計步,還特別適合用于支持無人機精確領航。


                      BMM150的應用包括感應手機、手持設備、計算機外圍設備、人機界面、虛擬現實功能和游戲控制器中的三軸地磁。BMM150的封裝和接口設計符合多種硬件要求,因其具有超小的占地面積和扁平的封裝,非常適和可穿戴設備等尺寸敏感型應用。


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                      圖3:BMM150地磁傳感器方框圖

                      (圖源:Bosch)


                      #04 全球定位系統(GPS)


                      GPS是智能手機和智能手表等許多智能便攜設備上較常見的傳感器,用于掃描并通知用戶其位置。


                      u-blox公司的ZED-F9T全球導航衛星系統(GNSS)模塊將F9多頻帶平臺集成在一個外形尺寸僅為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GNSS系統。該模塊具有GPS、伽利略、GLONASS和北斗等四大全球導航衛星系統,因采用多頻帶射頻前端架構,可以做到同時接收。


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                      圖4:ZED-F9T模塊內部架構

                      (圖源:貿澤電子)


                      #05 壓力傳感器


                      壓力傳感器主要通過應變計工作,當對傳感器施加壓力時,會導致電阻的變化。這種測量壓力的方法常常通過惠斯通電橋實現,該電橋可以跟蹤靜態或動態電阻變化。


                      TE公司的MS5837-02BA是一款超小型凝膠填注壓力傳感器,針對高度計和氣壓計應用進行了優化,主要面向健身跟蹤器、無人機和可穿戴設備等應用。MS5837-02BA基于MEMS的傳感器包括一個高線性壓力傳感器,具有超低功耗24位數字輸出(I2C)和13cm海平面的高度分辨率,可實現高分辨率測量,例如計算樓梯段數。


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                      圖5:超小型壓力傳感器MS5837-02BA

                      (圖源:TE)


                      互為推力的可穿戴設備與智能傳感技術


                      可穿戴健身技術已經融入整個社會,隨著消費者對監測自身健康和跟蹤自身生命體征的需求不斷增加,可穿戴技術的使用在過去四年中增加了兩倍多。根據Insider Intelligence的研究,超過80%的消費者愿意使用健身技術。在美國,到2022年,大約1/4的美國人將會使用可穿戴設備,主要用途是健身或身體健康監測。


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                      圖6:2022年,接近1/4的美國人口將使用可穿戴設備

                      (圖源:Insider Intelligence)


                      根據maximize market research的預測,全球消費電子傳感器市場到2027年預計將達到413.4億美元,復合年增長率為16.32%。智能、高可靠、低功耗、低成本和高集成度是消費電子產品中傳感器獲得大規模應用的推動力。


                      未來的可穿戴設備還將配備最新的信息處理和連接硬件,其中的信息技術市場的發展將是爆炸性的,硬件升級每隔幾年也會發生翻天覆地的變化。便攜式傳感器和可穿戴設備很可能也會經歷同樣的急劇發展過程。一方面,傳感器技術的微型化開創了可穿戴設備的新時代。另一方面,可穿戴設備市場的巨大需求反過來將推動傳感器技術的進步。


                      來源:貿澤電子



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