为什么可穿戴电子设备需要新一代高集成的智能传感器解决方案?

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摘要

可穿戴电子产品正成为下一个大幅增长的电子产品市场。在新型可穿戴设备方面,产品开发人员正在寻找重要的新方法来监测生理和环境数据,但这需要对物理现象进行的准确可靠的感应。

 

可穿戴设备与用户的身体保持近距离接触或与之相联系,这意味着它们通常比较热、脏并受到污染; 他们还必须小而轻。这就使得高性能感应的实现极具挑战性。

 

本文描述了可穿戴设备对传感器的要求,并展示了新一代传感器解决方案如何将精确、低能耗的硬件与应用软件相结合,以实现手势控制、脉搏血氧、心率等功能。

 

本文还探讨了与传统的单独的传感器芯片相比,完整传感器解决方案给可穿戴设备制造商带来的好处。

 

正文:

在过去,电子工业的发展通常都是伴随着新产品的诞生而进行的,如80年代的个人电脑、90年代的互联网以及近几年火热发展的智能手机。如今,随着一些可穿戴产品的成功推出,如谷歌眼镜(可穿戴电脑的原型)和Fitbit个人活动追踪器,“可穿戴电子产品”正成为另一个极具发展潜力的市场。

 

事实上,“可穿戴电子产品”涵盖的产品范围非常广,不仅包括已有的健康和娱乐产品,还包括一些尚未被证实的概念,如生物传感器阵列、电子服装、可附着于用户皮肤的电子补片,甚至电子纹身。

 

和其它新兴市场一样,可穿戴电子产品的市场前景也遭受着质疑。开发商和用户不知道哪款产品能尝到甜头,哪款产品会前景惨败;对于如今一些分类明确的产品,如健康监控器和医疗设备,在将来可能会合并为一类产品。

 

但是,如今所有的可穿戴电子产品和发展中的可穿戴理念都有一些共同的特点:

  • 可穿戴设备可以和人体直接接触,因此,可以辅助监控人体的健康状况
  • 可穿戴设备可以和主机(通常是智能手机或平板电脑)搭配使用,因为主机可为其提供运行应用软件的平台和较大的显示屏幕

 

事实上,那些可安装第三方应用软件的苹果iOS操作系统或谷歌安卓操作系统的设备的普及是建立可穿戴市场生态系统的先决条件。

 

可穿戴设备对消费者来说非常实用,因为它体积小,可以贴近用户的皮肤,并且它还可和iOS或安卓系统兼容。但正是因为具备这些特点,可穿戴设备的电路设计十分困难。很多可穿戴设计理念都把可穿戴设备的功能定义为检测生理数据或者检测和用户十分贴近的环境数据,如用户的心率和血压,或者用户附近的空气质量。

 

生产与iOS系统和安卓系统完美结合且在其实际使用环境下能提供准确可靠数据的低功率小型传感器具有非常大的挑战和难度,实际上,这要求传感器制造商不断扩展自己的能力。那么,传感器IC制造商能为可穿戴设备生产者和设计者提供些什么支持和服务呢?

 

上百种可穿戴传感器类型

最早的一批可穿戴电子设备采用已验证的传感器对一些生理和环境现象进行评估。例如,耐克的运动腕带和Jawbone的UP智能手环便可测量一些生物学参数,评估一些环境参数,如走过的步数以及攀登的高度等。

 

这些设备所使用的传感器,如光传感器、加速计和气压计,在可穿戴电子产品成为一个独立的细分市场之前,就已经在手机和平板电脑当中广泛使用。

 

但是,可穿戴设备远不止只是用来评估生理和环境现象。在人口老龄化比较严重且一些与人们生活方式和环境息息相关的疾病(如糖尿病和心脏病)比较泛滥的工业化国家,如果医生们能时刻掌握病人的各种生理参数,如血糖、血氧及心率,那么治疗的效率将会得到巨大的提升。若将可穿戴设备接入智能手机,那么,用户便可和医生及医院随时保持虚拟连接,一旦出现身体恶化的状况,手机的应用程序便可发出警告。

 

生物医疗传感器也可为健康用户使用。例如,粘贴在皮肤上或集成到可穿戴设备上的紫外线传感器便可通过智能手机的应用程序向用户发出警告,提醒用户注意其皮肤已经过度暴露在阳光下。

 

可穿戴设备也能测量用户身边的环境情况。比如,测量悬浮在空气中的微小颗粒的光学传感器在空气质量恶化到设定的门限值时,便会通过智能手机的应用程序向用户发出警告。

 

其它传感器也可用来增强可穿戴设备的操作性。例如,环境光传感器(ALS)也许就能根据用户所处的光照亮度和颜色,自动调整智能手表的显示屏;被动或主动红外线传感器或许就能用于一些小型设备中,实现手势控制功能,因为小型设备本身体积较小,无法安装触摸屏和按钮。

 

以上所说的仅是部分可用于可穿戴设备的传感器类型,每个类型的传感器都可以独立使用。但是,消费电子设备制造商正不断开辟新径,整合传感器所收集的数据。例如,三星便已推出其多模式互动架构,它是一个开放的传感器接口,可使应用软件搜集不同传感器所侦测的数据,这就比通过从单一传感器所获取的数据评定用户的健康状况更加全面和深入。

 

限制可穿戴传感器运行的主要因素

显然,理论上来说,传感器在体表或皮肤附近的安放位置以及和移动计算设备的连接会给用户提供非常实用和有趣的功能。上述所有案例的基础技术也已经存在:如今,实验室已经可以测量心率、血氧含量和空气质量等参数,或者通过LED和光传感器实现接近检测。

 

那么,如何在真实的环境下使这些功能有效发挥呢?这是我们面临的主要挑战。

 

主要的困难有如下三大类:

1. 环境: 可穿戴设备主要是供人们“穿”“戴”的,也就是说,他们将会附着或靠近人体皮肤,因此,难免会发热或沾染灰尘,被汗渍或油渍弄脏。因此,设备的功能难免会受到影响,因为用户可能过度振动该设备,将其浸入水中,或者在具有严重电磁噪声的环境下使用。

2. 能耗: 为了满足用户“穿”“戴”的要求,可穿戴设备必须体积足够小,重量足够轻。因此,可穿戴设备内部供安装电池的空间非常小。如果需频繁地对电池进行充电或更换电池,无疑会让用户对设备的价值和功能倍加质疑。因此,整个电路在设备运行时应消耗尽可能少的电量,在非运行状态时开启省电模式。

3. 质量: 第一代健康监控器的参数检测(如心率和运动)数据结果并非十分精确,因此,用户可能并不会因为这些设备的新奇功能而对它们十分满意。 若想更好地使用这些可穿戴生理传感器,我们必须保证设备的准确性和可靠性。例如,可穿戴心率或血氧传感器在未来可能会当作医疗设备来使用,并且需要接受美国食品药物管理局的严格审核。在具有大量干扰的环境中保证高精确性和可靠性对于传感器制造商来说是极具挑战的工作。

 

将传感器输出转变为有意义的应用

可穿戴传感设备生产的挑战在于在实验室中验证过的技术需在又小又热、又脏又有很多电子噪声的实际应用环境中实现。这就考验了模拟集成电路制造商的能力,并对他们提出了要求:

  • 更高的集成度和小型化
  • 更低的能耗
  • 更高的灵敏度
  • 更多的应用专业知识

 

有一个例子可以说明情况:手势感应是可穿戴设备即将需要的一种常见功能,因为它无需在产品表面安装按钮。一个手势控制电路可能包含两个或两个以上的红外发光二极管和一个红外光敏二极管。当用户的手经过发光二极管上方,通过分析反射到光电二极管的红外线就能识别手势。

 

红外发光二极管和红外二极管是常见的组件类型,且很容易从多个制造商获得。那么实现可穿戴手势传感器要面临哪些挑战?困难就出现在上述三个领域。

 

可穿戴手势传感器的应用在环境上具有挑战性,因为红外光线传感器受制于大量噪音。通常可穿戴设备会暴露于环境光(如阳光)下,这些光可能包含红外线亮度。此外,设备表面上的传感器窗口可能会因为用户的汗液和油脂、灰尘、污垢等污染物而变得模糊不清。为了明确区分环境光中的红外线( 在该应用中是背景干扰)和发光二极管反射的红外线,光电传感器必须非常敏感,这需要先进的模拟半导体技术。

 

同时,可穿戴设备具有小而轻的特点。高度集成半导体设计有助于实现小型化要求,以适应穿戴式设备的所需的规格。光电二极管、模拟前端和处理器核心可能合为一体,在单一芯片上实现完整的手势控制系统。

 

这样的系统通常需要不停地操作LED以实现手势“扫描”。通过省电模式和唤醒程序能够实现智能省电模式,无需红外LED操作。

 

如此一来,一个低能耗、高灵敏度的小型的集成红外传感器便可以精确测量红外反射光,并将其数字化。但手势控制需要应用软件对光敏管提供的原始数据进行大量的分析。这种分析能够使系统:

  • 计算用户的手的运动速度和方向
  • 测量手与设备间的距离
  • 区分环境光和红外LED反射光
  • 将不同类型的运动解读为不同的手势

 

换句话说,在可穿戴设备上实现手势控制系统不能简单地在设备的小型电路板上安装红外发光二极管和红外光电二极管,而需要硬件和应用软件的结合。系统中的元素是相互影响的,例如,光电二极管的灵敏度影响LED的规格,同时影响解读原始测量数据的软件的运行。系统的质量,也就是快速、可靠识别手势的能力,依赖于应用软件,也同样取决于传感器硬件。

 

可穿戴设备制造商也越来越倾向于特定的传感器系统而不是传感器组件。要想在市场赢得竞争,模拟芯片制造商必须提供成熟的应用算法和应用软件来支持传感器硬件。

 

其它便携式应用也是如此。举例来说,在脉搏血氧仪的应用中,当它压住用户的血管后,可以通过感应LED光来测量血氧水平。在这里同样需用软件解读原始测量数据,并将其转化为精确的血氧测量, 即便传感器被油脂、灰尘或汗水污染,或是周围有环境光,最终结果也不会受到影响。

 

通过结合应用软件与先进的模拟硬件,传感器制造商能够提供经过优化的系统,从而节省设备制造商的设计时间和精力,为下一代可穿戴电子设备提供消费者所要求的高性能和可靠性。

 

传感器制造商的新技术

奥地利微电子等公司已经认识到可穿戴电子产品等新兴市场的新需求,并提早开始培养提供传感器解决方案而不仅是传感器芯片所需的能力。这就需要对软件开发人员和应用工程技术进行大量投入。在生物医学传感和用户界面系统等领域,奥地利微电子能够向设备制造商提供已开发多年的有价值的应用程序IP。

 

可穿戴传感器必须在高度受限(狭小、炙热、肮脏、干扰)的环境中接受测试,确保用功能能正常使用。通过提供完整的解决方案,比如能在实际环境下使用的手势传感器方案,传感器制造商为可穿戴电子设备制造商提供了最大价值,也推动了吸引广大消费市场想象力的新一代电子产品的问世。

 

作者简介

先生于2011年4月以美国业务发展总监的身份加入奥地利微电子,于2011年6月担任代理销售总监。在2012年年中,他在奥地利微电子收购TAOS公司的过程中发挥了关键作用。

 

2012年1月,他开始担任细分市场营销总监这一新的职务,并推出细分市场营销计划。2013年12月, 他转至瑞士拉珀斯维尔办公,同时兼任奥地利微电子国际股份公司总经理。

 

加入奥地利微电子之前,他在Molex公司的新加坡分公司担任不同职位,并在其芝加哥分公司担任跨国客户总监。

 

Johannigman先生拥有芝加哥大学的两个硕士学位:市场营销和金融专业工商管理硕士学位以及公共政策硕士学位。他还持有圣母大学的本科学位。

 

更多详细信息

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Otilia Ayats-Mas

Senior Marketing Communications Manager

资深营销策划部经理

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