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可穿戴设备:价值链创新带来传感器新市场
2013-09-19 13:07:05   来源:微迷   评论:0   点击:

目前的可穿戴设备通常采用加速度计及复杂算法来获取信息。而新一代互连设备将增加更多的传感器(包括加速度计、陀螺仪、压力传感器和磁力计等)实现更小尺寸更低功耗以及更准确的动作识别能力。

曹明霞 编译

目前智能手机提供了手持式应用平台,另外有些厂商正在开发创新型的传感器,能够应用在穿戴式互连产品上,而这一市场更加广泛多样。这些创新产品包括用来智能化运动追踪的集成组合传感器、更加适应人体的柔性传感器、更低功耗的气体传感器等。可穿戴设备商目前正在试图挖掘出在这些新兴市场中消费者到底需要怎样的应用。

小尺寸低功耗传感器组合进入新一代可穿戴设备

目前的可穿戴设备通常采用加速度计及复杂算法来获取信息。而新一代互连设备将增加更多的传感器(包括加速度计、陀螺仪、压力传感器和磁力计等)实现更小尺寸更低功耗以及更准确的动作识别能力。

“我们已经开始为客户量产6轴及9轴的集成组合传感器,并将在明年早期会有产品上市。”InvenSense营销及业务开发副总裁Ali Foughi表示,为了提高动作辨识力及热量消耗精确度,多数可穿戴式传感器设计都采用加速度计、陀螺仪、电子罗盘及压力传感器。可穿戴式设备需求的主要推动力是,能够分辨用户的动作、不同动作花费多长时间以及消耗了多少热量。许多具有健康意识的消费者希望知道并追踪跑步、自行车、高尔夫、踢球或游泳等运动过程中的强度、距离及速度。在产品设计上可以通过增加压力传感器及陀螺仪来精确感知并测量不同的运动动作,计算出更加精确的热量消耗值。

InvenSense MPU 9150

图1 InvenSense MPU 9150

这些更高级别的传感器融合方案将带来一个全新的配件市场。“手机配件市场将有很大的前景,通过从传感器收集信息,处理后通过蓝牙传输至智能手机上,然后再通过局域网直接上传至云端。这些应用领域包括健身手表、运动追踪、极限运动摄像、以及足球鞋、篮球鞋、网球拍、高尔夫球用具等。”Foughi表示。

手机作为可穿戴连接应用的平台

图2 手机作为可穿戴连接应用的平台

“可穿戴设备领导厂商需要最小尺寸最低功耗的传感器”Foughi称。可穿戴设备的挑战之一便是功耗。用户可以每天晚上对手机充电,但是他们却希望可穿戴设备能够运行一个星期甚至两个星期。Foughi称InvenSense已经推出传感器融合参考设计,包括9轴SoC及几个其它传感器,结果证明每周仅需充一次电。InvenSense称其9轴器件的惯性传感器、测量及融合算法能够将功耗降低至6.7mW,QFN封装尺寸仅为3×3×1mm。

柔性传感器系统能够更好的监控身体

如果可穿戴传感器能够直接粘附到身体上,那么更加柔软更加舒适的系统将可以实现更多的功能。其中一个有潜力的解决方案是MC10公司推出的柔性封装产品,金属互连层将薄型传感器互相连接,并嵌入在柔性高分子材料中。第一个商业应用案例是最近公布的将这类柔性产品植入Reebok公司生产Checklight软质传感帽子中,通过测量头部的冲击力来警示运动员或教练员可能会带来某种伤害。

MC10公司柔性传感系统

图3 MC10公司柔性传感系统

第一代产品采用是3轴加速度计和3轴陀螺仪BGA封装在柔性电路衬底上,然后封装到柔性保护层中。这款帽子分析冲击的严重性,在达到危险级别时通过警号灯给予信号提示。MC10公司研发副总裁Kevin Dowling表示,“在系统中不仅需要加速度计,还需要陀螺仪,因为旋转是头部伤害的一个重要因素。”

第二代头部冲击监视产品目前正在开发中,另外MC10公司其它可穿戴传感产品也在研发中,比如采用薄型裸芯片取代封装好的MEMS及IC器件来适应更多柔性系统。MC10公司将芯片或晶圆减薄,连接到弹性互连层并封装到硅树脂中,这种设计将在拉伸及压缩层中产生一个中性的机械平面来保护这些减薄的芯片。

采用薄型芯片的柔性传感器系统能够像邦迪一样直接粘附在皮肤上,并通过无线将信息发送出去。与皮肤紧密的接触也可以直接测得到更多的生物学数据——比如水合物、身体温度及心脏电信号。Dowling称,“接近皮肤能够通过更少处理过程而得到更真实的数据。”

柔性封装同时能够收集人体内部数据信息,比如把传感器置于导尿管的顶部。目前正在开发中的一个应用是将柔性可伸展的传感器放在一个类似于气球的装置内,通过某血管输送到目标器官后再胀开。血管里的协调性接触可以对心脏某区域进行电学测量,比如更清晰的心脏功能照片来计划并评估心脏锁阴术的治疗方案。

更多尺寸因素推动新型传感器的商业化

越来越多的智能手机连接设备处理信息成为新型传感器的推动力,其中一个有趣的器件是化学传感器,目前生产商正在寻找潜在的用户,并已经将其注意力转向小尺寸及低功耗产品以便更好的应用在移动平台上。比如Synkera公司气体传感器技术用来探测一氧化碳、易挥发性有机化合物、或呼气酒精等。这家公司设计的低功耗微机械传感器封装尺寸仅为3×3mm(SMT),能够应用在手机或可穿戴标签及其它一系列潜在应用。

 Synkera公司SMT封装的传感器

图4 Synkera公司SMT封装的传感器

Synkera已经在劳工健康安全气体传感器领域建立了一定的市场份额,但之前并没有太多动力去推动传感器向更小尺寸更低功耗方向发展。但是随着智能手机的兴起,美国国土安全部开始启动手机用小型化气体传感器项目,Synkera与Qualcomm公司正在开发一款一氧化碳传感器与运动传感器相配合的产品,通过手机app来识别用户一氧化碳中毒情况并报警救助。

Synkera战略业务副总裁Debra Deininger表示,尽管建筑物中已经有传感器用于气体探测,但是每年仍有很多人死于一氧化碳中毒。通过气体传感器连接到智能设备则能够检测用户是否处在毒气区域是否能够移动进而警报求助,对比仅仅将探测器安装在墙面上来说,更加实用。

Synkera技术是基于纳米孔陶瓷来增加化学反应物的表面积,当反应物与目标气体反应时传感器会感应到电阻的变化。增大表面是通过阳极电镀金属铝得到氧化铝,形成规则阵列的柱状孔来实现。Deininger称,这是一个很简单的工艺,可以用铝箔和酸来完成,但是关键技术在于如果得到小至10nm大至150-200nm尺寸的孔洞。Synkera用微机械将小型传感趋于隔离起来,加上薄膜铂金加热器及焊盘。加热器用来激活一些传感反应物,然后清除检测化学物。目前在多数应用中功耗能够降低至1mW以下。由于需要感测一氧化碳的面积仅仅几个微米,Synkera公司正在努力把更多的传感器封装在一起,或者将封装尺寸降至更小。

不同反应物或温度能够探测室内一氧化碳、挥发性有机化合物,呼气酒精测试,空气中氮氧化合物及臭氧等,同时阳极氧化铝也可以测量湿度。空气质量的测量将提示人们根据当地环境选择适合的运动。另外,该传感器也可以对人们的呼吸及健康进行生理监控。

Deininger表示,目前30%的市场在碳氧化合物的检测上,但是我们希望未来两年看到更多的应用。

主流市场需要简单易用型产品

具有不同功能的穿戴式传感器将具有广阔的市场前景,但是哪个应用将会占主流地位仍不清晰。目前较成功的设备是提高用户的运动水平进而保持健康或是降低体重。这意味着关键因素是设计出舒适诱人的设备,人们可以一直穿戴,并且使用简便引导人们能够积极主动去使用。

EMEA公司,一家领先的健身追踪设备厂商,其市场人员Benoit Raimbault表示,最重要的是将传感器及硬件连接到智能软件,让用户来分析数据并分享经验。产品必须方便穿戴以至于忘记它的存在。

Fitbit公司目标用户群希望追踪每天的运动而不需要运动表现或保健指标,其最新一代产品增加了蓝牙功能将手机作为钥匙开关简单地进行无线同步,还可以在精确度和方便性方面提供了不同的模式。公司包括压力传感器能够给出楼梯或是步数信息,精确计算消耗的热量。柔性腕带产品采用了小型化的传感器单元,能够精确的追踪每天的运动情况,另外可以增加睡眠监控功能。

Fitbit公司腕带产品

图5 Fitbit公司腕带产品

可穿戴产品发展的最大障碍就是尺寸和自主性。多数人希望穿戴之后不要再有其它顾虑。即使每周充电仍是比较烦恼的,而手表之类的产品则不会有这种问题。传感器越多则功能性越多,但是我们必须确认用户是否真正需要。可穿戴数据信息意味着需要多个软件来设置目标或追踪提高状况,从而在线分享或与朋友比赛来达到某项荣誉。Fitbit也发现了另外一个市场,用户使用某个设备一段时间后就开始想要更多的数据信息,进而增加设备的更多功能。

目前可穿戴设备的市场主要在美国,欧洲亚洲市场将在一年后兴起。运动设备制造商及保健医疗供应商在特殊应用市场起到了重要作用,智能手机及通讯服务商同样可以分享这一市场,尤其是在亚洲。日本Softbank已经开始采用Fitbit公司的腕带增加手机合约服务,每月5美金。“这个市场才刚刚起步,还有很多应用亟待我们开发。”Raimbault表示。

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