IHS 預(yù)期,消費(fèi)者對(duì)各類可穿戴設(shè)備的強(qiáng)勁需求,將讓應(yīng)用在可穿戴設(shè)備中的傳感器出貨量激增,預(yù)計(jì)在2013至2019年間將成長(zhǎng)七倍;可穿戴傳感器出貨量在 2013年為6,700萬(wàn)顆,2014年估計(jì)約8,500萬(wàn)顆,明年可成長(zhǎng)一倍達(dá)1.75一顆,2019年出貨量則估計(jì)為4.66億顆。而由于每款可穿戴式設(shè)備中的傳感器數(shù)量不只一顆,傳感器的種類、功能用途多種多樣,所以可穿戴傳感器的成長(zhǎng)速度將會(huì)遠(yuǎn)高于可穿戴設(shè)備。
可穿戴傳感器分類
1、MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器
從2008年開始,MEMS傳感器陸續(xù)嵌入到手機(jī)、車載、穿戴、智慧家庭等各種電子設(shè)備,技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)當(dāng)前面臨的問(wèn)題是MEMS缺應(yīng)用,即MEMS能夠做什么。本帖對(duì)MEMS器件的基本原理以及MEMS器件在各種各樣的產(chǎn)品當(dāng)中的應(yīng)用做個(gè)簡(jiǎn)單的整理。
加速傳感器及應(yīng)用
加速傳感器的工作原理用彈簧比喻很容易理解,震動(dòng)情況彈簧有縮有伸距離會(huì)有轉(zhuǎn)變,兩端相當(dāng)于電容的兩級(jí),距離轉(zhuǎn)變電容輸出就是不一樣。當(dāng)然我們?cè)诳醇铀賯鞲衅鞯臅r(shí)候,它的參數(shù)第一個(gè)就是RAGE,相當(dāng)于量程是多少,手機(jī)上基本是2g,現(xiàn)在MEMS的器件當(dāng)中最大可以擴(kuò)到8g,用在類似游戲手柄上,打網(wǎng)球的時(shí)候即使甩動(dòng)輕一點(diǎn)也可以檢測(cè)到,但如果2g的時(shí)候根本沒有辦法識(shí)別打的近還是遠(yuǎn)。另外一個(gè)參數(shù)就是分辨率,手機(jī)當(dāng)中更多應(yīng)用到的12bit,再簡(jiǎn)單的可能是6bit,比如橫豎屏的切換。
加速傳感器的主要應(yīng)用有哪些?
第一個(gè)是簡(jiǎn)單的橫豎屏;
第二個(gè)是翻轉(zhuǎn)應(yīng)用,最初翻轉(zhuǎn)應(yīng)用是跟甩歌甩屏一起,但體驗(yàn)不好很多手機(jī)里面就沒有這個(gè)功能 了;
第三個(gè)是計(jì)步器應(yīng)用,2010年的時(shí)候日本很多手機(jī)也已經(jīng)采用,技術(shù)很成熟,比如說(shuō)走500步,測(cè) 下來(lái)就是499或者501;
第四個(gè)是雙擊功能,設(shè)一個(gè)中間格的時(shí)間點(diǎn),對(duì)兩次中斷的數(shù)據(jù)作對(duì)比,所以對(duì)雙擊是非常精確 的,比如說(shuō)手環(huán)或者手表操作空間有限,可以用雙擊啟動(dòng)某一應(yīng)用;
第五個(gè)是手勢(shì)識(shí)別,檢測(cè)左右傾斜及傾斜角度,例如在家庭室內(nèi)裝潢的時(shí)候,以前就是拿一個(gè)墨 線在墻生彈,現(xiàn)在有激光水平儀,但無(wú)法確擺放的器件水平面是平的,如果用量程是4g分辨率是 12bit加速傳感器精確度就非常高。
第六個(gè)應(yīng)用是防盜,當(dāng)裝有傳感器的設(shè)備被拿起時(shí),警報(bào)就會(huì)響;
第七個(gè)是FREEFALLDETECTION,例如現(xiàn)在用的筆記本如果摔下去,可能外表壞掉,但是硬盤不會(huì) 壞,因?yàn)槔锩嬗屑铀賯鞲衅鳎查g會(huì)檢測(cè)到,它會(huì)讓磁頭離開磁盤。
第八個(gè)是檢測(cè)震動(dòng),當(dāng)洗衣機(jī)擺的不正的時(shí)候,振動(dòng)的時(shí)候聲音很大,傳感器可以檢測(cè)出震動(dòng)頻 率,避免整個(gè)東西跟外部東西產(chǎn)生共振;最后游戲應(yīng)用最典型的就是手柄,對(duì)的體感有更大的提 高。
磁力計(jì)原理及應(yīng)用
磁力計(jì)檢測(cè)的是地球磁場(chǎng),地球磁場(chǎng)在所有磁場(chǎng)當(dāng)中是比較微弱的一環(huán),任何帶鐵工藝的東西,包括手機(jī)當(dāng)中的一些屏蔽罩,一些連接鍵包括一些卡槽都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),這些磁場(chǎng)有可能是比地球磁場(chǎng)要大很多的。關(guān)于磁力器的應(yīng)用最多的是地圖方向指示,GPS只能判斷所在經(jīng)緯度,有磁力器就可以知道東西南北。它還有在家庭中的應(yīng)用,比如在門上加一個(gè)磁力器,它可以檢測(cè)門開關(guān)的過(guò)程當(dāng)中角度,從而判斷門有沒有鎖。當(dāng)然磁力器也可以定位,因?yàn)槊總€(gè)點(diǎn)的地球分布是不一樣的。
還有應(yīng)用就是室內(nèi)定位導(dǎo)航,根據(jù)設(shè)定的位置目標(biāo),通過(guò)磁力器判斷你到底在哪個(gè)方向走,走路可以判斷你在室內(nèi)走來(lái)算距離,但是現(xiàn)在還沒得到規(guī)模使用,第一因?yàn)榫_算法是到什么程度,第二是室內(nèi)地圖誰(shuí)來(lái)提供。
氣壓計(jì)原理及應(yīng)用
氣壓計(jì)內(nèi)部集成了一些高度算法可以做高度計(jì)算。最典型的應(yīng)用是在三維GPS導(dǎo)航里面。現(xiàn)在很多城市都有高架,那你在高架上還是高架下,氣壓計(jì)精度在 30cm很容易解決這個(gè)問(wèn)題(高架橋高度大于7m)。氣壓計(jì)還可以做天氣預(yù)報(bào)。其實(shí)基本上天氣預(yù)報(bào)基本上是通過(guò)累計(jì)變化來(lái)預(yù)測(cè)的,可以知道更長(zhǎng)時(shí)間未來(lái)的天氣變化情況。
觸控傳感器
飛思卡爾MPR121的產(chǎn)品,可以用于按鍵直接開鎖。比如說(shuō)手機(jī)屏幕大做一個(gè)手機(jī)套,套子上有不同按鍵,可以通過(guò)按鍵跟手機(jī)連通,這個(gè)應(yīng)用也是非常有意思的。也可以做一些感知的應(yīng)用,這樣的話就相當(dāng)于在光線不好或者沒有辦法看清楚這個(gè)鍵盤的時(shí)候,會(huì)直接點(diǎn)開鍵盤。
傳感器廣泛應(yīng)用
飛思卡爾在穿戴式上的方案有個(gè)相當(dāng)于BLESOC加上計(jì)步器算法的應(yīng)用,比如MMA9555集成所有的計(jì)步器的算法(包括像手勢(shì)識(shí)別的算法)。它的好處是這個(gè)計(jì)步器可以進(jìn)一步識(shí)別你的走路、快跑、慢跑,可以計(jì)算出你的卡路里是多少。而任何時(shí)候東西有交互才會(huì)有快樂,比如朋友圈手環(huán)的PK運(yùn)動(dòng)里程。飛思卡爾通過(guò)各種SENSOR的融合以及相關(guān)SENSOR的一些算法可以開發(fā)出來(lái)更多的應(yīng)用,接下來(lái)手環(huán)產(chǎn)品更多會(huì)帶來(lái)更多的顯示的東西,這樣飛思卡爾會(huì)有一些很多的產(chǎn)品。
傳感器技術(shù)在手機(jī)、穿戴及各種電子設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越多,隨之而來(lái)的是長(zhǎng)待機(jī)和功耗問(wèn)題。如手機(jī)整個(gè)CPU做SENSOR計(jì)算的話,它的運(yùn)行是非常大的,需要獨(dú)立的協(xié)處理器SensorHub。而飛思卡爾了解處理器,也做MCU這是最大的優(yōu)勢(shì)。
主要功能:運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航、娛樂、人機(jī)交互
國(guó)內(nèi)傳感器公司:美新半導(dǎo)體、明皜傳感、矽睿科技、深迪半導(dǎo)體、士蘭微電子、敏芯微電子等
典型設(shè)備:Nike+ FuelBand、Jawbone Up、Fitbit Flex、咕咚手環(huán)、Pebble、Geak Watch、InWatch、Galaxy Gear
生命在于運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)是生命中不可或缺的重要組成部分。因此,通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器隨時(shí)隨地測(cè)量、記錄和分析人體的活動(dòng)情況具有重大價(jià)值:用戶可以知道跑步步數(shù)、游泳圈數(shù)、騎車距離、能量消耗和睡眠時(shí)間等。圖2為基于運(yùn)動(dòng)傳感器的可穿戴設(shè)備發(fā)展歷程,從簡(jiǎn)單的計(jì)步器到復(fù)雜的智能手表,傳感器用量“與日俱增”,運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)“精益求精”。
基于運(yùn)動(dòng)傳感器的可穿戴設(shè)備發(fā)展歷程
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2、生物傳感器
生物傳感器:血糖傳感器、血壓傳感器、心電傳感器、肌電傳感器、體溫傳感器、腦電波傳感器等
功能:健康和醫(yī)療監(jiān)控、娛樂
國(guó)內(nèi)傳感器公司:神念科技、敏芯微電子、芯敏微系統(tǒng)、納芯微電子等
典型設(shè)備:CardioNet MCOT?、康康血壓、中衛(wèi)萊康-腕式心電監(jiān)測(cè)儀、iHolter(心安寶)、秘密意念貓耳朵
健康預(yù)警、病情監(jiān)控——借助可穿戴技術(shù),醫(yī)生可以提高診斷水平,家人也可以與患者進(jìn)行更好的溝通。以康康血壓為代表的可穿戴醫(yī)療設(shè)備,與專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作,長(zhǎng)期對(duì)數(shù)以千萬(wàn)的用戶身體數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤和監(jiān)測(cè),分析提煉出醫(yī)學(xué)診斷模型,預(yù)測(cè)和塑造用戶的健康發(fā)展?fàn)顩r,為用戶提供個(gè)體化心血管專項(xiàng)貼身醫(yī)療及健康管理方案,同時(shí)也幫助家人關(guān)懷親人的健康狀況。
康康血壓——有溫度的智能血壓計(jì)
此外,以秘密意念貓耳朵為代表的可穿戴設(shè)備,通過(guò)腦電、心電等傳感器感知人類情緒變化從而實(shí)現(xiàn)娛樂互動(dòng)。例如,在電視相親活動(dòng)中,當(dāng)女嘉賓看到中意的對(duì)象,大腦處于高度感興趣的狀態(tài)時(shí),貓耳朵就會(huì)高高豎起并來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng),表達(dá)愛慕之情。
秘密意念貓耳朵——讀懂女孩的心思
3、環(huán)境傳感器
環(huán)境傳感器:溫濕度傳感器、氣體傳感器、pH傳感器、紫外線傳感器、環(huán)境光傳感器、顆粒物傳感器、氣壓傳感器、麥克風(fēng)等
功能:環(huán)境監(jiān)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)、健康提醒
國(guó)內(nèi)傳感器公司:康森斯克電子、煒盛電子、艾譜科微電子、芯晨科技、敏芯微電子、芯奧微傳感等
典型設(shè)備:PM2.5便攜式檢測(cè)儀、AirWaves口罩、便攜式個(gè)人綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)終端
環(huán)境監(jiān)控,守護(hù)健康。馬斯洛理論將人的需求分為五種,像階梯一樣從低到高,按層次逐級(jí)遞升,分別為:生理上的需要、安全上的需要、感情上的需要、尊重的需要和自我實(shí)現(xiàn)的需要。現(xiàn)在生理上的需要一般都可以滿足,接下來(lái)就是安全上的需要,也就是保證身心健康不受威脅的需要。事實(shí)上,人們經(jīng)常會(huì)處于一些對(duì)健康有威脅的環(huán)境中,比如空氣/水污染、噪音/光污染、電磁輻射、極端氣候等。更可怕的是,很多時(shí)候我們處身于這樣的環(huán)境中卻渾然不知,如PM2.5污染,從而引發(fā)各種慢性疾病。借此市場(chǎng)機(jī)遇,初創(chuàng)公司羽承科技利用顆粒物傳感器推出了目前市場(chǎng)上最小、最輕便的空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置——PM2.5便攜式檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀可佩戴在人體上,既可單獨(dú)顯示,也可結(jié)合手機(jī)使用并分享給好友。
PM2.5便攜式檢測(cè)儀
健康 = 基因 + 生活習(xí)慣 + 環(huán)境
可穿戴設(shè)備在中國(guó)健康醫(yī)療領(lǐng)域的需求基礎(chǔ):(1)中國(guó)不斷加劇的老齡化趨勢(shì)(如圖6所示),獨(dú)居老人增多,人力成本上升是可穿戴醫(yī)療設(shè)備增長(zhǎng)的基礎(chǔ)。(2)慢性病年輕化,患病時(shí)間長(zhǎng),需求大。(3)中國(guó)醫(yī)療資源嚴(yán)重不足,醫(yī)生與患者比例失調(diào),通過(guò)可穿戴設(shè)備進(jìn)行個(gè)性化健康管理,減少就醫(yī)次數(shù)。圖7和圖8為中國(guó)男性和女的主要健康問(wèn)題,數(shù)據(jù)來(lái)源于《第二屆中國(guó)城市健康狀況大調(diào)查》。
圖 老年人增長(zhǎng)及老年人占總?cè)丝诒戎?/p>
圖 男性健康主要問(wèn)題構(gòu)成
圖 女性主要健康問(wèn)題構(gòu)成
人類的健康主要有三個(gè)影響因素:基因、生活習(xí)慣和環(huán)境,即公式:“健康 = 基因 + 生活習(xí)慣 + 環(huán)境”。通常基因是“命中注定”,無(wú)法改變的,即常量;而健康、生活習(xí)慣是可以改變的,環(huán)境也是可以“逃避”的,均為變量。針對(duì)可“變”的健康、生活習(xí)慣和環(huán)境,可穿戴設(shè)備可分別通過(guò)生物傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器和環(huán)境傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)和提醒用戶,以改善人體健康和提高生活質(zhì)量,并且大量的用戶臨床數(shù)據(jù)存在巨大的商業(yè)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。
然而,現(xiàn)在市場(chǎng)上的可穿戴設(shè)備往往僅采用一類傳感器實(shí)現(xiàn)一種變量監(jiān)測(cè)功能,難以實(shí)現(xiàn)全面、有效的健康反饋體系。所以,多種傳感器的融合創(chuàng)新應(yīng)用深受市場(chǎng)期待。例如:生物傳感器“監(jiān)測(cè)”到人體血壓、血脂過(guò)高時(shí),警告用戶應(yīng)改變不良生活習(xí)慣,加強(qiáng)體育鍛煉;然后,運(yùn)動(dòng)傳感器負(fù)責(zé)“監(jiān)督”人體每天的鍛煉情況,環(huán)境傳感器負(fù)責(zé)“監(jiān)控”人體周圍環(huán)境狀況(如有無(wú)吸煙和環(huán)境污染);最終,通過(guò)三類傳感器的有效配合很好地控制了心血管疾病。合理的慢性疾病管理,能夠避免看急診和住院治療,減少就醫(yī)次數(shù),節(jié)約費(fèi)用和人力成本。在全球范圍內(nèi)針對(duì)移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)效果的臨床研究顯示,出院后的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)可將病人的醫(yī)療費(fèi)用降低、看醫(yī)生的間隔時(shí)間延長(zhǎng)、住院時(shí)間降低等,如表1所示。
通過(guò)可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療
全球范圍內(nèi)針對(duì)移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)效果的臨床研究
研究疾病研究地區(qū)研究主題研究結(jié)果:成本降低
糖尿病美國(guó)出院后的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)每個(gè)病人的全部醫(yī)療費(fèi)用可能降低 42%
高血壓美國(guó)通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程設(shè)備將主要生命體征信息傳送到電子病歷中看醫(yī)生的間隔時(shí)間延長(zhǎng)了 71%
心力衰竭歐盟遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)接受心臟起搏器植入手術(shù)的病人降低住院時(shí)間35%;降低出院后看醫(yī)生次數(shù)10%
現(xiàn)在,如果在大街上看到有人戴著Google Glass或Pebble智能手表,人們都會(huì)多看一眼,以為這是新鮮玩意兒。但是在科研領(lǐng)域,研究者們?cè)缫验_始準(zhǔn)備開發(fā)下一代可穿戴設(shè)備,其中令我們感到驚訝的有“電子皮膚、智能隱形眼鏡、pH膠囊”。
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可穿戴傳感器主要廠商及其解決方案
物聯(lián)網(wǎng)社會(huì)的到來(lái),檢測(cè)和輸出無(wú)限接近人類的感覺和動(dòng)作的信息的技術(shù)將愈發(fā)重要,在手表和眼鏡中嵌入傳感器及攝像元件等MEMS器件的可穿戴產(chǎn)品、組合使用多個(gè)傳感器的傳感器融合用途、通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接傳感器檢測(cè)到的各種信息等用途在未來(lái)會(huì)有很大發(fā)展空間。從運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、環(huán)境感知、壓力測(cè)試,MEMS解決方案已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面。隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展,未來(lái)傳感器要致力于更加小型化,也需加快集成,MEMS技術(shù)會(huì)越來(lái)越主導(dǎo)局面,比如地磁傳感器就需要和加速度傳感器集成。
傳感器解決方案主要廠商
1、德州儀器(TI)
在便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)非接觸式溫度測(cè)量。TMP006根據(jù) TI 在 MEMS 技術(shù)方面的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)開發(fā)獲得,是首款新型超小尺寸、低功耗且低成本的被動(dòng)紅外溫度傳感器與現(xiàn)有解決方案相比,其功耗要低90%,而尺寸卻要小超過(guò)95%, 實(shí)現(xiàn)了全新市場(chǎng)及應(yīng)用中的非接觸式溫度測(cè)量。
2、亞德諾半導(dǎo)體(ADI)
作為微機(jī)械IC行業(yè)的先鋒,Analog Devices, Inc.(簡(jiǎn)稱ADI)推出首款全集成iMEMS(集成微機(jī)電系統(tǒng))加速度計(jì)和陀螺儀。這類產(chǎn)品已通過(guò)TS-16949和QS9000認(rèn)證,ADI公司將繼續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品和工藝,滿足不斷增長(zhǎng)的客戶需求。
20多年來(lái),ADI公司一直是MEMS創(chuàng)新產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者,不僅提供全面的慣性檢測(cè)解決方案,包括備受贊譽(yù)的iMEMS加速度 計(jì)和陀螺儀、 iSensor? 智能傳感器以及慣性測(cè)量單元(IMU);同時(shí)MEMS技術(shù)還簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)檢測(cè)在工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)電子、通信和汽車等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用,深受全球的市場(chǎng)領(lǐng)先公 司歡迎。
美信就推出新型體征監(jiān)測(cè)服(Fit),使專業(yè)醫(yī)護(hù)人員能夠以低成本頻繁監(jiān)測(cè)患者體質(zhì),提供更加有效的預(yù)防性醫(yī)療保健。該新型智能監(jiān)護(hù)服集成了干電極 ECG 測(cè)量技術(shù)、復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)、溫度傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、超低功耗微控制器及無(wú)線通信單元,有鑒于穿戴式設(shè)備對(duì)低功耗的要求,美信在此款設(shè)計(jì)中采用了超低 功耗的MAXQ622、MAX6656并搭載了電源管理IC MAX8671。
4、飛思卡爾(Freescale)
飛思卡爾采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)支持傳感技術(shù)。基于MEMS的傳感器產(chǎn)品提供感應(yīng)、處理、甚至控制周圍環(huán)境的接口。飛思卡爾基于MEMS的傳感器將非 常小的機(jī)械和電子元件組合在單一芯片上。飛思卡爾MEMS器件出貨量已突破十億大關(guān),是傳感器技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者,專門提供經(jīng)濟(jì)高效、地功效、小型化、高性能、 集成式傳感解決方案。
5、意法半導(dǎo)體(ST)
意法半導(dǎo)體的傳感器產(chǎn)品包括MEMS(微機(jī)電傳感器,包括加速度計(jì)、陀螺儀、數(shù)字羅盤、慣性模塊、壓力傳感器和麥克風(fēng))、溫度傳感器和觸摸傳感器。到2013年初,意法半導(dǎo)體已銷售了30多億件微型機(jī)電傳感器,引領(lǐng)著消費(fèi)類和移動(dòng)MEMS市場(chǎng)的發(fā)展。
Silicon Labs2月份推出業(yè)界首款單芯片數(shù)字紫外線(UV)指數(shù)傳感器IC,設(shè)計(jì)旨在檢測(cè)UV光照強(qiáng)度、心臟/脈搏速率、血氧飽和度,以及提供接近/手勢(shì)控制等,特別適用于智能手機(jī)和可穿戴式產(chǎn)品。單芯片Si1132/4x光學(xué)傳感器為智能手機(jī)和可穿戴式產(chǎn)品提供紫外線強(qiáng)度、環(huán)境光和生物識(shí)別的檢測(cè)。
2014年,博世(Bosch Sensortec)開發(fā)出最新的 BMI160 慣性量測(cè)單(IMU),將最先進(jìn)的16位元3軸低重力加速度計(jì)和超低功耗3軸陀螺儀整合于單一封裝,專為智慧型手機(jī)、平板電腦、可穿戴裝置、遙控器、游戲控制器、頭戴式裝置及玩具等市場(chǎng)的高精度6軸、9軸永不斷訊(always-on)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。主推:加速度傳感器BMA250E、BMA250 、BMA222E、BMA222、BMA223等。
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評(píng)論
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