‧ 可穿戴感測器分類及主要方案廠商超級大盤點

52RD.com

　　 

IHS 預期，消費者對各類可穿戴設備的強勁需求，將讓應用在可穿戴設備中的感測器出貨量激增，預計在2013至2019年間將成長七倍；可穿戴感測器出貨量在 2013年為6,700萬顆，2014年估計約8,500萬顆，明年可成長一倍達1.75一顆，2019年出貨量則估計為4.66億顆。

而由於每款可穿戴式設備中的感測器數量不只一顆，感測器的種類、功能用途多種多樣，所以可穿戴感測器的成長速度將會遠高於可穿戴設備。為了讓大家加深對應用在可穿戴設備上各類感測器的瞭解，特別策劃可穿戴感測器專題，帶你走入可穿戴感測器的多彩世界，瞭解各類可穿戴感測器的特點及應用，瞭解可穿戴感測器主要廠商及其各自特點。同時，專題中我們也為大家推薦最受網友歡迎的可穿戴設計方案。

可穿戴感測器分類

1、MEMS運動感測器

從2008年開始，MEMS感測器陸續嵌入到手機、車載、穿戴、智慧家庭等各種電子設備，技術進步的同時當前面臨的問題是MEMS缺應用，即MEMS能夠做什麼。本貼對MEMS器件的基本原理以及MEMS器件在各種各樣的產品當中的應用做個簡單的整理。

加速感測器及應用
加速感測器的工作原理用彈簧比喻很容易理解，震動情況彈簧有縮有伸距離會有轉變，兩端相當於電容的兩級，距離轉變電容輸出就是不一樣。當然我們在看加速感測器的時候，它的參數第一個就是RAGE，相當於量程是多少，手機上基本是2g，現在MEMS的器件當中最大可以擴到8g，用在類似遊戲手柄上，打網球的時候即使甩動輕一點也可以檢測到，但如果2g的時候根本沒有辦法辨識打的近還是遠。另外一個參數就是解析度，手機當中更多應用到的12bit，再簡單的可能是6bit，比如橫豎屏的切換。

加速感測器的主要應用有哪些，第一個是簡單的橫豎屏；第二個是翻轉應用，最初翻轉應用是跟甩歌甩屏一起，但體驗不好很多手機裡面就沒有這個功能了；第三個是計步器應用，2010年的時候日本很多手機也已經採用，技術很成熟，比如說走500步，測下來就是499或者501；第四個是按兩下功能，設一個中間格的時間點，對兩次中斷的資料作對比，所以對按兩下是非常精確的，比如說手環或者手錶操作空間有限，可以用按兩下啟動某一應用；第五個是手勢識別，檢測左右傾斜及傾斜角度，例如在家庭室內裝潢的時候，以前就是拿一個墨線在牆生彈，現在有鐳射水平儀，但無法確擺放的器件水平面是平的，如果用量程是4g解析度是12bit加速感測器精確度就非常高。

第六個應用是防盜，當裝有感測器的設備被拿起時，警報就會響；第七個是FREEFALLDETECTION，例如現在用的筆記本如果摔下去，可能外表壞掉，但是硬碟不會壞，因為裡面有加速感測器，瞬間會檢測到，它會讓磁頭離開磁片。第七個是檢測震動，當洗衣機擺的不正的時候，振動的時候聲音很大，感測器可以檢測出震動頻率，避免整個東西跟外部東西產生共振；最後遊戲應用最典型的就是手柄，對的體感有更大的提高。

磁力計原理及應用

磁力計檢測的是地球磁場，地球磁場在所有磁場當中是比較微弱的一環，任何帶鐵工藝的東西，包括手機當中的一些遮罩罩，一些連接鍵包括一些卡槽都會產生磁場，這些磁場有可能是比地球磁場要大很多的。關於磁力器的應用最多的是地圖方向指示，GPS只能判斷所在經緯度，有磁力器就可以知道東西南北。它還有在家庭中的應用，比如在門上加一個磁力器，它可以檢測門開關的過程當中角度，從而判斷門有沒有鎖。當然磁力器也可以定位，因為每個點的地球分佈是不一樣的。

還有應用就是室內定位導航，根據設定的位置目標，通過磁力器判斷你到底在哪個方向走，走路可以判斷你在室內走來算距離，但是現在還沒得到規模使用，第一因為精確演算法是到什麼程度，第二是室內地圖誰來提供。

氣壓計原理及應用
氣壓計內部集成了一些高度演算法可以做高度計算。最典型的應用是在三維GPS導航裡面。現在很多城市都有高架，那你在高架上還是高架下，氣壓計精度在30cm很容易解決這個問題（高架橋高度大於7m）。氣壓計還可以做天氣預報。其實基本上天氣預報基本上是通過累計變化來預測的，可以知道更長時間未來的天氣變化情況。

觸控感測器

飛思卡爾MPR121的產品，可以用於按鍵直接開鎖。比如說手機螢幕大做一個手機套，套子上有不同按鍵，可以通過按鍵跟手機連通，這個應用也是非常有意思的。也可以做一些感知的應用，這樣的話就相當於在光線不好或者沒有辦法看清楚這個鍵盤的時候，會直接點開鍵盤。

感測器廣泛應用

飛思卡爾在穿戴式上的方案有個相當於BLESOC加上計步器演算法的應用，比如MMA9555集成所有的計步器的演算法（包括像手勢識別的演算法）。它的好處是這個計步器可以進一步識別你的走路、快跑、慢跑，可以計算出你的卡路里是多少。而任何時候東西有交互才會有快樂，比如朋友圈手環的PK運動里程。飛思卡爾通過各種SENSOR的融合以及相關SENSOR的一些演算法可以開發出來更多的應用，接下來手環產品更多會帶來更多的顯示的東西，這樣飛思卡爾會有一些很多的產品。

感測器技術在手機、穿戴及各種電子設備中的應用越來越多，隨之而來的是長待機和功耗問題。如手機整個CPU做SENSOR計算的話，它的運行是非常大的，需要獨立的輔助處理器SensorHub。而飛思卡爾瞭解處理器，也做MCU這是最大的優勢。

主要功能：運動監測、導航、娛樂、人機交互

國內感測器公司：美新半導體、明皜傳感、矽睿科技、深迪半導體、士蘭微電子、敏芯微電子等

典型設備：Nike+ FuelBand、Jawbone Up、Fitbit Flex、咕咚手環、Pebble、Geak Watch、InWatch、Galaxy Gear

生命在於運動，運動是生命中不可或缺的重要組成部分。因此，通過運動感測器隨時隨地測量、記錄和分析人體的活動情況具有重大價值：用戶可以知道跑步步數、游泳圈數、騎車距離、能量消耗和睡眠時間等。圖2為基於運動感測器的可穿戴設備發展歷程，從簡單的計步器到複雜的智慧手錶，感測器用量“與日俱增”，運動監測“精益求精”。

基於運動感測器的可穿戴設備發展歷程

2、生物感測器

生物感測器：血糖感測器、血壓感測器、心電感測器、肌電感測器、體溫感測器、腦電波感測器等

功能：健康和醫療監控、娛樂

國內感測器公司：神念科技、敏芯微電子、芯敏微系統、納芯微電子等

典型設備：CardioNet MCOT™、康康血壓、中衛萊康-腕式心電監測儀、iHolter（心安寶）、秘密意念貓耳朵

健康預警、病情監控——借助可穿戴技術，醫生可以提高診斷水準，家人也可以與患者進行更好的溝通。以康康血壓為代表的可穿戴醫療設備，與專業醫療機構合作，長期對數以千萬的使用者身體資料進行追蹤和監測，分析提煉出醫學診斷模型，預測和塑造使用者的健康發展狀況，為用戶提供個體化心血管專項貼身醫療及健康管理方案，同時也幫助家人關懷親人的健康狀況。

康康血壓——有溫度的智慧血壓計

此外，以秘密意念貓耳朵為代表的可穿戴設備，通過腦電、心電等感測器感知人類情緒變化從而實現娛樂互動。例如，在電視相親活動中，當女嘉賓看到中意的物件，大腦處於高度感興趣的狀態時，貓耳朵就會高高豎起並來回轉動，表達愛慕之情。

秘密意念貓耳朵——讀懂女孩的心思

3、環境感測器

環境感測器：溫濕度感測器、氣體感測器、pH感測器、紫外線感測器、環境光感測器、顆粒物感測器、氣壓感測器、麥克風等功能：環境監測、天氣預報、健康提醒感測器公司：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備：PM2.5可擕式檢測儀、AirWaves口罩、可擕式個人綜合環境監測終端環境監控，守護健康。

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現的需要。現在生理上的需要一般都可以滿足，接下來就是安全上的需要，也就是保證身心健康不受威脅的需要。

事實上，人們經常會處於一些對健康有威脅的環境中，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，很多時候我們處身於這樣的環境中卻渾然不知，如PM2.5污染，從而引發各種慢性疾病。

借此市場機遇，初創公司羽承科技利用顆粒物感測器推出了目前市場上最小、最輕便的空氣品質檢測裝置——PM2.5可擕式檢測儀。該檢測儀可佩戴在人體上，既可單獨顯示，也可結合手機使用並分享給好友。

PM2.5可擕式檢測儀

健康 = 基因 + 生活習慣 + 環境

可穿戴設備在中國健康醫療領域的需求基礎：（1）中國不斷加劇的老齡化趨勢（如圖6所示），獨居老人增多，人力成本上升是可穿戴醫療設備增長的基礎。（2）慢性病年輕化，患病時間長，需求大。（3）中國醫療資源嚴重不足，醫生與患者比例失調，通過可穿戴設備進行個性化健康管理，減少就醫次數。圖7和圖8為中國男性和女的主要健康問題，資料來源於《第二屆中國城市健康狀況大調查》。

圖6 老年人增長及老年人占總人口比重

圖7 男性健康主要問題構成

圖8 女性主要健康問題構成

人類的健康主要有三個影響因素：基因、生活習慣和環境，即公式：“健康 = 基因 + 生活習慣 + 環境”。通常基因是“命中註定”，無法改變的，即常量；而健康、生活習慣是可以改變的，環境也是可以“逃避”的，均為變數。針對可“變”的健康、生活習慣和環境，可穿戴設備可分別通過生物感測器、運動感測器和環境感測器來監測和提醒用戶，以改善人體健康和提高生活品質，並且大量的使用者臨床資料存在巨大的商業價值和社會價值。

然而，現在市場上的可穿戴設備往往僅採用一類感測器實現一種變數監測功能，難以實現全面、有效的健康回饋體系。所以，多種感測器的融合創新應用深受市場期待。例如：生物感測器“監測”到人體血壓、血脂過高時，警告用戶應改變不良生活習慣，加強體育鍛煉；然後，運動感測器負責“監督”人體每天的鍛煉情況，環境感測器負責“監控”人體周圍環境狀況（如有無吸煙和環境污染）；最終，通過三類感測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，減少就醫次數，節約費用和人力成本。在全球範圍內針對移動醫療服務效果的臨床研究顯示，出院後的遠端監護可將病人的醫療費用降低、看醫生的間隔時間延長、住院時間降低等，如表1所示。

通過可穿戴設備實現個性化醫療

全球範圍內針對移動醫療服務效果的臨床研究

研究疾病	研究地區	研究主題	研究結果：成本降低
糖尿病	美國	出院後的遠程監護	每個病人的全部醫療費用可能降低 42%
高血壓	美國	通過無線遠端設備將主要生命體征資訊傳送到電子病歷中	看醫生的間隔時間延長了 71%
心力衰竭	歐盟	遠端監護接受心臟起搏器植入手術的病人	降低住院時間35%；降低出院後看醫生次數10%

現在，如果在大街上看到有人戴著Google Glass或Pebble智慧手錶，人們都會多看一眼，以為這是新鮮玩意兒。但是在科研領域，研究者們早已開始準備開發下一代可穿戴設備，其中令我們感到驚訝的有“電子皮膚、智慧隱形眼鏡、pH膠囊”。 

可穿戴感測器主要廠商及其解決方案

物聯網社會的到來，檢測和輸出無限接近人類的感覺和動作的資訊的技術將愈發重要，在手錶和眼鏡中嵌入感測器及攝影元件等MEMS器件的可穿戴產品、組合使用多個感測器的感測器融合用途、通過網路連接感測器檢測到的各種資訊等用途在未來會有很大發展空間。從運動檢測、環境感知、壓力測試，MEMS解決方案已經滲透到人們生活的方方面面。隨著可穿戴設備的發展，未來感測器要致力於更加小型化，也需加快集成，MEMS技術會越來越主導局面，比如地磁感測器就需要和加速度感測器集成。

感測器解決方案主要廠商

1、德州儀器（TI）
在可擕式消費電子產品應用中實現非接觸式溫度測量。TMP006根據 TI 在 MEMS 技術方面的專業經驗開發獲得，是首款新型超小尺寸、低功耗且低成本的被動紅外溫度感測器與現有解決方案相比，其功耗要低90%，而尺寸卻要小超過95%， 實現了全新市場及應用中的非接觸式溫度測量。 

2、亞德諾半導體（ADI）

作為微機械IC行業的先鋒，Analog Devices, Inc.（簡稱ADI）推出首款全集成iMEMS（集成微機電系統）加速度計和陀螺儀。這類產品已通過TS-16949和QS9000認證，ADI公司將繼續改進產品和工藝，滿足不斷增長的客戶需求。

20多年來，ADI公司一直是MEMS創新產品的領導者，不僅提供全面的慣性檢測解決方案，包括備受讚譽的iMEMS加速度 計和陀螺儀、 iSensor™ 智慧感測器以及慣性測量單元(IMU)；同時MEMS技術還簡化了運動檢測在工業、醫療、消費電子、通信和汽車等眾多領域中的應用，深受全球的市場領先公 司歡迎。

3、美信（Maxim）
美信就推出新型體征監測服（Fit），使專業醫護人員能夠以低成本頻繁監測患者體質，提供更加有效的預防性醫療保健。該新型智慧監護服集成了幹電極ECG 測量技術、複雜的信號處理技術、溫度感測器、運動感測器、超低功耗微控制器及無線通訊單元，有鑒於穿戴式設備對低功耗的要求，美信在此款設計中採用了超低 功耗的MAXQ622、MAX6656並搭載了電源管理IC MAX8671。

4、飛思卡爾（Freescale）
飛思卡爾採用微機電系統（MEMS)支援傳感技術。基於MEMS的感測器產品提供感應、處理、甚至控制周圍環境的介面。飛思卡爾基於MEMS的感測器將非 常小的機械和電子元件組合在單一晶片上。飛思卡爾MEMS器件出貨量已突破十億大關，是感測器技術的領導者，專門提供經濟高效、地功效、小型化、高性能、 集成式傳感解決方案。

5、意法半導體（ST）
意法半導體的感測器產品包括MEMS（微機電感測器，包括加速度計、陀螺儀、數位羅盤、慣性模組、壓力感測器和麥克風）、溫度感測器和觸摸感測器。到2013年初，意法半導體已銷售了30多億件微型機電感測器，引領著消費類和行動MEMS市場的發展。

6、Silicon Labs
Silicon Labs2月份推出業界首款單晶片數位紫外線（UV）指數感測器IC，設計旨在檢測UV光照強度、心臟/脈搏速率、血氧飽和度，以及提供接近/手勢控制等，特別適用于智慧手機和可穿戴式產品。單晶片Si1132/4x光學感測器為智慧手機和可穿戴式產品提供紫外線強度、環境光和生物識別的檢測。

7 博世（Bosch）

2014年，博世（Bosch Sensortec）開發出最新的 BMI160 慣性量測單（IMU），將最先進的16位元3軸低重力加速度計和超低功耗3軸陀螺儀整合于單一封裝，專為智慧型手機、平板電腦、可穿戴裝置、遙控器、遊戲控制器、頭戴式裝置及玩具等市場的高精度6軸、9軸永不斷訊（always-on）應用而設計。主推：加速度感測器BMA250E、BMA250 、BMA222E、BMA222、BMA223等。