為什么可穿戴設(shè)備需要高集成的智能傳感器?

   如今，隨著一些可穿戴產(chǎn)品的成功推出，如谷歌眼鏡和Fitbit個(gè)人活動(dòng)追蹤器，“可穿戴電子產(chǎn)品”正成為另一個(gè)極具發(fā)展?jié)摿Φ氖袌?chǎng)。事實(shí)上，“可穿戴電子產(chǎn)品”涵蓋的產(chǎn)品范圍非常廣，不僅包括已有的健康和娛樂(lè)產(chǎn)品，還包括一些尚未被證實(shí)的概念，如生物傳感器陣列、電子服裝，甚至是電子紋身。

   和其它新興市場(chǎng)一樣，可穿戴電子產(chǎn)品的市場(chǎng)前景也遭受著質(zhì)疑。開發(fā)商和用戶不知道哪款產(chǎn)品能嘗到甜頭，哪款產(chǎn)品會(huì)前景慘敗；對(duì)于如今一些分類明確的產(chǎn)品，如健康監(jiān)控器和醫(yī)療設(shè)備，在將來(lái)可能會(huì)合并為一類產(chǎn)品。

   但是，如今所有的可穿戴電子產(chǎn)品和發(fā)展中的可穿戴理念都有一些共同的特點(diǎn)：

   1)可穿戴設(shè)備可以和人體直接接觸，因此，可以輔助監(jiān)控人體的健康狀況；

   2)可穿戴設(shè)備可以和主機(jī)搭配使用，因?yàn)橹鳈C(jī)可為其提供運(yùn)行應(yīng)用軟件的平臺(tái)和較大的顯示屏幕。

   可穿戴設(shè)備對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)非常實(shí)用，因?yàn)樗w積小，可以貼近用戶的皮膚，并且它還可和iOS或安卓系統(tǒng)兼容。但正是因?yàn)榫邆溥@些特點(diǎn)，可穿戴設(shè)備的電路設(shè)計(jì)十分困難。很多可穿戴設(shè)計(jì)理念都把可穿戴設(shè)備的功能定義為檢測(cè)生理數(shù)據(jù)或者檢測(cè)和用戶十分貼近的環(huán)境數(shù)據(jù)，如用戶的心率和血壓，或者用戶附近的空氣質(zhì)量。

   限制可穿戴傳感器運(yùn)行的主要因素

   顯然，理論上來(lái)說(shuō)，傳感器在體表或皮膚附近的安放位置以及和移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的連接會(huì)給用戶提供非常實(shí)用和有趣的功能。上述所有案例的基礎(chǔ)技術(shù)也已經(jīng)存在：如今，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以測(cè)量心率、血氧含量和空氣質(zhì)量等參數(shù)，或者通過(guò)LED和光傳感器實(shí)現(xiàn)接近檢測(cè)。

   那么，如何在真實(shí)的環(huán)境下使這些功能有效發(fā)揮呢？這是我們面臨的主要挑戰(zhàn)。

   主要的困難有如下三大類：

   1)環(huán)境：可穿戴設(shè)備主要是供人們“穿”“戴”的，也就是說(shuō)，他們將會(huì)附著或靠近人體皮膚，因此，難免會(huì)發(fā)熱或沾染灰塵，被汗?jié)n或油漬弄臟。因此，設(shè)備的功能難免會(huì)受到影響，因?yàn)橛脩艨赡苓^(guò)度振動(dòng)該設(shè)備，將其浸入水中，或者在具有嚴(yán)重電磁噪聲的環(huán)境下使用。

   2)能耗：為了滿足用戶“穿”“戴”的要求，可穿戴設(shè)備必須體積足夠小，重量足夠輕。因此，可穿戴設(shè)備內(nèi)部供安裝電池的空間非常小。如果需頻繁地對(duì)電池進(jìn)行充電或更換電池，無(wú)疑會(huì)讓用戶對(duì)設(shè)備的價(jià)值和功能倍加質(zhì)疑。因此，整個(gè)電路在設(shè)備運(yùn)行時(shí)應(yīng)消耗盡可能少的電量，在非運(yùn)行狀態(tài)時(shí)開啟省電模式。

   3)質(zhì)量：第一代健康監(jiān)控器的參數(shù)檢測(cè)(如心率和運(yùn)動(dòng))數(shù)據(jù)結(jié)果并非十分精確，因此，用戶可能并不會(huì)因?yàn)檫@些設(shè)備的新奇功能而對(duì)它們十分滿意。

   若想更好地使用這些可穿戴生理傳感器，我們必須保證設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，可穿戴心率或血氧傳感器在未來(lái)可能會(huì)當(dāng)作醫(yī)療設(shè)備來(lái)使用，并且需要接受美國(guó)食品藥物管理局的嚴(yán)格審核。在具有大量干擾的環(huán)境中保證高精確性和可靠性對(duì)于傳感器制造商來(lái)說(shuō)是極具挑戰(zhàn)的工作。

   將傳感器輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸饬x的應(yīng)用

   可穿戴傳感設(shè)備生產(chǎn)的挑戰(zhàn)在于在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證過(guò)的技術(shù)需在又小又熱、又臟又有很多電子噪聲的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。這就考驗(yàn)了模擬集成電路制造商的能力，并對(duì)他們提出了要求：

   ·更高的集成度和小型化

   ·更低的能耗

   ·更高的靈敏度

   ·更多的應(yīng)用專業(yè)知識(shí)

   有一個(gè)例子可以說(shuō)明情況：手勢(shì)感應(yīng)是可穿戴設(shè)備即將需要的一種常見功能，因?yàn)樗鼰o(wú)需在產(chǎn)品表面安裝按鈕。一個(gè)手勢(shì)控制電路可能包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的紅外發(fā)光二極管和一個(gè)紅外光敏二極管。當(dāng)用戶的手經(jīng)過(guò)發(fā)光二極管上方，通過(guò)分析反射到光電二極管的紅外線就能識(shí)別手勢(shì)。

   可穿戴手勢(shì)傳感器的應(yīng)用在環(huán)境上具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榧t外光線傳感器受制于大量噪音。通常可穿戴設(shè)備會(huì)暴露于環(huán)境光下，這些光可能包含紅外線亮度。此外，設(shè)備表面上的傳感器窗口可能會(huì)因?yàn)橛脩舻暮挂汉陀椭⒒覊m、污垢等污染物而變得模糊不清。為了明確區(qū)分環(huán)境光中的紅外線和發(fā)光二極管反射的紅外線，光電傳感器必須非常敏感，這需要先進(jìn)的模擬半導(dǎo)體技術(shù)。

   同時(shí)，可穿戴設(shè)備具有小而輕的特點(diǎn)。高度集成半導(dǎo)體設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)小型化要求，以適應(yīng)可穿戴式設(shè)備的所需的規(guī)格。光電二極管、模擬前端和處理器核心可能合為一體，在單一芯片上實(shí)現(xiàn)完整的手勢(shì)控制系統(tǒng)。

   換句話說(shuō)，在可穿戴設(shè)備上實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制系統(tǒng)不能簡(jiǎn)單地在設(shè)備的小型電路板上安裝紅外發(fā)光二極管和紅外光電二極管，而需要硬件和應(yīng)用軟件的結(jié)合。系統(tǒng)中的元素是相互影響的，例如，光電二極管的靈敏度影響LED的規(guī)格，同時(shí)影響解讀原始測(cè)量數(shù)據(jù)的軟件的運(yùn)行。系統(tǒng)的質(zhì)量，也就是快速、可靠識(shí)別手勢(shì)的能力，依賴于應(yīng)用軟件，也同樣取決于傳感器硬件。

   可穿戴設(shè)備制造商也越來(lái)越傾向于特定的傳感器系統(tǒng)而不是傳感器組件，要想在市場(chǎng)贏得競(jìng)爭(zhēng)，模擬芯片制造商必須提供成熟的應(yīng)用算法和應(yīng)用軟件來(lái)支持傳感器硬件。

   其它便攜式應(yīng)用也是如此。舉例來(lái)說(shuō)，在脈搏血氧儀的應(yīng)用中，當(dāng)它壓住用戶的血管后，可以通過(guò)感應(yīng)LED光來(lái)測(cè)量血氧水平。在這里同樣需用軟件解讀原始測(cè)量數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為精確的血氧測(cè)量，即便傳感器被油脂、灰塵或汗水污染，或是周圍有環(huán)境光，最終結(jié)果也不會(huì)受到影響。