穿戴产品中的MEMS

1. 背景简介

众所周知，最新的传感器都采用微机电系统(MEMS)技术。基于MEMS的元器件(传感器和致动器)在大约10年前开始进入穿戴产品市场，在计步器中，加速度计首次替代机械式弹簧。

过去十年，MEMS技术取得显著进步，MEMS产品厂商克服了制造工艺挑战，新的MEMS产品大量涌现，尺寸越来越小，性能明显提升，同时售价大幅降低，这些进步为穿戴产品实现新应用铺平了道路。

加速度计、陀螺仪、磁强计等惯性传感器和压力、湿度、紫外指数等环境传感器被广泛用于消费类穿戴产品，不过，专有解决方案却需要定制的MEMS传感器。例如，MEMS青光眼镜是一种柔软的一次性硅隐形眼镜，内置一个MEMS传感器，用于捕捉角膜区自发性周向变化 [1] 。因为能够24小时连续无创测量角膜变化，该解决方案是目前辨别正常眼压青光眼和非青光眼的最实用方法 [2] 。

MEMS技术还用于制造微致动器。在消费和医疗市场上，微致动器可让穿戴产品实现很多新应用。例如，MEMS微致动器用于让微反射镜高频率旋转，将投影光线反射到一个表面。今天，在很多穿戴产品上都能看到这些微镜，例如，抬显(HUD)、 头戴显示器(HMD)和虚拟现实(VR)眼镜。微致动器还被用于开发穿戴式微型输液泵，例如，胰岛素注射泵。Debiotech公司利用MEMS微致动器开发出一个胰岛素泵解决方案，这个液泵以药贴为载体，由一次性药液单元和控制器组成，控制器包括一个基于MEMS微致动器的液泵引擎[3]。

下面，我们讨论MEMS传感器在穿戴产品中的作用以及市场前景。

2. MEMS传感器在穿戴产品市场的发展历程

MEMS传感器得到穿戴产品市场认可并取得成功，归功于以下四个要素：

i. 尺寸:

最近几年，MEMS传感器尺寸显著缩减。十年前，市场上最小的MEMS加速度计需要在印刷电路板(PCB)上占用约35mm2 的面积。如今，最新的高性能加速度计只需4mm2的空间[4, 5]，相当于一个番茄籽的大小。这些微型传感器在很大程度上帮助穿戴产品变小，从而提高了不同市场对穿戴产品的接受度。

ii. 功耗:

所有穿戴产品厂商都希望自己的电池供电产品有更长的续航时间。MEMS传感器厂商为降低传感器的功耗投入很大，并取得了巨大成功。例如，几年前，加速度计的功耗约0.7mA，独立式陀螺仪的功耗约6mA，两者功耗总和大约7mA。如今，在相同的传感器配置条件下，加速度计和陀螺仪组成的高性能MEMS惯性模块的功耗不足1mA[6]。功耗大幅降低加快了多传感器模块在穿戴产品市场的推广应用，并推动穿戴产品市场不断涌现大量新产品。

iii. 价格:

最近几年，MEMS传感器价格大幅下降，导致穿戴产品的售价走低，让普通消费者也能买得起。十年前，加速度计的售价高于3美元;今天，一颗功能更先进、性能更好的加速度计大约30美分。随着MEMS传感器价格持续下探， MEMS技术不断进步，更多的MEMS传感器取得了规模经济效应。

iv. 硬件集成与嵌入式功能:

在一个封装内集成多个传感器和功能，有助于软硬件工程师更快速、更轻松将传感器集成到穿戴产品内。除硬件集成外，更先进的功能和嵌入式算法为应用开发人员提供一个强大的开发平台，加快应用项目开发速度。

3. 传感器在穿戴产品中的应用

穿戴产品的成功在很大程度上归功于其具备的功能，市面在售的穿戴产品能够为用户提供各种先进的功能和特性。

穿戴产品环境感知功能是一个典型的传感器数据应用示例。检测人类活动是环境感知应用系统的一个重要模块，因为需要考虑不同的应用场景，所以人类活动检测是一个具有挑战性的复杂技术。

· 用户出行方式可能步行、骑行或驾车。

· 假如用户步行，则需要考虑静止、走步、快走、跑步、上下楼、乘坐电梯等场景。

· 假如用户参加体育比赛或健身锻炼，可能出现的场景包括游泳、跳绳或场地运动(网球、篮球等)。

· 瞥视、拾起、观看、摇晃、轻敲、挥击、旋转、以及用户定义的姿势也需要考虑。

穿戴产品内部环境感知系统在健康护理方面也起重要作用：

· 老人专用穿戴产品可以检测日常生活中潜在的危险情况，例如，摔倒，或者能够检测生命体征，预测紧迫危急的健康风险。

· 人体活动中的变化或异常可用于确定某些疾病的早期症状，因此，穿戴式健康监视系统检测这些变化或异常，帮助医疗人员及早发现与年龄相关的疾病或严重的健康状况。以长期健康监测计划为例，穿戴式健康监视系统可检测那些预示关节炎和老年痴呆症早期症状的身体变化或异常。

· 穿戴式环境感知提醒功能可以为行动不便的老年人提供日常生活辅助，例如，声控急救电话和开门时自动开灯，推广更积极、健康的生活方式，提供一个慢性疾病管理平台。

4. 穿戴产品传感器

我们刚才讨论的所有场景表明，在穿戴产品中，人类活动检测技术的复杂性非常高，需要用到多个传感器。图1所示是一些最新的可用于穿戴产品的传感器。每个传感器都提供有用的用户数据及其社交和物理环境信息。经过整合、处理、分析后，传感器数据可用于创造有用的知识，为决策系统提供重要的支持。

图1：穿戴产品内的多个传感器

在今天的穿戴产品市场上，传感器厂商很快意识到，只提供传感器硬件解决方案不足以扩大市场份额。为区别于竞争对手，除硬件解决方案外，传感器厂商还应提供软件，例如，传感器数据整合[7]。软件解决方案可用作先进应用的模块，整合软硬件的解决方案为用户提供一个开发平台，因此，软件解决方案正在成为产品差异化的关键要素。

图2所示的SensorTile就是这样一个应用示例。这款小尺寸的印刷电路板是为穿戴式产品设计，搭载多个传感器和一颗Cortex-M4微控制器，开发人员可以把这块板子与一个底座和一个扩展板组装在一起，搭建一个完整的开发工具套件[8]。

图2：SensorTile开发套件的核心系统

5. MEMS传感器在穿戴产品市场的前景

穿戴MEMS传感器的市场前景广阔、光明。目前正在开发的传感器包括气体传感器和生物传感器，这些器件将会让穿戴产品变得更实用，性能更强大。在不久的将来，重大创新成果和技术进步将会提高现有传感器的性能和软件集成度，帮助穿戴产品厂商简化设计，加快应用开发。嵌入式状态机、智能功能、编程功能 、提高的动态范围和改进的性能，将会把穿戴产品提升到一个全新的境界。智能传感器将提供人类活动自动检测功能，例如，步行、快走、跑步、骑行、驾车和静止。下一代智能传感器将会提供编程功能，设计人员只依靠传感器内部嵌入式运算能力就能开发应用，而无需使用外部微控制器。这些应用将大幅降低功耗，满足穿戴产品和物联网(IoT)传感器节点的始终要处于工作状态的要求以及其它具有挑战性的需求。

随着穿戴产品集成更多的传感器，传感器数据量正在显著增加。受限于功耗，穿戴产品的运算能力有限，计算、处理和分析大量数据将超出穿戴产品的能力范围。为此，很多数据将发送到云端，交由云服务器进行永久、安全的处理和存储。

6. 亟待解决的挑战

为让更多的消费者接受穿戴产品，穿戴产品厂家必须克服其所面临的主要挑战。图3列出了技术层面和消费者层面的挑战。技术挑战主要包括数据的持续可用性、完整性和可靠性。这些挑战要求始终工作的传感器必须连续捕捉数据，并将这些数据以可靠的方式上传至网关或云服务器，进行后续处理。

穿戴产品必须为开发者提供应用开发平台，因为穿戴产品的应用和功能越多，穿戴产品的潜在用户才会越多。

消费者层面的挑战包括数据安全性、隐私保护和用户忠诚度。当涉及个人隐私数据时，用户不会妥协让步。穿戴产品厂商必须能够保证个人数据传输安全，只有授权第三方才有权访问用户数据。

此外，穿戴设备必须安全，无健康威胁，特别是医用穿戴设备必须安全，所用材质无有害物质，不会破坏环境。

迄今，穿戴产品在很大程度上还未能让我们看到长久的客户忠诚度。如果穿戴市场未来增长势头更强劲，厂商则需要更积极提高用户的对其产品的忠诚度，这样用户才能全面了解这些产品的优势，充分利用产品特性。

7. 结论

可以说，没有MEMS传感器，就没有穿戴产品市场。在穿戴产品市场未来发展方向上，MEMS传感器将继续扮演重要角色。传感器集成、嵌入式功能、软件和编程将是穿戴产品的发展动力。虽然在技术和消费者层面有亟待解决的挑战，但是穿戴产品市场前景依然看好。