MEMS感測器突飛猛進　穿戴裝置決勝方寸之間

目前最新的感測器皆採用微機電系統(MEMS)技術。MEMS的元件(感測器和致動器)在大約10年前開始進入穿戴式裝置市場，在計步器中，加速度計更首次替代機械式彈簧。  

過去十年，MEMS技術取得顯著進步，MEMS廠商克服了製程上的挑戰，新的MEMS產品大量湧現，不僅尺寸越來越小、性能明顯提升，同時售價亦大幅降低，這些進步為穿戴式裝置的新應用開拓了新的道路。  

加速度計、陀螺儀、磁力計等慣性感測器和壓力、濕度、紫外線指數等環境感測器被廣泛應用於消費性產品。不過，專有解決方案卻需要客製的MEMS感測器。例如，MEMS青光眼鏡是一種柔軟的一次性矽隱形眼鏡，內建一個MEMS感測器，用於捕捉角膜區自發性周向變化。因為能夠24小時連續無創測量角膜變化，該解決方案是目前辨別正常眼壓青光眼和非青光眼之最實用的方法。 

圖1 穿戴式裝置內的多個感測器

MEMS技術還用於製造微致動器。在消費和醫療市場中，微致動器為穿戴產品提供很多新應用。例如，MEMS微致動器用於讓微反射鏡高頻率旋轉，將投影光線反射到一個表面。現在有很多穿戴式裝置上都能看到這些微鏡，例如，抬顯(Heads-Up Display, HUD)、頭戴顯示器(Head Mounted Display, HMD)和虛擬實境(VR)眼鏡。微致動器還被用於開發穿戴式微型輸液泵，例如，胰島素注射泵。Debiotech利用MEMS微致動器開發出一個胰島素泵解決方案，這個液泵以貼布為載體，由一次性藥液單元和控制器組成，控制器包括一個採用MEMS微致動器的液泵引擎。本文將討論MEMS感測器在穿戴式產品中的用處以及市場前景。 

進攻穿戴市場　 MEMS感測器成功四要素  

MEMS感測器受到穿戴裝置市場認可並取得成功，歸功於以下四個要素： 

・尺寸： 

近幾年，MEMS感測器尺寸有顯著的縮減。十年前，市場上最小的MEMS加速度計在印刷電路板(PCB)上占用約35mm2的面積。如今，最新高效加速度計僅需4mm2的空間，相當於一個番茄籽的大小。這些微型感測器在很大程度上讓穿戴式裝置變小，並提升不同市場對穿戴產品的接受度。 

・功耗： 

所有穿戴式裝置廠商都希望有更長的電池續航時間。MEMS感測器商為降低感測器的功耗投入很大的心力，並取得了成功。例如，幾年前，加速度計的功耗約0.7mA，而獨立式陀螺儀的功耗約6mA，兩者功耗總和大約7mA。現在於相同的感測器配置條件下，加速度計和陀螺儀組成的高效MEMS慣性模組功耗不到1mA，這大幅降低也加快了多感測器模組在穿戴裝置市場的推廣應用，並推動穿戴產品市場持續湧現大量的新產品。  

・價格： 

近年來，MEMS感測器價格大幅下滑，使穿戴式裝置售價更加平易近人，也讓一般消費者都能買得起。十年前，加速度計的售價高於3美元；今天，一顆功能先進、性能更好的加速度計大約3美分。隨著MEMS感測器價格持續下探，MEMS技術不斷進步，更多的MEMS感測器取得了規模經濟效應。 

・硬體整合與嵌入式功能： 

在一個封裝內整合多個感測器和功能，有助於軟硬體工程師更快速、更輕鬆地將感測器整合到穿戴式裝置內。除了硬體整合外，更先進的功能和嵌入式演算法為應用開發人員提供一個強大的開發平台，並加快應用專案的開發速度。 

穿戴應用不可少　 感測器小處見用心  

穿戴式裝置的成功很大程度上歸功於其具備的功能，市面販售的穿戴式裝置能夠為使用者提供各種先進的功能和特性。  

穿戴式裝置情境感知功能是一個典型的感測器資料應用範例。檢測人類活動是情境感知系統的一個重要模組，因為需要考慮不同的應用場景，所以人類活動檢測是一個具有挑戰性的複雜技術。使用者的任何動作都會影響感測器設計，包含使用者可能步行、騎行或駕車的方式移動；假如使用者步行，則需要考慮靜止、步走、快走、跑步、上下樓、搭乘電梯等場景。假如使用者參加體育競賽或健身，可能出現的場景包括游泳、跳繩或運動(網球、籃球等)。此外，瞥視、拾起、觀看、搖晃、輕敲、揮擊、旋轉以及使用者定義的姿勢也需要考慮。  

另一方面，穿戴式裝置內部情境感知系統在健康護理方面也扮演著關鍵角色。銀髮族專用的穿戴式裝置可以檢測日常生活中潛在的危險情況，例如，摔倒，或者能夠檢測生命體徵，預測緊迫危急的健康風險。人體活動中的變化或異常可用於確定某些疾病的早期症狀，因此，穿戴式健康監視系統檢測這些變化或異常，幫助醫療人員及早發現與年齡相關的疾病或嚴重的健康狀況。以長期健康監測計畫為例，穿戴式健康監視系統可檢測並預示關節炎和老年失智症早期症狀的身體變化或異常。 

穿戴式情境感知提醒功能可以為行動不便的銀髮族提供日常生活中的輔助，例如，聲控急救電話和開門時自動開燈，這有助於推廣更積極、健康的生活方式，並提供一個慢性疾病管理平台。 

上文討論的情境中說明了在穿戴式裝置中，人類活動檢測技術的複雜性非常高，需要用到多個感測器。圖1所示是一些最新的可用於穿戴式裝置的感測器。每個感測器都提供有用的使用者資料及其社交和物理環境資訊。經過整合、處理、分析後，感測器資料可用於創造有用的知識，為決策系統提供重要的支援。 

現在的穿戴式裝置市場中，感測器廠商很快意識到，只提供感測器硬體解決方案不足以擴大市占率。為與競爭對手區隔，除了硬體解決方案外，感測器廠商還提供軟體，例如，感測器資料整合。軟體解決方案可用作先進應用的模組，整合軟硬體的解決方案為使用者提供一個開發平台，因此，軟體解決方案成為產品差異化的關鍵要素。 

圖2所示的SensorTile即是一個應用示例。這款小尺寸的印刷電路板是為穿戴式裝置而設計，搭載多個感測器和一顆Cortex-M4微控制器，開發人員可以把這塊板子與一個底座和一個擴充板組裝在一起，建構一個完整的開發工具套件。 

圖2 SensorTile開發套件的核心系統

穿戴MEMS感測器市場前景光明 

穿戴式MEMS感測器的市場前景廣闊、光明。目前正在開發的感測器包括氣體感測器和生物感測器，這些元件將會讓穿戴式裝置變得更加實用，性能更強大。在不久的將來，重大的創新成果和技術的進步將會提升現有感測器的性能和軟體整合度，這代表穿戴式產品廠商將能簡化設計，以及加快應用開發。嵌入式狀態機、智慧功能、程式設計功能、提高的動態範圍和改善的性能，將會把穿戴產品提升到一個全新的境界。智慧感測器將提供人類活動自動檢測功能，例如，步行、快走、跑步、騎行、駕車和靜止。下一代智慧感測器將會提供程式設計功能，設計人員只需在感測器內部嵌入運算能力就能開發應用，而無需使用外部微控制器。這些應用將大幅降低功耗，滿足穿戴式裝置和物聯網(IoT)感測器節點的持續工作要求以及其它具有挑戰性的需求。  

隨著穿戴式裝置整合更多的感測器，感測器資料量正在顯著增加。受限於功耗，穿戴式裝置的運算能力有限，運算、處理和分析大量資料將超出穿戴式裝置的能力範圍。為此，很多資料將傳送到雲端，交由雲端伺服器進行永久、安全的處理和儲存。  

可用性/完整性/可靠性　穿戴三大挑戰待解決 

為讓更多的消費者接受穿戴式裝置，這些廠商必須克服其所面臨的主要挑戰。圖3列出了技術層面和消費者層面的挑戰。技術挑戰主要包括資料的持續可用性、完整性和可靠性。這些挑戰要求持續工作的感測器必須連續捕捉資料，並將這些資料以可靠的方式上傳至閘道或雲端伺服器，以便進行後續處理。 

圖3 穿戴裝置技術層面和消費者層面挑戰分析

穿戴式裝置必須為開發者提供應用開發平台，因為穿戴式裝置的應用和功能越多，其潛在使用者才會越多。 

消費者層面的挑戰包括資料安全性、隱私保護和使用忠誠度。當涉及個人隱私資料時，使用者不會妥協讓步。穿戴式裝置廠商必須能夠保證個人資料傳輸安全，只有授權協力廠商才有權讀取使用者資料。  

此外，穿戴式裝置必須安全，且無健康威脅，特別是醫用穿戴式裝置必須安全，所用材質無有害物質，不會破壞環境。 

迄今，穿戴式裝置很大程度上還未能看到長久的使用忠誠度。如果穿戴式裝置市場未來成長態勢更加強勁，廠商則需要更積極提升使用者的對其產品的忠誠度，使其全面瞭解這些產品的優勢，並充分將產品特性發揮到極致。 

這也意味著，沒有MEMS感測器，就沒有穿戴式裝置市場的誕生。在穿戴裝置市場未來的發展中，MEMS感測器將繼續扮演重要的角色。感測器整合、嵌入式功能、軟體和程式設計將是穿戴裝置的發展動力。雖然在技術和消費者層面具有亟待解決的挑戰，但是穿戴裝置市場前景依然看好。 

(本文作者任職於意法半導體)