一個傳感器加上使用它的創意能獲得什麼？答案是革命性的產品。

 

昔日
，iPhoneyuduodianchumochuanganqidewanmeironghegeishoujiyedailaileyichangdianfuxingbiange。tongguojiandandechudianhuadong，bianjiedecaozuohuangruozhijianyicicizhanfangdehualimofa，koudongzhequanshijierenmendexinxian。erjinnianlaidaredekechuandaishebei
，wuyijiangchengweichuanganqidexiayirongyaowutai。

 

為了讓產品更具競爭力

，可穿戴設備的功能已日漸豐富
，而不斷創新的傳感技術，則成為產品追求差異化的不二法門。

 

微軟手環設計有10款傳感器

 

縱觀整個中國市場，近年來傳感器市場一直處於持續增長的階段，且未來五年平均銷售增長率將達31%（可穿戴設備僅是其中的助力之一），而在快速發展的同時，技術水平偏低
、種類欠缺、研發能力較弱等問題仍亟待解決，無法形成足夠的規模化應用。

 

鑒此，對於新興的可穿戴市場而言，傳感器將迎來哪些設計挑戰

？技術之困究竟如何突圍？

 

 

可穿戴正在從簡單的基於加速計的“智能計步器”向包括生物感應（例如心率監視）和環境感應（包括紫外線指數
、相對濕度和溫度）的方向轉換，Silicon Labs光傳感器資深產品經理Kevin Kilbane如是說，而準確性，無疑是一個關鍵的設計挑戰。

 

● 人為的減少運動和生理變化所造成的影響非常具有挑戰性，這對先進的信號處理算法提出了更高要求。

 

● 麵向溫濕度檢測的可穿戴產品要求傳感器直接暴露在空氣中

，因此避免灰塵
、汙垢、水及其他汙染物進入這個開口或弄髒電路十分重要

，它們將影響數據的可靠性與準確度。

 

● 測量環境溫度需要消除皮膚、MCU、電池和其他電子器件所產生的熱影響，同時要求考慮到如何適用於最廣泛用戶群體以降低退貨率。通常使用綠光LED的解決方案能夠有效的處理淺色皮膚帶來的影響，對於深色皮膚而言黃光LED處理的效果更佳。

 

“此外，還有一些常見的設計挑戰，包括傳感器個數增加的同時保持產品外形尺寸
、延長電池使用壽命和縮短產品上市時間。”

 

傳感器算法是解決可穿戴傳感器設計眾多挑戰的關鍵。Kevin舉例表示
，一款旨在監視心率的智能手表在用戶站立不動時能夠提供良好的準確度
，而在運動時準確度可能會有所下降。“先(xian)進(jin)的(de)光(guang)學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)算(suan)法(fa)是(shi)必(bi)要(yao)的(de)，以(yi)便(bian)過(guo)濾(lv)或(huo)消(xiao)除(chu)在(zai)身(shen)體(ti)活(huo)動(dong)期(qi)間(jian)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)。這(zhe)些(xie)算(suan)法(fa)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)加(jia)快(kuai)數(shu)據(ju)的(de)采(cai)樣(yang)來(lai)過(guo)濾(lv)被(bei)噪(zao)聲(sheng)破(po)壞(huai)的(de)心(xin)率(lv)采(cai)樣(yang)數(shu)據(ju)，或(huo)者(zhe)主(zhu)動(dong)消(xiao)除(chu)噪(zao)聲(sheng)。”

 

趙延輝也指出
，在不同情境下準確的捕捉用戶運動狀態十分關鍵。“比如用戶在散步的時候

，加速度的峰峰值變化可能非常小，這時就需要MEMS傳chuan感gan器qi有you足zu夠gou的de分fen辨bian率lv來lai提ti取qu出chu有you效xiao的de加jia速su度du變bian化hua。再zai比bi如ru有you振zhen動dong的de環huan境jing下xia，頻pin率lv可ke能neng達da到dao幾ji十shi甚shen至zhi上shang百bai赫he茲zi，遠yuan超chao過guo普pu通tong人ren或huo者zhe是shi運yun動dong員yuan的de正zheng常chang運yun動dong頻pin率lv，這zhe時shi就jiu需xu要yaoMEMS傳感器有合適的濾波器能自動濾除這些幹擾頻率，否則一旦經ADC采樣，混疊進用戶感興趣的頻域範圍內
，軟件再怎麼處理也是沒有辦法分辨的。”

 

而(er)另(ling)一(yi)個(ge)有(you)趣(qu)的(de)示(shi)例(li)則(ze)是(shi)，當(dang)從(cong)溫(wen)暖(nuan)的(de)房(fang)間(jian)移(yi)動(dong)到(dao)寒(han)冷(leng)的(de)室(shi)外(wai)時(shi)快(kuai)速(su)改(gai)變(bian)的(de)溫(wen)度(du)和(he)濕(shi)度(du)。先(xian)進(jin)的(de)自(zi)適(shi)應(ying)補(bu)償(chang)算(suan)法(fa)能(neng)夠(gou)利(li)用(yong)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)中(zhong)的(de)多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)

，以(yi)最(zui)高(gao)可(ke)達(da)10倍(bei)的(de)速(su)度(du)快(kuai)速(su)校(xiao)正(zheng)較(jiao)大(da)的(de)溫(wen)度(du)或(huo)濕(shi)度(du)變(bian)動(dong)。這(zhe)些(xie)自(zi)適(shi)應(ying)補(bu)償(chang)算(suan)法(fa)還(hai)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)補(bu)償(chang)消(xiao)費(fei)者(zhe)手(shou)腕(wan)和(he)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)中(zhong)元(yuan)器(qi)件(jian)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)，獲(huo)得(de)更(geng)加(jia)準(zhun)確(que)的(de)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)。

 

 

高精度測量與功耗的平衡，是一個需要花力氣去解決的問題。ADI加速度傳感器ADXL362提供1mg/LSB的de靈ling敏min度du以yi使shi得de傳chuan感gan器qi可ke以yi準zhun確que分fen辨bian非fei常chang小xiao的de峰feng峰feng值zhi加jia速su度du變bian化hua，並bing具ju備bei有you低di功gong耗hao
，低di噪zao聲sheng和he超chao低di噪zao聲sheng三san種zhong工gong作zuo模mo式shi
，以yi滿man足zu不bu同tong應ying用yong場chang景jing對dui噪zao聲sheng的de需xu求qiu。在zai功gong耗hao方fang麵mian
，ADXL362可實現係統級低功耗——不隻是針對休眠模式
，或低采樣率下的功耗，而是在全速工作時依然可以保持低功耗狀態。

 

為有效降低功耗，ADXL362提供了一個開關模式，它可以在相對低功耗的狀態下自動檢測是否有運動發生
，一旦檢測到有運動發生即通知MCU
，同時自動進入全速工作模式；待靜止一段時間後，ADXL362又可以檢測到連續的平穩加速度，再自動進入低功耗的監測模式。而實現這樣的功能，ADXL362隻需要270nA的電流。

 

此外，ADXL362還提供了一個1024字節的FIFO，由於ADXL362有12bits的靈敏度
，所以一個樣本或者說一個軸向的加速度需要2個字節來存儲，要存儲三軸的加速度就需要6個字節。在輸出數據速率為100Hz的條件下
，FIFO可以1.7秒（1024 / 6 / 100 = 1.7）給MCU一次中斷
，MCU隻需一條讀指令，而後給連續的時鍾把所有加速度數據讀走，這樣MCU就可以休眠更長的時間，大大節省係統的功耗。而如果沒有FIFO，MCU則需要0.01秒（1/100）喚醒一次來讀3軸的加速度數據，MCU休眠時間短，且頻繁的喚醒產生峰值電流，相應的平均電流也會顯著增加。

 

而對於Silicon Labs而言，其基於CMOS的環境（RH/溫度）和光（環境光、紫外線指數
、手勢、心率）傳感器擁有業內最低的能耗。光學傳感器在緊湊的2mm x 2mm QFN包裝中完整集成了光電二極管、17位模擬-數字轉換器、模擬濾波和易於連接到SoC的I2C接口。片內集成光電二極管和低噪聲模擬前端（AFE）所suo產chan生sheng的de高gao靈ling敏min度du使shi得de傳chuan感gan器qi器qi件jian即ji使shi在zai微wei弱ruo的de血xue流liu信xin號hao下xia也ye能neng以yi最zui小xiao能neng耗hao準zhun確que感gan應ying測ce量liang。許xu多duo其qi他ta感gan應ying解jie決jue方fang案an通tong常chang需xu要yao一yi個ge分fen立li的de尺chi寸cun大da於yu2mm x 2mm的光電二極管，以及一個分離的AFE組件。