為什么可穿戴設備需要高集成的智能傳感器?

   如今，隨著一些可穿戴產品的成功推出，如谷歌眼鏡和Fitbit個人活動追蹤器，“可穿戴電子產品”正成為另一個極具發展潛力的市場。事實上，“可穿戴電子產品”涵蓋的產品范圍非常廣，不僅包括已有的健康和娛樂產品，還包括一些尚未被證實的概念，如生物傳感器陣列、電子服裝，甚至是電子紋身。

   和其它新興市場一樣，可穿戴電子產品的市場前景也遭受著質疑。開發商和用戶不知道哪款產品能嘗到甜頭，哪款產品會前景慘敗；對于如今一些分類明確的產品，如健康監控器和醫療設備，在將來可能會合并為一類產品。

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

   1)可穿戴設備可以和人體直接接觸，因此，可以輔助監控人體的健康狀況；

   2)可穿戴設備可以和主機搭配使用，因為主機可為其提供運行應用軟件的平臺和較大的顯示屏幕。

   可穿戴設備對消費者來說非常實用，因為它體積小，可以貼近用戶的皮膚，并且它還可和iOS或安卓系統兼容。但正是因為具備這些特點，可穿戴設備的電路設計十分困難。很多可穿戴設計理念都把可穿戴設備的功能定義為檢測生理數據或者檢測和用戶十分貼近的環境數據，如用戶的心率和血壓，或者用戶附近的空氣質量。

   限制可穿戴傳感器運行的主要因素

   顯然，理論上來說，傳感器在體表或皮膚附近的安放位置以及和移動計算設備的連接會給用戶提供非常實用和有趣的功能。上述所有案例的基礎技術也已經存在：如今，實驗室已經可以測量心率、血氧含量和空氣質量等參數，或者通過LED和光傳感器實現接近檢測。

   那么，如何在真實的環境下使這些功能有效發揮呢？這是我們面臨的主要挑戰。

   主要的困難有如下三大類：

   1)環境：可穿戴設備主要是供人們“穿”“戴”的，也就是說，他們將會附著或靠近人體皮膚，因此，難免會發熱或沾染灰塵，被汗漬或油漬弄臟。因此，設備的功能難免會受到影響，因為用戶可能過度振動該設備，將其浸入水中，或者在具有嚴重電磁噪聲的環境下使用。

   2)能耗：為了滿足用戶“穿”“戴”的要求，可穿戴設備必須體積足夠小，重量足夠輕。因此，可穿戴設備內部供安裝電池的空間非常小。如果需頻繁地對電池進行充電或更換電池，無疑會讓用戶對設備的價值和功能倍加質疑。因此，整個電路在設備運行時應消耗盡可能少的電量，在非運行狀態時開啟省電模式。

   3)質量：第一代健康監控器的參數檢測(如心率和運動)數據結果并非十分精確，因此，用戶可能并不會因為這些設備的新奇功能而對它們十分滿意。

   若想更好地使用這些可穿戴生理傳感器，我們必須保證設備的準確性和可靠性。例如，可穿戴心率或血氧傳感器在未來可能會當作醫療設備來使用，并且需要接受美國食品藥物管理局的嚴格審核。在具有大量干擾的環境中保證高精確性和可靠性對于傳感器制造商來說是極具挑戰的工作。

   將傳感器輸出轉變為有意義的應用

   可穿戴傳感設備生產的挑戰在于在實驗室中驗證過的技術需在又小又熱、又臟又有很多電子噪聲的實際應用環境中實現。這就考驗了模擬集成電路制造商的能力，并對他們提出了要求：

   ·更高的集成度和小型化

   ·更低的能耗

   ·更高的靈敏度

   ·更多的應用專業知識

   有一個例子可以說明情況：手勢感應是可穿戴設備即將需要的一種常見功能，因為它無需在產品表面安裝按鈕。一個手勢控制電路可能包含兩個或兩個以上的紅外發光二極管和一個紅外光敏二極管。當用戶的手經過發光二極管上方，通過分析反射到光電二極管的紅外線就能識別手勢。

   可穿戴手勢傳感器的應用在環境上具有挑戰性，因為紅外光線傳感器受制于大量噪音。通常可穿戴設備會暴露于環境光下，這些光可能包含紅外線亮度。此外，設備表面上的傳感器窗口可能會因為用戶的汗液和油脂、灰塵、污垢等污染物而變得模糊不清。為了明確區分環境光中的紅外線和發光二極管反射的紅外線，光電傳感器必須非常敏感，這需要先進的模擬半導體技術。

   同時，可穿戴設備具有小而輕的特點。高度集成半導體設計有助于實現小型化要求，以適應可穿戴式設備的所需的規格。光電二極管、模擬前端和處理器核心可能合為一體，在單一芯片上實現完整的手勢控制系統。

   換句話說，在可穿戴設備上實現手勢控制系統不能簡單地在設備的小型電路板上安裝紅外發光二極管和紅外光電二極管，而需要硬件和應用軟件的結合。系統中的元素是相互影響的，例如，光電二極管的靈敏度影響LED的規格，同時影響解讀原始測量數據的軟件的運行。系統的質量，也就是快速、可靠識別手勢的能力，依賴于應用軟件，也同樣取決于傳感器硬件。

   可穿戴設備制造商也越來越傾向于特定的傳感器系統而不是傳感器組件，要想在市場贏得競爭，模擬芯片制造商必須提供成熟的應用算法和應用軟件來支持傳感器硬件。

   其它便攜式應用也是如此。舉例來說，在脈搏血氧儀的應用中，當它壓住用戶的血管后，可以通過感應LED光來測量血氧水平。在這里同樣需用軟件解讀原始測量數據，并將其轉化為精確的血氧測量，即便傳感器被油脂、灰塵或汗水污染，或是周圍有環境光，最終結果也不會受到影響。