1. 布景简介
众所周知，最新的传感器都选用微机电体系(MEMS)技能。根据MEMS的元器材(传感器和致动器)在大约10年前开端进入穿戴产品商场，在计步器中，加速度计初次代替机械式绷簧。
曩昔十年，MEMS技能获得显着前进，MEMS产品厂商战胜了制作工艺应战，新的MEMS产品许多呈现，尺度越来越小，功用显着进步，一起价格大幅下降，这些前进为穿戴产品完成新运用铺平了路途。
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，专有解决方案却需求定制的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改变 [1] 。由于可以24小时接连无创丈量角膜改变，该解决方案是现在区分正常眼压青光眼和非青光眼的最有用办法 [2] 。
MEMS技能还用于制作微致动器。在消费和医疗商场上，微致动器可让穿戴产品完成许多新运用。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外表。今日，在许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，胰岛素打针泵。Debiotech公司运用MEMS微致动器开宣布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，控制器包含一个根据MEMS微致动器的液泵引擎[3]。
下面，咱们评论MEMS传感器在穿戴产品中的效果以及商场远景。
2. MEMS传感器在穿戴产品商场的开展进程
MEMS传感器得到穿戴产品商场认可并获得成功，归功于以下四个要素：
i. 尺度:
最近几年，MEMS传感器尺度显着减缩。十年前，商场上最小的MEMS加速度计需求在印刷电路板(PCB)上占用约35mm2 的面积。现在，最新的高功用加速度计只需4mm2的空间[4, 5]，相当于一个西红柿籽的巨细。这些微型传感器在很大程度上协助穿戴产品变小，然后进步了不同商场对穿戴产品的承受度。
ii. 功耗:
一切穿戴产品厂商都期望自己的电池供电产品有更长的续航时刻。MEMS传感器厂商为下降传感器的功耗投入很大，并获得了巨大成功。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。现在，在相同的传感器装备条件下，加速度计和陀螺仪组成的高功用MEMS惯性模块的功耗缺乏1mA[6]。功耗大幅下降加速了多传感器模块在穿戴产品商场的推行运用，并推进穿戴产品商场不断呈现许多新产品。
iii. 价格:
最近几年，MEMS传感器价格大幅下降，导致穿戴产品的价格走低，让一般顾客也能买得起。十年前，加速度计的价格高于3美元;今日，一颗功用更先进、功用更好的加速度计大约30美分。跟着MEMS传感器价格持续下探， MEMS技能不断前进，更多的MEMS传感器获得了规模经济效应。
iv. 硬件集成与嵌入式功用:
在一个封装内集成多个传感器和功用，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，更先进的功用和嵌入式算法为运用开发人员供给一个强壮的开发渠道，加速运用项目开发速度。
3. 传感器在穿戴产品中的运用
穿戴产品的成功在很大程度上归功于其具有的功用，市道在售的穿戴产品可认为用户供给各种先进的功用和特性。
穿戴产品环境感知功用是一个典型的传感器数据运用示例。检测人类活动是环境感知运用体系的一个重要模块，由于需求考虑不同的运用场景，所以人类活动检测是一个具有应战性的杂乱技能。
用户出行方法或许步行、骑行或驾车。
假设用户步行，则需求考虑停止、走步、快走、跑步、上下楼、乘坐电梯等场景。
假设用户参与体育比赛或健身训练，或许呈现的场景包含游水、跳绳或场所运动(网球、篮球等)。
瞥视、捡起、观看、摇晃、轻敲、挥击、旋转、以及用户界说的姿态也需求考虑。
穿戴产品内部环境感知体系在健康护理方面也起重要效果：
白叟专用穿戴产品可以检测日常日子中潜在的危险状况，例如，跌倒，或许可以检测生命体征，猜测急迫危殆的健康危险。
人体活动中的改变或反常可用于确认某些疾病的前期症状，因而，穿戴式健康监督体系检测这些改变或反常，协助医疗人员及早发现与年纪相关的疾病或严峻的健康状况。以长时间健康监测计划为例，穿戴式健康监督体系可检测那些预示关节炎和老年痴呆症前期症状的身体改变或反常。
穿戴式环境感知提示功用可认为行动不便的老年人供给日常日子辅佐，例如，声控急救电话和开门时主动开灯，推行更活跃、健康的日子方法，供给一个缓慢疾病办理渠道。
4. 穿戴产品传感器
咱们刚才评论的一切场景标明，在穿戴产品中，人类活动检测技能的杂乱性十分高，需求用到多个传感器。图1所示是一些最新的可用于穿戴产品的传感器。每个传感器都供给有用的用户数据及其交际和物理环境信息。通过整合、处理、剖析后，传感器数据可用于发明有用的常识，为决议计划体系供给重要的支撑。
图1：穿戴产品内的多个传感器
在今日的穿戴产品商场上，传感器厂商很快意识到，只供给传感器硬件解决方案缺乏以扩展商场份额。为差异于竞争对手，除硬件解决方案外，传感器厂商还应供给软件，例如，传感器数据整合[7]。软件解决方案可用作先进运用的模块，整合软硬件的解决方案为用户供给一个开发渠道，因而，软件解决方案正在成为产品差异化的要害要素。
图2所示的SensorTile便是这样一个运用示例。这款小尺度的印刷电路板是为穿戴式产品规划，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拼装在一起，建立一个完好的开发工具套件[8]。
图2：SensorTile开发套件的中心体系
5. MEMS传感器在穿戴产品商场的远景
穿戴MEMS传感器的商场远景宽广、光亮。现在正在开发的传感器包含气体传感器和生物传感器，这些器材将会让穿戴产品变得更有用，功用更强壮。在不久的将来，严重立异效果和技能前进将会进步现有传感器的功用和软件集成度，协助穿戴产品厂商简化规划，加速运用开发。嵌入式状况机、智能功用、编程功用 、进步的动态规模和改善的功用，将会把穿戴产品进步到一个全新的境地。智能传感器将供给人类活动主动检测功用，例如，步行、快走、跑步、骑行、驾车和停止。下一代智能传感器将会供给编程功用，规划人员只依托传感器内部嵌入式运算才干就能开发运用，而无需运用外部微控制器。这些运用将大幅下降功耗，满意穿戴产品和物联网(IoT)传感器节点的一直要处于作业状况的要求以及其它具有应战性的需求。
跟着穿戴产品集成更多的传感器，传感器数据量正在显着添加。受限于功耗，穿戴产品的运算才干有限，核算、处理和剖析许多数据将超出穿戴产品的才干规模。为此，许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. 亟待解决的应战
为让更多的顾客承受穿戴产品，穿戴产品厂家有必要战胜其所面对的首要应战。图3列出了技能层面和顾客层面的应战。技能应战首要包含数据的持续可用性、完好性和牢靠性。这些应战要求一直作业的传感器有必要接连捕捉数据，并将这些数据以牢靠的方法上传至网关或云服务器，进行后续处理。
穿戴产品有必要为开发者供给运用开发渠道，由于穿戴产品的运用和功用越多，穿戴产品的潜在用户才会越多。
顾客层面的应战包含数据安全性、隐私维护和用户忠诚度。当触及个人隐私数据时，用户不会退让退让。穿戴产品厂商有必要可以确保个人数据传输安全，只要授权第三刚才有权拜访用户数据。
此外，穿戴设备有必要安全，无健康要挟，特别是医用穿戴设备有必要安全，所用原料无有害物质，不会损坏环境。
迄今，穿戴产品在很大程度上还未能让咱们看到持久的客户忠诚度。假如穿戴商场未来增长势头更微弱，厂商则需求更活跃进步用户的对其产品的忠诚度，这样用户才干全面了解这些产品的优势，充分运用产品特性。
7. 定论
可以说，没有MEMS传感器，就没有穿戴产品商场。在穿戴产品商场未来开展方向上，MEMS传感器将持续扮演重要人物。传感器集成、嵌入式功用、软件和编程将是穿戴产品的开展动力。虽然在技能和顾客层面有亟待解决的应战，可是穿戴产品商场远景仍然看好。
8. 参考文献
[1] http://www.sensimed.ch/en/
[2] http://www.sensimed.ch/pdf/2016-08-22_J_Glaucoma
[3] http://www.debiotech.com
[4] http://www.st.com/en/mems-and-sensors/lis2ds12.html
[5] http://www.st.com/en/mems-and-sensors/lis2dw12.html
[6] http://www.st.com/en/mems-and-sensors/lsm6dsm.html
[7] http://www.st.com/en/embedded-software/osxmotionfx.html
[8] http://www.st.com/en/evaluation-tools/steval-stlkt01v1.html
作者：Jay Esfandyari, Ph.D. 意法半导体
