傳感器與元件廠商看可穿戴電子的機(jī)會(huì)及解決方案

　　毛 爍 （《電子產(chǎn)品世界》編輯，北京 100036）

　　摘?要：業(yè)內(nèi)部分領(lǐng)軍的傳感器與元件廠商介紹了可穿戴電子設(shè)備的機(jī)會(huì)，以及傳感器、元件的發(fā)展趨向與解決方案。

　　關(guān)鍵詞：可穿戴；手表；保健；醫(yī)療；藍(lán)牙

1  Bosch提供低功耗、多功能、智能化傳感器解決方案

近年來全球可穿戴 設(shè)備出貨量比之前增長(zhǎng)16.7%，市場(chǎng)規(guī)模龐大。 同時(shí)用戶對(duì)于可穿戴設(shè)備 的要求也越來越高。用戶 希望他們的可穿戴設(shè)備具 有多功能的同時(shí)做到永不 斷電，并且最大限度地延 長(zhǎng)充電間隔。不僅如此， 人們對(duì)可穿戴智能化的要求也逐漸增長(zhǎng)。

Bosch Sensortec為可穿戴用產(chǎn)品提供了廣泛的產(chǎn)品 組合，制造商可以找到任何可穿戴的解決方案，無論是 智能手表、智能服裝還是腕帶。其中，Bosch Sensortec 的BMA400加速度計(jì)是超低功耗產(chǎn)品。和標(biāo)準(zhǔn)的加速計(jì) 相比，性能相同卻只需要十分之一的耗電量，能夠解決 用戶對(duì)于永不斷電且最大限度的延長(zhǎng)充電間隔的需求。 而BHI160BP則是業(yè)界位置追蹤智能傳感器的先驅(qū)，具備 超低功率位置追蹤功能。相較于普通GNSS解決方案可 降低系統(tǒng)功耗高達(dá)80%，且不影響精度。

不僅如此，Bosch Sensortec旗下高性能IMU（慣 性測(cè)量單元）BMI270能滿足用戶對(duì)于可穿戴設(shè)備多功 能的要求，包括直觀的手勢(shì)、上下文和活動(dòng)識(shí)別，以及 集成即插即用計(jì)步器并專門針對(duì)腕戴式設(shè)備中的精確步 數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

面對(duì)可穿戴設(shè)備更智能的需求，Bosch Sensortec 的智能傳感器中樞BHI260和BHA260集成了強(qiáng)大的傳 感器協(xié)處理器和MEMS傳感器，使它們可以勝任復(fù)雜 的傳感器處理任務(wù)和數(shù)據(jù)緩沖，而無需喚醒主應(yīng)用處 理器。

而穿戴設(shè)備是一個(gè)快速發(fā)展的細(xì)分市場(chǎng)，同時(shí)也 是可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的主要增長(zhǎng)動(dòng)力。2019年，Bosch Sensortec 也推出了新款BMA456耳穿戴加速度計(jì)，是 在單一傳感器中集成了優(yōu)化的耳穿戴功能的加速度計(jì)， 可實(shí)現(xiàn)直觀的用戶交互，如點(diǎn)擊、雙擊和三擊耳。

2  用于可穿戴產(chǎn)品的RFID標(biāo)簽

近年來，隨著庫(kù)存管理和商品源頭追溯性管理的附 加價(jià)值不斷提高，RFID標(biāo)簽的應(yīng)用逐漸普及開來，但 是在面積有限的可穿戴產(chǎn)品上如何安裝RFID標(biāo)簽還是 難題。村田利用多層陶瓷基板技術(shù)，將RFID標(biāo)簽的IC芯 片和天線一體化，實(shí)現(xiàn)了小物品追溯用RFID標(biāo)簽的商品化。村田的超小型RFID標(biāo)簽尺寸僅為1.25 mm×1.25 mm×0.55 mm，集成天線，堅(jiān)固的設(shè)計(jì)使標(biāo)簽可注塑 在產(chǎn)品內(nèi)而完全不影響產(chǎn)品本身外觀（如圖1）。

圖1 村田小物品追溯用RFID標(biāo)簽

該超小型標(biāo)簽可用于可穿戴產(chǎn)品等小物品追溯，以 村田RFID標(biāo)簽在智能手環(huán)/手表中的應(yīng)用為例，在智能 手環(huán)/手表生產(chǎn)時(shí)，將村田RFID標(biāo)簽附在或嵌入產(chǎn)品內(nèi) 部，可以在工廠內(nèi)部改善產(chǎn)品制造及物流流程，實(shí)現(xiàn)“工廠—倉(cāng)庫(kù)—物流”的 流程監(jiān)控，產(chǎn)品銷售時(shí)還 能起到防偽的作用，有效 加強(qiáng)品牌保護(hù)。另外產(chǎn)品 需要后續(xù)維修的時(shí)候，不 用拆機(jī)，通過讀寫器，工 作人員就可以了解到該產(chǎn) 品的過往歷史，有效提高 維修服務(wù)及質(zhì)量，最終實(shí) 現(xiàn)讓用戶和廠家對(duì)產(chǎn)品的全流程都一目了然。

此外，村田超小型RFID標(biāo)簽也能用于助聽器、眼 鏡、醫(yī)療設(shè)備、奢侈品等小型產(chǎn)品上。

3  TDK為可穿戴應(yīng)用程序提供多種創(chuàng)新技術(shù)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)的成長(zhǎng)，智能手表、音頻耳機(jī) /耳塞、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR/AR)和健康追蹤應(yīng)用程 序等無線可穿戴產(chǎn)品，成為了可穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

TDK為可穿戴應(yīng)用程序提供多種創(chuàng)新技術(shù)，特 別是傳感器解決方案、能 源裝置、觸覺解決方案和 下一代電子元件，包括可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化和高性能 的智能封裝技術(shù)。

TDK的綜合傳感器產(chǎn) 品組合包括微電子機(jī)械 系統(tǒng)(MEMS)、磁阻(MR)和壓電技術(shù)。TDK先進(jìn)的MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器和飛行時(shí)間(ToF)傳感器可為AR/VR應(yīng)用程序用戶帶來獨(dú)特的體驗(yàn)。TDK尖端的ToF傳感器可測(cè)量控制器和耳機(jī)之間的位置，而無需使用外部控制臺(tái)設(shè)備檢測(cè)各個(gè)設(shè)備的 位置。

TDK的壓電觸覺技術(shù)可為用戶帶來真正的觸覺體驗(yàn)。采用壓電觸覺技術(shù)可消除笨重的電機(jī)振動(dòng)。TDK的 壓電觸覺解決方案可復(fù)制按下機(jī)械按鈕的感覺。您可將壓電觸覺裝置置于設(shè)備表面下，以取代機(jī)械開關(guān)。無需音量按鈕孔，您仍可體驗(yàn)按按鈕的感覺。壓電觸覺 帶給用戶的體驗(yàn)遠(yuǎn)不止簡(jiǎn)單的電機(jī)振動(dòng)。其厚度僅1.3 mm，可實(shí)現(xiàn)超低功耗。

除了元件，TDK還可提供稱為IC內(nèi)置基板(SESUB) 的獨(dú)特包裝和SiP技術(shù)。將IC嵌入基板，其余組件安裝 在基板的頂部，從而在不影響性能的前提下，顯著減 小體積。TDK的這一獨(dú)特基板還提高了散熱性與高可靠 性，降低了所嵌入IC的損耗和噪聲排放，同時(shí)還可支持 多種IC嵌入。

TDK正在持續(xù)開發(fā)體積更小、使用非常規(guī)材料且性能更高的元件，以滿足未來需求。TDK是您身邊的“一站式 供應(yīng)商”，可滿足您對(duì)可穿戴設(shè)備硬件的各種需求！

4  TDK推出適應(yīng)智能頭戴式耳機(jī)傳感器

就運(yùn)動(dòng)手表 而言，TDK 的MEMS慣性傳感設(shè)備能提 高運(yùn)動(dòng)感測(cè)精度，特別適合 健身或其他戶外活動(dòng)，終端 用戶對(duì)此抱有極大期望。對(duì) 于智能頭戴式耳機(jī)，市場(chǎng) 對(duì)于高端產(chǎn)品的需求持續(xù)增 長(zhǎng)，這對(duì)于具有先進(jìn)降噪性 能、更佳用戶體驗(yàn)的MEMS 麥克風(fēng)而言是一個(gè)利好。

TDK最近推出了兩款新型InvenSense傳感器，拓 展了運(yùn)動(dòng)可穿戴設(shè)備的使用范圍，特別適合新興的健身 及戶外相關(guān)活動(dòng)。其中一款是經(jīng)過改良的六軸運(yùn)動(dòng)傳感 器，測(cè)量范圍比市場(chǎng)上傳統(tǒng)的六軸運(yùn)動(dòng)傳感器更廣。事 實(shí)上，TDK最新的ICM-42686產(chǎn)品的轉(zhuǎn)速和加速度測(cè)量 范圍均達(dá)到運(yùn)動(dòng)可穿戴設(shè)備的2倍，能精確測(cè)量最快的加 速度和最大轉(zhuǎn)速。其中一個(gè)典型應(yīng)用案例是，該傳感器 能精確感測(cè)乒乓球比賽中的每個(gè)動(dòng)作。在這個(gè)應(yīng)用中， 只能感測(cè)一般用戶移動(dòng)的傳統(tǒng)傳感器根本無法跟蹤運(yùn)動(dòng) 員的動(dòng)作。

TDK新近上市的另一款傳感器是專為運(yùn)動(dòng)可穿戴設(shè) 備而設(shè)計(jì)的新一代的電容式壓力傳感器。該產(chǎn)品具有更 高的精度與低功耗，能可靠檢測(cè)＜10 cm的高度變化， 有望率先測(cè)量出用戶攀爬的臺(tái)階數(shù)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)/健康設(shè) 備而言，這是一項(xiàng)極受歡迎的性能，方便用戶更好地管 理自身鍛煉，準(zhǔn)確測(cè)定自身卡路里的消耗。

對(duì)于智能頭戴式耳機(jī)，TDK已推出了一系列具有高信 噪比的新型InvenSense  PDM麥克風(fēng)，專門優(yōu)化以支持兩 個(gè)及兩個(gè)以上的麥克風(fēng)的波束成形。這能確保更有效的降 噪處理并改善遠(yuǎn)場(chǎng)性能，特別是在語(yǔ)音喚醒方面。

5  固態(tài)充電電池使用緊湊SMD技術(shù)

智能穿戴設(shè)備為繽紛多彩的生活增添了更多的可能性，未來的發(fā)展將需要 無數(shù)的特殊電源以滿足新 的超低功率半導(dǎo)體和傳感 器的需求。這對(duì)于能量存 儲(chǔ)介質(zhì)提出了新的要求： 尺寸小，可充電，本質(zhì)安 全，易于裝配，低成本且 工作壽命長(zhǎng)。TDK集團(tuán)率 先推出首例采用緊湊SMD 技術(shù)的CeraCharge?固態(tài)充電電池。相比于最常用的技術(shù)，CeraCharge?屬固態(tài)充電 電池，無任何液體電解質(zhì)。該電池采用了和MLCC類似 的多層技術(shù)（如圖2），該技術(shù)結(jié)合了相對(duì)高能量密度和小元件體積，以及陶瓷多層元件的安全及大批量制造 特性。通過這種技術(shù)，高能量密度和最小的元件體積與 陶瓷多層元件的安全性及高容量制造優(yōu)點(diǎn)被結(jié)合在一 起。此外，采用固態(tài)陶瓷電解質(zhì)還消除了火災(zāi)、爆炸或 液態(tài)電解質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

6  可穿戴用柔性傳 感器、微型連接器等動(dòng)向

可穿戴設(shè)備的制造商正在尋求通過各種方式來使微小空間內(nèi)的組件做到微型化，同時(shí)保持極高的可靠性，還要應(yīng)對(duì)價(jià)格極為敏感的挑戰(zhàn)。

先進(jìn)的傳感器設(shè)計(jì)是可穿戴設(shè)備創(chuàng)新中的核心所 在，而Molex的 Soligie 印刷型傳感器則具有在塑料、紙 張和金屬箔之類的低成本柔性基板上制作各種元件和互 連系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)勢(shì)。在微型化醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，這可以成為一項(xiàng)主要的優(yōu)勢(shì)。然后可以使用導(dǎo)電銀 墨來添加組件，從而形成 電路。Soligie 解決方案采 用的高精度滾動(dòng)式 (R2R) 高速印刷工藝可以實(shí)現(xiàn)完 全等效于銅電路的結(jié)果， 同時(shí)還可以減少制造工藝 以及使用的材料 、 降低 成本。

Molex還是成型互連設(shè)備/激光直接成型 (MID/LDS) 技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，在這方面，功能性的電子元件會(huì)集成到 三維上的熱塑性封裝當(dāng)中，從而獲得結(jié)構(gòu)緊湊而又輕量 級(jí)的高性能設(shè)備。LDS 通常采用三軸激光在采用專用 催化樹脂成型的 MID 表面上建立起走線，這樣形成的 MID 解決方案通常會(huì)包含天線和傳感器接口之類的組 件。它們的工程設(shè)計(jì)所采用的技術(shù)包含了電鍍穿孔通孔 以及焊盤。

Molex的 MID/LDS 技術(shù)可以為需要微型化以及減 重的應(yīng)用提供支持。此外，該技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)極快的開 發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)的自由度。典型應(yīng)用包括傳感器設(shè)備 和天線的實(shí)施。該技術(shù)的設(shè)計(jì)可以為可穿戴設(shè)備的生產(chǎn) 帶來極高的成本效益。

Molex提供范圍廣泛的高性能射頻天線，易于使 用，具有多種形狀系數(shù)，滿足所有通用的天線協(xié)議和 天線頻率的要求。該產(chǎn)品包括超薄陶瓷天線和 MID/ LDS 天線，適合將互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)連接嵌入到緊湊的設(shè)備 當(dāng)中。

相機(jī)和筆記本電腦之類的設(shè)備含有密集的電子元 件，但是在空間上受到約束，通常會(huì)將柔性連接作為一 種便利的備選方案來替代傳統(tǒng)布線。自然，這種方法也 適用于可穿戴設(shè)備這一相對(duì)較新的產(chǎn)品類別。Molex的 FFC（柔性扁平電纜）- FPC（柔性印刷型電路）連接 器提供 0.20~2.00 mm的螺距范圍，在緊湊的輕量級(jí)設(shè) 計(jì)中具有純粹的信號(hào)完整性。該產(chǎn)品滿足一系列多種應(yīng) 用的設(shè)計(jì)需求，其中就包括了可穿戴設(shè)備，在這類設(shè)備 中，必須將微型化與極高的可靠性良好的結(jié)合到一起。

這類超細(xì)螺距的小尺寸 FFC-FPC 連接器提供一系列的 驅(qū)動(dòng)形式，包括 ZIF、LIF、滑塊式以及翻轉(zhuǎn)式致動(dòng)器， 以極低的成本為高帶寬的數(shù)據(jù)速率提供支持。

參考文獻(xiàn)

[1] ROHM SEMICONDUCTOR.可穿戴設(shè)備用光學(xué)式脈搏傳感 器技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)用事例.電子產(chǎn)品界,2016(3):65-67.

[2] 迎九. 可穿戴與IoT用DC/DC：如何實(shí)現(xiàn)納安級(jí)消耗電流？.電 子產(chǎn)品界,2016(4):19-21.

[3]  迎九.  可穿戴傳感器趨勢(shì)及部分新產(chǎn)品技術(shù).電子產(chǎn)品界, 2016(5):25-27.

      本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第9期第16頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。