可穿戴设备中的传感器：尺寸越来越“小”，左右越来越“大”！

作者：Doctor M

市场上的可穿戴设备五花八门，归结起来主要分为两类：医用可穿戴设备、健身穿戴设备。其中，医用可穿戴设备是直接支持医生监测和治疗患者的设备，所有这些设备在上市前必须经过医疗主管部门的批准。对于健身穿戴设备而言，其主要应用也可以说是用于医疗保健，只不过它们收集的数据大多用于运动健康监测，这些设备在上市前基本不需要医疗部门的批准。最常见的例子是健身带和智能手表。它们被用于跟踪佩戴者的各种生命体征，包括心率、体温、血氧饱和度、血压等。未来，随着微型化和生物传感技术的进步，有可能将传感器植入到患者的手臂内，并与其个人电话连接用于接收采集到的人体生物学数据。

MEMS器件具有重量轻、体积小、成本低、功耗小等优点，非常有利于MEMS器件在电信和消费电子等行业中的应用。近年来，MEMS技术在汽车行业尤其是包括安全气囊系统在内的车辆安全系统中越来越受到青睐。

智能可穿戴设备大举渗透医疗领域

据Research and Markets发布的“2028年可穿戴传感器市场预测分析”的最新研究报告，可穿戴传感器市场预计将从2021年的约19亿美元增长到2028年的57.6亿美元。2021年至2028年，预计复合年增长率为17.1%。智能可穿戴设备，如智能手表、健身跟踪器、VR头盔、智能腕带、活动跟踪器和运动手表等，与人工智能（AR）和物联网（IoT）等先进技术集成后，用户可以通过智能手机、平板电脑或与这些设备连接的计算机即可轻松访问与健康相关的信息。也许这就是智能可穿戴市场能够保持高增长的重要原因之一。

随着消费者意识的不断增强，智能可穿戴设备在医疗保健领域的应用大幅上升。智能手表和脉搏血氧计是与光学传感器结合的可穿戴设备之一，可提供实时的患者健康跟踪解决方案。其中，帮助监测心脏和呼吸频率的光体积描记（PPG）传感器的市场表现最为突出。光电容积描记（PPG）是利用红外无损检测技术进行人体运动心率检测的一项技术，它通过光电传感器检测经过人体血液和组织吸收后的反射光强度的不同,描记出血管容积在心动周期内的变化，从得到的脉搏波形中计算出心率。苹果公司在2021年推出的几款智能手表都内置了PPG传感器。Realme手表具有广泛的健康功能，其中就包括血氧水平和顶级PPG心率传感器。Mobvoi推出的TicWatch Pro 3智能手表同样包含PPG传感器功能。

根据美国心脏协会（American Heart Association）公布的数据，全美每年约有1,700万人死于心脏异常，预计到2030年这一数字将增至2,300万。由此可见，带有PPG功能的可穿戴设备的市场潜力不可低估。

便携式传感器将可穿戴设备带入新时代

现在的传感器变得比过去小得多，成本更低，能效更高，这些发展促进了它们在便携式设备上的应用。在“可穿戴”领域，“健身服”和其他外围设备借助生物传感器可获得人体的一些生物学数据，然后再通过智能手机或电脑等进行分析，为人们提供健康监测服务。

比如，使用内嵌在衣服上的传感器，只需分析人的肤色，即可对其心率进行无接触分析。通常，我们将这种“可穿戴”的便携式传感器分为皮下植入的内部传感器和可佩戴的外部传感器两种。便携式传感器技术在过去几年中的发展十分迅速，大多数新应用主要集中在医学领域。随着使用便携式传感器电子设备的激增，当今的医疗保健途径有可能发生彻底改变。

最新的便携式传感器技术进步主要体现在小型化、低功耗等方面。传感器的微型化给我们带来的最具吸引力的发明之一是数字药丸。这些内置了微型传感器的药丸主要用于成像、药物监测、气体传感和电化学气体传感。一旦患者服用了数字药丸，传感器就会被胃酸激活并产生电信号。这些电信号由佩戴在胸腔上的贴片拾取，然后再传输到智能手机上进行进一步分析。几十年前只能借助昂贵的医疗设备才能实施的健康检查，现在通过数字药丸、可穿戴设备、智能手表和智能手机就能轻松完成。

从在医疗设施中使用复杂的机器测量心率、血糖和血氧饱和度，到能够在自己的智能手表上测量，传感器技术走过了漫长的道路。这期间的技术重点一方面是医疗的准确性，另一方面就是产品的微型化。微型化已经成为用于健康监测的可穿戴设备的发展趋势，同时也将可穿戴设备带入了新的时代。正是因为有了这些医疗和健身可穿戴设备，我们才能轻松地、实时监测自身的健康状况。

据预测，医用可穿戴设备的数量在2022年有望突破10亿美元大关。根据IDC 2020年的报告，与前一年相比，2020年全球可穿戴设备出货量激增了28.4%，到2021第三季度，进一步增长了9.9%，其中医用可穿戴设备功不可没。

可穿戴设备中的传感器

传感器并不是消费电子设计的新元素，随着它们变得比过去更小、成本更低、能效更高，在便携式电子设备中的应用不断被扩展。如今的智能手机、平板电脑、可穿戴设备的用户吸引力在很大程度上取决于它们采用的传感器解决方案的质量。ReportLinker的分析数据表明，全球智能传感器市场预计将从2022年的458亿美元增长到2027年的1,045亿美元，2022年至2027年的复合年增长率为17.9%。而推动该市场增长的关键因素则源于物联网设备和消费电子产品（如智能家电和可穿戴设备）中对智能传感器的需求激增。

市场上的传感器种类繁多，可穿戴设备中使用的传感器也是五花八门，包括压力、光学、接近度、运动、温度、声学、触摸和图像传感器等。区别于其他行业，可穿戴应用不仅注重传感器的功能，对传感器的尺寸和功耗也非常敏感。现在就让我们来看一些典型的可穿戴产品中的代表性传感器。

#01  加速度计

加速度计是可穿戴设备中使用较普遍的传感器。例如，跑步的用户可以访问他/她的最高速度输出以及加速度。此外，加速计还可以跟踪睡眠模式。在为超低功耗应用选择加速度计时，必须在数据手册中标称的功耗水平下仔细观察传感器的功能，其中的一项关键指标是带宽和采样速率是否会降至无法测量可用加速度数据的水平。

之所以这样考虑的原因是：为了维持较低功耗，很多加速度计会通过每秒关断并唤醒的方式达到节能的目的。由于有效采样速率下降了，这样做会错过关键的加速度数据。因此，选型时一定要在这些参数中做有效的权衡。

ADI公司的ADXL362和ADXL363采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样，不会通过欠采样混叠输入信号，它们可在功耗仅为3μA的状态下，以最高400Hz的速率进行采样。在可穿戴设备中，这些较高的数据速率可实现额外的功能，如单击/双击检测。

非必要时段，ADXL362和ADXL363的采样速率可降至6Hz，以便在被拾起时或者检测到运动时设备能启动，此时的平均功耗仅为270nA。因此，ADXL362和ADXL363非常适合电池更换非常困难的植入式应用。ADI公司还开发了一款仅供演示使用的VSM手表，旨在展示ADXL362等超低功耗器件在电池供电和空间受限应用中的潜力。

图1：集成了ADXL362器件的VSM手表（图源：ADI）

#02  陀螺仪计

陀螺仪也是一种较常见的可穿戴传感器，与加速度计的不同之处在于，它只记录角加速度。在一些方案中，加速度计主要用于测量旋转加速度。在更多应用中，我们看到的是陀螺仪和加速度计两者相结合，以最大限度地缩小测量误差。

TDK InvenSense的ICG-1020S双轴MEMS角速度传感器设计用于智能手机摄像头模块和其他移动设备中的光学图像稳定（OIS）应用，支持高达32kHz的ODR，向后兼容其他InvenSense专用OIS陀螺仪产品。ICG-1020S陀螺仪拥有极低的RMS噪声和噪声密度，超高分辨率、高达32KHz的快速采样率、包括快速20MHz SPI接口的低相位延迟、4mdps/√Hz的极低速率噪声。精确的灵敏度控制允许该陀螺仪采用无校准策略，有效节省了生产成本。

图2：ICG-1020S双轴MEMS陀螺仪方框图（图源：TDK）

#03  磁性传感器

在消费电子产品中，磁性传感器有许多类别，主要用于解析速度、方向、位置、对准、接近或旋转位置，关键的一点是，测量过程中这类传感器和目标之间无需直接接触。磁性传感器可以安装在坚固的保护外壳中，以适应恶劣环境，也可以安装在小型电路板封装中，以最大限度地减少空间使用。霍尔传感器是磁传感器的一种，是由霍尔元件和及其附属电路组成的集成传感器。

由于霍尔传感器可以通过非铁部件检测磁场，因此磁传感器和目标可以嵌入到系统的内部，并检测外部和内部特征相反侧的目标。现在，霍尔传感器已广泛用于消费电子、运动器材、家用电器、数码相机、智能手机、玩具、电子仪器和其他电子设备中。

Bosch公司的BMM150 3轴数字地磁传感器是低功耗、低噪声3轴数字地磁传感器，可满足罗盘应用的需求。通过为硬件量身定制的传感器数据融合软件，BMM150地磁传感器可提供高准确、高动态的空间定位和运动矢量，主要用于室内导航，例如在组合加速计中计步，还特别适合用于支持无人机精确领航。

BMM150的应用包括感应手机、手持设备、计算机外围设备、人机界面、虚拟现实功能和游戏控制器中的三轴地磁。BMM150的封装和接口设计符合多种硬件要求，因其具有超小的占地面积和扁平的封装，非常适和可穿戴设备等尺寸敏感型应用。

图3：BMM150地磁传感器方框图（图源：Bosch）

#04  全球定位系统（GPS）

GPS是智能手机和智能手表等许多智能便携设备上较常见的传感器，用于扫描并通知用户其位置。

u-blox公司的ZED-F9T全球导航卫星系统（GNSS）模块将F9多频带平台集成在一个外形尺寸仅为22mm x 17mm的小型封装中，这些多频带GNSS模块提供5ns（1西格玛）的定时精度和超低功耗。ZED-F9T模块具有并行GNSS接收器，可接收和跟踪多个GNSS系统。该模块具有GPS、伽利略、GLONASS和北斗等四大全球导航卫星系统，因采用多频带射频前端架构，可以做到同时接收。

图4：ZED-F9T模块内部架构（图源：贸泽电子）

#05  压力传感器

压力传感器主要通过应变计工作，当对传感器施加压力时，会导致电阻的变化。这种测量压力的方法常常通过惠斯通电桥实现，该电桥可以跟踪静态或动态电阻变化。

TE公司的MS5837-02BA是一款超小型凝胶填注压力传感器，针对高度计和气压计应用进行了优化，主要面向健身跟踪器、无人机和可穿戴设备等应用。MS5837-02BA基于MEMS的传感器包括一个高线性压力传感器，具有超低功耗24位数字输出（I2C）和13cm海平面的高度分辨率，可实现高分辨率测量，例如计算楼梯段数。

图5：超小型压力传感器MS5837-02BA（图源：TE）

互为推力的可穿戴设备与智能传感技术

可穿戴健身技术已经融入整个社会，随着消费者对监测自身健康和跟踪自身生命体征的需求不断增加，可穿戴技术的使用在过去四年中增加了两倍多。根据Insider Intelligence的研究，超过80%的消费者愿意使用健身技术。在美国，到2022年，大约1/4的美国人将会使用可穿戴设备，主要用途是健身或身体健康监测。

图6：2022年，接近1/4的美国人口将使用可穿戴设备（图源：Insider Intelligence）

根据maximize market research的预测，全球消费电子传感器市场到2027年预计将达到413.4亿美元，复合年增长率为16.32%。智能、高可靠、低功耗、低成本和高集成度是消费电子产品中传感器获得大规模应用的推动力。

未来的可穿戴设备还将配备最新的信息处理和连接硬件，其中的信息技术市场的发展将是爆炸性的，硬件升级每隔几年也会发生翻天覆地的变化。便携式传感器和可穿戴设备很可能也会经历同样的急剧发展过程。一方面，传感器技术的微型化开创了可穿戴设备的新时代。另一方面，可穿戴设备市场的巨大需求反过来将推动传感器技术的进步。