IHS iSuppli公司预计2014年可穿戴电子产品与健康监控设备中的MEMS运动传感器营收将上升33%,达4,130万美元;2015年将进一步增长47%,至6,080万美元,最大增幅将出现在2016年,届时年度营业收入将跳增50%至9,150万美元。
可穿戴设备热潮席卷而来,也给产业链各环节带来新的淘金机会,处于产业链上游技术核心的MEMS传感器也受惠于此,这些原本用于汽车、智能手机、平板电脑的传感系统正在进入可穿戴设备领域。MEMS传感器附加值高,是人机互动的重要基础,被认为是可穿戴技术创新和未来发展潜力的重要方向,也成为厂商的关注重点。
热门可穿戴设备里的MEMS传感器
随着穿戴式技术越来越受到广大用户的关注,国内外多家厂商开始涉足可穿戴式领域,如三星、Fitbit、Jawbone、华为TalkBand手环以及360儿童卫士等,手机业风向标Apple公司也正在积极研发其首款可穿戴式产品iWatch。
然而就在Apple iWatch还未上市之际,手机业另一巨头三星公司已经抢先一步开始进军可穿戴式设备领域,在去年推出了Gear之后,于今年三星Galaxy S5上市的同时推出了第一款具有健身追踪的可穿戴设备Gear Fit,为消费者带来了另一款重量级的穿戴式产品。它具有跟踪用户锻炼、计步、监测心率以及即时通知等功能,并可与三星手机设备通过蓝牙进行数据同步,以便帮助用户更好的了解和改善自己的健康状况。

Samsung近期发布的重量级穿戴设备Gear Fit
Samsung Gear Fit的内部使用了哪些传感器?通过拆解报告可以得知,Gear Fit使用了2颗传感器,一颗6轴陀螺仪与加速度计,另一颗为心率传感器。与三星Galaxy S5一样,6轴陀螺仪及加速度计组件采用的是InvenSence公司的传感器MPU6500,它集成了3轴陀螺仪及3轴加速度计。InvenSence采用体硅工艺,MEMS芯片及ASIC芯片集成在3.0×3.0×0.9mm尺寸的封装内。
MPU6500的MEMS Sensor芯片采用InvenSense的Nasiri工艺,该工艺能够与标准CMOS工艺紧密结合,并且使用体硅技术实现主要MEMS结构。ASIC芯片与MEMS芯片采用晶元级铝锗建合。
Samsung Gear Fit在使用的测量心率功能时,只需将手环戴在手上启动监测功能并保持数秒的静止即可读取监测结果。实现该功能的心率传感器,并非使用和Galaxy S5相同的Maxim公司产品,而是使用了Analog Deivce(亚诺德)公司的产品,该芯片封装尺寸为5.0×2.8×1.1mm,该芯片包含了2颗独立Die,分别是ASIC和Sensor。
从近日苹果iWatch部件供应商曝光来看,至少配置6个Sensor。台湾媒体消息称,iWatch将会在今年Q3发布,苹果计划2014年iWatch的销售目标是6500万台。报道中提到,iWatch将至少内置6个传感器sensor,其中包括目前最常用的G-sensor加速度传感器以外,还有心律传感器、血压传感器、脉搏传感器等。最受瞩目的是血糖传感器,因为目前血糖大多采用微创完成,苹果第一代iWatch能否应用于血糖,仍不得而知。据悉,苹果之所以一直推迟iWatch发布,在于多数传感器算法仍然不能达到公司预期。
多轴化趋势继续深化
在可穿戴技术实现的过程中,难点之一便是如何让“无生命,无思想”的物品可以对环境变化恰当反应,即实现“传感+执行”的过程,而这一过程,恰恰可以通过MEMS来实现:根据现在的MEMS发展趋势,MEMS芯片将整合进音讯、光线、化学分析及压力、温度感测等子系统,发展出人体眼睛、鼻子、耳朵、皮肤等感官功能的芯片;如果再加入对电磁、电力的感应与控制能力,将赋予物品一定的“生命力和思想”,使可穿戴设备的实现变成可能。MEMS赋予电子产品独特的人机交互体验,使得电子产品更娱乐化、智能化。

意法半导体LSM330六轴惯性传感器模块
多轴MEMS已成大势所趋,近日意法半导体(STMicroelectronics)宣布,其六轴惯性传感器模块LSM330及三轴加速度计LIS3DSH获台湾创新穿戴式解决方案设计厂商麦斯威科技(Maxwell)采用,用于开发适合各代移动生活的低功耗动作感测活动追踪器(motion-sensing activity tracker)。
LIS3DSH三轴加速度计及LSM330六轴惯性传感器模块内皆有两个嵌入式有限状态机(finite state machine),可实现定制化动作识别功能。这两种装置使Maxwell能够研发低功耗、且能准确识别动作的穿戴式活动追踪器,此产品不仅可运用在数字终端装置用户、医疗看护及健康管理、游戏环境以及宠物追踪上,还可用于穿戴式传感器、室内及户外导航、增强实境以及其它定位服务。
Maxwell首席执行官Morgan Yang表示:“简单的活动追踪性能已无法满足智能移动生活中的消费者。市场并不欢迎外型不佳,且大又笨重的穿戴式产品。消费者会希望穿戴式装置能智能地辨别自己到底是在游泳、踢足球、跳舞还是做瑜珈。而在传感器发展上,只有ST注意到这点,其MEMS产品能满足我们对于动态及可自选加速度范围、稳定性以及节能等方面的需求,是我们采用ST的主要原因。”
继6轴之后,ST已计划开始量产9轴MEMS;亚德诺、飞思卡尔、Bosch Sensortec等MEMS供应商已相继展开9轴单芯片产品部署;利顺精密开始研发9轴 MEMS组件;仅研发陀螺仪的应美盛则透过第三方合作公司提供其他组件,继6轴MEMS传感器后,也开始积极投入发展9轴MEMS。
STMicroelectronics执行副总裁暨模拟、MEMS和传感器事业群总经理Benedetto Vigna表示:“随著物联网时代的到来,穿戴式设备的应用也日趋成熟和多元化,像Maxwell这样的创新公司更需要我们提供更小、更轻薄、更耐用且更省电的传感器,作为一个全球最大、拥有超过900项与MEMS相关专利的供应商,我们很乐于接受这样的挑战。”
MEMS发展面临的挑战
在最近于德国慕尼黑举行的欧洲MEMS执行者大会上,以消费产品中微机电系统(MEMS)为主题的小组讨论了该领域的成长机会,也表达了一些忧虑,因为有迹象表明元器件供应商要想获得丰厚利润必须不断地努力工作和创新。
种种消息似乎表明,虽然目前时机不错,应该好好抓住,但MEMS领域不应该自信心太过膨胀:设备机会和用量在增加,但平均售价仍承受很大的压力。与此同时,多种传感器正被集成进更少的封装中,一些传感器甚至开始从智能手机中消失,目的是尽量降低成本。另外,虽然可穿戴设备是当今的市场热点,但不一定持久,大得多的物联网(IoT)市场则还需要许多年才能变得成熟。
市场调查公司Yole Développement总裁兼首席执行官Jean-Christophe Eloy列举出大多数智能手机中7种主要的传感器类型,分别是麦克风、加速度计、陀螺仪、体声波(BAW)、磁力计、压力和湿度传感器。
Eloy随即指出,传感器领域出现了融合的强烈趋势,加速度计/陀螺仪/磁力计被封装在一起形成惯性测量单元,压力、湿度和混合传感器则被链接在一起形成环境单元。“下一个会融合的产品是用于未来移动电话的气体化学传感器和红外成像。红外是一种非常有趣的发展成果,因为它支持手势和面部的识别以及夜视功能。”Eloy表示。
但在这些种类中一些传感器的数量在增加。比如麦克风的数量从一个发展到多达5个,以便帮助实现噪声抵消和改善音质。与此同时,Eloy介绍了向具有局部处理功能的传感器集中器发展的趋势。“传感器集中微控制器是近来的一种趋势。运算全部在应用处理器上完成。现在博世、意法半导体、InvenSense等公司都已经推出这种集中器。”他表示。
法国消费电子产品公司Parrot的合作业务发展部副总裁Yannick Levy认为,虽然可与智能手机通信的可穿戴设备是一个热门主题,近期对许多MEMS元件供应商来说是个很好的机会,但任何单独的设备可能都不持久。如果在市场上取得成功,将很可能被吸收进下一代智能手机中。
Levy强调,现在有许多健身用的可与智能手机通信的可穿戴设备,但这种功能也很容易增加到智能手机中,就像照相机功能那样。他提供了一份统计数据用于描述智能手机在芯片市场中不断增长的影响力:两三年前,智能手机中的元器件占12%的半导体市场,而现在占到了24%。正在基于这样的原因,Parrot公司正在寻求更为广阔的物联网领域。这个领域是智能手机所无法分享的,因为它与物理世界链接在一起。