可穿戴設(shè)備掀智能技術(shù)新浪潮 - 全文

　　可穿戴式設(shè)備正成為電子產(chǎn)品領(lǐng)域的創(chuàng)新亮點，其前景被業(yè)界看好，許多實力雄厚的業(yè)界巨擘紛紛投入可穿戴式設(shè)備的研發(fā)，有些產(chǎn)品已經(jīng)問世，如Google Glass眼鏡；還有處在研發(fā)階段就備受矚目的蘋果iWatch，以及憑借此類產(chǎn)品由名不見經(jīng)傳迅速崛起的PebbleWatch智慧手表。

　　特別是在如今產(chǎn)品創(chuàng)新乏善可陳的電子產(chǎn)品市場，可穿戴設(shè)備的出現(xiàn)，為業(yè)界廠商帶來一個新的利潤成長機會，各家廠商躍躍欲試，準(zhǔn)備開始在這一新興戰(zhàn)場展開廝殺。

　　根據(jù)Juniper公司最新發(fā)表的研究報告預(yù)測，包括智能眼鏡和其它頭戴式顯示器在內(nèi)的可穿戴運算市場將在未來幾年內(nèi)實現(xiàn)超過15億美元的市場規(guī)模，其驅(qū)動力主要來自健身、多功能設(shè)備和醫(yī)療保健等方面的消費支出。

　　可穿戴設(shè)備屬于“未來的外形”設(shè)計，Juniper表示，像蘋果和Google等大廠已經(jīng)在這個領(lǐng)域做出重大策略行動。

　　隨著Nike+和Fibbit Tracker等應(yīng)用的推出，今年可穿戴設(shè)備市場已經(jīng)達到8億美元。這些應(yīng)用讓用戶在運動健身的同時，透過電腦收集處理其健身數(shù)據(jù)。

　　上述報告還指出，雖然每年售出的健身和運動設(shè)備在數(shù)量上較保健護理設(shè)備更多，但保健領(lǐng)域的零售價格更高一些。

　　現(xiàn)有可穿戴無線運動用品與無線供應(yīng)商，如Polar、Garmin、Nike和Adidas等，在2012年期間都進一步擴充其可穿戴無線感測器產(chǎn)品線，同時也有許多新創(chuàng)企業(yè)成立，進一步拓展了這類產(chǎn)品收集數(shù)據(jù)的用途和潛能。

　　生物MEMS發(fā)展受益

　　MEMS 感測器在可穿戴設(shè)備中扮演重要角色，MEMS感測器市場將獲得巨大的成長，并帶動生物MEMS獲益。根據(jù)法國Yole Developpement的調(diào)查指出，全球生物MEMS市場規(guī)?？赏谖磥韼啄陜?nèi)成長三倍，從2012年的19億美元成長到2018年的66億美元，移動護理應(yīng)用將對這種成長做出巨大的貢獻。

　　微系統(tǒng)設(shè)備有4大保健護理應(yīng)用市場，分別是制藥、體外診斷、醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療家庭護理。在Yole公司發(fā)表的題為“BioMEMS 2013”的最新報告中，Yole認為每個市場都有相對應(yīng)的企業(yè)、發(fā)展動態(tài)和市場驅(qū)動力。

生命科學(xué)領(lǐng)域的生物MEMS及微系統(tǒng)市場

　　MEMS 感測器供應(yīng)商也致力于發(fā)展可穿戴設(shè)備市場，為此類產(chǎn)品提供技術(shù)支持。例如意法半導(dǎo)體（STMicroemectronics）為Preventice公司開發(fā)的最新BodyGuardian遙控監(jiān)視系統(tǒng)，能提供可穿戴身體感測器技術(shù)。這種系統(tǒng)適用于非住院病人、非致命性心率失調(diào)疾病的偵測和監(jiān)控。

　　這種感測器可收集許多重要的數(shù)據(jù)，包括病人的心電圖、心率、呼吸速率和活動量，并透過移動動電話技術(shù)把這些數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)師，使他們能在iPad或可移動設(shè)備上監(jiān)控病人。BodyGuardian RMS中的可穿戴身體感測器采用了意法半導(dǎo)體公司的許多硬件和軟件技術(shù)，包括復(fù)雜的MEMS、低功耗STM32微控制器、類比元件以及先進的專有演算法。

　　遠端病人照護系統(tǒng)降低了病人支出并改變了護理方式，這促進了無線監(jiān)護應(yīng)用的快速成長，而且這種成長還可望持續(xù)到未來幾年。

　　另外，Xsens公司也開始涉足這一領(lǐng)域。Xsens是3D運動追蹤技術(shù)和產(chǎn)品公司，并與意法半導(dǎo)體公司合作開發(fā)首款可穿戴的無線3D運動追蹤系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用消費級MEMS組合感測器，并在德國慕尼黑舉行的Electronica 2012上進行展示。

　　Xsens制作的上述展示產(chǎn)品整合了Xsens公司獲得專利的感測器融合演算法和無線協(xié)議，以及意法半導(dǎo)體公司的iNEMO-M1，后者是一種9軸智能感測系統(tǒng)，整合了意法半導(dǎo)體的iNEMO MEMS運動組合感測器和STM32微處理器。

　　Xsens 的產(chǎn)品采用意法半導(dǎo)體的運動MEMS技術(shù)，顯示其靈活運用原本為運動科學(xué)和電影產(chǎn)業(yè)專業(yè)市場（B2B）開發(fā)IP的策略。該公司已經(jīng)為許多好萊塢電影（如愛麗絲夢游仙境、鋼鐵人2和X戰(zhàn)警）提供了運動擷取技術(shù)，目前這種技術(shù)還延伸到消費電子領(lǐng)域中的合作伙伴，協(xié)助他們制作獨特的下一代3D運動追蹤的用戶體驗和解決方案。

　　“利用運動MEMS在游戲系統(tǒng)、智能手機和平板電腦中增加擴增實境（AR）功能以取得巨大成功之后，現(xiàn)在是鼓勵和引導(dǎo)新興應(yīng)用的時候了?！币夥ò雽?dǎo)體公司類比、MEMS和感測器部門執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理Benedetto Vigna指出，“Xsens的獨特3D運動追蹤技術(shù)可協(xié)助客戶創(chuàng)新，并為其運動、健身、保健護理和游戲用戶提供新的解決方案。”

　　可穿戴無線3D身體運動追蹤技術(shù)將在云端連接的可穿戴式運動、健身、保健護理和用于智慧手機的游戲感測器配件領(lǐng)域帶來新一波創(chuàng)新浪潮。

　　可撓性電路促進可穿戴設(shè)備發(fā)展

　　除了感測技術(shù)以外，可撓性電路對于可穿戴設(shè)備的發(fā)展也具有重要作用。 IBM推出了一種在可撓性塑膠基板上制造硅基電路的最新低成本技術(shù)。雖然IBM坦承這種制程目前還存在一些電晶體性能衰減的問題，但根據(jù)其研究報告認為，IBM已能在室溫下利用傳統(tǒng)制程制造出價格合理的可撓性電路。

　　這種方法與可撓性電路的其它一維和二維材料相較，“其它材料在低阻觸點、可靠的閘極電介質(zhì)方面仍存在許多問題?！盜BM公司T.J. Watson研究中心研究助理員Davood Shhrjerdi表示。其它方法也可能采用非傳統(tǒng)制程或材料，或者在制造過程中要求高溫步驟。

IBM的設(shè)計方法示意圖

　　IBM的方法是受控剝落或片狀剝落，在今年稍早這種方法被描述為硅、鍺和111V層的‘無切口’去除法。因此IBM正使用這種技術(shù)實現(xiàn)低功耗的光電產(chǎn)品。

　　這種方法極其簡單─只要元件基本斷裂并且硅基板被剝離之后，元件就可以傳送給可撓性塑膠基頻。元件的閘極長度不到30nm，閘極間距為100nm。

　　據(jù)IBM透露，該公司生產(chǎn)的功能性SRAM單元的VDD低至0.6V，而且其環(huán)形振蕩器在0.9V時的一級延遲僅為16ps，據(jù)稱這是已知可撓性電路所能實現(xiàn)的最佳值。

　　具體制程是這樣的：IBM先做出一個基板來，這種基板是特別薄的SOI-ETSOI。然后在這種基板上沈積一層鎳應(yīng)力層，厚度大約為5至6um。（ETSOI元件是使用22nm CMOS制程在300mm晶圓上制造出來的。）

　　IBM接著再在應(yīng)力層上使用一層可撓性聚亞胺帶層。隨后研究人員于室溫環(huán)境下在一邊產(chǎn)生一個‘應(yīng)力中斷’，并以‘機械可受控的’方式將前破裂面沿表面?zhèn)鞑?，Shahrjerdi表示。

　　IBM表示使用ETSOI有兩個理由。首先，它的特性中包含一個超薄體（60埃），允許30nm以下的通道調(diào)整，“因此能獲得很高的組裝密度”，Shahrjerdi指出。第二個特性是非滲雜通道，能夠減少可變性。這種特性允許在晶片上實現(xiàn)靈活的電壓調(diào)整，他補充道。

　　用于靈敏感知的新材料

　　可穿戴式設(shè)備因其特殊性，在許多方面的要求往往有別于一般設(shè)備的特殊技術(shù)，如一項為期三年半且得到EPSRC ICASE獎資助的博士研究計劃，主要研究可穿戴技術(shù)的需求領(lǐng)域和應(yīng)用方式，它以一種高度創(chuàng)新的方式將這個產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)的專業(yè)技術(shù)集中在一起。

　　Peratech公司執(zhí)行長David Lussey表示，“我們的QTC材料在許多年前就用來提供衣服中的開關(guān)，因此我們知道它能承受惡劣的磨損和洗涮環(huán)境。這個計劃整合了技術(shù)、設(shè)計和用戶需求，能夠幫助人們充分了解可穿戴技術(shù)這個成長中領(lǐng)域的發(fā)展道路?！?/p>

　　QTC技術(shù)的核心是：當(dāng)被施加一個力（如壓力）時，QTC材料會改變其電阻。將QTC墨水印刷到紡織品上形成簡單的通/斷開關(guān)，但更讓人感興趣的是，因為阻值變化正比于力的大小，所以衣服的一些地方可以變得具有觸控感應(yīng)性，或者可以把它做成可識別的壓力輸入面。

衣服中的感測器可監(jiān)測疾病信號，并能在穿戴者處于危險化學(xué)成分環(huán)境下發(fā)出警告

　　“市場上已經(jīng)有可提供電腦顯示器的眼鏡了，”David Lussey解釋說，“但它們?nèi)鄙僖环N輸入并與之交互的簡單方式。利用我們的技術(shù)，你可以將鍵盤印刷到衣袖上，或印刷到手套的背面，并透過藍牙與眼鏡連接起來?；蛘邔⒁粋€方塊觸控感應(yīng)的QTC材料作為觸控板，用于回應(yīng)人們在智能手機和平板電腦上已非常熟悉的捏、伸、拂等多點觸控手勢輸入。

　　可穿戴設(shè)備目前正成為業(yè)界的熱門話題，圍繞這項產(chǎn)品的各種材料和技術(shù)正緊鑼密鼓的研發(fā)中，從它作為一個新的產(chǎn)品創(chuàng)新與獲利的觀點來看，這種可穿載式的設(shè)備預(yù)計將在不久后為如今的電子產(chǎn)業(yè)格局帶來新一波的變化。