健康照护成可穿戴设备卖点,生物/环境传感器需求飙涨

MEMS 2018-05-29 09:45:16

可穿戴应用点燃传感器新商机。Apple Watch上市后掀起可穿戴设备健身及健康照护应用新风潮,吸引半导体厂不论老将新秀纷纷推出各种生物与环境传感器方案,其中,心率、大气压力、紫外线及气体传感器更是群雄竞逐焦点。

苹果迷引颈期盼的Apple Watch智能手表,终于在4月23日正式开卖。由于苹果仅开放网络订购,因此实体店面并未如以往出现排队人龙,不过仍有许多果粉前往“朝圣”,一睹Apple Watch的风采,并实际体验其新奇功能。

Apple Watch加持,可穿戴设备出货量飙升

对于Apple Watch的上市,市场研究机构多抱以正面的评价。Gartner研究总监Angela Mclntyre指出,现今全球有已有超过三亿的iPhone使用者,这些都将是未来Apple Watch的潜在消费群;预期在Apple Watch正式开卖的推助下,全球智能手表总出货量可望由2014年的五百万支,增长至2015年的四千万支。另一家市调公司BI Intelligence也认为,在果粉和高端消费者需求驱动下,Apple Watch首年出货量将达一千五百万支;而未来2年出货量成长率也分别高达65%和43%。

国际数据资讯(IDC)则预估,2015年Apple Watch出货量将可达一千五百九十万支,占总体智能手表出货比例高达62%,为市场最大赢家;而此类可运行第三方应用程序的智能穿戴设备总出货量,也可望在Apple Watch上市的激励下,由2014年的四百二十万件暴增至2015年的二千五百七十万件,成长率高达511%(图1)。

图1 2014-2019年全球可穿戴设备出货量分析

尽管Apple Watch实际销售表现仍待时间验证,但不可否认的是,它的出现无疑已为可穿戴市场注入一股强劲发展动能,并将吸引更多业者跟进加入战局,让穿戴式市场更加蓬勃发展。

健康照护功能成亮点,可穿戴传感器需求上扬

在新发售的Apple Watch众多功能中,尤以心率检测最受业界瞩目,不少有意购买的消费者也对这项功能跃跃欲试。

Apple Watch内建的心率传感器是基于光电容积脉波描记法(Photoplethysmography, PPG),其利用绿光发光二极体(LED)及红外线光,再搭配可感光的光电二极体(Photodiode)来量测手腕中血液的光反射变化,从而计算出心跳速率(图2)。

图2 Apple Watch系利用绿光LED、红外线光及光电二极体实现心率感测

根据苹果官方指出,在一般使用状况下,Apple Watch主要是用红外线光以每10分钟量测一次的频率,来检测使用者心跳,惟当红外线光所测得的信号不足以计算出心率时,系统则会自动切换成以绿光LED来进行感测。此外,当信号过小时,该心率传感器也会藉由增强LED亮度和采样率,来进行补偿。

事实上,早在Apple Watch上市前,即有不少运动专用手表已开始导入这种光学感测式的心率检测技术,如Mio Alpha、TomTom皆有相关产品推出,并主打毋须另外配戴心跳带的诉求,吸引运动爱好者。

虽然传统采用心电图(Electrocardiogram, ECG)量测技术的心跳带,心率侦测效果较为精准,但使用上并不方便,且有维护及卫生上的疑虑;而光学式心率感测方案不仅体积精巧、使用便利,量测精准度也已快速提升,并可符合消费性应用需求,遂成为可穿戴设备制造商的设计新选择,包括三星Galaxy Gear S、LG G Watch、Moto 360智能手表皆已相继采用,而Apple Watch的导入,更将助长这股设计潮流。

市场研究机构IHS总监暨MEMS与传感器资深首席分析师Jeremie Bouchaud表示,一如苹果的iPhone和iPad,Apple Watch也将树立智能手表传感器规格的业界标准,并吸引其他多数的可穿戴产品制造商跟进采纳,进而推升可穿戴设备传感器出货量在未来几年快速成长。

Bouchaud进一步分析,可穿戴设备是传感器发展的温床。随着穿戴式产品中使用的传感器数量持续增加,相关产品市场规模也将同步扩大;而促成此一现象的原因,是可穿戴市场正由简单功能的产品如计步器,朝向更复杂精密且多功能装置发展,如智能手表。这些多功能智能产品,将采用更多传感器元件,以实现健康和活动监测,以及更先进的人机界面功能(表1)。

此外,智能手机品牌厂也已意识到对某些类型的传感器而言,可穿戴设备是比智能手机更好的搭载平台。因此,IHS预期,诸如湿度计、心率计将逐渐由手机扩展至可穿戴设备,如智能手表,而这也将进一步刺激可穿戴传感器的出货量。

根据IHS统计预测,在健身和健康监测需求快速攀升的驱动下,可穿戴设备使用的传感器出货量,在2013~2019年将增长七倍,从2013年的六千七百万颗,大幅跃升至2019年的四亿六千六百万颗,成长速度比可穿戴设备市场本身更快(图3)。其中,智能手表将是2015~2019年推动可穿戴传感器市场成长的最主要应用。IHS预估,2015年整体可穿戴传感器出货量将成长一倍,其中用于智能手表的传感器出货量更将激增近600%。

图3 2012~2019年可穿戴设备传感器出货量分析

健身/健康穿戴式应用增多 半导体厂竞逐生物感测

显而易见的,健身与健康应用已成为可穿戴设备制造商新产品的重要卖点,包括苹果、三星、LG的最新智能手表皆已配备相关功能,引发可穿戴传感器需求快速增温;而心率、血氧浓度等生物传感器由于应用市场方兴未艾,已吸引许多半导体厂积极展开卡位,包括奥地利微电子(ams)、芯科实验室(Silicon Labs)、美信(Maxim Integrated)、欧司朗光电(OSRAM Opto)半导体等皆竞相于近期推出多功能整合的感测方案。

抢搭穿戴式心率感测商机 ams高整合HRM平台出击

奥地利微电子台湾区总经理李定翰表示,全球人口不断老化,可穿戴设备导入健康照护相关传感器已成大势所趋,近期医疗类App数量快速增加,亦可印证此一发展现象,未来,随着相关应用程序持续扩增,传感器在可穿戴领域的成长将扩大发散;而今年在Apple Watch上市的推波助澜下,心率传感器可望在穿戴市场率先起飞。

为抢搭此一商机,奥地利微电子已研发出光学式心率传感器平台AS7000,其整合Cortex-M0微控制器核心、LED、带通滤波器及模拟数字转换器,并能与奥地利微电子自行开发的算法相互搭配,不仅较分离式设计方案更加精巧,亦大幅降低设计困难度。

李定翰指出,AS7000系高整合单晶片平台,只要搭配不同的LED和算法,即可实现心率、血氧饱和度,甚至血压等不同等级的量测功能。目前奥地利微电子已推出基于该平台的心率传感器方案,而可检测血氧饱和度的方案也已开始送交部分客户进行测试,将是下一阶段抢攻重点;未来则将持续朝血压量测应用方向发展。

此外,AS7000由于已整合Cortex-M0中央处理器(CPU),可自行处理传感器中断相关作业,而毋须动用到系统的主要处理器,加上M0核心本身功耗极低,因而整体方案也相当省电。

李定翰透露,AS7000在可穿戴市场已有许多导入设计案正在进行,预计第二季开始会进入量产,且整体出货量将相当庞大;而在手机市场也有数个设计案正在洽谈。

面对来自其他众多方案的竞争,李定翰认为,随着可穿戴设备设计需求涌现,心率传感器市场将进入百家争鸣的混战期,而后将逐渐开始收敛,最终唯有效能挂帅的产品才能在激烈的竞争中胜出,因为这类功能一定是放在高端产品,所以效能必定是最优先的选择考量。

李定翰强调,奥地利微电子在光传感器市场已独占鳌头,且相关技术仍持续突破,将是心率传感器未来发展的一大基石。此外,AS7000所搭配的心率传感算法皆是该公司自行开发,精准度已可媲美心率感测领域先行者Polar的产品效能,亦是该公司另一重要的竞争优势。

抢攻穿戴式商机,欧司朗光电跨足生物传感市场

无独有偶,欧司朗光电半导体日前也开始扩张传感器产品阵容。瞄准快速起飞的可穿戴应用市场,欧司朗光电继推出环境光传感器后,日前再进军生物传感市场,并发布首款健康监控用整合型光传感器SFH7050,可量测人体心率与血氧浓度,满足可穿戴设备健身应用需求。

SFH7050健康监测传感器尺寸仅4.7毫米×2.5毫米×0.9毫米,只需极小的功率和空间,因此非常适合用于健身腕带、智能手表或智能手机。使用者只要将搭载该款传感器的装置配戴于手腕或将手指放在传感器上,即可测得心跳速率,而不再须要另外穿上心率传感胸带。

除心率量测更方便外,这款传感器也可提供血氧浓度的信息。至今为止,血氧浓度的测量多半须进行血液采样,而SFH7050传感器则突破这项限制,利用光学原理测定出人体血液中的含氧量。

据悉,SFH7050传感器系由一颗绿光、一颗红光和一颗红外线LED,以及一颗光电二极体所组成。当传感器直接置于皮肤上,并传送光源进入体组织后,检测器会记录反射的光量。这些信号程度的变化,反应出流经被光照射的动脉血液量,而信号的周期数即显示出心跳速率。

上述三颗LED可被个别控制,并用于量测不同人体部位,如绿光LED是量测手腕,红光LED或红外线LED是用于手指头量测。其中,红光LED和红外线LED交替照射手指头,并测量两者反射光的讯号,可进一步计算出血氧浓度。这项功能对于心脏或肺脏有问题的病患、运动员,以及从事高海拔地区活动者相当有用。

欧司朗光电之所以能在SFH7050传感器中实现心率和血氧浓度量测,主要是借助LED薄膜制程技术。事实上,将光学技术用于测量血氧浓度及心跳速率,已经在医疗领域发展多年,但因缺乏一种低功耗的光源,所以迟迟无法将此设计用于在可穿戴设备中。

LED虽然是众所期待的光源选项,但必须拥有非常窄的发光频谱,才能让光传感器达到所需的信号品质。直到薄膜技术出现后,高效率LED芯片才可产生所需的窄发光频谱。

在SFH7050传感器中,绿光和红外线LED拥有±30纳米的频宽,而红光LED的波长容差也低至±3纳米。LED芯片和光电二极体间的桥接器,也有助确保传感器可提供极佳的信号品质。这个桥接器可预防发光体的光直接到达接收器,以大幅降低背景信号。

藉由红外线LED以及光电二极体的辅助,SFH7050也同时可实现近接感测的功能,这意味着当使用者的肌肤触碰到或从传感器上移走时,传感器可自动开启或关闭。

强化可穿戴应用功能,压力/紫外传感器行情走俏

除心率传感器炙手可热外,大气压力与紫外线等环境感测也愈来愈受到可穿戴设备业者青睐。

意法半导体模拟、MEMS及传感事业部技术行销经理李炯毅表示,可穿戴设备可说是物联网应用的首波商机,其中,运动、健身及健康照护更将是其最主要的三大应用;而压力计可补强全球卫星定位系统(GPS)在高度量测上的不足,尤其是在室内使用情境时,以达到更精准的楼层检测、强化定位服务(LBS),甚至实现天气变化预测,因而日益受到重视,近期许多智能手机、平板,以及可穿戴设备如运动手表、智能手表和健身手环皆已开始导入。

根据IHS预估,至2018年压力计在消费性电子应用的出货量可望上看十亿颗规模。瞄准此一商机,意法半导体研发出新一代压力计LPS22HB,其不仅体积小巧,且具有极佳散热与强固特性,同时亦能兼顾效能与功耗。

据了解,新款压力计系采用意法半导体名为“Bastille”的新MEMS技术,因而能达到全压塑穿孔基板栅格阵列(HLGA)封装设计,让芯片面积仅为2毫米×2毫米,且厚度不到0.8毫米,成为市场上最小的封装。此外,由于此种设计本身即具备无尘防水的特性,所以不再需要金属或塑胶盖以及附加的机械隔离栅格。

李炯毅强调,从2.5毫米缩小至2毫米看似差异不大,但确是技术上的一大突破,这全有赖意法半导体长久以来在MEMS制程与封装结构的研发努力,以及深厚的设计功力才能实现。

除压力计外,意法半导体近期更推出全球首款可直接数位输出紫外线指数的传感器方案UVIS25,进一步扩大环境传感器产品阵容。 李炯毅指出,过度暴露于紫外线的照射会导致人体出现暂时性的黑斑,甚至可能引发更严重的病症,因此世界卫生组织和世界气象组织在1990年代中期提出太阳光紫外线照射预防标准,旨在指导人们采取正确的防晒措施,预防紫外线辐射危害人体健康。

UVIS25是一款尺寸极小的紫外线数字传感器,目标应用锁定所有紫外线传感市场,包括可穿戴设备、智能手机、平板电脑及气象站设备。凭藉意法半导体的专利技术,新产品能够感测波长200~400纳米的紫外线,包括对人体健康危害最大的UV-A波长(315~400纳米)与UV-B波长(280~315纳米)紫外线。

UVIS25不仅具有紫外线感测功能,还能直接在内部计算紫外线指数,是市场唯一无需外部处理演算法或是在客户生产线上校正数据的紫外线传感器。目前UVIS25已开始提供样品,预计2015年第二季末开始量产。

有效监控空气品质,气体传感成穿戴应用新宠

可穿戴设备是人们贴身使用的物品,除适合做为人体生命体征信息搜集之用外,亦是使用者掌握身边环境状况、避开危险因子的重要工具,如上述紫外线强度检测即是一例。此外,传感器开发商近期也开始推出各种气体感测方案,为可穿戴设备用户把关各种有害健康的气体。

如Bosch Sensortec今年初即推出一款整合压力计、湿度计、温度计及气体传感器的多功能组合新方案BME680,封装尺寸为3平方毫米,强化其环境传感器产品阵容。

此外,看好气体传感应用前景,奥地利微电子于2014年中透过购并Applied Sensor跨足此一市场,日前已成功将可探测挥发性有机化合物(VOC)的MEMS气体传感器AS-MLV-P2用于Withings的家庭监测系统,正积极打造尺寸更小的新一代解决方案,以满足穿戴式应用需求。

李定翰指出,VOC气体感测器中间使用化学化合物,其灵敏度与体积大小相关,若用在手机或穿戴式装置,感测器体积须相当小巧,因此会影响气体侦测灵敏度,所以奥地利微电子正致力研发新材料与制程技术,以打造穿戴装置适用的解决方案。

传感器厂商力拼可穿戴市场 精度/尺寸/功耗决定胜负

从上述传感器业者的动态不难发现,可穿戴设备尤其是智能手表的兴起,已掀动庞大的传感器应用需求,其中,心率传感器更是首波热门商机;而压力计和紫外线传感器则在相关元件供应商和可穿戴设备制造商力捧下,热度快速增温。至于气体传感器则将成为下一波可穿戴设备功能发展的新选择。

现今,可穿戴设备传感器市场正处于群雄并起的阶段,各家业者无不使出浑身解数展开抢攻,然而,诚如李定翰如言,传感器要能发挥价值,精准度绝不容打折,否则将形同虚设;因此,高精度、小尺寸与低功耗将成为传感器业者产品比拼的重点,唯有能满足这三大要求的业者,方能赢得最大胜利。