如今,随着谷歌眼镜、Fitbit个人活动追踪器等一些可穿戴产品的成功推出,“可穿戴电子产品”正在成为另一个极具发展潜力的市场。
事实上,“可穿戴电子产品”涵盖的产品范围很广,不仅包括现有的健康和娱乐产品,还包括一些未经证实的概念,例如生物传感器阵列、电子服装,甚至电子纹身。
与其他新兴市场一样,可穿戴电子产品的市场前景也受到质疑。
开发者和用户不知道哪个产品会尝到甜头,哪个产品会惨遭失败;目前已明确分类的一些产品,例如健康监测仪和医疗设备,将来可能会合并为一类产品。
然而,当今所有的可穿戴电子产品和正在发展的可穿戴概念都有一些共同的特点:1)可穿戴设备可以与人体直接接触,因此可以辅助监测人体的健康状况; 2)可穿戴设备可以与主机配合使用,因为主机可以提供运行应用软件的平台和更大的显示屏幕。
可穿戴设备对消费者来说非常有用,因为它们体积小,可以贴合用户的皮肤,并且兼容 iOS 或 Android 系统。
但正是由于这些特点,可穿戴设备的电路设计非常困难。
许多可穿戴设计概念将可穿戴设备的功能定义为检测与用户非常接近的生理数据或环境数据,例如用户的心率和血压,或者用户附近的空气质量。
限制可穿戴传感器运行的主要因素显然,从理论上讲,传感器位于身体上或身体附近以及其与移动计算设备的连接将为用户提供非常实用且有趣的功能。
上述所有情况的底层技术也已经存在:如今,实验室已经可以测量心率、血氧水平和空气质量等参数,或通过 LED 和光传感器实现接近检测。
那么,如何让这些功能在真实环境中有效发挥作用呢?这是我们面临的主要挑战。
主要难点分为以下三类: 1)环境:可穿戴设备主要是供人“佩戴”和“佩戴”的,也就是说它们会贴在或接近人体皮肤上,因此不可避免地会产生受热或被灰尘污染。
被汗水或油污弄脏。
因此,由于用户可能过度振动设备、将设备浸入水中或在电磁噪声严重的环境中使用设备,设备的功能不可避免地会受到影响。
2)能耗:为了满足用户“戴”和“戴”的要求,可穿戴设备必须足够小、足够轻。
因此,可穿戴设备内部用于安装电池的空间非常小。
如果电池需要频繁充电或者更换,无疑会让用户对设备的价值和功能产生质疑。
因此,整个电路在设备运行时应消耗尽可能少的功耗,在不运行时开启省电模式。
3)质量:第一代健康监测仪的参数检测(例如心率和运动)数据不太准确,因此用户可能不会因为这些设备的新颖功能而感到非常满意。
如果我们想要更好地利用这些可穿戴生理传感器,就必须保证设备的准确性和可靠性。
例如,可穿戴式心率或血氧传感器未来可能被用作医疗设备,需要经过美国食品和药物管理局的严格审查。
对于传感器制造商来说,在存在大量干扰的环境中确保高精度和可靠性极具挑战性。
将传感器输出转化为有意义的应用 生产可穿戴传感设备的挑战在于,在实验室经过验证的技术需要在小型、高温、肮脏且充满电子噪声的实际应用中实施。
这考验了模拟集成电路制造商的能力,并对他们提出了要求: ● 更高的集成度和小型化 ● 更低的能耗 ● 更高的灵敏度 ● 更多的应用专业知识 举个例子可以说明情况: 手势感应是可穿戴设备很快需要的一个常见功能,因为它消除了产品表面上的按钮的需要。
手势控制电路可以包含两个或更多个红外LED和红外光电二极管。
当用户的手经过发光二极管时,可以通过分析反射到光电二极管的红外光来识别手势。
可穿戴手势传感器的应用对环境具有挑战性,因为红外光传感器会受到大量噪声的影响。
可穿戴设备经常暴露在环境光下,其中可能包含红外亮度。
此外,设备表面的传感器窗口可能会被用户的汗水和油、灰尘和污垢等污染物遮挡。
为了清楚地区分环境光中的红外线和发光二极管反射的红外线,光电传感器必须非常灵敏,这需要先进的模拟半导体技术。
同时,可穿戴设备体积小、重量轻。
高度集成的半导体设计有助于实现小型化要求,以适应可穿戴设备所需的规格。
光电二极管、模拟前端和处理器核心可以组合起来在单个芯片上实现完整的手势控制系统。
换句话说,在可穿戴设备上实现手势控制系统不能简单地在设备的小电路板上安装红外发光二极管和红外光电二极管,而是需要硬件和应用软件的结合。
系统中的元素相互作用;例如,光电二极管的灵敏度会影响 LED 的规格以及解释原始测量数据的软件的操作。
系统的质量,即快速可靠地识别手势的能力,既取决于应用软件,也取决于传感器硬件。
可穿戴设备制造商也越来越倾向于特定的传感器系统而不是传感器组件。
为了赢得市场,模拟芯片制造商必须提供成熟的应用算法和应用软件来支持传感器硬件。
其他便携式应用程序也是如此。
例如,在脉搏血氧仪的应用中,当它压迫用户的血管时,可以通过感应LED光来测量血氧水平。
同样,软件用于解释原始测量数据并将其转换为准确的血氧测量值。
即使传感器被油脂、灰尘或汗水污染,或者周围有环境光,最终结果也不会受到影响。