膚暢附隨 穿戴裝置感測感應與微機電技術
- DIGITIMES企劃
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微機電系統(MEMS)是將機械元件與微型電子元件融合在一起的工業技術。在各MEMS元件製造與供應商的製程與技術的提升之下，讓MEMS的體積更小、能耗更低、甚至採多合一的功能設計，以應用在電子、汽車、醫療、國防、航空等工業領域。如今在穿戴式裝置興起的年代，MEMS的應用更加淋漓盡致，廠商的感測技術也將發揮到極致，讓智慧生活的無所不在。接下來看看MEMS技術在穿戴式科技產品的應用現況…
自2006年任天堂率先發表了Wii，開啟體感操控的遊樂器新世代，而蘋果在2007年發表的iPhone智慧型手機、與2010年發表的iPad平板電腦，也率先為行動裝置市場開啟多指觸控的新操作時代，引爆了MEMS(微機電系統)市場需求量逐年暴增。
應用到體感控制的MEMS元件，主要內建了慣性感測元件(Inertial Measurement Unit；IMU)，以用來偵測物體運動的元件，包含加速度計(Accelerometer或G-sensor)、陀螺儀(Gyroscope或Gyro)、磁力計(Magnetometer或M-sensor或稱E-Compass)。
例如2009年的蘋果iPhone 3G的加速器為ST LIS331DL，到2010年的iPhone 4的時候，A4 CPU整合了陀螺儀，再搭配AKM8975的磁力計與STM33DH加速器，IMU必備的三種感測器全到齊。也成為當今許多手機之動作感應器的必備元件。
光學感應元件部分，主要有攝影機(Camera)、距離感應器(Proximity Sensor)、光度感測器(Ambient Sensor)，可以用來感測周遭環境，可以偵測到手勢移動，來做為手勢輸入或人臉辨識等應用，亦可應用在智慧眼鏡這類的穿戴式產品。
此外，在環境感測元件部分，像是溫度計(Thermometer)、氣壓計(Barometer)、濕度計(Hygrometer或Humidity Sensor)、壓力計(Manometer或Pressure Sensor)、計步器(Pedometer)，甚至心率器(Heart Rate Sensor)等等，主要用來提供給戶外運動者統計運動量的應用，主打健康照護市場。
慣性感測元件的進化 從3軸到12軸
早期的MEMS元件，大多是採用單一功能來設計，以慣性式感測元件(IMU)來說，就包含了：3軸加速器(以下簡稱A；產品有Analog Devices AXDL330、Freescale MMA7660FC、ST LIS3DH、Bosch BMA150等)、3軸磁力計(以下簡稱M；產品有如ST LIS3ML、Freescale MAG3110、Honeywell HMC5883L等)、3軸陀螺儀(以下簡稱G；產品有如ST L3GD20、InvenSense ITG-3200等)。
由於製程技術進步，近年來新一代的IMU元件，除了將體積縮小之外，多合一的MEMS元件(俗稱Combo MEMS)也紛紛出爐。MEMS大廠們紛紛推出IMU Combo MEMS，有些是所謂的6軸設計(即整合上述A+M或A+G的功能，例如ST LSM6系列、InvenSense MPU-6500系列)，有的是6+3軸設計(整合上述A+M的功能，然後模擬出G的功能，例如Kionix KMX61G)，也有9軸設計(整合上述A+M+G的功能，如InvenSense MPU9x50、Bosch BMX055、ST LSM9DS0等)，目前6+3軸、9軸已是新一代IMU晶片的主力產品。
Kionix的KMX61G(6軸慣性感測器)，整合了加速度計和磁力感測計，搭配內建的軟體來模擬陀螺儀，整體功耗可再大幅縮減，為9軸產品的十分之一，另還有嵌入式溫度感測器，3x3x0.9mm封裝尺寸，適合應用在於保健、健身與監測應用上的穿戴式行動裝置，也榮獲2013年最佳感測器創新獎。
另外，還有所謂的10軸設計，即A+M+G共9軸之外，再加一個P(P為壓力計)功能，透過前三軸算出壓力值。這就是所謂的DoF (Degrees of Freedom；全自由度)動作的IMU晶片，這類產品有Analog的ADIS16407。
當然，還有廠商針對Windows 8 Sensor Hub設計出USB感測模組，支援12軸架構，亦即上述10軸再加溫度計與光源感應器，搭配微軟的Sensor API，以供廠商來設計出電腦產品。例如Freescale RDFXWIN8USB。
穿戴式裝置所應用的慣性感測元件
在穿戴式科技已成顯學的今天，各廠商紛紛發表多款如智慧手錶、智慧手環等穿戴式商品，以時尚造型、體積迷你等訴求來吸引消費者；為主打健身與運動訴求，其內建了許多慣性感測器(IMU Sensors)，也有內建環境感測功能的產品。
這些比手機、平板更小的穿戴式裝置，勢必得應用到更小的元件設計，來滿足穿戴式裝置需要更輕薄短小的要求。因此眾MEMS元件製造商，紛紛推出前述的多合一的MEMS系統元件，使體積更小、功能更多，讓系統設計上更加簡潔、容易。
如今許多穿戴式裝置，在IMU元件上，大多只配置3軸加速器，因為只要加速器，就可計算出運動量(計步器、跑步？騎車速度等等)，包含Qualcomm Toq、Martian Passport等智慧手錶，以及Nike+ FuelBand SE、Adidas miCoach SMART RUN、Garmin Forerunner系列、Jawbone UP系列等運動手錶？手環。
好一點的智慧手錶？手環，則是配置六軸陀螺儀？加速器為主，以Samsung Gear 2/Neo智慧手錶與Gear Fit智慧手環所內建的InvenSense(應美盛)的MPU-6500，便是六軸陀螺儀？加速器的設計，且採3x3x0.9mm QFN封裝，體積非常小，適合放在穿戴式產品。
其他品牌部分，像是Sony Smartwatch SW2與Smartband SWR10、Pebble Steel、i’m Watch、Fitbit Flex、Kreyos Meteor等手錶？手環，可以計算出活動量、睡眠品質、計算卡路里消耗等等。
MEMS麥克風 抗噪讓語音更清楚
MEMS麥克風，屬於電容式麥克風的變型，其壓力感應膜是以MEMS技術直接蝕刻在晶片，同時整合一些電路與前置放大器。由於比傳統麥克風具備降噪音、體積小、高效能、不擔心電子雜訊與高頻RF干擾問題等優點，因此很快成為市場上行動裝置的寵兒。
Knowles(樓氏)是MEMS麥克風的領導廠商，在2003年首度推出，最早導入Motorola的超薄型手機，隨後越來越多廠商導入。蘋果在iPhone 4內建Siri語音辨識功能時，也導入雙MEMS麥克風(Knowles + Infineon組合)來提升收音效果。MEMS讓體積可以進一步縮小，同時具指向收音效果。使得後來越來越多智慧型手機也陸續導入雙MEMS麥克風，來提升錄音品質。
在穿戴式裝置上，許多具備語音輸入和控制的智慧手錶，皆有內建MEMS麥克風來幫助降噪。如Samsung Gear全系列、Martian Passport、以及Kreyos Meteor。
心跳感應器上「錶」 臉紅心跳全紀錄
Pulse oximetry(脈搏血氧儀；SPO2)，是一種可以監測動脈中攜帶與不攜帶氧的血紅蛋白的比例。以兩顆綠色LED燈探測，分別以波長為660奈米和905？940奈米，來照射皮膚部位。因為含不含氧的血紅蛋白對這兩種波長的吸收率有很大的差別，透過此方式便可計算出兩種血紅蛋白的比例，以檢測健康狀態，不需要抽血。此外，該儀器也能「看」到脈搏率，以計算出心跳次數。
日前飛利浦(Philips)開發了超迷你的脈搏血氧儀，可以應用在穿戴式裝置(如智慧手錶、手環等產品)，採用上述的技術，但由於上述的方式適合在靜止的情況下測量比較精準，在運動時會因為動作太大而測量不準。因此為了修正到讓運動中也能測量到心跳，Philips額外推出一個動態感應器並內建動態資料特殊處理軟體，讓使用者就算跑跑跳跳，也能透過動態補償的方式來修正到真正的心跳率。
例如MioGlobal Alpha 與Adidas(愛迪達) miCoach SMART RUN運動手錶，其手錶背面便鑲入這樣的感測器，可以為運動員量測出心跳狀態，免除需要另外攜帶心率帶的困擾，更可透過血氧濃度來偵測病人的健康狀態，以便適時提出警訊。
此外，Samsung Galaxy S5手機，以及Samsung Gear 2/Neo、Fit智慧手錶？手環，背面也都配備自家的脈膊偵測儀，該功能可以提供讓使用者做好自我健康管理。
