穿戴應用導入多感測器 兼顧低成本低功耗要求

MEMS感測元件持續微縮體積，感測精密度也持續提升，圖中為內建9軸感測的MEMS元件開發板。Hillcrest Labs

穿戴式應用持續增溫，新型態的穿戴式運算產品，不只是提供單純的嵌入式運算服務，如智慧手錶、智能手環大多還能兼具健康記錄器或延伸睡眠品質監控、生理資訊記錄等進階功能，而這些功能都有賴各式感測元件整合…

近年來在智能手機、平板電腦應用驅動下，各式感測器應用數量持續激增。以往以MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)微機電技術整合的感測元件，因為市場用量有限，在關鍵元件的成本與體積未能為行動裝置應用需求優化，但隨著智慧手機、平板電腦的整合應用需求激增，各式感測器、感測模組成本大幅下滑，MEMS元件的體積還針對行動裝置需求的更輕、更薄，同時因應行動裝置需延長電池續航力的要求，新一代的MEMS元件也在兼具感測精密度提升的同時，達到更省電的低功耗表現。

MEMS感測元件市場用量激增

智慧手機、平板電腦對MEMS的用量激增，一方面是由Apple帶頭在其智慧型手機、平板電腦、多媒體播放器率先預設MEMS感測器，如加速度計、陀螺儀、電子羅盤？地磁計等MEMS元件，透過感測器整合，再搭配其App應用軟體生態系的體感感測應用電玩，創造各式有趣又吸睛的感測操控應用，也為嵌入式智慧行動裝置掀起一波單機裝載多樣化MEMS感測元件熱潮。也由於MEMS元件用量激增，半導體與感測元件大廠競相推出應用解決方案搶市，連帶使得相關關鍵零組件的成本持續探底。

有別於早期MEMS感測元件架構與嵌入式系統設計，目前感測元件幾乎已經成為現代行動裝置必備的加值功能，因此也有越來越多嵌入式晶片解決方案在其方案就加入各式不同感測器的功能整合應用，一方面便於相關硬體廠商加速開發，同時也因解決方案的深度整合，讓應用相關方案的終端產品可具有更優異的產品電力續航表現，高度整合應用方案除能讓BOM(Bill of Material)物料清單的零組件成本降低，也能簡化設計、優化終端產品表現。

小型化、高整合度MEMS感測方案成為主流

MEMS等關鍵感測元件除持續朝小型化、高度整合應用發展外，也同時向大型系統應用積極延伸，例如，原本與平板電腦深度整合的MEMS感測元件或技術方案，現在因為筆記型電腦業者積極投入開發變形筆電產品，讓筆記型電腦可以與鍵盤基座分離形成類平板電腦的應用型態，甚至在這種變形筆電產品也導入一般平板電腦產品常見的MEMS感測元件，使筆記型電腦在變換成平板裝置時也能享受如同平板電腦相同的操作體驗。

原有MEMS感測元件僅在10吋以下行動裝置被大量使用，目前除了平板電腦相繼推出12吋、甚至12吋以上的大型商用平板產品，也都大量整合MEMS感測元件，同樣地狀況，在變形筆電？變形平板產品中，大於13吋甚至到15吋的產品，也都開始嘗試比照行動裝置，積極整合MEMS感測元件。

對於變形平板或高階筆記型電腦相繼導入MEMS感測元件，其實對MEMS元件來說，在筆記型電腦的機構空間相對更大，電池容量也更大，在整合這類感測元件時幾乎不會有應用限制，更進一步擴展MEMS感測元件的應用型態。

穿戴式智能裝置  將刺激MEMS用量再攀高峰

不只是在智慧型手機、平板電腦、變形筆記型電腦的MEMS感測元件用量大增，實際上在新一代的穿戴式應用產品，如智能手錶、智慧手環、智慧運動記錄器等裝置，也開始一波MEMS感測元件整合風潮，尤其現代人對個人健康愈來越重視，由智能手錶、手環甚至專業的運動記錄器，對MEMS感測元件的需求並不輸給智慧型行動裝置，加上手錶、手環等產品終端售價遠低於智慧型手機、平板電腦與變形筆電，相對低的產品終端價格也比智慧行動裝置賣量多更多，相對地也將MEMS用量再巨幅衝刺。

而感測元件應用尺寸方向除向下(元件更小)、向上(設備更大)擴展外，在元件的功能面、精密度要求也持續提升，新一代的MEMS感測器已不再僅提供單純的加速度計或是電子羅盤功能整合，而是可以結合多軸陀螺儀、加速度計等多元感測元件整合應用，不只可為原有整合感測MEMS系統添加更多感測額外功能，也能善用多重感測資訊的彼此參照、除錯，提供嵌入式系統更精確的環境感測數據，在對應的軟體或娛樂加值應用，可發揮較早期分離式設計感測元件更準確、使用體驗更高的應用價值。

業界預估，如前所述，穿戴式智慧產品因為終端單價一般在99美元上下，而在大陸白牌業者推出的對應商品，甚至可以達到20~30美元之譜，潛在的市場用量預料將會是高單價的智能手機、平板電腦的數倍之多。2014年穿戴式智慧裝置，可說是繼智慧手機、平板電腦之後MEMS更大的市場應用商機，感測器與裝置的整合應用，基於穿戴設備的設計需求的開發份量將會越來越重。

穿戴設備結合感測器  健康記錄應用熱門

在新穎的穿戴式應用中，內建的MEMS感測器元件同時也具備更關鍵的應用角色，目前相關穿戴式設備產品主攻的核心應用，大多鎖定在記錄使用者的運動資訊、個人生理資訊，經由感測器可感測環境、運動狀態的元件特性，進行恆時使用者穿戴狀況的資料採集，對配戴者來說，穿戴式智能裝置只要電池電量續航力許可前提下，恆時記錄配戴者的走路步伐數、運動狀態、心頻、體溫等生理狀態並不困難，也已有相關解決方案可供設計整合，反而是在採集記錄資料之後的檢視、分析、評估等加值應用的使用者體驗，才是這類穿戴式應用的競爭重點。

而在穿戴應用設計方面，因為穿戴產品可使用的電路載板PCB面積相當小，甚至多數電子電路都必須透過積體電路實踐，僅使用PCB軟板連接電池或是外部硬體按鍵，而MEMS感測器能使用的元件方案勢必無法選用離散型的元件配置方式，必須尋找高度整合的MEMS感測系統方案，才能符合終端產品設計需求。

因為在PCB面積有限的前提下，若是需設計感測器應用環境，電子電路、元件布局、搭配微控制器與記憶體等配置會造成設計空間不夠問題，這些關鍵元件必須以SoC(System on a chip)化以積體電路或IC封裝技術積極整合在一起，既可高度節省應用載板的面積佔用，同時也可達到極低功耗、易於組裝、降低成本的多元效益，同時也可在封裝整合過程即把電路優化與功耗優化一次搞定。

穿戴應用首重電池效能  MEMS結合低功耗微控制器成關鍵設計

穿戴式產品尤其重視電池續航力，因為穿戴式裝置本身的產品體積就相當地小，可以設置電池的空間有限，即便是鋰聚合物電池在材料使用彈性相當大、也能因應設置機構環境小幅撓曲應用，但實際上受到可用空間限制，電池容量並不大，這會直接影響穿戴產品的終端電池效能表現。

一般來說手錶型智能穿戴裝置，由於需驅動屏幕顯示，一般產品電池功耗超過40%耗用在顯示元件驅動應用，而核心運算與感測器資料擷取使用的功耗相對有限，目前智能手錶類的產品電池續航力大多在2~3天不等，若恆時開啟藍牙通訊、Wi-Fi通訊連線應用，電池續航力將剩下一半不到。

而智能手環之類的穿戴產品，可用的機構空間更為嚴苛，即便智能手環可選用AMOLED或是簡易LCD屏幕顯示資訊，甚至可以不需屏幕設計，但因缺乏智能手錶的大型錶身可以設置電池，電池必須裝在手環本體，可用的裝設空間較智能手錶更小，導致實際上終端產品的電池續航力與智能手錶相比狀況並不會好太多，一般電力續航表現約在2~3天不等。

對智慧手錶、智慧手環這類穿戴產品而言，電池效能已直接影響了產品終端的實用價值，電池續航力甚至已經是這類智能裝置產品行銷的關鍵數據，因此，智能穿戴設備基本上已經無離散式MEMS的應用空間，必須選用高整合度、SoC化的解決方案，以因應有限的設置空間與更強的節能、低功耗運行要求。