搶搭環境/生物感知功能　穿戴裝置掀動感測器新商機

新一輪穿戴式裝置感測技術競賽開打。微軟(Microsoft)、蘋果(Apple)近期接連推出首款穿戴式產品(圖1、2)，不僅再度炒熱市場話題，亦將健身手環及智慧手表感測器規格戰推向嶄新局面。兩家公司各利用紫外光(UV)、壓力及心率等感測器，為穿戴裝置提供新穎的環境和生物感應功能，可望刺激其他品牌廠跟進，點燃新一波感測技術戰火。

蘋果/微軟吹號角　穿戴裝置感測器激戰再起

圖1　Apple Watch功能設計動向暨規格剖析

工研院南分院微系統中心特別助理陳弘仁(圖3)表示，微軟和蘋果皆布局穿戴裝置多年，並累積為數龐大的專利，近來兩家科技大廠的產品Microsoft Band、Apple Watch相繼付諸實現後，也旋即成為業界焦點。尤其微軟、蘋果有志一同將穿戴式裝置定位為健身管理、智慧助理的專用型產品，透過各種環境和生物訊號感測器實現各種新穎功能，可望帶動新一波穿戴裝置感測器設計熱潮。

圖2　微軟首款智慧手表功能

陳弘仁強調，在微軟和蘋果力拱下，穿戴式環境及生物感測應用發展熱度直逼沸點，刺激許多業者快步跟進。以小米為例，近期即斥資4,000萬美元投資新創穿戴式裝置製造商--Misfit，轉攻睡眠狀態偵測和時尚外型設計，期創造更勝於初代小米手環的應用價值；此外，MC10也分別鎖定運動專業人員、孕婦和嬰兒，開發專屬的心率監控方案，足見穿戴裝置設計典範正逐漸轉變。

圖3　工研院南分院微系統中心特別助理陳弘仁認為，慣性、麥克風、壓力計、氣體和IR影像感測器在穿戴裝置市場的滲透率將快速攀升。

事實上，系統業者首波推出的穿戴式電子產品，多以手機智慧配件為主，僅搭載加速度計等動作感測器提供計步之類的簡單功能；為進一步吸引消費者目光，近來包括運動品牌、行動裝置開發商均加速研發具健康監測、醫療照護或個人助理功能用途的穿戴裝置，因而刺激一波壓力計、溫/濕度和紫外線(UV)等環境感測器，以及心率、血氧、血壓或腦波等生物感測器需求。

陳弘仁透露，繼生物、環境感測之後，下一輪穿戴裝置感測器技術競賽可望以紅外線(IR)影像、語音辨識和氣體感測為主軸。觀察微軟和蘋果產品規格，皆已配備MEMS麥克風，以喚醒Cortana或Siri語音助理，減輕穿戴裝置對手機的依賴；而一些新進廠商更計畫導入IR影像模組，提供夜行輔助、熱源偵測等功能，或是透過揮發性有機化合物(VOC)氣體感測器，隨時提醒用戶空氣污染狀況。

由於穿戴式裝置市場競爭日趨激烈，因而也促使相關品牌業者開始引進更前瞻的感測技術，以創造更吸睛的殺手級應用。如智慧手表/手環製造商採用紅外線(IR)手勢偵測，以及揮發性有機化合物(VOC)或有毒氣體感測技術，實現不受小尺寸螢幕操作限制的人機互動，並達到環境危險因子預警的效用。

開創穿戴裝置殺手應用手勢/氣體感測人氣爆紅

圖4　ams台灣區總經理李定翰提到，穿戴裝置導入生物訊號感測器的需求也日益湧現，可望帶動下一波設計商機。

奧地利微電子(ams)台灣區總經理李定翰(圖4)表示，對穿戴式電子而言，感測器無疑是實現殺手級應用的關鍵觸媒。近來，許多智慧手表/手環品牌廠更開始試「手」「氣」，利用光學式的紅外線手勢偵測模組、氣體感測器(Gas Sensor)等環境感測方案，研發新穎的穿戴裝置人機介面及感知應用加值功能，期搏得更多消費者青睞。

李定翰指出，由於智慧手表/手環的螢幕尺寸受限，甚至有很多未搭載顯示器的設計，因此直覺的手勢人機介面便躍居廠商設計焦點，進而帶動相關紅外線光學感測器和模組導入需求。與此同時，氣體感測亦被業界視為極具潛力的穿戴裝置應用功能，可在用戶周遭的一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)，以及二氧化氮(NO2)或VOC等有毒氣體濃度異常升高時即時預警，發揮環境安全監控的價值。

看準上述新興穿戴裝置感測器設計需求，晶片商正大舉投入市場卡位，包括意法半導體(ST)、Bosch Sensortec和ams等皆已推出光學或氣體感測器，而愛盛科技等微機電系統(MEMS)新進業者，亦可望在2015下半年到2016年跟進，瓜分龐大的穿戴裝置市場商機。

圖5　穿戴式裝置手勢控制模組架構暨應用情境圖

面對激烈的市場競爭，ams已率先祭出多功能整合(Combo)設計策略，發布整合兼具環境光(Ambient Light)、色彩(Color)及近接(Proximity)感測器，以及手勢辨識引擎和條碼仿真(Mobeam)功能的紅外線光學感測模組(圖5)，積極拉攏原始設計/設備製造商(ODM/OEM)。

李定翰分析，穿戴裝置系統空間日益緊縮已是不爭的事實，感測器供應商須大幅提高產品功能整合度並縮減封裝尺寸，才能滿足市場需求。以手勢控制為例，除須以近接感測器、手勢辨識引擎偵測並運算用戶動作外，還要透過環境光、色彩感測器和濾波器過濾各種會影響手勢辨識精準度的光波長，若採用多顆晶片分離式設計，勢將占用龐大系統空間；因此ams遂將所有必備功能整合在一個僅7.9平方毫米的模組中，為系統廠爭取更多電路布局的彈性。

圖6　意法半導體類比、MEMS與感測器事業群技術行銷經理李炯毅提到，因應穿戴裝置設計需求，MEMS感測器改搭微型封裝技術將蔚為風潮。

顯而易見，感測器技術已成為穿戴裝置功能競賽焦點。據IHS研究報告指出，行動和穿戴式裝置感測器市場正值快速成長，至2016年總產值可望挑戰60億美元規模(圖6)；其中，MEMS動作感測器出貨量將維持穩定增長，而包括壓力、氣體和UV光等環境感測器，以及各種基於光感應形式的生物感測器需求則可望扶搖直上，可望為相關晶片供應商捎來龐大商機。

再添環境感測功能　穿戴裝置感應力升級

看好各類感測器在穿戴裝置市場的應用潛力，包括意法半導體、Bosch Sensortec和飛思卡爾(Freescale)等MEMS晶片商均不遺餘力擴展產品陣容，並特別聚焦壓力計、溫/濕度和氣體等環境感測器研發，從而提供系統廠更多元的感測器解決方案，並進一步提升旗下慣性感測單元(IMU)的功能整合度。

圖7　意法半導體類比、MEMS與感測器事業群技術行銷經理李炯毅提到，因應穿戴裝置設計需求，MEMS感測器改搭微型封裝技術將蔚為風潮。

其中，Bosch Sensortec更率先在2015年國際消費性電子展(CES)展出壓力、溫度、濕度和氣體感測器四合一方案，以爭取對設計空間極為敏感的穿戴裝置製造商青睞。至於意法半導體和飛思卡爾近期也分別發表旗下首款壓力計，積極搶市。

意法半導體類比、MEMS與感測器事業群技術行銷經理李炯毅(圖7)表示，繼第一波加速度計、磁力計和陀螺儀等動作感測器導入潮後，壓力計和溫/濕度感測方案可望掀動第二波高潮，成為穿戴裝置及MEMS產業新星。現階段，已有不少智慧手表/手環品牌廠和OEM，在其高階或特定應用產品中以壓力計實現高度追蹤、室內導航(Indoor Navigation)等創新功能，並計畫逐漸往中低價產品滲透。

李炯毅強調，該公司將於2015年第一季推出壓力計工程樣品，將採用專利微型、高可靠度封裝技術，以堆疊形式組裝MEMS元件與控制ASIC，並在封裝開口處填充一層矽薄膜提升機構強固性和防水性，進而滿足穿戴裝置輕薄化及運動管理等特殊功能設計需求。

圖8　飛思卡爾資深應用工程師吳協宏指出，隨著穿戴裝置感測功能更加複雜，Sensor Hub未來的導入需求也不容小覷。

飛思卡爾資深應用工程師吳協宏(圖8)則指出，由於智慧手表/手環系統設計空間、電源預算吃緊，又須增加新的環境感測功能，因此該公司遂致力微縮六軸IMU(加速度計加磁力計)，現已達成僅3毫米(mm)×3毫米面積的水準，同時還能搭配演算法實現軟體陀螺儀的加值功能，可為OEM騰出更多設計空間，以加速導入壓力計和溫/濕度感測方案。

吳協宏也提到，在壓力計方面，該公司也不斷引進微型化封裝方案，並積極改良感測電路設計，將高度追蹤的誤差範圍壓低至25公分以內，同時提供高解析度的壓力偵測，幫助系統業者開發各種極限運動、醫療級專用穿戴裝置。

從2015年CES可窺見，繼手機與平板之後，穿戴裝置已成為電子產業的鎂光燈焦點；著眼於穿戴裝置大多處於貼身、常時配戴的使用情境，相關系統製造商也開始將產品定位為個人智慧助理，並將結合運動健身、醫療與環境感知等專門功能，以跳脫初期穿戴裝置僅做為手機資訊第二顯示介面的框架。