MEMS技術至今歷經過四波產業發展,應用於穿戴式裝置已居於目前主流。在通訊技術或資料傳輸障礙都已經解決,處理能力也不是問題的條件下,如何將更多元件加進感測器中,並將尺寸做到更小、耗電量更低並提高產品性價比,是近來各廠商積極發展的方向。
MEMS技術源起於二十世紀70年代起,半導體製造技術日趨成熟的時期,迄今共搭上四次產業發展的便車(註1 ),並持續向前發展。
80年代,矽壓阻式壓力感測器及電容式加速計,使用於工業界及汽車業。
90年代,資訊業蓬勃發展,惠普(HP)公司的MEMS噴墨晶片,或德州儀器(TI)使用在商用投影機及顯示器的數位微反射鏡元件(DMD),影響了資訊業的發展,HP以及TI至今仍然是MEMS業界的領導廠商。
90年代後期,全球光通訊產業興起,光學MEMS隨之蓬勃直到2000年網路泡沫化。雖然光通訊產業之後逐漸回復原氣,但是可惜光學MEMS的榮景已經不復存在。
2006年,任天堂的電視遊樂器「Wii」,以MEMS應用於體感控制的創新,掀起了另外一波MEMS的熱潮。這回,MEMS應用在更貼近人性的消費電子產品上。
(圖一)圖片來源:Wiki
「What’s Next ?」 「穿戴式裝置」是下一波主流
「穿戴式裝置」的應用,目前仍然是以「保健手環」類為大宗,而且看起來還會再持續一段時間,這種手環的前景,是可以整合穿戴式醫療電子成為個人健康管理系統。 「穿戴式裝置」目前絕對是一個開放競爭的「競技場」,有些裝置的技術門檻並不高,所以一定會有更多競爭者的加入,而現今,「手錶」及「眼鏡」看起來像是各家躍躍欲試的產品。可惜目前能點燃「穿戴式裝置」的引爆點還沒有出現各廠商都在等待「天時」、「地利」、「人和」的機會。但是無論如何,「穿戴式裝置」的市場趨勢是正向、看多的,因為機會越來越多,市場就會越來越大。
以上述較熱門的整合穿戴式醫療電子成為個人健康管理系統為例,MEMS的元件功效即是穿戴式系統前端,功用是感測身體狀態的資料擷取器。另一個也是跟健康有關的,即運動感測的MEMS元件。但這類的應用,其實是使用屬於較低階的MEMS零組件。但搭配行動電話、平板電腦蒐集處理使用者的狀態,使這類整合應用架構也漸漸形成一種的潮流。
穿戴式電子產品至少可區分為(1)消費型產品、(2)醫療照護型產品、(3)工業/軍事型產品三種。除了工業/軍事型產品可能不需要把外觀、重量及體積列在第一優先之外,其他的應用,都應該會把如何微縮產品放在首位。所以如果問到:現有MEMS元件是否滿足穿戴設計需求 是否需進一步微縮元件尺寸?答案當然「是」,因此「穿戴式裝置」用到的MEMS,當然在這股「減肥」的名單之列。
除了尺寸上的微縮外,穿戴式電腦系統的運作耗能,也需要相關的解決方案。「穿戴式裝置」的載板面積、機構空間只會進一步微縮,所以不只解決方案的尺寸會越來越侷限,連帶電池的設置空間也會受到擠壓,間接影響到穿戴式系統可用的離線電力。
而目前主流的MEMS元件,應用在小型化設計的需求,多數仍集中在行動裝置、嵌入式系統應用的整合設計方案,由於穿戴式電腦、系統應用的發展目前僅能算是起步階段,在市場用量有限的前提下,五年前,針對穿戴式電腦需求設計的MEMS元件可以說是幾乎沒有,但是近一兩年,因為這是MEMS元件的一片「藍海」,相關業者也搶入此市場。
手錶型「穿戴式裝置」整合MEMS發揮更多應用功能
謠傳Apple將推出的「iWatch」類產品(圖二),雖然只聞樓梯響,遲遲沒有推出,但是可以推測若是iWatch成真,應該是以Apple iOS瘦身後的嵌入式作業系統,搭配MEMS感測器監看個人健康數據,而要將MEMS感測元件置入例如手錶的設計,不只需考量元件的微縮,同時也必須設計,不干擾用戶觸感與舒適的感測介面設計,這對於MEMS解決方案與產品整合的難度相當高。
(圖二)
圖片來源:http://www.falconhive.com
Google Glass「穿戴式裝置」(圖三),就是整合MEMS完成的嵌入式系統。
(圖三)
圖片來源:http://big5.china.com.cn
Google選擇了一個困難度更高的「Google Glass」眼鏡型「穿戴式裝置」!Google Glass的設計,空間極為有限。其核心運算架構採用雙核心OMAP處理器,搭配Google自家的Android 4.x作業系統,同時整合了Wi-Fi、Bluetooth、GPS與3G通訊功能。由於Google Glass的電池容量相當有限,因此對於成品的重量非常在意,所以Google Glass的3G通訊功能僅限於數據傳輸,無法使用功耗較大的通話功能。
Google為了搭配其AR(Augmented Reality)擴增實境應用,在空間極為有限的條件下,Google Glass仍然裝了陀螺儀(Gyroscope)、加速度計(Accelerometer)等MEMS元件,可以讓嵌入式系統得以追蹤並且分析用戶的臉部/頭部姿態(擺動方向與角度),透過MEMS的幫助,將AR、圖像訊息提示即時顯示在使用者介面-透明顯示幕(640x360解析度)。Google Glass的眼鏡鏡框內還配備一紅外線感測器,追蹤用戶的眼球反應。
MEMS感測能力 成為Google Glass加值的關鍵
使用Google Glass,用戶可以擷取網路搜尋結果,搭配即時的語音指令、解譯輸入關鍵字,同時利用語音訊息回覆訊息,所以綜觀整個Google Glass的應用,可以將Google Glass定義成「類行動裝置」、「智慧手機」的應用平台,只是這個平台的螢幕改用透明的眼鏡型顯示螢幕,至於一般行動裝置需有的運算核心、電池子系統、MEMS感應器等,Google 用了更微縮的解決方案去滿足Google Glass的應用需求。
Google Glass的MEMS元件需求
Google Glass是一種高度整合的產品設計,元件尺寸大幅壓縮,可用的電力,也因為鏡框的構型空間有限,無法裝載容量「大」的電池,所以必須在節能設計上更進一步優化系統,因此,在MEMS元件「減肥」上,就必須設計更小、耗能更低,整合度更高,才能滿足眼鏡型的「穿戴式裝置」。不僅Google Glass如此,其他投入類似裝置的廠商,也只有繼續朝微縮、節能前進,沒有退路。
已經有不少MEMS感應器(例如行動感應、加速計、壓力計等)裝置在目前的「穿戴式裝置」中,雖然計算步伐或整體運動量的MEMS技術不高,各家廠商們同樣要面對微縮、節能、產品經濟實惠等多項需求,反應到MEMS供應商的耳中,他們的對策又是什麼呢?
2013年, 在一場於美國加州舉辦的「塑造MEMS與感測器未來」的會議上,來自 MEMS 系統的各方代表,都看好未來 MEMS 將在消費性電子以及醫療保健與健身等應用領域的成長與新商機,其中「穿戴式裝置」便是其中重要的一個區塊。
PNI總裁兼執行長Becky Oh發表該公司最新的進展:一款1.5x1.5x0.5mm的微型晶片(Sentral),宣稱能夠為任何製造商的加速度計、陀螺儀與磁力計等產品執行複雜的感測器融合功能,並輸出位置讀數至任何應用處理器中。
ST公司類比、MEMS與感測器執行副總裁兼總經理Benedetto Vigna則為消費 MEMS市場以及正在醫療保健與健身應用中快速成長的MEMS市場建立起連結,他探討人機介面,從鍵盤到滑鼠,到目前使用的行動感測MEMS感測器,再到控制機器等發展,認為其中最經典的就是任天堂(Nintendo)的Wii。由於這款遊戲平台,新式的人機介面在市場上佔有一席之地,並推動消費裝置使用觸控、手勢、語音以及影像辨識等介面。
如今,消費者的興趣過渡到「穿戴式裝置」市場,它同樣要利用 MEMS 感測器,藉由追蹤用戶的活動記錄來實現鼓勵運動與健身。,例如Fitbit與Nike Fuelband 等,藉由「手錶」以及「眼鏡」等「穿戴式裝置」,拓展智慧裝置的用途。
在通訊技術或資料傳輸障礙都已經解決,處理能力也不是問題的條件下,如何將更多元件加進感測器中,並將尺寸做到更小、耗電量更低並提高產品性價比,是近來各廠商積極發展的方向。
目前MEMS元件廠已相繼投入「穿戴式裝置」應用市場,例如STMicroelectronics、Analog Devices已著手開發針對穿戴式醫療應用產品所需的MEMS與相關元器件,如高度整合的加速度計、陀螺儀、地磁感測器等(例如:十軸的整合式MEMS)。
(圖四)多軸MEMS
圖片來源:http://www.memsweekly.com
Qualcomm則是直接針對穿戴式電腦應用中含金量更高的醫療領域,成立Qualcomm Life,以行動通訊技術核心能力,聚焦行動醫療應用市場。而除了搭配感測器、行動運算平台應用外,系統仍須整合微控制器(MCU)、類比前端(analog front end;AFE)等相關應用系統才能成為功能完備的「Total Solution」。
有關淺談「穿戴式裝置」裝置,在此暫告一段落,接續「TRIZ」從前人的歷史教訓中截取經驗,成就後續創新的概念,筆者將以數千年人類歷史為教訓,以克勞賽維茲的「戰爭論」中的理論,描述現代行銷的有趣現象,敬請期待!
備註
「四次產業發展的便車」參考:奈米通訊19卷No.3 28頁「下一波MEMS產業發展的新亮點」
作者:
林士強
現任:
北美智權 教育訓練處 資深研發創新顧問
經歷:
法商台灣康旭 研發工程處 專案經理
中科院飛彈製造中心 專案工程師
聖荷西州立大學機械研究所碩士
專長:
機械、供應鏈管理、專案管理
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