穿戴裝置市場蓬勃發展, 產品設計所需的感測器效能與精準度提升,揚聲器的效能突破過往的技術瓶頸,搭配低功耗MCU與保護元件,可預期未來穿戴裝置不只更加穩定,功能表現也將更為出色。
保護元件確保產品穩定
(承前文)穿戴式產品需要採用保護元件,以避免過電流、過電壓、過溫等情況,以及進行人體靜電保護。Littelfuse應用工程師Ricky Fang(圖4)說明,例如穿戴式裝置通常會有按鈕,像是手表上或AR/VR裝置上,可能會有實體的電源或重置按鈕。因為通常按鈕是裝置上容易損壞的位置,就需要搭配靜電保護(ESD)元件,來避免裝置與電源線熱插拔過程中造成的損壞。當裝置在充電的時候,電壓可能高達3.3~12V。裝置與電源線之間的熱插拔瞬間, 會產生脈衝峰值電流(IPP)。穿戴裝置在選用ESD保護元件時,便需要依照裝置特性,採用IPP耐受度足夠的元件。

低功耗MCU實現多元穿戴應用
穿戴與IoT裝置之間的界線越來越模糊,其中一個面向是,兩者都有低功耗的需求。Ambiq業務總監Eric Chu(圖5)表示,很多終端裝置都是使用電池,因此低功耗晶片是重要的應用。例如醫療相關的終端設備,可能具備基本的傳輸功能,後續操作人員再用手機連接雲端後台,就能實現低功耗的設計。產品如Ambiq的低功耗MCU,除了用於寵物追蹤,也有歐美畜牧業的客戶採用MCU 搭配Cognitive Module,作為牛隻的追蹤器,年出貨量約為150萬個。

穿戴式裝置也可以在螢幕上顯示更多豐富的資訊,以運動相關的穿戴應用為例,新一代的MCU 產品支援高速傳輸規格MIPI。在高速傳輸的支援下,有螢幕的穿戴式裝置,就能在低功耗的前提下,獲得豐富的數據資訊。
MEMS揚聲器優化音效
用於耳戴裝置的揚聲器,傳統採用的線圈原理雖然易於製造,但面臨效能較低、聲音不均勻等問題。xMEMS共同創辦人暨執行長Joseph Jiang則認為,透過半導體製程開發的MEMS揚聲器,可大幅提升穿戴裝置的音效表現。MEMS揚聲器與市場現有MEMS 麥克風類似,不過開發難度更高。MEMS麥克風接收聲音的時候,透過矽膜(Silicon Membrane)震動引起微小的電容變化,再由ASIC放大器將電容轉換為電訊號。在此原理下,ASIC的靈敏度,也就是訊噪比(SNR)便至關重要。而MEMS揚聲器則由電容驅動的放大器,來移動矽膜並發出聲音,因此重視聲壓位準(SPL)。

Joseph Jiang解釋,MEMS揚聲器的挑戰在於MEMS膜的移動距離較短,隨之移動的空氣也較少。如果沒有足夠的風通過揚聲器的膜,聲音就會過小,難以傳進使用者的耳朵,導致MEMS揚聲器的尺寸很難做到像MEMS麥克風一樣小。為此,xMEMS研發特殊的壓電(Piezo)材料塗在膜上面,藉由移動Piezo來移動膜,移動的過程就能產生風,讓使用者聽到聲音。這個MEMS揚聲器可整合進耳機的應用設計中,優化裝置音效。
穿戴裝置需要不同功能的感測器,也需要低功耗MCU來實現智慧功能。同時保護元件有助於提高裝置的穩定性,避免過電流、過電壓或過溫的情況。而耳機或助聽器所需的揚聲器,也在半導體製程與材料的研發之下,大幅提升音效表現。
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