搭上穿戴裝置發展列車 光學式生物感測器商機爆發
自年初Apple Watch問世以來，穿戴裝置市場熱度便一路飆升。尤其品牌廠紛紛透過智慧手表內建光學式生物感測器與應用程式結合，提供心率監測(HRM)、呼吸/睡眠偵測、體脂、血壓及血氧等體徵訊號量測(Vital Signs Monitoring, VSM)功能，更進一步揭開「穿戴裝置2.0」的發展序幕，將促進智慧手環/手表從運動健身輔助應用，跨足健康照護，甚至醫療級應用等專業領域，增添產品附加價值。
看準VSM設計需求，一線MEMS感測器晶片商皆開始規畫光學式生物感測器產品線；而其他領域的晶片商亦加碼投資以掌握相關技術，如戴樂格(Dialog)買下敦宏40%股份、台灣晶技入股愛盛科技等，皆可窺見業界極度重視此類感測器的發展。
穿戴結合VSM應用夯光學感測器設計需求旺
亞德諾(ADI)亞太區醫療行業市場經理王勝表示，VSM將是引領穿戴裝置下一波發展的核心技術(圖1)，可將智慧手表、手環及眼鏡等產品長時間配戴於人體的特色發揮到淋漓盡致，提供手機難以比擬的貼身感測體驗。目前VSM設計可概分為肌電感應、光學式感測等方式，而後者成本較親民、模組體積更精巧，更被看好能為穿戴產品接受，因此市場需求正與日俱增，吸引眾多晶片商卡位。
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| 圖1 典型VSM功能的軟硬體設計需求 |
穿戴裝置結合VSM的發展劃分三大階段，目前大多產品仍停留在第一階段的「運動健身」範疇，僅透過微機電系統(MEMS)動作感測器提供計步等簡易功能，至於第二和第三階段的「健康保健」、「醫療照護」應用皆須透過光學感測器並搭配相關演算法才能實現。王勝進一步指出，要讓穿戴裝置符合醫療級產品規格，精確性和穩定度絕對是關鍵指標，因而驅動光學感測器、類比前端(AFE)和系統機構設計革新。
心動生技總經理李永文補充，現階段，演算法和光學結構對VSM精確性的影響最為顯著，因此該公司專注研發VSM軟體演算技術，並已發展出心率變異度(HRV)、PRV(Pulse Rate Variability)演算法，可提供較現有HRM方案更準確且更具參考價值的演算資料。同時，ADI、心動生技及邁動科技也分別貢獻感測器/AFE元件、演算法及系統設計端的知識，共同發展完整VSM軟硬體方案，可望加速穿戴裝置由運動健身接軌健康及醫療照護應用。
事實上，其他領域的晶片商也非常重視光學式生物感測器應用商機，正紛紛以不同技術路線搶進市場。其中，時脈元件商晶技已發展出可用於MEMS光學感測元件的石英陶瓷(Ceramic)封裝技術，透過專利3D堆疊結構(Stacking Structure)打造無底噪、小尺寸近接光及環境光感測模組(Proximity & Ambient Light Sensor)，可望進一步滿足穿戴裝置輕薄設計要求。
石英/MEMS技術合拍 光學感測器尺寸再減半
石英/MEMS技術合拍 光學感測器尺寸再減半
台灣晶技行銷處產品應用工程經理林立青表示，近接光感測器已成手機標準配備，甚至有整合手勢控制、環境光與色彩感測功能，或再搭配演算法支援VSM應用的趨勢，因此系統廠對元件成本及體積的要求也日益嚴格。瞄準此一設計趨勢，晶技率先運用石英陶瓷封裝開發光學感測器模組，透過特殊3D堆疊結構實現單開孔設計，以替代傳統Tx、Rx雙開孔方案，將尺寸從業界主流4020、4024降至2520(2.5mm×2.0mm)的新里程碑，同時還能大幅改善漏光、折射干擾等問題，以達到無底噪、低光學結構成本目的。
事實上，石英與MEMS元件的感應原理相似，在封裝、量測和生產技術方面亦有不少重疊之處，兩相結合將發揮一加一大於二的效果，讓光學感測器精準度、尺寸和成本的改善更加均衡發展。
林立青認為，下一階段，穿戴式裝置開發商勢將大舉導入光學感測器，以實現紫外光(UV)感測、手勢操作，或再搭配演算法支援心率監測、呼吸、血壓和血氧等VSM功能。對此，晶技利用石英陶瓷封裝打造的小尺寸光學感測器模組，將能一次滿足上述設計要求，有助該公司在未來的光學感測器技術競賽取得有利位置。
顯而易見，搶搭穿戴裝置發展熱潮，晶片商正競相拓展光學式生物感測器產品陣容；而演算法開發商和系統業者為瓜分龐大的市場應用商機，亦開始積極備戰。隨著穿戴裝置導入VSM功能需求湧現，光學感測器的能見度已頓時大增，可望逐漸從行動裝置螢幕省電機制延伸至可常時監控各種生理訊號變化的VSM應用，讓相關供應鏈業者雨露均霑。
