電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）在2024年，可穿戴市場(chǎng)上有多個(gè)新產(chǎn)品類別異軍突起，比如智能戒指就受到多家消費(fèi)電子巨頭的關(guān)注，開始推出智能戒指產(chǎn)品。IDC的數(shù)據(jù)顯示，2024年全球智能戒指市場(chǎng)增長(zhǎng)率高達(dá)88.4%，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可穿戴設(shè)備整體6.1%的增速。

智能戒指的功能與目前常見的運(yùn)動(dòng)手環(huán)類似，一般能夠?qū)崿F(xiàn)心率、血氧、體溫監(jiān)測(cè)等能力，同時(shí)從市面上的智能戒指產(chǎn)品來(lái)看，睡眠狀態(tài)跟蹤也是一種較為核心的功能，在睡眠過(guò)程中定期讀取多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)算法對(duì)睡眠狀態(tài)進(jìn)行分析。

但相比于運(yùn)動(dòng)手環(huán)，智能戒指的體積就要小太多了，那么智能戒指是如何將這些功能集成到一個(gè)小小的戒指中？

主流智能戒指結(jié)構(gòu)

從市面上主流的智能戒指產(chǎn)品中可以了解到，智能戒指一般由外環(huán)和內(nèi)環(huán)兩部分組成。外環(huán)一般采用金屬材料，為了降低重量，不少產(chǎn)品會(huì)使用鈦合金材料作為外環(huán)，并加上碳化鎢涂層使得日常使用中更加耐磨損。

智能戒指/電子發(fā)燒友網(wǎng)攝

內(nèi)環(huán)則是集成了所有的元器件，因?yàn)橐c皮膚直接接觸，所以一般會(huì)使用透明的醫(yī)用級(jí)低過(guò)敏環(huán)氧樹脂，在降低皮膚過(guò)敏概率的同時(shí)，還能作為一些傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)的窗口。同時(shí)環(huán)氧樹脂的特性便于在制造過(guò)程中成型，并且將元器件密封在戒指內(nèi)外環(huán)之間，提供了良好的防水能力。

而智能戒指內(nèi)部的元器件，都集成在柔性PCB上。目前主流的智能戒指會(huì)集成PPG（Photoplethysmogram，光學(xué)體積描記術(shù)）傳感器、非接觸式溫度傳感器、六軸運(yùn)動(dòng)傳感器、藍(lán)牙SoC主控和藍(lán)牙天線等器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/107/" target="_blank">手機(jī)端。

小尺寸下如何實(shí)現(xiàn)高精度體溫監(jiān)測(cè)？

在早期的智能穿戴健康設(shè)備中，體溫監(jiān)測(cè)功能并不常見，但隨著技術(shù)的成熟以及成本的降低，加上COVID-19疫情的暴發(fā)，大大推動(dòng)了體溫監(jiān)測(cè)功能在智能穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。自2019年開始，主流的智能手環(huán)、智能手表等產(chǎn)品開始陸續(xù)新增了體溫監(jiān)測(cè)功能。

要在智能穿戴設(shè)備中實(shí)現(xiàn)體溫監(jiān)測(cè)，可以選擇接觸式或非接觸式的溫度傳感器，在這次拆解的這款智能戒指上，使用了非接觸式溫度傳感器。非接觸式溫度傳感器在智能穿戴設(shè)備上應(yīng)用，由于不需要直接接觸皮膚，佩戴體驗(yàn)較好；測(cè)量結(jié)果也更穩(wěn)定，不受皮膚表面條件直接影響。

非接觸式溫度傳感器一般是采用集成MEMS熱電堆技術(shù)，能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)換為電信號(hào)。它的工作原理是，由于一切高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)源源不斷向外發(fā)射熱遠(yuǎn)紅外（FIR）輻射，輻射強(qiáng)度與物體溫度密切相關(guān)，通過(guò)輻射強(qiáng)度就可以計(jì)算出溫度值。

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上看，一個(gè)熱電堆是由多個(gè)串聯(lián)的熱電偶組成，熱電偶是采用熱電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的一種感溫元件。熱電效應(yīng)是指當(dāng)兩種不同的材料連接在一起并放在不同溫度環(huán)境中時(shí)，在連接點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)電壓（電動(dòng)勢(shì)），并與兩端的溫差成一個(gè)比例。所以可以利用電信號(hào)去反推出溫差，結(jié)合用于溫度參考的熱敏電阻，即可計(jì)算物體的溫度絕對(duì)值。

為了降低PCB上其他元件發(fā)熱對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成的影響，非接觸式溫度傳感器以往是采用TO封裝，將傳感器放置在一個(gè)金屬罐內(nèi)來(lái)解決這一問(wèn)題。

但對(duì)于智能戒指這種超小型智能穿戴設(shè)備而言，內(nèi)部空間無(wú)法容納TO封裝的體積。因此我們可以看到，市面上主要的智能戒指產(chǎn)品已經(jīng)選擇了邁來(lái)芯MLX90632（醫(yī)療級(jí)）作為其溫度傳感器。

MLX90632滿足智能戒指體溫監(jiān)測(cè)需求

MLX90632是一款數(shù)字紅外溫度傳感器，采用3mm x 3mm x 1mm DFN 封裝，尺寸極小，易于集成到各種可穿戴設(shè)備中。在小體積之外，MLX90632更提供極高的測(cè)量精度，在消費(fèi)級(jí)版本上，測(cè)量物體溫度為-20°C至200°C，精度±1°C；在醫(yī)療級(jí)版本上，測(cè)量物體溫度為-20°C 至 100°C，人體溫度測(cè)量精度高達(dá)±0.2°C。

但前面也提到，紅外溫度傳感器的小型化會(huì)遇到一些問(wèn)題，包括來(lái)自PCB上其他熱源的干擾等，那么MLX90632是如何解決這些問(wèn)題的？邁來(lái)芯通過(guò)對(duì)多種場(chǎng)景進(jìn)行建模和表征，并將這些數(shù)據(jù)運(yùn)用于復(fù)雜的熱梯度主動(dòng)補(bǔ)償算法中，同時(shí)在出廠前進(jìn)行校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)常數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中，基于測(cè)量值、校準(zhǔn)常數(shù)以及板載補(bǔ)償算法，最終實(shí)現(xiàn)大幅減弱熱沖擊對(duì)小型紅外溫度傳感器造成的影響。

與此同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，在智能戒指有限的電池容量下，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)一周的續(xù)航，并且要進(jìn)行連續(xù)的健康監(jiān)測(cè)，這需要傳感器有足夠低的運(yùn)行和睡眠功耗。MLX90632在供電電壓3.3V下，工作電流僅1mA，睡眠電流小于2.5μA。

MLX90632紅外溫度傳感器 IC 的框圖 來(lái)源：Melexis

所以在智能戒指上，對(duì)皮膚溫度的測(cè)量整體流程是：從MEMS熱電堆和用于溫度參考的熱敏電阻中獲得的電壓信號(hào)，通過(guò)多路復(fù)用器，經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字過(guò)濾，存儲(chǔ)在板載RAM上；藍(lán)牙SoC可以通過(guò) I2C 通信接口獲取RAM上存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)，以及EEPROM上存儲(chǔ)的調(diào)整值、校準(zhǔn)常數(shù)等數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)置CPU計(jì)算出皮膚溫度。

小結(jié)：

智能戒指由于其更小的體積，更舒適的佩戴體驗(yàn)，令其成為用于睡眠監(jiān)測(cè)的最佳設(shè)備之一，體溫在睡眠監(jiān)測(cè)中也是極為重要的指標(biāo)。得益于技術(shù)的發(fā)展，像MLX90632這樣的紅外溫度傳感器的體積已經(jīng)可以被輕松集成到戒指內(nèi)，因此我們可以發(fā)現(xiàn)目前市面上的智能戒指幾乎都標(biāo)配了體溫監(jiān)測(cè)功能。借助更小尺寸的傳感器，未來(lái)可穿戴設(shè)備能否帶來(lái)更多創(chuàng)新，值得我們期待。