光学技术在可穿戴热潮中的商业机会

11目录TOC\o"1-5"\h\z一、前言1二、技术原理：1三、商业模式分析：5四、风险分析：6五、投资分析7六、市场分析：9七、竞争分析12八、创业建议：13九、结论14#11一、前言长期以来，电子业一直是国民经济中高科技行业的代表。从个人电脑到智能手机等大量电子产品都已走入千家万户，深刻地改变了人类的生活和工作方式。也正是因为这一行业如此繁荣，市场如此巨大，因此吸引了大批年轻人进入这个领域开始自己的事业。所以我们看到了无数大大小小的企业在其中激烈竞争的场景。显然，在这样的竞争情势下创业的压力会非常大，必须具备绝佳的创新，过硬的技术，以及高明的营销手段才能成功。既然这一行业竞争太过激烈，那么我们是否可以转换一下思路，看看有没有受到电子业带动前景很好但是竞争又不那么激烈的行业呢？在这些地方创业的成功率就会更高一些。所以这篇报告试图挖掘在可穿戴设备大发展的趋势下，光器件封装行业可以抓住的商机。现在苹果的AppleWatch已经面世了，其搭载的功能模块中有相当一部分是用于健康和运动检测的。而这部分的功能也是公认可穿戴设备相比于手机最具优势的地方。因为只有跟人的身体密切接触，才能时刻监测和记录人的生理数据，从而为医疗和健康管理提供可靠的分析材料。在所有健康检测项目当中，心率和血氧含量是两个重要指标。这两个指标的传统测量方法分别是电极法和验血法。电极法是在身体几个部位如胸，手指等地方贴上电极触片，然后用心电仪测量电流变化。验血法顾名思义就是抽血化验。但在可穿戴设备的情形中，要求测量必须可持续即无需人工干预，而且测量仪器体积微小，这就使得光电测量的方法发展起来了。苹果的AppleWatch也选择了这样的方法，这预示着光电传感器供应商能够在可穿戴设备的市场成长中获得可观的利益，是光器件行业的一个新的商业机会。二、技术原理：光电测量心率和血氧含量的原理很简单，基本就是一个光发射接收的过程，用图示说明如下：

LEDEmitterPDreceiverLEDEmitterPDreceiver光电法测心率的原理根据朗伯比尔定律，液体对一定波长的光的吸收系数与其浓度有关。当光线入射到血液中时，一部分被吸收，一部分被反射。如果是在动脉血管中，因为血液会随着动脉血管的周期性扩张收缩而呈波动性流动，这个波动周期与心率是一致的，而这种浓度变化又会引起血液对入射光的吸收量的改变，从而导致反射光强度的变化。因此我们探测反射光强即可计算出心率指标。在实际应用中，因为这种光强变化量非常微弱，所以很容易受到外界干扰的影响，如杂散光，人体汗液等，并不是容易的事情。现在一般会采用两个LED组合，发射绿光，因为绿光在人体组织的反射率较高。如国内的厂商-华晶宝丰电子推出的传感器模组LST1303就是采用了双绿光LED组合的方案。血氧浓度的测量。血液中的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对光的吸收系数是不同的，含氧血红蛋白吸收红外光多于红光，而脱氧血红蛋白正好相反。它们对两种波长的光的不同吸收就构成了我们测量其相对比重的基础。19SOQ#01OOCWAVELENGTHintn'f19SOQ#01OOCWAVELENGTHintn'f(RED)JNFFWRED)QlDnm如上图所示，两种血红蛋白的吸收光谱图，两者在红光区和红外区的吸收系数不同。将发红光和发红外光的两个LED同时照射人体部位，再测量反射到光敏元件的光的强度，计算出两者比值，最后运用经验公式即可换算出血氧浓度。当然，实际的算法会更复杂，为了排除两个LED的差异造成的影响，测量前要进行校准，测量中也要设法去除干扰。以上我们简单介绍了光电传感器测量心率和血氧浓度的原理，具体的算法主要是可穿戴设备制造商来设计，作为传感器模组的封装厂商，并不需要了解。所以下面我们重点介绍封装的技术原理。这种传感器模组内包括LED，光敏元件，IC芯片，采用QFN这种传感器模组内包括LED，光敏元件，IC芯片，采用QFN封装形式。光窗陶逢或PCB基砌tttttIC芯片LED芯用挡光扳f卩戊広片传感器模组的内封装示意图这个示意图只画出了两个LED芯片，只能用于测量心率和血氧浓度两者其一的指标。如果两个都要测，一般需要配置4个LED，分别是2个绿光LED,—个红光LED和一个红外光LED。封装的流程为

封装流程示意图第一步是来料的预处理，包括基板，封装壳体的清洗，芯片的目检等，目的是保证原材料的质量。第二步是在基板或者芯片（取决于工艺选择）固定的位置涂上胶水，一般为了散热或导电的需要用银浆（即掺银粉的环氧胶）。可以用涂胶机进行自动化点胶。第三步用贴片机将芯片贴放在预定的位置，因为已经涂覆了胶水，所以粘接后应立即进行固化。一般在烘箱中以特定高温，特定时间控制固化程度。第四步是一个关键的工艺，即用金线将芯片焊盘与基板上的金属电极连接起来，完成电气连接。这一步需要用键合机来完成，有手动和自动两种方式。第五步是将键合完的芯片支架放在模具中然后灌入熔融塑料，冷却成型。这一步是要对连接好的芯片做密封保护，同时形成封装体的外形。第六步则是先将原来连在一起的芯片封装体切开，再将要与PCB焊接的引脚或焊盘镀上一层金，以便于用焊料焊接。第七步也即最后出货前测试各项性能指标，排除不合格品。总体来说，封装流程与一般的LED或半导体一样，难度不大，但是需要有经验的人来操作。下面是ADI公司给三星GalaxyGear供应的心率传感器图片：ADI的心率传感器模组左边是IC芯片，右边是光敏元件，需要外置的LED。这个模组的结构很简单，就是将两块芯片封装在一个壳体内。可见，这个产品对于封装厂商来说并没有技术难度。不过由于封装涉及到高标准的生产环境和昂贵的设备，所以有一定的行业门槛。三、商业模式分析：首先我们给出产业链的层次关系：终端消费者可穿戴设备厂商光电传感器供应商I■首先我们给出产业链的层次关系：终端消费者可穿戴设备厂商光电传感器供应商I■JEPISTAR^pomofl/晶元光磁牡冊胸罰光电芯片厂商光器件対装CVD匸艺电子集成开给软件设计等心率传感器产业链层次图底层是芯片供应商，主要供应光源芯片和探测器芯片，如LED和硅锗光电二极管(PD),涉及到典型的光电芯片制作工艺-MOCVD和PECVD，以及光刻，蚀刻，镀膜等流程。这些设备的投入非常大，而且需要丰富的经验才能掌握，不适合小规模投资的创业者。光电传感器供应商主要的工作是将采购的芯片封装成器件，涉及到一般光电器件的封装工艺-如贴片(diebonding)，键合(wirebonding)，封焊(seamwelding)等。设备投入会比一般电子产品组装要大，但是仍然远不如芯片制造，所以是有创业机会的。最后面向消费者的就是可穿戴设备的开发，制造商，现在已经非常多了，既有苹果，三星这样的巨头企业，也有大量的创业公司。对于这些企业来说，光电传感器只是其中一个部件，是提供测量数据的工具。它们最重要的工作是在软件中运用适当的算法来分析原始数据，得出准确的与健康有关的结论。所以这一层面的企业一般不是典型的光学行业公司。本报告将聚焦于传统光器件行业能够在可穿戴设备的光电传感器产品发展中抓住的商业机会，并对此展开深入的分析。四、风险分析：光电传感器在可穿戴设备的健康检测部分的应用与另外一项技术-电极测量法存在竞争。电极法具有测量指标多，能耗小，受环境影响小，体积小等优点，在测量精确度上是优于光电法的，但是却有一个明显的缺点，就是需要多点测量，即用户需要有意识的将两个或以上的电极贴在不同部位才能测量，这种方式显然不符合可持续监控，大数据分析的发展趋势，这也是苹果，三星这样的领头企业选择光电法的原因。当然，现在一些企业也在研究单手电极测量方案，但还没有成熟的产品问世。目前来看，光电测量法的胜算更大。作为光器件封装厂商，通常的方案是采购LED和光接收芯片，然后封装成器件出售。但是现在有一些做芯片的公司，将光探测器和电路直接在硅片上做单片集成并封装，这样只要再加上封装好的LED芯片即可组成完整的光电传感器。这种方案给了可穿戴设备厂商一个选择，就是分别购买封装好的接收芯片和LED芯片，然后自己组合成传感部分，这样就绕过了纯粹的器件封装厂商。这种方式会给器件级封装行业带来冲击，值得从业人员密切的观察。现在SiliconLabs就有这样的产品。不过，这种方式会比将光源和接收芯片一起封装占用更大的空间。两种方式孰优孰劣将取决于客户的选择。最后是关于行业内的竞争风险。因为光器件行业也有不少大型企业，如Avago,住友电工，古河电工，富士通等，均具备先进的光电产品封装技术。现在Xvago已公开宣称要生产用于可穿戴设备的光电传感器。其它厂商虽还没有消息，但是将来也有可能会跟进，而且这个产品的难度不大，对于这些大厂来说，完全没有技术障碍。所以在将来创业者很可能会面对比较激烈的竞争。另外，传感器的客户即可穿戴设备制造商现在品牌众多，不但有苹果，谷歌，三星等大厂，也有大量小型初创公司，还没有形成垄断性的市场形势。但是随着一些领头企业开始加大产品开发力度，将来有可能会出现几家大公司占据绝对优势地位的情况，这对于传感器供应商而言是非常不利的。因为客户的强势地位必然会挤压供应商的利润空间，更何况大企业会更倾向于和大型的供应商合作。综合以上分析，我们建议创业者要加快开发建设进度，抢占先机，争取自身赶快做大做强，才能应付将来激烈的竞争。五、投资分析光器件行业的投资比较大，主要在于生产线建设。光电传感器产品的材料清单：品名用途数量价格总价说明采购渠道LED芯片光源2〜4¥1.6¥3.6〜7.2芯片越多，测量越准确，但是功耗增加。台湾晶元或其它接收器IC芯片反射光接收，放大1~3¥7.5¥7.5~22.5集成了探测器PD和光电流预放大器的芯片SiliconLabs或其他模拟芯片供应商热沉芯片载体和散执八、、1¥2¥2镀导电电极的陶瓷基片或PCB日立，中瓷等陶瓷片厂家，及牧泰莱等PCB厂家。滤光片过滤杂散光1¥1¥1过滤杂光的影响，提高精度。一般的光学玻璃生产商封装耗材贴片，键合，密封1¥0.5¥0.5粘接胶，键合金属丝，密封胶等国内半导体封装材料供应商塑封材料密封1¥0.5¥0.5将兀件封装在机械件企业

成型其中。定制注：本表仅包含基本材料清单，并且各个渠道的报价有所不同，而且价格与采购量关联极大所列价格仅供参考。设备清单：设备名数量价格（万元）说明采购渠道自动点胶机11.5用于热层上芯片粘接区的胶涂布国内设备代理自动贴片机132用于裸芯片的粘接，固定国产设备厂商自动球焊线机140芯片与导线的电气连接国产设备厂商真空泵10.5贴片机的配套设备国产设备厂商半自动模压塑封机112粘接胶的固化国内设备代理烘箱20.45胶固化及产品老化国产设备厂商金相显微镜22检查封装质量国产设备厂商电子防潮柜10.8存储芯片等物料国内设备代理直流稳压电源10.4测试时给模块上电国产设备厂商皮安表11.3测试微弱光电流国内设备代理注：本表仅包含基本工艺设备，数量取决于产能，实际工作中还必须包括工作台，夹具等大量辅助性装备。不同品牌设备价格相差较大，报价仅供参考。除了设备以外，还需要投入较多资金的一个项目是净化车间的建设和维护。因为芯片封装需要在无尘环境下操作，所以必须建立至少万级标准的净化车间。现在一个300平米的万级净化车间装修费用大约在40〜50万之间。除了这些一次性投入外，生产中还会有防静电材料，劳保用品，氮气，酒精清洗液，擦拭纸等消耗品的采购费用。

六、市场分析：显然，可穿戴设备是这种光电传感器最大的市场TheWorldMarketforWearableTechnology-byApplication3550oo5ooo20©2014IHSTheWorldMarketforWearableTechnology3550oo5ooo20©2014IHSTheWorldMarketforWearableTechnology・Oct2013s§40wuo三一WMilitaryIndustrialInfotainmentFitnessandWellnessHealthcareandMedicalUnits(millions)全球可穿戴设备的市场预测TlwWo「lciIVIafkEtSports,Fitness&ActivityMonitors・Unite70PedometersSource:IHS@2014IHSSpcMUFitness&.ActivityMonitors-April2014各类健康检测设备的销售量预测首先可以看到的是全球可穿戴设备总体市场逐年增长的趋势，其中与健康检测和医疗有

关的市场将从2012年的50亿美元成长到2018年的90亿美元。第二张图展示了各种细分市场的销售量增长趋势。其中心率检测仪器占比最大，到2018年将突破2千万只的规模。健康检测及运动管理的可穿戴设备供应商全球健康检测与运动管理相关的传感器出货量预测面再看中国市场的情况

ChinaWearableDevdcesMarketScale20122013E20ME2015E2O16Emarketscalefmllion)-B-YoYincrease中国可穿戴设备市场预测中国消费者对可穿戴设备的各项功能中，有33.3%的人关注健康检测，59.5%的人关注运动管理。而这两项功能无疑都会涉及心率的测量。因此，我们认为心率传感器将是可穿戴设备必不可少的部件，将随着可穿戴设备的市场一起成长。

七、竞争分析现在大多数心率传感器产品还是独立的腕表型或指套型，只能专门测量心率，因为体积较大而无法用于可穿戴设备内部的集成。这些厂家采用的方案也一般是将已封装的LED灯和同样封装好的光敏元件安装在产品内部，通过自己编写的程序分析计算心率并直接显示出来HRS-06UFDigitalPulscensorHRS-06UFDigitalPulscensor腕带型心率传感器指套型心率传感器腕带型心率传感器已经推出了专用于可穿戴设备的心率传感器的厂家还比较少。目前已知的仅有SiliconLabs和ADI提供的一种方案，以及国内的深圳华晶宝丰电子推出的传感器模组LST1303。MAmbientLightSi114x/皙Sources

/TransparentWindow

/Si114xInfrared士EmitterLEDFilterDrivers□LED1-3LED23LED3Infrared士EmitterLEDFilterDrivers□LED1-3LED23LED3iTempSensor■r|SignalProcessing&ControlLogicOscilllatorAMURegisterMapVDDpINTpSCL[h—IgDA^qSMBusQGNDrProductCaseSiliconLabs的光电传感器芯片ADI为三星的GalaxyGearFit供应的心率传感器模组照片已在技术原理一节中展示，它的方案与SiliconLabs类似，都是单独封装接收端和控制电路，需要客户自己配置LED。所不同的是其光敏元件与ASIC芯片是分离的部分，而SiliconLabs则能够做到单片集成。SiliconLabs和ADI的产品还需要外置LED,而华晶宝丰的已是完整的光电传感器，所以前者体积更小。对于想从光器件角度切入心率传感器产业的创业者来说，以SiliconLabs为代表的IC芯片供应商提供的解决方案是一个很大的威胁。因为可穿戴厂商只需购买其芯片然后自己与LED安装在一起就可以达到目的了，其缺点只是在于总的传感器体积会大于器件级的封装方案。而华晶宝丰的解决方案正是后者，将LED，PD,放大器等元件封装在一起，提供一个完整的传感器模组给客户。但是其缺点是没有独立的模数转换和信号处理单元，这需要客户自己在电路中进行处理。除了这两家外，Avago,AMS也宣称将推出传感器产品。前者是光器件行业的大家，而后者则是老牌的传感器厂商。他们的具体方案为何现在还是未知数。不过我们推测Avago可能会将LED与IC芯片一起封装，AMS则主攻芯片和算法，最有可能的是提供一块封装好的芯片和软件接口给客户。八、创业建议：光电式传感器作为健康检测的基础器件，肯定是可穿戴设备必须采用的重要组件。但是这种传感器的器件级封装，需要很大的产线投入。如前面投资分析所示，不光有昂贵的设备采购，车间也需要高标准的建设维护，而且大量耗材也需要不菲的花销。所以我们建议创业者应找封装工厂以代工的模式来生产，自己主要负责产品设计和市场开拓。前面风险分析里也提到了现在心率检测还有其它方案与光电传感器竞争。所以客户的方案会决定光电传感器的功能形式，性能指标等重要参数，而