芯東西（公眾號(hào)：aichip001）
作者 | ?ZeR0
編輯 | ?漠影
隨著人們對(duì)身體健康狀況愈發(fā)關(guān)注，健康領(lǐng)域消費(fèi)類電子產(chǎn)品的銷量一路走高。而要采集各種生命體征數(shù)據(jù)，離不開(kāi)專業(yè)的傳感器。
從智能手表、眼鏡、戒指等可穿戴設(shè)備，到智能音箱、空調(diào)、空氣凈化器等智能家居產(chǎn)品，通過(guò)搭載多種不同類型的傳感器，它們具備了直接或非接觸式監(jiān)測(cè)各種健康數(shù)據(jù)的能力。
在智慧健康領(lǐng)域，英飛凌通過(guò)與一系列伙伴合作，已實(shí)現(xiàn)其傳感器在多種消費(fèi)類健康管理及監(jiān)測(cè)功能的量產(chǎn)落地。近日，多位英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)（PSS）事業(yè)部與智東西等媒體進(jìn)行交流，分享了其傳感器在智慧健康監(jiān)測(cè)方面的一些實(shí)際應(yīng)用與成功案例。
據(jù)英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部應(yīng)用市場(chǎng)總監(jiān)李國(guó)豪分享，市研機(jī)構(gòu)ABI的數(shù)據(jù)顯示，市場(chǎng)對(duì)于安裝Home Healthcare（居家場(chǎng)景下的健康管理）產(chǎn)品的需求在2022年預(yù)計(jì)約有2000萬(wàn)臺(tái)，未來(lái)10年后或漲至超過(guò)1.8億臺(tái)。
一、4類傳感器模擬人類感官，覆蓋主流健康監(jiān)測(cè)場(chǎng)景
英飛凌PSS事業(yè)部現(xiàn)有4類廣泛應(yīng)用的傳感器，它們能模擬人體的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等各種感官，從而模擬出實(shí)際環(huán)境并進(jìn)行感應(yīng)。
第一類是MEMS類產(chǎn)品，麥克風(fēng)可模擬人類聽(tīng)覺(jué)，在手機(jī)、耳機(jī)、智能音箱上有廣泛應(yīng)用。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，英飛凌有多類MEMS產(chǎn)品。
第二類是3D立體雷達(dá)傳感器。它能模擬視覺(jué)，可應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，遠(yuǎn)距離偵測(cè)到是否有障礙物。英飛凌也與主要客戶合作研發(fā)了一款應(yīng)用于工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域的雷達(dá)，它能做到在智能空間、智能家居、居家健康監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用。
第三類是3D ToF飛行時(shí)間傳感器。它也能模擬視覺(jué)，偵測(cè)到人體或者是物體的距離、深度，可以應(yīng)用在手機(jī)上判斷是否需要解鎖，也可以應(yīng)用在掃地機(jī)器人上，偵測(cè)到障礙物距離。
第四類是跟環(huán)境、空氣有關(guān)的傳感器，主要是二氧化碳傳感器，可模擬嗅覺(jué)，用于空調(diào)以及空氣凈化器，輔助設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)空氣的調(diào)節(jié)，同時(shí)可通過(guò)室內(nèi)的空氣質(zhì)量來(lái)偵測(cè)到室內(nèi)是否有人的存在。
除了醫(yī)療健康設(shè)備外，越來(lái)越多可穿戴設(shè)備也搭載上多種類型的傳感器，用于測(cè)量步數(shù)、心跳、血糖、血氧等方面的數(shù)據(jù)。從傳感器采集的健康數(shù)據(jù)，可以通過(guò)家居場(chǎng)景里面的設(shè)備，上傳到云端，與已有的線上醫(yī)療服務(wù)結(jié)合。
以看護(hù)老人的場(chǎng)景為例，傳感器可隨時(shí)監(jiān)控老人的呼吸、心率等生命體征狀態(tài)，并能上傳至云端，以供遠(yuǎn)在其他地方的親友知曉老人的健康狀況。傳感器還可以通過(guò)路徑追蹤，及時(shí)發(fā)現(xiàn)老人跌倒等突發(fā)情況。
二、雷達(dá)：監(jiān)測(cè)細(xì)微生命體征，感知距離追蹤手勢(shì)
毫米波雷達(dá)能模擬人眼，感知周圍環(huán)境，尤其對(duì)于一些運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，有更高的靈敏度和可靠度。
它可以感知到任何微小的移動(dòng)，包括呼吸時(shí)胸腔微小的位移，并由此可監(jiān)測(cè)一些生命體征。它也能利用“存在感測(cè)”激發(fā)一些裝置系統(tǒng)，去感知距離、位置、速度、角度等數(shù)據(jù)信息，結(jié)合算法后可實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸、心跳、手勢(shì)等的追蹤應(yīng)用。
比如，英飛凌的合作伙伴將其雷達(dá)傳感器加上硅麥克風(fēng)，搭配AI算法做成解決方案，來(lái)收集人體在睡眠狀態(tài)中的微動(dòng)，以及打呼嚕的聲音，從而監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量，判斷是否存在睡眠呼吸暫停癥。
雷達(dá)波能夠穿透任何不具導(dǎo)電物質(zhì)的表面以及外殼，所以即使安裝到產(chǎn)品外殼內(nèi)部，其工作效果也不受影響。同時(shí)它不受光線的影響，能在無(wú)光、高溫、多霧、多灰塵的環(huán)境里正常運(yùn)行。
雷達(dá)的一大難點(diǎn)是算法，如上圖所示，橫軸部分是針對(duì)雷達(dá)可提取的一些原始資料訊息，縱軸部分是雷達(dá)工作原理以及市面上普及的算法?；谶@些算法，使用者可實(shí)現(xiàn)想做的功能。算法不同，雷達(dá)所需搭配的MCU或處理器也不一樣。
英飛凌的兩款毫米波雷達(dá)基本可涵蓋雷達(dá)主要應(yīng)用場(chǎng)景：英飛凌新推出的BGT60LTR11AIP，是一款主攻運(yùn)動(dòng)偵測(cè)的高性價(jià)比方案，可利用自動(dòng)模式進(jìn)行偵測(cè)；另一款方案是已在市面上推廣一段時(shí)間的BGT60TR13C，適用于一些先進(jìn)的雷達(dá)傳感技術(shù)，它屬于超寬頻，可使用高級(jí)FMCW算法，分辨率很精細(xì)，能實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制、生命體征監(jiān)測(cè)、人員追蹤等功能。
具體來(lái)說(shuō)，BGT60LTR11AIP是一款基于毫米波多普勒效應(yīng)的雷達(dá)傳感器，它集成了簡(jiǎn)單的基帶，采用集成天線封裝技術(shù)，幫客戶解決了天線設(shè)計(jì)、射頻及雷達(dá)訊號(hào)處理方面的復(fù)雜性問(wèn)題。
在自動(dòng)模式下，該雷達(dá)可以探測(cè)到距離5米遠(yuǎn)的人，水平的視角約80度，平均功耗小于5mW。在SPI模式下，外部的MCU或PC可提取原始的雷達(dá)數(shù)據(jù)，用于已經(jīng)開(kāi)發(fā)的自定算法。利用這個(gè)方式，偵測(cè)的距離可以增加到10公尺遠(yuǎn)。
跟紅外線的方案比較，毫米波更敏感，誤報(bào)率更低，會(huì)大幅提升使用者的體驗(yàn)。同時(shí)，毫米波具有穿透、非導(dǎo)電性的特點(diǎn)，所以很容易放置在一些產(chǎn)品的封裝當(dāng)中。
這顆芯片的尺寸很小，約3×7毫米，架構(gòu)是一發(fā)一收，天線已集成在封裝內(nèi)。在自動(dòng)模式下，它有配置4個(gè)四態(tài)輸入引腳，供設(shè)計(jì)者即插即用。
BGT60TR13C有別于之前BGT60LTR11AIP的硬件架構(gòu), 是一發(fā)三收的MMIC，也采用集成天線封裝技術(shù)。其尺寸是6×5毫米，使用時(shí)的平均功耗大約是20到30mW左右，使用頻寬大于5GHz，解析度可以大約達(dá)到3公分。
由于其屬于多發(fā)多收的架構(gòu)，它也可以提取角度信息資料，利用高級(jí)算法開(kāi)發(fā)，其可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)辨識(shí)、室內(nèi)人員的存在感知、心跳監(jiān)測(cè)等功能，適用于智慧建筑、智能家居、TV、筆記本以及老人看護(hù)等場(chǎng)景。
三、ToF傳感器：擅長(zhǎng)精準(zhǔn)建圖，更好保護(hù)隱私
和雷達(dá)類似，ToF也屬于3D傳感。不同之處在于，雷達(dá)用的是毫米波，看不到，有更強(qiáng)的適應(yīng)能力；而ToF需要有一個(gè)發(fā)光源，分辨率比雷達(dá)更高，功耗也相對(duì)較大。
ToF通過(guò)感光的方式實(shí)現(xiàn)物體成像，主要用于檢測(cè)深度信息，通過(guò)計(jì)算發(fā)收光的時(shí)間延遲乘以光速再除以2，就能算出與物體之間的距離。
只要涉及獲取深度、距離等信息的應(yīng)用，ToF都可以提供幫助。ToF不會(huì)像CMOS圖像傳感器那樣采集彩色圖像信息，而只采集深度信息，這使得它能更好地保護(hù)隱私。
比如，ToF適合用于人臉識(shí)別功能，做人臉特征點(diǎn)計(jì)算、手勢(shì)追蹤；它還可以用于機(jī)器人移動(dòng)時(shí)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的建圖，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障，并給上層的路徑規(guī)劃算法提供更多的數(shù)據(jù)輸入。
目前，英飛凌的ToF傳感器在手機(jī)、汽車、機(jī)器人等應(yīng)用中均已大規(guī)模量產(chǎn)供貨，能為客戶提供完整、成熟的方案。
如今ToF在智能座艙中的應(yīng)用非常熱門，包括駕駛員人臉識(shí)別、乘客座椅調(diào)整、自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈、車外避障監(jiān)測(cè)等。ToF還能助力智能泊車，判斷周圍幾米范圍內(nèi)的障礙物情況，為超聲、RGB等提供探測(cè)周圍環(huán)境的盲點(diǎn)補(bǔ)充。
pmd和英飛凌是ToF領(lǐng)域的先驅(qū)，已有20年的經(jīng)驗(yàn)積累。
早在2002年，pmd就已從事相關(guān)研究。在與英飛凌正式合作之前，pmd主要專注在偏向工業(yè)的應(yīng)用。2013年中旬，英飛凌開(kāi)始和pmd合作，主要需求是讓ToF的成像器尺寸更小、功耗更低，將其應(yīng)用到消費(fèi)類產(chǎn)品里面。
英飛凌在CMOS工藝方面有很多積累，在2015年宣布推出第一代的ToF imager，稱為REAL 3的成像器，并于2016年的時(shí)候推出第二代產(chǎn)品。之后該產(chǎn)品在基于谷歌Tango標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)想手機(jī)和華碩手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，并被應(yīng)用到一家美國(guó)的創(chuàng)業(yè)公司Lighthouse研發(fā)的家庭機(jī)器人中。
其在2021年推出的第六代產(chǎn)品，具備了更遠(yuǎn)距離的探測(cè)能力，以更好適應(yīng)AR應(yīng)用等元宇宙趨勢(shì)。
據(jù)悉，市場(chǎng)上真正能夠量產(chǎn)的ToF并不多。很多供應(yīng)商僅能提供低分辨率的ToF，這些產(chǎn)品常被稱為“測(cè)距儀”，而英飛凌可以提供的高分辨率面陣ToF，是一個(gè)成像器，能為上層應(yīng)用提供一個(gè)更詳細(xì)的物體成像結(jié)果。
英飛凌和pmd在ToF領(lǐng)域有400多個(gè)專利。在強(qiáng)光的情況下，英飛凌的ToF能較好地規(guī)避太陽(yáng)光的干擾。英飛凌有一個(gè)SBI專利，能去掉不需要的光信息，讓有效的光信息進(jìn)來(lái)，從而在強(qiáng)光下能得到比較好的物體的深度信息。
在智慧健康場(chǎng)景中，英飛凌的ToF已經(jīng)在一些養(yǎng)老院、隔離酒店實(shí)現(xiàn)了跌倒檢測(cè)功能的量產(chǎn)。
四、CO2傳感器：監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，優(yōu)化通風(fēng)調(diào)控
CO2傳感器輸出的PPM讀數(shù)，可以反映CO2（二氧化碳）濃度值。
人們往往會(huì)忽略CO2對(duì)我們生活和工作的影響。在人多擁擠和通風(fēng)不良的環(huán)境下，CO2濃度會(huì)快速上升。例如，一個(gè)人在約4平方米的空間中，CO2濃度會(huì)在45分鐘內(nèi)從500PPM上升到1000PPM以上。
在室外空氣流通時(shí)，CO2的PPM是比較低的，但當(dāng)CO2濃度越來(lái)越高，如超過(guò)1000PPM，人就會(huì)覺(jué)得有點(diǎn)犯困、難以集中注意力，更高甚至?xí)谷烁械筋^痛或呼吸困難。如果濃度達(dá)到2000PPM以上，人的認(rèn)知能力都會(huì)受到影響。
因此，有必要添加測(cè)量CO2的功能，有針對(duì)性地對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，有助于改善人們的健康狀況，提高生活的舒適度和提高工作效率；同時(shí)，可以根據(jù)需要來(lái)控制和使用通風(fēng)系統(tǒng)，從而節(jié)約能源，降低通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行成本。
憑借MEMS技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，英飛凌成功開(kāi)發(fā)了以光聲光譜技術(shù)為基礎(chǔ)的新型CO2傳感器，以提供更具普遍適用性的CO2濃度測(cè)量解決方案。
如上圖，CO2傳感器主要有四種技術(shù)，除了光聲光譜技術(shù)之外，還有NDIR、EC和eCO2?；诠饴暪庾V與NDIR的傳感器都可實(shí)現(xiàn)真實(shí)CO2濃度的測(cè)量，不受其它氣體的影響。
光聲光譜二氧化碳傳感器的優(yōu)勢(shì)是能做到與高端NIDR二氧化碳傳感器一樣的性能，滿足嚴(yán)苛的空氣質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)又能節(jié)省75%以上的空間。
與NDIR傳感器相比，光聲光譜二氧化碳傳感器采用了高靈敏度的MEMS麥克風(fēng)作為探測(cè)器，減少了器件和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。因此它可以做到小尺寸和低成本，非常適合大批量的工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用。
相比之下，EC和eCO2的精度和指向性比較弱，而且容易受到濕度的影響。
從上圖可以看到，英飛凌光聲光譜二氧化碳傳感器的尺寸很小，可以做到目前典型的NDIR傳感器的1/4。它采用SMD封裝，符合國(guó)際JEDEC標(biāo)準(zhǔn)，可采用回流焊接技術(shù)進(jìn)行無(wú)引腳的表面貼裝，裝配之后不需要再做后期的校準(zhǔn)，方便大規(guī)模生產(chǎn)，可為客戶節(jié)省裝配方面的時(shí)間和成本。
斜上方的是腔室，里面有紅外光源、光學(xué)濾波片和MEMS麥克風(fēng)，其中高靈敏度的MEMS麥克風(fēng)用于探測(cè)腔室里面CO2分子產(chǎn)生的很細(xì)微的壓力變化，只需要很少量的氣體就足以做出精確的判定，因此這個(gè)腔室可以相應(yīng)地采用小尺寸的設(shè)計(jì)。此外，這個(gè)傳感器集成了MCU，可以將檢測(cè)到的CO2濃度值直接轉(zhuǎn)換為PPM值，通過(guò)三種接口輸出。
英飛凌光聲光譜二氧化碳傳感器所有的關(guān)鍵組件，包括紅外光源、光學(xué)濾波片、MEMS麥克風(fēng)、MCU、MOSFET等，都是英飛凌自研的產(chǎn)品。
結(jié)語(yǔ)：智慧健康管理正涌現(xiàn)更多商機(jī)
總體來(lái)看，在智慧健康場(chǎng)景，英飛凌打造的多種類型傳感器，可以與其MCU、藍(lán)牙、Wi-Fi及數(shù)據(jù)安全芯片等搭配，結(jié)合相關(guān)軟件及合作伙伴的算法，實(shí)現(xiàn)兼具傳感、無(wú)線等功能的消費(fèi)類AIoT設(shè)備，將智慧健康監(jiān)測(cè)管理變得更加準(zhǔn)確有效，更加簡(jiǎn)便易行。
英飛凌根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景所需的商業(yè)模式，可采用靈活的合作方式，拓展了許多類型的合作伙伴，以盡可能涵蓋呈碎片化特征的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，持續(xù)開(kāi)拓新應(yīng)用。由各種傳感器收集到的數(shù)據(jù)，在健康管理中正發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用，相應(yīng)的落地商機(jī)也在持續(xù)增加。
