想象一種不需要使用放大器的光電二極管。理論上，我們不必為了增強(qiáng)信號(hào)而在光電二極管周圍加上復(fù)雜的模擬電路，就能直接將這種光電二極管設(shè)計(jì)于穿戴式SoC中，并連接至數(shù)字電路，從而節(jié)省了芯片的尺寸和成本。

瑞士洛桑一家成立于2011年的新創(chuàng)公司——ActLight，日前開(kāi)發(fā)出這種無(wú)需放大器的所謂“動(dòng)態(tài)光電二極管”(Dynamic Photodiode；DPD)技術(shù)，并開(kāi)始提供其IP授權(quán)。

Actlight首席執(zhí)行官Serguei Okhonin日前接受《EE Times》訪問(wèn)，他說(shuō)該公司最近獲得其首家授權(quán)商評(píng)選為“前五大半導(dǎo)體公司之一”。不過(guò)，Okhonin并未透露是哪一家芯片供應(yīng)商。

ActLight的動(dòng)態(tài)光電二極管(DPD)技術(shù)樣片。該芯片位于中間，每一側(cè)都有標(biāo)準(zhǔn)LED支持

在成像和感測(cè)領(lǐng)域，ActLight似乎還名不見(jiàn)經(jīng)傳?！禘E Times》聯(lián)絡(luò)的幾位業(yè)界分析師和可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)人員，對(duì)于這家新創(chuàng)公司所知甚少。這并不令人意外，畢竟業(yè)界至今尚未看到有關(guān)DPD技術(shù)的進(jìn)展，也沒(méi)有任何使用該新創(chuàng)公司IP的設(shè)備進(jìn)入商用化市場(chǎng)。

然而，ActLight預(yù)計(jì)將在本月19-21日于法國(guó)格勒諾布爾市(Grenoble)召開(kāi)的SEMI歐洲MEMS/成像與傳感器高峰會(huì)(SEMI European MEMS / Imaging & Sensors Summit)發(fā)表其基于飛行時(shí)間(ToF) 3D成像應(yīng)用的DPD傳感器。ToF是深度感測(cè)領(lǐng)域最受爭(zhēng)議的技術(shù)之一。

根據(jù)ActLight官網(wǎng)上的資料，該公司吹捧DPD傳感器可以提供“更高的光學(xué)性能，這對(duì)于發(fā)射光功率有限的移動(dòng)應(yīng)用特別重要”。

因此，ActLight將在此次活動(dòng)中，討論在即將用于智能手機(jī)中的ToF 3D感測(cè)相機(jī)架構(gòu)下，DPD較現(xiàn)有雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diodes；APD)和單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diodes；SPAD)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

而當(dāng)問(wèn)及DPD用于基于ToF的深度感測(cè)應(yīng)用表現(xiàn)時(shí)，ActLight商務(wù)官Roberto Magnifico并不愿發(fā)表任何評(píng)論，而只說(shuō)：“我們計(jì)劃在格勒諾布爾的活動(dòng)中詳細(xì)宣布這項(xiàng)計(jì)劃?！?/p>

靈敏度差？

讓我們回到一開(kāi)始探討光電二極管應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的主題。

例如，在心率傳感器中使用光電二極管，可以測(cè)量來(lái)自LED發(fā)射的光，以及從佩戴者的手反射的信號(hào)。這一反射信號(hào)會(huì)根據(jù)血液濃度而變化。只要調(diào)節(jié)光電二極管的信號(hào)，就能提供佩戴者關(guān)于心率的信息。

那么，當(dāng)今穿戴式應(yīng)用中的光電二極管存在哪些基本問(wèn)題？

Yole Développement首席成像技術(shù)和市場(chǎng)分析師Pierre Cambou簡(jiǎn)潔地說(shuō)：“由于靈敏度較差，使得準(zhǔn)確性低。”

正如Cambou所解釋的，PIN光電二極管“非常善于感測(cè)光線，但其靈敏度存在‘閾值’(threshold)限制。光電二極管透過(guò)靈敏度，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)和測(cè)量光子的最小光通量。”他并補(bǔ)充說(shuō)，針對(duì)小的光通量，光電二極管通常用于反向偏壓，“這被稱為‘雪崩’(Avalanche)模式或Avalanche光電二極管的APD。而如果你想在‘蓋格模式’(Geiger mode)中更進(jìn)一步，則可稱為‘單光子雪崩二體’(Single Photon Avalanche Diode)模式或SPAD。”

正如Magnifico所解釋的，“傳統(tǒng)上，光電二極管在恒定的反向偏置電壓下工作，提供光電流作為輸出。然而，這種光電流通常很微弱，需要進(jìn)一步放大?！辈贿^(guò)，增加這種放大器最終將招致更多的噪聲——這個(gè)問(wèn)題在低光下可能更嚴(yán)重。

這就是ActLight認(rèn)為其DPD技術(shù)得以發(fā)揮之處。

該公司解釋說(shuō)：“DPD并不是使用直流(DC)偏置，而是在脈沖電壓下作業(yè)：施加電壓從反向偏置切換到正向偏置。該正向偏置在一段時(shí)間延遲后產(chǎn)生較大的正向電流，而所謂的觸發(fā)時(shí)間取決于光強(qiáng)度。因此，我們測(cè)量的是大量正向電流的延遲時(shí)間，而不是小的光電流幅度。”

由于輸出信號(hào)大，ActLight聲稱DPD不需要增加放大器，而且還可以直接連接到數(shù)字電路。

如今，DPD采用了CMOS技術(shù)制造，使得光電二極管及其簡(jiǎn)單的前端電路可以整合在同一芯片上。

可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)師的觀點(diǎn)

如果是這樣的話，采用DPD有什么問(wèn)題嗎？特別是對(duì)于穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)師而言，他們不斷致力于使其設(shè)備越來(lái)越小且更節(jié)能？

《EE Times》有機(jī)會(huì)訪問(wèn)到洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任David Atienza。Atienza教授及其團(tuán)隊(duì)一直致力于開(kāi)發(fā)各種智能手表和連網(wǎng)的可穿戴健康設(shè)備。

ActLight總部雖然就設(shè)在EPFL的創(chuàng)新園區(qū)，但它并非由EPFL這所學(xué)校獨(dú)立出來(lái)的。Atienza說(shuō)，在《EE Times》采訪之前，他并沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)ActLight的DPD技術(shù)。

許多開(kāi)發(fā)人員，如Atienza的團(tuán)隊(duì)，正在設(shè)計(jì)整合PPG傳感器的智能手表，他們習(xí)慣于使用“標(biāo)準(zhǔn)光電二極管”。Atienza解釋，客戶都會(huì)要求智能手表設(shè)計(jì)必須符合醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，像ActLight DPD這樣的新型動(dòng)態(tài)光電二極管可能更有意思，但更重要的是DPD“必須經(jīng)醫(yī)學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估?！彼肟纯催@家新創(chuàng)公司是否能達(dá)到與其宣稱的相同精度或更高的信號(hào)噪聲比(SNR)。

為此，Magnifico提供了以下兩張圖表，重申該公司ActLight光電探測(cè)器在潛在客戶面前成功展現(xiàn)，它能與最準(zhǔn)確的心電圖(ECG)系統(tǒng)產(chǎn)生“完全相同的測(cè)量結(jié)果”。

上圖顯示在相同時(shí)間針對(duì)同一受試者進(jìn)行ActLight光電探測(cè)器的心率測(cè)量，以及ECG系統(tǒng)的心率測(cè)量之比較結(jié)果

圖中顯示一家大型可穿戴設(shè)備OEM進(jìn)行的相同測(cè)試，以Polar H7胸帶的ECG系統(tǒng)進(jìn)行比較，并確認(rèn)了ActLight光電探測(cè)器的測(cè)量精度

Atienza認(rèn)為DPD技術(shù)最具吸引力之處在于其“延長(zhǎng)了電池壽命，因?yàn)樗鼈兛梢栽诒纫话愎怆姸O管更低的電壓下工作?！备鶕?jù)ActLight，由于DPD傳感器具有更好的SNR性能，使其取得PPG樣本所需的光照較少。該公司聲稱，“相對(duì)于最先進(jìn)的系統(tǒng)，其LED發(fā)射能量減少了大約7倍?！?/p>

那么，將傳感器整合至可穿戴設(shè)備中存在哪些挑戰(zhàn)？Atienza說(shuō)，“傳感器的尺寸(這是因?yàn)楸仨氃诰_的系統(tǒng)設(shè)計(jì)位置整合系統(tǒng))以及能量，是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)心率的關(guān)鍵，因?yàn)槲覀儽仨氃谧畹皖l率下進(jìn)行取樣，否則信號(hào)質(zhì)量將會(huì)非常低。”

Atienza還指出精確度至關(guān)重要。但具體取決于傳感器的放置或應(yīng)用位置而可能會(huì)有所不同。他解釋說(shuō)，例如，不同的膚色、體脂肪含量以及傳感器是放在手腕還是耳朵上，都會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量結(jié)果。

最后，測(cè)量信號(hào)的質(zhì)量，還將會(huì)成為可穿戴設(shè)備使用哪一種傳感器的決定因素。Atienza說(shuō)：“我們經(jīng)常需要將最初提議的PPG傳感器改為其他類型(通常消耗更多[能量])，因?yàn)橐婚_(kāi)始的組件質(zhì)量不足。”

針對(duì)Atienza的質(zhì)疑，Magnifico響應(yīng)道：“我們和客戶已經(jīng)針對(duì)各種廣泛的膚色和體型樣本測(cè)試這款光電探測(cè)器了，結(jié)果極其良好。”他并補(bǔ)充說(shuō)：“我們利用這款比目前市面上更小的光電測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了這樣的成果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在光電探測(cè)器中用于進(jìn)行生命征象監(jiān)測(cè)的PPG技術(shù)，并不一定100%適于心臟病患，但例外情況可以忽略不計(jì)。”

探索心率測(cè)量以外的新應(yīng)用

ActLight首席執(zhí)行官Okhonin指出，隨著基于DPD的傳感器實(shí)現(xiàn)更高的精確度，該技術(shù)將進(jìn)一步擴(kuò)展到簡(jiǎn)單的心率監(jiān)測(cè)之外等應(yīng)用。

他看好相同的傳感器還可支持“心率變異性”(可提供預(yù)后信息)、VO2max (心血管健康指標(biāo))或甚至是“血壓”。

他并補(bǔ)充說(shuō)，基于DPD的傳感器尺寸日趨小型化，也有助于設(shè)計(jì)人員不僅可以將傳感器放在手腕上，還可以設(shè)計(jì)成耳塞用于聽(tīng)戴式設(shè)備，或甚至是助聽(tīng)器等。

Magnifico解釋說(shuō)，耳朵是“測(cè)量生命征象的理想位置，因?yàn)橄噍^于手腕，它的血液灌注更好、動(dòng)作也更少?！彼赋?，“我們目前正與一家擁有90%聽(tīng)戴式生命征象監(jiān)測(cè)模塊市場(chǎng)的公司合作，這家公司已經(jīng)測(cè)試證實(shí)了ActLight光電二極管的出色SNR?！?/p>

ActLight預(yù)計(jì)整合該公司光電二極管的首款ASIC將于2019年面世，他并指出已經(jīng)有兩三家OEM已在密切關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)了。