芯東西（公眾號：aichip001）
作者 | ?ZeR0
編輯 | ?漠影
隨(sui)著人們對(dui)身體(ti)健(jian)康(kang)狀況愈發關注，健(jian)康(kang)領域消(xiao)費類電(dian)子產品的銷量(liang)一路走高(gao)。而要采集各種生(sheng)命體(ti)征數(shu)據，離不(bu)開專業的傳感器。
從智(zhi)能手表、眼(yan)鏡(jing)、戒指(zhi)等(deng)可穿戴設備，到智(zhi)能音箱、空(kong)調、空(kong)氣凈化器等(deng)智(zhi)能家居產(chan)品，通(tong)過搭載(zai)多種(zhong)不同類型的傳感器，它(ta)們具(ju)備了(le)直(zhi)接或非(fei)接觸式監(jian)測各種(zhong)健康數據的能力。
在(zai)智(zhi)慧(hui)健(jian)康(kang)領域，英飛凌(ling)通過(guo)與一系列伙(huo)伴(ban)合作，已實(shi)現其傳(chuan)感器在(zai)多種消費類健(jian)康(kang)管理及(ji)監測(ce)功能的(de)量產落(luo)地。近日，多位(wei)英飛凌(ling)科技大中華區(qu)電源(yuan)與傳(chuan)感系統（PSS）事業(ye)部(bu)與智(zhi)東西等媒體進(jin)行交流，分享了其傳(chuan)感器在(zai)智(zhi)慧(hui)健(jian)康(kang)監測(ce)方面的(de)一些實(shi)際應用與成功案例(li)。
據(ju)英飛凌科技大中(zhong)華區電源與傳感系統事業部應用(yong)市(shi)場總監李(li)國豪分(fen)享，市(shi)研機構ABI的(de)(de)數據(ju)顯示，市(shi)場對于安裝Home Healthcare（居(ju)家場景(jing)下的(de)(de)健(jian)康管理）產品的(de)(de)需求(qiu)在2022年預計約有2000萬(wan)臺，未來10年后或(huo)漲(zhang)至超過1.8億臺。
一、4類傳感器模擬人類感官，覆蓋主流健康監測場景
英飛凌PSS事業部現(xian)有4類廣泛應(ying)用的傳感器，它們能模擬(ni)人體(ti)的聽覺(jue)、視覺(jue)、觸(chu)覺(jue)、嗅覺(jue)等各種感官，從而(er)模擬(ni)出實際環(huan)境(jing)并進(jin)行(xing)感應(ying)。
第一類(lei)是MEMS類(lei)產品，麥克風可模擬人類(lei)聽覺，在手機、耳(er)機、智能音(yin)箱上有(you)廣泛(fan)應(ying)用(yong)。針對(dui)不(bu)同應(ying)用(yong)場景，英飛凌有(you)多類(lei)MEMS產品。
第二類是(shi)3D立體雷達(da)傳感器(qi)。它能模擬視覺，可(ke)應用(yong)在汽(qi)車領(ling)域(yu)，遠距離偵測(ce)(ce)到是(shi)否有障礙物。英飛凌也與主要客戶合(he)作研發了一款應用(yong)于工業和(he)消費領(ling)域(yu)的(de)雷達(da)，它能做(zuo)到在智能空(kong)間、智能家(jia)(jia)居(ju)、居(ju)家(jia)(jia)健康監測(ce)(ce)等方面的(de)應用(yong)。
第三類是3D ToF飛行(xing)時間傳感(gan)器(qi)。它也能模擬視(shi)覺，偵(zhen)測(ce)(ce)到(dao)人體或(huo)者是物體的距離、深(shen)度，可以(yi)應用(yong)在(zai)手機(ji)上判斷是否(fou)需要(yao)解鎖，也可以(yi)應用(yong)在(zai)掃地機(ji)器(qi)人上，偵(zhen)測(ce)(ce)到(dao)障(zhang)礙物距離。
第四類是(shi)跟環境、空(kong)(kong)氣(qi)有關的(de)傳感(gan)器(qi)，主要是(shi)二氧化(hua)碳傳感(gan)器(qi)，可模擬嗅覺，用于(yu)空(kong)(kong)調以及空(kong)(kong)氣(qi)凈化(hua)器(qi)，輔助設備(bei)進行室(shi)內(nei)空(kong)(kong)氣(qi)的(de)調節，同時可通過室(shi)內(nei)的(de)空(kong)(kong)氣(qi)質量來偵測到室(shi)內(nei)是(shi)否有人的(de)存(cun)在。
除了醫(yi)療健康(kang)設備外，越(yue)來越(yue)多可穿戴設備也搭載(zai)上(shang)多種(zhong)類型的(de)傳感(gan)器(qi)，用于測量步數、心跳、血(xue)糖、血(xue)氧等方面的(de)數據(ju)。從傳感(gan)器(qi)采(cai)集的(de)健康(kang)數據(ju)，可以(yi)通過家居(ju)場景里面的(de)設備，上(shang)傳到云端，與已有的(de)線上(shang)醫(yi)療服務結(jie)合。
以看(kan)護老(lao)人的(de)(de)場(chang)景為例，傳感器可隨(sui)時監(jian)控老(lao)人的(de)(de)呼吸(xi)、心率(lv)等生(sheng)命體征狀(zhuang)態，并能上傳至云端，以供遠在其他(ta)地方的(de)(de)親友(you)知曉老(lao)人的(de)(de)健(jian)康(kang)狀(zhuang)況。傳感器還可以通過路徑追蹤，及時發(fa)(fa)現老(lao)人跌倒(dao)等突發(fa)(fa)情況。
二、雷達：監測細微生命體征，感知距離追蹤手勢
毫米波(bo)雷達能模(mo)擬人眼，感知周圍環境，尤其對于一(yi)些(xie)運動(dong)檢測(ce)，有更高(gao)的靈敏度和可靠度。
它可(ke)(ke)以(yi)感知到任何微小的(de)移動，包括呼吸(xi)時胸腔微小的(de)位移，并(bing)由此(ci)可(ke)(ke)監測一些(xie)(xie)生命體征。它也能利用“存在感測”激(ji)發一些(xie)(xie)裝置(zhi)系(xi)統，去感知距離、位置(zhi)、速度(du)(du)、角度(du)(du)等數據信(xin)息，結合(he)算法后可(ke)(ke)實現(xian)對呼吸(xi)、心跳、手勢等的(de)追(zhui)蹤應用。
比如，英飛凌的(de)合作伙伴將其雷達傳感器加上硅麥(mai)克風，搭配AI算法做成解決方案，來收(shou)集人體在睡(shui)(shui)眠(mian)狀(zhuang)態(tai)中的(de)微動，以(yi)及打呼(hu)嚕(lu)的(de)聲音，從而監(jian)測睡(shui)(shui)眠(mian)質量(liang)，判斷是否(fou)存在睡(shui)(shui)眠(mian)呼(hu)吸暫停癥。
雷達(da)波能夠(gou)穿透任何不具導電物質的表(biao)面以及外(wai)殼，所(suo)以即使安裝到(dao)產品外(wai)殼內部，其工作效果也不受影(ying)響(xiang)。同時(shi)它(ta)不受光線的影(ying)響(xiang)，能在無光、高溫(wen)、多(duo)(duo)霧、多(duo)(duo)灰(hui)塵的環境里(li)正常運(yun)行。
雷(lei)達(da)(da)(da)的(de)一大難點是算(suan)(suan)法，如上(shang)(shang)圖所(suo)(suo)示(shi)，橫(heng)軸(zhou)部(bu)分是針對(dui)雷(lei)達(da)(da)(da)可(ke)提(ti)取(qu)的(de)一些(xie)原始資料訊息，縱軸(zhou)部(bu)分是雷(lei)達(da)(da)(da)工(gong)作原理以及市面(mian)上(shang)(shang)普及的(de)算(suan)(suan)法。基(ji)于這(zhe)些(xie)算(suan)(suan)法，使(shi)用者(zhe)可(ke)實(shi)現想做的(de)功能。算(suan)(suan)法不同，雷(lei)達(da)(da)(da)所(suo)(suo)需(xu)搭配的(de)MCU或處理器也不一樣(yang)。
英(ying)飛凌(ling)(ling)的兩款毫米波(bo)雷達基本(ben)可涵蓋雷達主要應用場(chang)景：英(ying)飛凌(ling)(ling)新推出的BGT60LTR11AIP，是一款主攻運動偵(zhen)測的高性(xing)價比(bi)方案，可利用自動模式進(jin)行(xing)偵(zhen)測；另(ling)一款方案是已在市面上推廣一段(duan)時(shi)間的BGT60TR13C，適用于一些先進(jin)的雷達傳(chuan)感技術(shu)，它屬于超寬頻，可使用高級FMCW算法，分辨率很精細，能(neng)實(shi)現手(shou)勢(shi)控制(zhi)、生命(ming)體征(zheng)監測、人員追(zhui)蹤等(deng)功能(neng)。
具(ju)體來說(shuo)，BGT60LTR11AIP是一款(kuan)基(ji)于毫(hao)米(mi)波多普(pu)勒效應的(de)雷達(da)傳感器，它集(ji)成了簡(jian)單(dan)的(de)基(ji)帶(dai)，采用集(ji)成天線封(feng)裝技術，幫客戶解決了天線設計、射(she)頻及雷達(da)訊號處理方面的(de)復雜性問題。
在自動模式(shi)下(xia)，該(gai)雷達可(ke)以探測(ce)到距離5米遠(yuan)的(de)人，水(shui)平的(de)視角約80度，平均功耗小于5mW。在SPI模式(shi)下(xia)，外(wai)部的(de)MCU或PC可(ke)提(ti)取原(yuan)始的(de)雷達數據(ju)，用于已經開(kai)發的(de)自定算(suan)法。利用這(zhe)個方式(shi)，偵測(ce)的(de)距離可(ke)以增加到10公尺遠(yuan)。
跟紅外(wai)線的(de)(de)(de)方案比較，毫米(mi)波(bo)更(geng)敏感(gan)，誤報率更(geng)低，會大幅提升(sheng)使用者的(de)(de)(de)體驗。同時(shi)，毫米(mi)波(bo)具有穿(chuan)透(tou)、非(fei)導電性的(de)(de)(de)特點，所以很(hen)容易(yi)放置在一些產(chan)品的(de)(de)(de)封(feng)裝當中。
這顆芯片的尺(chi)寸很小，約3×7毫(hao)米(mi)，架構是一發一收，天線已集(ji)成在封(feng)裝(zhuang)內。在自動模式下，它有配置4個(ge)四態輸入引腳，供設(she)計者即(ji)插即(ji)用。
BGT60TR13C有別于之前BGT60LTR11AIP的硬件架(jia)構, 是一發三收的MMIC，也采用(yong)(yong)集成天線(xian)封裝技術。其尺寸是6×5毫米，使用(yong)(yong)時的平(ping)均功(gong)耗(hao)大(da)約(yue)是20到30mW左右，使用(yong)(yong)頻寬大(da)于5GHz，解析(xi)度可以大(da)約(yue)達(da)到3公(gong)分(fen)。
由于其(qi)屬于多(duo)發多(duo)收的(de)架構，它也可以提取角度信息資料，利用高級(ji)算法開發，其(qi)可以實現手勢辨識、室內人員的(de)存在(zai)感知(zhi)、心跳監測等功(gong)能，適用于智慧建筑、智能家(jia)居(ju)、TV、筆記(ji)本以及老人看(kan)護等場景。
三、ToF傳感器：擅長精準建圖，更好保護隱私
和雷(lei)達類似，ToF也(ye)屬于3D傳感。不同之處在(zai)于，雷(lei)達用的是毫米波，看(kan)不到，有(you)更強的適應能力；而ToF需(xu)要(yao)有(you)一個發光源(yuan)，分辨(bian)率比雷(lei)達更高，功耗也(ye)相對較大。
ToF通(tong)過感(gan)光的方式實現物(wu)體(ti)成(cheng)像(xiang)，主要用于(yu)檢測(ce)深度信(xin)息，通(tong)過計算發(fa)收光的時間延(yan)遲乘(cheng)以(yi)光速再除(chu)以(yi)2，就能算出與物(wu)體(ti)之(zhi)間的距離(li)。
只要涉及獲取深度(du)、距離等(deng)信(xin)息的應用，ToF都可(ke)以提供幫助。ToF不(bu)會像(xiang)(xiang)CMOS圖像(xiang)(xiang)傳感器(qi)那(nei)樣采(cai)集(ji)(ji)彩(cai)色圖像(xiang)(xiang)信(xin)息，而只采(cai)集(ji)(ji)深度(du)信(xin)息，這(zhe)使得它能(neng)更(geng)好地保護隱私。
比如(ru)，ToF適(shi)合用于(yu)人臉識別功能，做人臉特(te)征點(dian)計算、手勢(shi)追蹤；它(ta)還可以用于(yu)機器人移(yi)動時對(dui)整個場(chang)景的(de)建圖，實現精準避障，并給上層的(de)路徑規劃算法提供(gong)更多的(de)數據輸入。
目前，英飛凌的ToF傳感器(qi)在手機(ji)、汽車、機(ji)器(qi)人等應(ying)用中均(jun)已大(da)規模量產供(gong)貨，能為客(ke)戶提(ti)供(gong)完整、成熟的方案。
如今(jin)ToF在智(zhi)能座艙中(zhong)的(de)(de)應用非常熱門(men)，包括駕(jia)駛員人臉識別、乘客座椅(yi)調整、自(zi)動(dong)開關燈(deng)、車外(wai)避障監測等。ToF還(huan)能助力智(zhi)能泊車，判(pan)斷(duan)周圍(wei)幾米范(fan)圍(wei)內的(de)(de)障礙物情況，為超聲、RGB等提(ti)供探測周圍(wei)環(huan)境的(de)(de)盲(mang)點補充。
pmd和(he)英飛凌是ToF領(ling)域的先驅，已有20年的經驗(yan)積(ji)累。
早在(zai)2002年，pmd就已從事相關研(yan)究(jiu)。在(zai)與英飛(fei)凌(ling)正式合(he)作之前，pmd主要(yao)專注(zhu)在(zai)偏向工業的應(ying)用(yong)。2013年中旬，英飛(fei)凌(ling)開始和pmd合(he)作，主要(yao)需求是讓ToF的成(cheng)像器尺寸更小、功(gong)耗更低，將其應(ying)用(yong)到消費(fei)類產品(pin)里面(mian)。
英(ying)飛凌在CMOS工藝方面有很多積(ji)累，在2015年(nian)宣布推(tui)出(chu)第一(yi)代的ToF imager，稱為REAL 3的成像(xiang)器，并于2016年(nian)的時候推(tui)出(chu)第二代產品。之后(hou)該產品在基于谷歌Tango標準的聯想手(shou)機(ji)和華碩(shuo)手(shou)機(ji)上(shang)實現了量產，并被應用到一(yi)家(jia)美國的創業公司Lighthouse研發的家(jia)庭(ting)機(ji)器人中。
其在(zai)2021年推出的第六代產品，具(ju)備了更遠(yuan)距(ju)離(li)的探測能(neng)力，以更好適應AR應用(yong)等元宇宙(zhou)趨(qu)勢。
據悉，市場上真(zhen)正能夠量產的ToF并不多(duo)(duo)。很多(duo)(duo)供(gong)(gong)應商僅能提供(gong)(gong)低分辨率的ToF，這些產品(pin)常被稱為(wei)“測距儀”，而(er)英飛凌(ling)可(ke)以提供(gong)(gong)的高分辨率面(mian)陣ToF，是(shi)一個成像器，能為(wei)上層應用提供(gong)(gong)一個更詳細的物體(ti)成像結(jie)果。
英(ying)飛凌和pmd在(zai)ToF領域有(you)400多(duo)個專利(li)。在(zai)強光(guang)的情況下，英(ying)飛凌的ToF能較(jiao)(jiao)好(hao)地(di)規避太陽光(guang)的干擾。英(ying)飛凌有(you)一個SBI專利(li)，能去(qu)掉不需(xu)要的光(guang)信(xin)息(xi)，讓有(you)效(xiao)的光(guang)信(xin)息(xi)進來，從而在(zai)強光(guang)下能得到(dao)比較(jiao)(jiao)好(hao)的物(wu)體的深度信(xin)息(xi)。
在智慧健康場(chang)景中，英飛(fei)凌的ToF已經在一些養老院、隔離酒店(dian)實現了跌倒檢測功能的量產。
四、CO2傳感器：監測空氣質量，優化通風調控
CO2傳感器輸出的PPM讀數，可以反映CO2（二氧化碳）濃度(du)值。
人們往往會忽略CO2對我們生活和工作的影響。在人多擁擠和通風不良的環境下，CO2濃度會快速上升。例如，一個人在約4平方米的空間中，CO2濃度會在(zai)45分鐘內從500PPM上升到(dao)1000PPM以(yi)上。
在室外空氣流通時，CO2的PPM是比較低的，但當CO2濃度(du)越(yue)(yue)來越(yue)(yue)高(gao)，如超(chao)過(guo)1000PPM，人(ren)就(jiu)會覺(jue)得有點(dian)犯困(kun)、難以集中注意力，更(geng)高(gao)甚至(zhi)會使人(ren)感到頭痛(tong)或呼吸困(kun)難。如果濃度(du)達到2000PPM以上(shang)，人(ren)的認知能力都會受到影(ying)響。
因此，有必要添加測量CO2的功能，有針對(dui)性地對(dui)空氣質(zhi)量進行監測和控制，有助(zhu)于改善人們的健康狀(zhuang)況，提高(gao)生活的舒適度和提高(gao)工作效率；同時(shi)，可以(yi)根據需要(yao)來控制和使(shi)用(yong)通風(feng)系統，從而節約能源，降低通風(feng)系統的運(yun)行成(cheng)本。
憑借MEMS技術和經驗，英飛凌成功開發了以光聲光譜技術為基礎的新型CO2傳感器，以提供更具普遍適用性的CO2濃度測量解決方案。
如上圖，CO2傳感器主要有四種技術，除了光聲光譜技術之外，還有NDIR、EC和eCO2。基于光聲光譜與NDIR的傳感器都可實現真實CO2濃度(du)的測量，不(bu)受其它氣體(ti)的影(ying)響。
光聲光譜(pu)二氧(yang)化碳傳(chuan)感器(qi)的優(you)勢(shi)是(shi)能(neng)(neng)做到與(yu)高端NIDR二氧(yang)化碳傳(chuan)感器(qi)一樣的性能(neng)(neng)，滿足嚴苛的空氣質量(liang)檢(jian)測標準，同時又(you)能(neng)(neng)節省(sheng)75%以上的空間。
與NDIR傳感(gan)器(qi)相比，光聲光譜二(er)氧(yang)化(hua)碳傳感(gan)器(qi)采用了高靈敏度(du)的MEMS麥克風作為探測器(qi)，減少了器(qi)件和(he)設計的復雜性。因此它可以做到小(xiao)尺寸和(he)低成(cheng)本，非(fei)常適合大批量(liang)的工(gong)業和(he)消費類(lei)應(ying)用。
相比之下，EC和eCO2的精度和指(zhi)向性比較(jiao)弱(ruo)，而(er)且容易受到濕度的影響。
從(cong)上圖可(ke)(ke)以看到，英飛(fei)凌(ling)光(guang)(guang)聲光(guang)(guang)譜二(er)氧化碳傳感器(qi)的(de)尺寸很小(xiao)，可(ke)(ke)以做到目(mu)前典型(xing)的(de)NDIR傳感器(qi)的(de)1/4。它(ta)采(cai)用SMD封裝，符合國際JEDEC標(biao)準，可(ke)(ke)采(cai)用回流(liu)焊接(jie)技(ji)術(shu)進行無引腳的(de)表面貼裝，裝配之后不需要再(zai)做后期(qi)的(de)校準，方便大規模生(sheng)產，可(ke)(ke)為客(ke)戶節省裝配方面的(de)時間和成本。
斜上方的是腔室，里面有紅外光源、光學濾波片和MEMS麥克風，其中高靈敏度的MEMS麥克風用于探測腔室里面CO2分子產生的很細微的壓力變化，只需要很少量的氣體就足以做出精確的判定，因此這個腔室可以相應地采用小尺寸的設計。此外，這個傳感器集成了MCU，可以將檢測到的CO2濃(nong)度值(zhi)直接轉換為PPM值(zhi)，通(tong)過(guo)三種接口輸(shu)出。
英飛凌光(guang)(guang)聲(sheng)光(guang)(guang)譜二氧(yang)化碳傳感器(qi)所有的關鍵組(zu)件，包括紅外光(guang)(guang)源、光(guang)(guang)學濾波(bo)片、MEMS麥克(ke)風(feng)、MCU、MOSFET等，都(dou)是英飛凌自研的產品。
結語：智慧健康管理正涌現更多商機
總體來看，在智(zhi)慧健康(kang)場景，英(ying)飛凌打造的(de)(de)多種類(lei)型(xing)傳感器，可(ke)以與其(qi)MCU、藍牙、Wi-Fi及數據(ju)安全芯片等搭配，結合相(xiang)關軟件及合作伙伴的(de)(de)算法(fa)，實現兼具(ju)傳感、無(wu)線等功(gong)能(neng)的(de)(de)消(xiao)費類(lei)AIoT設備，將(jiang)智(zhi)慧健康(kang)監測管理變(bian)得更(geng)(geng)加準確有效(xiao)，更(geng)(geng)加簡便易(yi)行。
英(ying)飛(fei)凌根據(ju)不同(tong)應(ying)用(yong)(yong)場景(jing)所需的(de)(de)商業模式(shi)，可采用(yong)(yong)靈活(huo)的(de)(de)合作方式(shi)，拓展(zhan)了(le)許多(duo)類型的(de)(de)合作伙(huo)伴，以盡可能(neng)涵(han)蓋(gai)呈碎(sui)片化特(te)征的(de)(de)物(wu)聯網(wang)市場，持(chi)(chi)續開拓新(xin)應(ying)用(yong)(yong)。由(you)各(ge)種傳感(gan)器(qi)收集到的(de)(de)數(shu)據(ju)，在(zai)健康(kang)管理中正發揮(hui)出越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)要的(de)(de)作用(yong)(yong)，相應(ying)的(de)(de)落(luo)地商機(ji)也在(zai)持(chi)(chi)續增加。
