想象一種不需要使用放大器的光電二極管。理論上，不必再為了增強(qiáng)信號而在光電二極管周圍加上復(fù)雜的模擬電路，就能直接將它設(shè)計(jì)于穿戴式SoC中…
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，日前開發(fā)出這種無需放大器的所謂“動(dòng)態(tài)光電二極管”(Dynamic Photodiode；DPD)技術(shù)，并開始提供其IP授權(quán)。
Actlight首席執(zhí)行官Serguei Okhonin日前接受《EE Times》訪問，他說該公司最近獲得其首家授權(quán)商評選為“前五大半導(dǎo)體公司之一”。不過，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（來源：ActLight）
在成像和感測領(lǐng)域，ActLight似乎還名不見經(jīng)傳。《EE 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，也沒有任何使用該新創(chuàng)公司IP的設(shè)備進(jìn)入商用化市場。
然而，ActLight預(yù)計(jì)將在本月19-21日于法國格勒諾布爾市(Grenoble)召開的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是深度感測領(lǐng)域最受爭議的技術(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)的競爭優(yōu)勢。
而當(dāng)問及DPD用于基于ToF的深度感測應(yīng)用表現(xiàn)時(shí)，ActLight商務(wù)官Roberto Magnifico并不愿發(fā)表任何評論，而只說：“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。”
靈敏度差？
讓我們回到一開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，可以測量來自LED發(fā)射的光，以及從佩戴者的手反射的信號。這一反射信號會(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，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題？
Yole Développement首席成像技術(shù)和市場分析師Pierre Cambou簡潔地說：“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“非常善于感測光線，但其靈敏度存在‘閾值’(threshold)限制。光電二極管透過靈敏度，可以準(zhǔn)確地檢測和測量光子的最小光通量。”他并補(bǔ)充說，針對小的光通量，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。”不過，增加這種放大器最終將招致更多的噪聲——這個(gè)問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：“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有什么問題嗎？特別是對于穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)師而言，他們不斷致力于使其設(shè)備越來越小且更節(jié)能？
《EE Times》有機(jī)會(huì)訪問到洛桑聯(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)立出來的。Atienza說，在《EE Times》采訪之前，他并沒有聽說過ActLight的DPD技術(shù)。
許多開發(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)行評估。”他想看看這家新創(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“完全相同的測量結(jié)果”。
上圖顯示在相同時(shí)間針對同一受試者進(jìn)行ActLight光電探測器的心率測量，以及ECG系統(tǒng)的心率測量之比較結(jié)果（來源：ActLight）
圖中顯示一家大型可穿戴設(shè)備OEM進(jìn)行的相同測試，以Polar H7胸帶的ECG系統(tǒng)進(jìn)行比較，并確認(rèn)了ActLight光電探測器的測量精度（來源：ActLight）
Atienza認(rèn)為DPD技術(shù)最具吸引力之處在于其“延長了電池壽命，因?yàn)樗鼈兛梢栽诒纫话愎怆姸O管更低的電壓下工作。”根據(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，“相對于最先進(jìn)的系統(tǒng)，其LED發(fā)射能量減少了大約7倍。”
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，“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，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)生不同的測量結(jié)果。
最后，測量信號的質(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：“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_始的組件質(zhì)量不足。”
針對Atienza的質(zhì)疑，Magnifico響應(yīng)道：“我們和客戶已經(jīng)針對各種廣泛的膚色和體型樣本測試這款光電探測器了，結(jié)果極其良好。”他并補(bǔ)充說：“我們利用這款比目前市面上更小的光電測器，實(shí)現(xiàn)了這樣的成果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在光電探測器中用于進(jìn)行生命征象監(jiān)測的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)。”
（來源：ActLight）
（來源：ActLight）
探索心率測量以外的新應(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)展到簡單的心率監(jiān)測之外等應(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，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)成耳塞用于聽戴式設(shè)備，或甚至是助聽器等。
Magnifico解釋說，耳朵是“測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。”他指出，“我們目前正與一家擁有90%聽戴式生命征象監(jiān)測模塊市場的公司合作，這家公司已經(jīng)測試證實(shí)了ActLight光電二極管的出色SNR。”
ActLight預(yù)計(jì)整合該公司光電二極管的首款A(yù)SIC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。
編譯：Susan Hong
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