广告

听没听过一种无放大器的光电二极管?可穿戴创新就靠它了

时间:2018-09-09 作者:Junko Yoshida 阅读:
想象一种不需要使用放大器的光电二极管。理论上,不必再为了增强信号而在光电二极管周围加上复杂的模拟电路,就能直接将它设计于穿戴式SoC中…
广告

 想象一种不需要使用放大器的光电二极管。理论上,我们不必为了增强信号而在光电二极管周围加上复杂的模拟电路,就能直接将这种光电二极管设计于穿戴式SoC中,并连接至数字电路,从而节省了芯片的尺寸和成本。rf4EETC-电子工程专辑

瑞士洛桑一家成立于2011年的新创公司——ActLight,日前开发出这种无需放大器的所谓“动态光电二极管”(Dynamic Photodiode;DPD)技术,并开始提供其IP授权。rf4EETC-电子工程专辑

Actlight首席执行官Serguei Okhonin日前接受《EE Times》访问,他说该公司最近获得其首家授权商评选为“前五大半导体公司之一”。不过,Okhonin并未透露是哪一家芯片供应商。rf4EETC-电子工程专辑

actlightdevice.pngrf4EETC-电子工程专辑

ActLight的动态光电二极管(DPD)技术样片。该芯片位于中间,每一侧都有标准LED支持(来源:ActLight)rf4EETC-电子工程专辑

在成像和感测领域,ActLight似乎还名不见经传。《EE Times》联络的几位业界分析师和可穿戴设备设计人员,对于这家新创公司所知甚少。这并不令人意外,毕竟业界至今尚未看到有关DPD技术的进展,也没有任何使用该新创公司IP的设备进入商用化市场。rf4EETC-电子工程专辑

然而,ActLight预计将在本月19-21日于法国格勒诺布尔市(Grenoble)召开的SEMI欧洲MEMS/成像与传感器高峰会(SEMI European MEMS / Imaging & Sensors Summit)发表其基于飞行时间(ToF) 3D成像应用的DPD传感器。ToF是深度感测领域最受争议的技术之一。rf4EETC-电子工程专辑

根据ActLight官网上的资料,该公司吹捧DPD传感器可以提供“更高的光学性能,这对于发射光功率有限的移动应用特别重要”。rf4EETC-电子工程专辑

因此,ActLight将在此次活动中,讨论在即将用于智能手机中的ToF 3D感测相机架构下,DPD较现有雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diodes;APD)和单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diodes;SPAD)的竞争优势。rf4EETC-电子工程专辑

而当问及DPD用于基于ToF的深度感测应用表现时,ActLight商务官Roberto Magnifico并不愿发表任何评论,而只说:“我们计划在格勒诺布尔的活动中详细宣布这项计划。”rf4EETC-电子工程专辑

灵敏度差?

让我们回到一开始探讨光电二极管应用于可穿戴设备的主题。rf4EETC-电子工程专辑

例如,在心率传感器中使用光电二极管,可以测量来自LED发射的光,以及从佩戴者的手反射的信号。这一反射信号会根据血液浓度而变化。只要调节光电二极管的信号,就能提供佩戴者关于心率的信息。rf4EETC-电子工程专辑

那么,当今穿戴式应用中的光电二极管存在哪些基本问题?rf4EETC-电子工程专辑

Yole Développement首席成像技术和市场分析师Pierre Cambou简洁地说:“由于灵敏度较差,使得准确性低。”rf4EETC-电子工程专辑

正如Cambou所解释的,PIN光电二极管“非常善于感测光线,但其灵敏度存在‘阈值’(threshold)限制。光电二极管透过灵敏度,可以准确地检测和测量光子的最小光通量。”他并补充说,针对小的光通量,光电二极管通常用于反向偏压,“这被称为‘雪崩’(Avalanche)模式或Avalanche光电二极管的APD。而如果你想在‘盖格模式’(Geiger mode)中更进一步,则可称为‘单光子雪崩二体’(Single Photon Avalanche Diode)模式或SPAD。”rf4EETC-电子工程专辑

正如Magnifico所解释的,“传统上,光电二极管在恒定的反向偏置电压下工作,提供光电流作为输出。然而,这种光电流通常很微弱,需要进一步放大。”不过,增加这种放大器最终将招致更多的噪声——这个问题在低光下可能更严重。rf4EETC-电子工程专辑

这就是ActLight认为其DPD技术得以发挥之处。rf4EETC-电子工程专辑

该公司解释说:“DPD并不是使用直流(DC)偏置,而是在脉冲电压下作业:施加电压从反向偏置切换到正向偏置。该正向偏置在一段时间延迟后产生较大的正向电流,而所谓的触发时间取决于光强度。因此,我们测量的是大量正向电流的延迟时间,而不是小的光电流幅度。”rf4EETC-电子工程专辑

由于输出信号大,ActLight声称DPD不需要增加放大器,而且还可以直接连接到数字电路。rf4EETC-电子工程专辑

如今,DPD采用了CMOS技术制造,使得光电二极管及其简单的前端电路可以整合在同一芯片上。rf4EETC-电子工程专辑

可穿戴设备设计师的观点

如果是这样的话,采用DPD有什么问题吗?特别是对于穿戴设备设计师而言,他们不断致力于使其设备越来越小且更节能?rf4EETC-电子工程专辑

《EE Times》有机会访问到洛桑联邦理工学院(EPFL)嵌入式系统实验室主任David Atienza。Atienza教授及其团队一直致力于开发各种智能手表和连网的可穿戴健康设备。rf4EETC-电子工程专辑

ActLight总部虽然就设在EPFL的创新园区,但它并非由EPFL这所学校独立出来的。Atienza说,在《EE Times》采访之前,他并没有听说过ActLight的DPD技术。rf4EETC-电子工程专辑

许多开发人员,如Atienza的团队,正在设计整合PPG传感器的智能手表,他们习惯于使用“标准光电二极管”。Atienza解释,客户都会要求智能手表设计必须符合医疗标准,像ActLight DPD这样的新型动态光电二极管可能更有意思,但更重要的是DPD“必须经医学试验进行评估。”他想看看这家新创公司是否能达到与其宣称的相同精度或更高的信号噪声比(SNR)。rf4EETC-电子工程专辑

为此,Magnifico提供了以下两张图表,重申该公司ActLight光电探测器在潜在客户面前成功展现,它能与最准确的心电图(ECG)系统产生“完全相同的测量结果”。rf4EETC-电子工程专辑

comparisonwithreferenceECGsystem_1000.pngrf4EETC-电子工程专辑

上图显示在相同时间针对同一受试者进行ActLight光电探测器的心率测量,以及ECG系统的心率测量之比较结果(来源:ActLight)rf4EETC-电子工程专辑

comparisonwithreferenceECG2.pngrf4EETC-电子工程专辑

图中显示一家大型可穿戴设备OEM进行的相同测试,以Polar H7胸带的ECG系统进行比较,并确认了ActLight光电探测器的测量精度(来源:ActLight)rf4EETC-电子工程专辑

Atienza认为DPD技术最具吸引力之处在于其“延长了电池寿命,因为它们可以在比一般光电二极管更低的电压下工作。”根据ActLight,由于DPD传感器具有更好的SNR性能,使其取得PPG样本所需的光照较少。该公司声称,“相对于最先进的系统,其LED发射能量减少了大约7倍。”rf4EETC-电子工程专辑

那么,将传感器整合至可穿戴设备中存在哪些挑战?Atienza说,“传感器的尺寸(这是因为必须在精确的系统设计位置整合系统)以及能量,是准确监测心率的关键,因为我们必须在最低频率下进行取样,否则信号质量将会非常低。”rf4EETC-电子工程专辑

Atienza还指出精确度至关重要。但具体取决于传感器的放置或应用位置而可能会有所不同。他解释说,例如,不同的肤色、体脂肪含量以及传感器是放在手腕还是耳朵上,都会产生不同的测量结果。rf4EETC-电子工程专辑

最后,测量信号的质量,还将会成为可穿戴设备使用哪一种传感器的决定因素。Atienza说:“我们经常需要将最初提议的PPG传感器改为其他类型(通常消耗更多[能量]),因为一开始的组件质量不足。”rf4EETC-电子工程专辑

针对Atienza的质疑,Magnifico响应道:“我们和客户已经针对各种广泛的肤色和体型样本测试这款光电探测器了,结果极其良好。”他并补充说:“我们利用这款比目前市面上更小的光电测器,实现了这样的成果。据统计,在光电探测器中用于进行生命征象监测的PPG技术,并不一定100%适于心脏病患,但例外情况可以忽略不计。”rf4EETC-电子工程专辑

blackhand.pngrf4EETC-电子工程专辑

(来源:ActLight)rf4EETC-电子工程专辑

whitehand.pngrf4EETC-电子工程专辑

(来源:ActLight)rf4EETC-电子工程专辑

探索心率测量以外的新应用

ActLight首席执行官Okhonin指出,随着基于DPD的传感器实现更高的精确度,该技术将进一步扩展到简单的心率监测之外等应用。rf4EETC-电子工程专辑

他看好相同的传感器还可支持“心率变异性”(可提供预后信息)、VO2max (心血管健康指标)或甚至是“血压”。rf4EETC-电子工程专辑

他并补充说,基于DPD的传感器尺寸日趋小型化,也有助于设计人员不仅可以将传感器放在手腕上,还可以设计成耳塞用于听戴式设备,或甚至是助听器等。rf4EETC-电子工程专辑

Magnifico解释说,耳朵是“测量生命征象的理想位置,因为相较于手腕,它的血液灌注更好、动作也更少。”他指出,“我们目前正与一家拥有90%听戴式生命征象监测模块市场的公司合作,这家公司已经测试证实了ActLight光电二极管的出色SNR。”rf4EETC-电子工程专辑

ActLight预计整合该公司光电二极管的首款ASIC将于2019年面世,他并指出已经有两三家OEM已在密切关注这项技术了。rf4EETC-电子工程专辑

编译:Susan Hongrf4EETC-电子工程专辑

qrcode_EETCwechat_120.jpgrf4EETC-电子工程专辑

关注最前沿的电子设计资讯,请关注“电子工程专辑微信公众号”rf4EETC-电子工程专辑

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Junko Yoshida
ASPENCORE全球联席总编辑,首席国际特派记者。曾任把口记者(beat reporter)和EE Times主编的Junko Yoshida现在把更多时间用来报道全球电子行业,尤其关注中国。 她的关注重点一直是新兴技术和商业模式,新一代消费电子产品往往诞生于此。 她现在正在增加对中国半导体制造商的报道,撰写关于晶圆厂和无晶圆厂制造商的规划。 此外,她还为EE Times的Designlines栏目提供汽车、物联网和无线/网络服务相关内容。 自1990年以来,她一直在为EE Times提供内容。
  • 将低于1GHz连接用于电网资产监控、保护和控制的优势 电网的发展需要在现有的有线连接基础上增加无线连接,以进行资产监控和控制。
  •  电感零件常见失效模式及分析手法简介 对于硬件工程师来说电子元器件失效是非常麻烦的事情,比如某个半导体器件外表完好但实际上已经半失效或者完全失效会在硬件电路调试上面花费大把的时间,有时甚至炸机。所以掌握各类电子元器件的实效机理与特性是硬件工程师必不可少的知识。
  • DIN VDE V 0884-11:2017-01对数字隔离器认证的意义 截至2020年1月,德国标准化学会(DIN)和德国电气工程师协会 (VDE) V0884-10: 2006-12不再是用于评估电磁和电容电隔离产品的固有绝缘特性和高压性能的有效认证标准。这标志着集成电路(IC)制造商三年过渡期的结束。
  • 超声检测多层陶瓷电容(MLCC)中的气隙缺陷 在许多MLCC的组装过程中,电极层和位于其上方的陶瓷生片的底部之间可能会积聚一些空气。这些空气填充的孔隙可能在烧结后仍然存在,它们会使电容的机械强度变弱。因此需要在MLCC被安装到系统之前,检测其内部是否有气隙缺陷存在。
  • 模电必修课 2:彻底搞懂三极管! 三极管的电流放大作用应该算是模拟电路里面的一个难点内容,三极管除了可以当作交流信号放大器之外,也可以作为开关之用……
  • 你真的了解无源元件吗? 通常,BOM上的无源元件数量是IC数量的五倍或更多倍。虽然它们中有许多是无关紧要的,但是又有许多非常重要。此外,随着工作频率常常达到GHz和数GHz范围,它们的第二级和第三级特性以及一致性变得更加重要。
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了