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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…

 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。

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。

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。

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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)

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。

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。

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”。

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。

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。”

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。

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。

那么,当今穿戴式应用中的光电二极管存在哪些基本问题?

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。”

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。”

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。

这就是ActLight认为其DPD技术得以发挥之处。

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。”

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。

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。

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?

《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。

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。

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)。

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”。

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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)

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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)

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。”

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。”

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。

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。”

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。”

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(来源:ActLight)

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(来源:ActLight)

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。

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”。

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。

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。”

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。

编译:Susan Hong

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