芯東西（公衆号：aichip001）
作者 | ZeR0
編輯 | 漠影
随着人們對身體健康狀況愈發關注，健康領域消費類電子産品的銷量一路走高。而要采集各種生命體征資料，離不開專業的傳感器。
從智能手表、眼鏡、戒指等可穿戴裝置，到智能音箱、空調、空氣淨化器等智能家居産品，通過搭載多種不同類型的傳感器，它們具備了直接或非接觸式監測各種健康資料的能力。
在智慧健康領域，英飛淩通過與一系列夥伴合作，已實作其傳感器在多種消費類健康管理及監測功能的量産落地。近日，多位英飛淩科技大中華區電源與傳感系統（PSS）事業部與智東西等媒體進行交流，分享了其傳感器在智慧健康監測方面的一些實際應用與成功案例。
據英飛淩科技大中華區電源與傳感系統事業部應用市場總監李國豪分享，市研機構ABI的資料顯示，市場對于安裝Home Healthcare（居家場景下的健康管理）産品的需求在2022年預計約有2000萬台，未來10年後或漲至超過1.8億台。
一、4類傳感器模拟人類感官，覆寫主流健康監測場景
英飛淩PSS事業部現有4類廣泛應用的傳感器，它們能模拟人體的聽覺、視覺、觸覺、嗅覺等各種感官，進而模拟出實際環境并進行感應。
第一類是MEMS類産品，麥克風可模拟人類聽覺，在手機、耳機、智能音箱上有廣泛應用。針對不同應用場景，英飛淩有多類MEMS産品。
第二類是3D立體雷達傳感器。它能模拟視覺，可應用在汽車領域，遠距離偵測到是否有障礙物。英飛淩也與主要客戶合作研發了一款應用于工業和消費領域的雷達，它能做到在智能空間、智能家居、居家健康監測等方面的應用。
第三類是3D ToF飛行時間傳感器。它也能模拟視覺，偵測到人體或者是物體的距離、深度，可以應用在手機上判斷是否需要解鎖，也可以應用在掃地機器人上，偵測到障礙物距離。
第四類是跟環境、空氣有關的傳感器，主要是二氧化碳傳感器，可模拟嗅覺，用于空調以及空氣淨化器，輔助裝置進行室内空氣的調節，同時可通過室内的空氣品質來偵測到室内是否有人的存在。
除了醫療健康裝置外，越來越多可穿戴裝置也搭載上多種類型的傳感器，用于測量步數、心跳、血糖、血氧等方面的資料。從傳感器采集的健康資料，可以通過家居場景裡面的裝置，上傳到雲端，與已有的線上醫療服務結合。
以看護老人的場景為例，傳感器可随時監控老人的呼吸、心率等生命體征狀态，并能上傳至雲端，以供遠在其他地方的親友知曉老人的健康狀況。傳感器還可以通過路徑追蹤，及時發現老人跌倒等突發情況。
二、雷達：監測細微生命體征，感覺距離追蹤手勢
毫米波雷達能模拟人眼，感覺周圍環境，尤其對于一些運動檢測，有更高的靈敏度和可靠度。
它可以感覺到任何微小的移動，包括呼吸時胸腔微小的位移，并由此可監測一些生命體征。它也能利用“存在感測”激發一些裝置系統，去感覺距離、位置、速度、角度等資料資訊，結合算法後可實作對呼吸、心跳、手勢等的追蹤應用。
比如，英飛淩的合作夥伴将其雷達傳感器加上矽麥克風，搭配AI算法做成解決方案，來收集人體在睡眠狀态中的微動，以及打呼噜的聲音，進而監測睡眠品質，判斷是否存在睡眠呼吸暫停症。
雷達波能夠穿透任何不具導電物質的表面以及外殼，是以即使安裝到産品外殼内部，其工作效果也不受影響。同時它不受光線的影響，能在無光、高溫、多霧、多灰塵的環境裡正常運作。
雷達的一大難點是算法，如上圖所示，橫軸部分是針對雷達可提取的一些原始資料訊息，縱軸部分是雷達工作原理以及市面上普及的算法。基于這些算法，使用者可實作想做的功能。算法不同，雷達所需搭配的MCU或處理器也不一樣。
英飛淩的兩款毫米波雷達基本可涵蓋雷達主要應用場景：英飛淩新推出的BGT60LTR11AIP，是一款主攻運動偵測的高成本效益方案，可利用自動模式進行偵測；另一款方案是已在市面上推廣一段時間的BGT60TR13C，适用于一些先進的雷達傳感技術，它屬于超寬頻，可使用進階FMCW算法，分辨率很精細，能實作手勢控制、生命體征監測、人員追蹤等功能。
具體來說，BGT60LTR11AIP是一款基于毫米波多普勒效應的雷達傳感器，它內建了簡單的基帶，采用內建天線封裝技術，幫客戶解決了天線設計、射頻及雷達訊号處理方面的複雜性問題。
在自動模式下，該雷達可以探測到距離5米遠的人，水準的視角約80度，平均功耗小于5mW。在SPI模式下，外部的MCU或PC可提取原始的雷達資料，用于已經開發的自定算法。利用這個方式，偵測的距離可以增加到10公尺遠。
跟紅外線的方案比較，毫米波更敏感，誤報率更低，會大幅提升使用者的體驗。同時，毫米波具有穿透、非導電性的特點，是以很容易放置在一些産品的封裝當中。
這顆晶片的尺寸很小，約3×7毫米，架構是一發一收，天線已內建在封裝内。在自動模式下，它有配置4個四态輸入引腳，供設計者即插即用。
BGT60TR13C有別于之前BGT60LTR11AIP的硬體架構, 是一發三收的MMIC，也采用內建天線封裝技術。其尺寸是6×5毫米，使用時的平均功耗大約是20到30mW左右，使用頻寬大于5GHz，解析度可以大約達到3公分。
由于其屬于多發多收的架構，它也可以提取角度資訊資料，利用進階算法開發，其可以實作手勢辨識、室内人員的存在感覺、心跳監測等功能，适用于智慧建築、智能家居、TV、筆記本以及老人看護等場景。
三、ToF傳感器：擅長精準建圖，更好保護隐私
和雷達類似，ToF也屬于3D傳感。不同之處在于，雷達用的是毫米波，看不到，有更強的适應能力；而ToF需要有一個發光源，分辨率比雷達更高，功耗也相對較大。
ToF通過感光的方式實作物體成像，主要用于檢測深度資訊，通過計算發收光的時間延遲乘以光速再除以2，就能算出與物體之間的距離。
隻要涉及擷取深度、距離等資訊的應用，ToF都可以提供幫助。ToF不會像CMOS圖像傳感器那樣采集彩色圖像資訊，而隻采集深度資訊，這使得它能更好地保護隐私。
比如，ToF适合用于人臉識别功能，做人臉特征點計算、手勢追蹤；它還可以用于機器人移動時對整個場景的建圖，實作精準避障，并給上層的路徑規劃算法提供更多的資料輸入。
目前，英飛淩的ToF傳感器在手機、汽車、機器人等應用中均已大規模量産供貨，能為客戶提供完整、成熟的方案。
如今ToF在智能座艙中的應用非常熱門，包括駕駛員人臉識别、乘客座椅調整、自動開關燈、車外避障監測等。ToF還能助力智能泊車，判斷周圍幾米範圍内的障礙物情況，為超聲、RGB等提供探測周圍環境的盲點補充。
pmd和英飛淩是ToF領域的先驅，已有20年的經驗積累。
早在2002年，pmd就已從事相關研究。在與英飛淩正式合作之前，pmd主要專注在偏向工業的應用。2013年中旬，英飛淩開始和pmd合作，主要需求是讓ToF的成像器尺寸更小、功耗更低，将其應用到消費類産品裡面。
英飛淩在CMOS工藝方面有很多積累，在2015年宣布推出第一代的ToF imager，稱為REAL 3的成像器，并于2016年的時候推出第二代産品。之後該産品在基于谷歌Tango标準的聯想手機和華碩手機上實作了量産，并被應用到一家美國的創業公司Lighthouse研發的家庭機器人中。
其在2021年推出的第六代産品，具備了更遠距離的探測能力，以更好适應AR應用等元宇宙趨勢。
據悉，市場上真正能夠量産的ToF并不多。很多供應商僅能提供低分辨率的ToF，這些産品常被稱為“測距儀”，而英飛淩可以提供的高分辨率面陣ToF，是一個成像器，能為上層應用提供一個更詳細的物體成像結果。
英飛淩和pmd在ToF領域有400多個專利。在強光的情況下，英飛淩的ToF能較好地規避太陽光的幹擾。英飛淩有一個SBI專利，能去掉不需要的光資訊，讓有效的光資訊進來，進而在強光下能得到比較好的物體的深度資訊。
在智慧健康場景中，英飛淩的ToF已經在一些養老院、隔離酒店實作了跌倒檢測功能的量産。
四、CO2傳感器：監測空氣品質，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45分鐘内從500PPM上升到1000PPM以上。
在室外空氣流通時，CO2的PPM是比較低的，但當CO2濃度越來越高，如超過1000PPM，人就會覺得有點犯困、難以集中注意力，更高甚至會使人感到頭痛或呼吸困難。如果濃度達到2000PPM以上，人的認知能力都會受到影響。
是以，有必要添加測量CO2的功能，有針對性地對空氣品質進行監測和控制，有助于改善人們的健康狀況，提高生活的舒适度和提高工作效率；同時，可以根據需要來控制和使用通風系統，進而節約能源，降低通風系統的運作成本。
憑借MEMS技術和經驗，英飛淩成功開發了以光聲光譜技術為基礎的新型CO2傳感器，以提供更具普遍适用性的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的傳感器都可實作真實CO2濃度的測量，不受其它氣體的影響。
光聲光譜二氧化碳傳感器的優勢是能做到與高端NIDR二氧化碳傳感器一樣的性能，滿足嚴苛的空氣品質檢測标準，同時又能節省75%以上的空間。
與NDIR傳感器相比，光聲光譜二氧化碳傳感器采用了高靈敏度的MEMS麥克風作為探測器，減少了器件和設計的複雜性。是以它可以做到小尺寸和低成本，非常适合大批量的工業和消費類應用。
相比之下，EC和eCO2的精度和指向性比較弱，而且容易受到濕度的影響。
從上圖可以看到，英飛淩光聲光譜二氧化碳傳感器的尺寸很小，可以做到目前典型的NDIR傳感器的1/4。它采用SMD封裝，符合國際JEDEC标準，可采用回流焊接技術進行無引腳的表面貼裝，裝配之後不需要再做後期的校準，友善大規模生産，可為客戶節省裝配方面的時間和成本。
斜上方的是腔室，裡面有紅外光源、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裡面CO2分子産生的很細微的壓力變化，隻需要很少量的氣體就足以做出精确的判定，是以這個腔室可以相應地采用小尺寸的設計。此外，這個傳感器內建了MCU，可以将檢測到的CO2濃度值直接轉換為PPM值，通過三種接口輸出。
英飛淩光聲光譜二氧化碳傳感器所有的關鍵元件，包括紅外光源、光學濾波片、MEMS麥克風、MCU、MOSFET等，都是英飛淩自研的産品。
結語：智慧健康管理正湧現更多商機
總體來看，在智慧健康場景，英飛淩打造的多種類型傳感器，可以與其MCU、藍牙、Wi-Fi及資料安全晶片等搭配，結合相關軟體及合作夥伴的算法，實作兼具傳感、無線等功能的消費類AIoT裝置，将智慧健康監測管理變得更加準确有效，更加簡便易行。
英飛淩根據不同應用場景所需的商業模式，可采用靈活的合作方式，拓展了許多類型的合作夥伴，以盡可能涵蓋呈碎片化特征的物聯網市場，持續開拓新應用。由各種傳感器收集到的資料，在健康管理中正發揮出越來越重要的作用，相應的落地商機也在持續增加。