想象一種不需要使用放大器的光電二極管。理論上，我們不必為了增強訊號而在光電二極管周圍加上復雜的模擬電路，就能直接將這種光電二極管放在穿戴式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「動態(tài)光電二極管」(Dynamic Photodiode；DPD)技術，并開始提供其IP授權。
Actlight執(zhí)行長Serguei Okhonin日前接受《EE Times》訪問，他說該公司最近獲得其首家授權商評選為「前五大半導體公司之一」。不過，Okhonin并未透露是哪一家芯片供貨商。
ActLight的動態(tài)光電二極管(DPD)技術樣片。該芯片位于中間，每一側都有標準LED支持
在成像和感測領域，ActLight似乎還名不見經(jīng)傳?！禘E Times》聯(lián)絡的幾位業(yè)界分析師和穿戴式裝置設計人員，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DPD技術的進展，也沒有任何使用該新創(chuàng)公司IP的裝置進入商用化市場。
然而，ActLight預計將在本月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(SEMI European MEMS / Imaging & Sensors Summit)發(fā)表其基于飛行時間(ToF) 3D成像應用的DPD傳感器。ToF是深度感測領域最受爭議的技術之一。
根據(jù)ActLight官網(wǎng)上的資料，該公司吹捧DPD傳感器可以提供「更高的光學性能，這對于發(fā)射光功率有限的行動應用特別重要」。
因此，ActLight將在此次活動中，討論在即將用于智能型手機中的ToF 3D感測相機架構下，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。
而當問及DPD用于基于ToF的深度感測應用表現(xiàn)時，并不愿發(fā)表任何評論，而只說：「我們計劃在格勒諾布爾的活動中詳細宣布這項計劃?！?/div>
靈敏度差？
讓我們回到一開始探討光電二極管應用于穿戴式裝置的主題。
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訊號。這一反射訊號會根據(jù)血液濃度而變化。只要調節(jié)光電二極管的訊號，就能提供佩戴者關于心率的訊息。
那么，當今穿戴式應用中的光電二極管存在哪些基本問題
veloppement首席成像技術和市場分析師Pierre Cambou簡潔地說：「由于靈敏度較差，使得準確性低?！?/div>
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，可以準確地檢測和測量光子的最小光通量。」他并補充說，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，需要進一步放大?！共贿^，增加這種放大器最終將招致更多的噪聲——這個問題在低光下可能更嚴重。3
這就是ActLight認為其DPD技術得以發(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間延遲后產(chǎn)生較大的正向電流，而所謂的觸發(fā)時間取決于光強度。因此，我們測量的是大量正向電流的延遲時間，而不是小的光電流幅度。
由于輸出訊號大，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。
穿戴裝置設計師的觀點
如果是這樣的話，采用DPD有什么問題嗎？特別是對于穿戴裝置設計師而言，他們不斷致力于使其裝置越來越小且更節(jié)能？
《EE Times》有機會訪問到洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)嵌入式系統(tǒng)實驗室主任David Atienza。Atienza教授及其團隊一直致力于開發(fā)各種智慧手表和連網(wǎng)的穿戴式健康裝置。
ActLight總部雖然就設在EPFL的創(chuàng)新園區(qū)，但它并非由EPFL這所學校獨立出來的。Atienza說，在《EE Times》采訪之前，他并沒有聽說過ActLight的DPD技術。
許多開發(fā)人員，正在設計整合PPG傳感器的智能手表，他們習慣于使用「標準光電二極管」。Atienza解釋，客戶都會要求智慧手表設計必須符合醫(yī)療標準，像ActLight DPD這樣的新型動態(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)學試驗進行評估?！顾肟纯催@家新創(chuàng)公司是否能達到與其宣稱的相同精度或更高的訊號噪聲比(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)，它能與最準確的心電圖(ECG)系統(tǒng)產(chǎn)生「完全相同的測量結果」。
上圖顯示在相同時間針對同一受試者進行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。
圖中顯示一家大型穿戴式裝置OEM進行的相同測試，以Polar H7胸帶的ECG系統(tǒng)進行比較，并確認了ActLight光電探測器的測量精度。
Atienza認為DPD技術最具吸引力之處在于其「延長了電池壽命，因為它們可以在比一般光電二極管更低的電壓下工作?！垢鶕?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，將傳感器整合至穿戴式裝置中存在哪些挑戰(zhàn)？Atienza說，「傳感器的尺寸(這是因為必須在精確的系統(tǒng)設計位置整合系統(tǒng))以及能量，是準確監(jiān)測心率的關鍵，因為我們必須在最低頻率下進行取樣，否則訊號質量將會非常低。
Atienza還指出精確度至關重要。但具體取決于傳感器的放置或應用位置而可能會有所不同。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，都會產(chǎn)生不同的測量結果。
最后，測量訊號的質量，還將會成為穿戴式裝置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])，因為一開始的組件質量不足。
針對Atienza的質疑，Magnifico響應道：「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，結果極其良好?！顾⒀a充說：「我們利用這款比目前市面上更小的光電測器，實現(xiàn)了這樣的成果。據(jù)統(tǒng)計，在光電探測器中用于進行生命征象監(jiān)測的PPG技術，并不一定100%適于心臟病患，但例外情況可以忽略不計。
超越心率測量的新應用
ActLight執(zhí)行長Okhonin指出，隨著基于DPD的傳感器實現(xiàn)更高的精確度，該技術將進一步擴展到簡單的心率監(jiān)測之外等應用。
他看好相同的傳感器還可支持「心率變異性」(可提供預后信息)、VO2max (心血管健康指標)或甚至是「血壓」。
他并補充說，基于DPD的傳感器尺寸日趨小型化，也有助于設計人員不僅可以將傳感器放在手腕上，還可以設計成耳塞用于聽戴式裝置，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，因為相較于手腕，它的血液灌注更好、動作也更少?！顾赋?，「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)測試證實了ActLight光電二極管的出色SNR。
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