想象一種不需要使用放大器的光電二極管。理論上，我們不必為了增強信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設計于穿戴式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“動態(tài)光電二極管”(Dynamic Photodiode；DPD)技術，并開始提供其IP授權。

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應商。

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。《EE Times》聯(lián)絡的幾位業(yè)界分析師和可穿戴設備設計人員，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的設備進入商用化市場。

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)射光功率有限的移動應用特別重要”。

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，ActLight商務官Roberto Magnifico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。”

靈敏度差？

讓我們回到一開始探討光電二極管應用于可穿戴設備的主題。

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。這一反射信號會根據(jù)血液濃度而變化。只要調節(jié)光電二極管的信號，就能提供佩戴者關于心率的信息。

那么，當今穿戴式應用中的光電二極管存在哪些基本問題？

Yole Développement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。”

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。”不過，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。

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。

可穿戴設備設計師的觀點

如果是這樣的話，采用DPD有什么問題嗎？特別是對于穿戴設備設計師而言，他們不斷致力于使其設備越來越小且更節(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)各種智能手表和連網(wǎng)的可穿戴健康設備。

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，如Atienza的團隊，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，客戶都會要求智能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。”他想看看這家新創(chuàng)公司是否能達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)的心率測量之比較結果

圖中顯示一家大型可穿戴設備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。”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備中存在哪些挑戰(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，否則信號質量將會非常低。”

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，測量信號的質量，還將會成為可穿戴設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。”他并補充說：“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。”

探索心率測量以外的新應用

ActLight首席執(zhí)行官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設備，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，因為相較于手腕，它的血液灌注更好、動作也更少。”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)測試證實了ActLight光電二極管的出色SNR。”

ActLight預計整合該公司光電二極管的首款ASIC將于2019年面世，他并指出已經(jīng)有兩三家OEM已在密切關注這項技術了。