芯东西（公众号：aichip001）
作者 | ZeR0
编辑 | 漠影
随着人们对身体健康状况愈发关注，健康领域消费类电子产品的销量一路走高。而要采集各种生命体征数据，离不开专业的传感器。
从智能手表、眼镜、戒指等可穿戴设备，到智能音箱、空调、空气净化器等智能家居产品，通过搭载多种不同类型的传感器，它们具备了直接或非接触式监测各种健康数据的能力。
在智慧健康领域，英飞凌通过与一系列伙伴合作，已实现其传感器在多种消费类健康管理及监测功能的量产落地。近日，多位英飞凌科技大中华区电源与传感系统（PSS）事业部与智东西等媒体进行交流，分享了其传感器在智慧健康监测方面的一些实际应用与成功案例。
据英飞凌科技大中华区电源与传感系统事业部应用市场总监李国豪分享，市研机构ABI的数据显示，市场对于安装Home Healthcare（居家场景下的健康管理）产品的需求在2022年预计约有2000万台，未来10年后或涨至超过1.8亿台。
一、4类传感器模拟人类感官，覆盖主流健康监测场景
英飞凌PSS事业部现有4类广泛应用的传感器，它们能模拟人体的听觉、视觉、触觉、嗅觉等各种感官，从而模拟出实际环境并进行感应。
第一类是MEMS类产品，麦克风可模拟人类听觉，在手机、耳机、智能音箱上有广泛应用。针对不同应用场景，英飞凌有多类MEMS产品。
第二类是3D立体雷达传感器。它能模拟视觉，可应用在汽车领域，远距离侦测到是否有障碍物。英飞凌也与主要客户合作研发了一款应用于工业和消费领域的雷达，它能做到在智能空间、智能家居、居家健康监测等方面的应用。
第三类是3D ToF飞行时间传感器。它也能模拟视觉，侦测到人体或者是物体的距离、深度，可以应用在手机上判断是否需要解锁，也可以应用在扫地机器人上，侦测到障碍物距离。
第四类是跟环境、空气有关的传感器，主要是二氧化碳传感器，可模拟嗅觉，用于空调以及空气净化器，辅助设备进行室内空气的调节，同时可通过室内的空气质量来侦测到室内是否有人的存在。
除了医疗健康设备外，越来越多可穿戴设备也搭载上多种类型的传感器，用于测量步数、心跳、血糖、血氧等方面的数据。从传感器采集的健康数据，可以通过家居场景里面的设备，上传到云端，与已有的线上医疗服务结合。
以看护老人的场景为例，传感器可随时监控老人的呼吸、心率等生命体征状态，并能上传至云端，以供远在其他地方的亲友知晓老人的健康状况。传感器还可以通过路径追踪，及时发现老人跌倒等突发情况。
二、雷达：监测细微生命体征，感知距离追踪手势
毫米波雷达能模拟人眼，感知周围环境，尤其对于一些运动检测，有更高的灵敏度和可靠度。
它可以感知到任何微小的移动，包括呼吸时胸腔微小的位移，并由此可监测一些生命体征。它也能利用“存在感测”激发一些装置系统，去感知距离、位置、速度、角度等数据信息，结合算法后可实现对呼吸、心跳、手势等的追踪应用。
比如，英飞凌的合作伙伴将其雷达传感器加上硅麦克风，搭配AI算法做成解决方案，来收集人体在睡眠状态中的微动，以及打呼噜的声音，从而监测睡眠质量，判断是否存在睡眠呼吸暂停症。
雷达波能够穿透任何不具导电物质的表面以及外壳，所以即使安装到产品外壳内部，其工作效果也不受影响。同时它不受光线的影响，能在无光、高温、多雾、多灰尘的环境里正常运行。
雷达的一大难点是算法，如上图所示，横轴部分是针对雷达可提取的一些原始资料讯息，纵轴部分是雷达工作原理以及市面上普及的算法。基于这些算法，使用者可实现想做的功能。算法不同，雷达所需搭配的MCU或处理器也不一样。
英飞凌的两款毫米波雷达基本可涵盖雷达主要应用场景：英飞凌新推出的BGT60LTR11AIP，是一款主攻运动侦测的高性价比方案，可利用自动模式进行侦测；另一款方案是已在市面上推广一段时间的BGT60TR13C，适用于一些先进的雷达传感技术，它属于超宽频，可使用高级FMCW算法，分辨率很精细，能实现手势控制、生命体征监测、人员追踪等功能。
具体来说，BGT60LTR11AIP是一款基于毫米波多普勒效应的雷达传感器，它集成了简单的基带，采用集成天线封装技术，帮客户解决了天线设计、射频及雷达讯号处理方面的复杂性问题。
在自动模式下，该雷达可以探测到距离5米远的人，水平的视角约80度，平均功耗小于5mW。在SPI模式下，外部的MCU或PC可提取原始的雷达数据，用于已经开发的自定算法。利用这个方式，侦测的距离可以增加到10公尺远。
跟红外线的方案比较，毫米波更敏感，误报率更低，会大幅提升使用者的体验。同时，毫米波具有穿透、非导电性的特点，所以很容易放置在一些产品的封装当中。
这颗芯片的尺寸很小，约3×7毫米，架构是一发一收，天线已集成在封装内。在自动模式下，它有配置4个四态输入引脚，供设计者即插即用。
BGT60TR13C有別于之前BGT60LTR11AIP的硬件架构, 是一发三收的MMIC，也采用集成天线封装技术。其尺寸是6×5毫米，使用时的平均功耗大约是20到30mW左右，使用频宽大于5GHz，解析度可以大约达到3公分。
由于其属于多发多收的架构，它也可以提取角度信息资料，利用高级算法开发，其可以实现手势辨识、室内人员的存在感知、心跳监测等功能，适用于智慧建筑、智能家居、TV、笔记本以及老人看护等场景。
三、ToF传感器：擅长精准建图，更好保护隐私
和雷达类似，ToF也属于3D传感。不同之处在于，雷达用的是毫米波，看不到，有更强的适应能力；而ToF需要有一个发光源，分辨率比雷达更高，功耗也相对较大。
ToF通过感光的方式实现物体成像，主要用于检测深度信息，通过计算发收光的时间延迟乘以光速再除以2，就能算出与物体之间的距离。
只要涉及获取深度、距离等信息的应用，ToF都可以提供帮助。ToF不会像CMOS图像传感器那样采集彩色图像信息，而只采集深度信息，这使得它能更好地保护隐私。
比如，ToF适合用于人脸识别功能，做人脸特征点计算、手势追踪；它还可以用于机器人移动时对整个场景的建图，实现精准避障，并给上层的路径规划算法提供更多的数据输入。
目前，英飞凌的ToF传感器在手机、汽车、机器人等应用中均已大规模量产供货，能为客户提供完整、成熟的方案。
如今ToF在智能座舱中的应用非常热门，包括驾驶员人脸识别、乘客座椅调整、自动开关灯、车外避障监测等。ToF还能助力智能泊车，判断周围几米范围内的障碍物情况，为超声、RGB等提供探测周围环境的盲点补充。
pmd和英飞凌是ToF领域的先驱，已有20年的经验积累。
早在2002年，pmd就已从事相关研究。在与英飞凌正式合作之前，pmd主要专注在偏向工业的应用。2013年中旬，英飞凌开始和pmd合作，主要需求是让ToF的成像器尺寸更小、功耗更低，将其应用到消费类产品里面。
英飞凌在CMOS工艺方面有很多积累，在2015年宣布推出第一代的ToF imager，称为REAL 3的成像器，并于2016年的时候推出第二代产品。之后该产品在基于谷歌Tango标准的联想手机和华硕手机上实现了量产，并被应用到一家美国的创业公司Lighthouse研发的家庭机器人中。
其在2021年推出的第六代产品，具备了更远距离的探测能力，以更好适应AR应用等元宇宙趋势。
据悉，市场上真正能够量产的ToF并不多。很多供应商仅能提供低分辨率的ToF，这些产品常被称为“测距仪”，而英飞凌可以提供的高分辨率面阵ToF，是一个成像器，能为上层应用提供一个更详细的物体成像结果。
英飞凌和pmd在ToF领域有400多个专利。在强光的情况下，英飞凌的ToF能较好地规避太阳光的干扰。英飞凌有一个SBI专利，能去掉不需要的光信息，让有效的光信息进来，从而在强光下能得到比较好的物体的深度信息。
在智慧健康场景中，英飞凌的ToF已经在一些养老院、隔离酒店实现了跌倒检测功能的量产。
四、CO2传感器：监测空气质量，优化通风调控
CO2传感器输出的PPM读数，可以反映CO2（二氧化碳）浓度值。
人们往往会忽略CO2对我们生活和工作的影响。在人多拥挤和通风不良的环境下，CO2浓度会快速上升。例如，一个人在约4平方米的空间中，CO2浓度会在45分钟内从500PPM上升到1000PPM以上。
在室外空气流通时，CO2的PPM是比较低的，但当CO2浓度越来越高，如超过1000PPM，人就会觉得有点犯困、难以集中注意力，更高甚至会使人感到头痛或呼吸困难。如果浓度达到2000PPM以上，人的认知能力都会受到影响。
因此，有必要添加测量CO2的功能，有针对性地对空气质量进行监测和控制，有助于改善人们的健康状况，提高生活的舒适度和提高工作效率；同时，可以根据需要来控制和使用通风系统，从而节约能源，降低通风系统的运行成本。
凭借MEMS技术和经验，英飞凌成功开发了以光声光谱技术为基础的新型CO2传感器，以提供更具普遍适用性的CO2浓度测量解决方案。
如上图，CO2传感器主要有四种技术，除了光声光谱技术之外，还有NDIR、EC和eCO2。基于光声光谱与NDIR的传感器都可实现真实CO2浓度的测量，不受其它气体的影响。
光声光谱二氧化碳传感器的优势是能做到与高端NIDR二氧化碳传感器一样的性能，满足严苛的空气质量检测标准，同时又能节省75%以上的空间。
与NDIR传感器相比，光声光谱二氧化碳传感器采用了高灵敏度的MEMS麦克风作为探测器，减少了器件和设计的复杂性。因此它可以做到小尺寸和低成本，非常适合大批量的工业和消费类应用。
相比之下，EC和eCO2的精度和指向性比较弱，而且容易受到湿度的影响。
从上图可以看到，英飞凌光声光谱二氧化碳传感器的尺寸很小，可以做到目前典型的NDIR传感器的1/4。它采用SMD封装，符合国际JEDEC标准，可采用回流焊接技术进行无引脚的表面贴装，装配之后不需要再做后期的校准，方便大规模生产，可为客户节省装配方面的时间和成本。
斜上方的是腔室，里面有红外光源、光学滤波片和MEMS麦克风，其中高灵敏度的MEMS麦克风用于探测腔室里面CO2分子产生的很细微的压力变化，只需要很少量的气体就足以做出精确的判定，因此这个腔室可以相应地采用小尺寸的设计。此外，这个传感器集成了MCU，可以将检测到的CO2浓度值直接转换为PPM值，通过三种接口输出。
英飞凌光声光谱二氧化碳传感器所有的关键组件，包括红外光源、光学滤波片、MEMS麦克风、MCU、MOSFET等，都是英飞凌自研的产品。
结语：智慧健康管理正涌现更多商机
总体来看，在智慧健康场景，英飞凌打造的多种类型传感器，可以与其MCU、蓝牙、Wi-Fi及数据安全芯片等搭配，结合相关软件及合作伙伴的算法，实现兼具传感、无线等功能的消费类AIoT设备，将智慧健康监测管理变得更加准确有效，更加简便易行。
英飞凌根据不同应用场景所需的商业模式，可采用灵活的合作方式，拓展了许多类型的合作伙伴，以尽可能涵盖呈碎片化特征的物联网市场，持续开拓新应用。由各种传感器收集到的数据，在健康管理中正发挥出越来越重要的作用，相应的落地商机也在持续增加。
