想像一種不需要使用放大器的光電二極體。理論上,我們不必為了增強訊號而在光電二極體周圍加上複雜的類比電路,就能直接將這種光電二極體設計於穿戴式SoC中,並連接至數位電路,從而節省了晶片的尺寸和成本。

瑞士洛桑一家成立於2011年的新創公司——ActLight,日前開發出這種無需放大器的所謂「動態光電二極體」(Dynamic Photodiode;DPD)技術,並開始提供其IP授權。

Actlight執行長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並未透露是哪一家晶片供應商。

ActLight-1 ActLight的動態光電二極體(DPD)技術樣片。該晶片位於中間,每一側都有標準LED支援(來源:ActLight)

在成像和感測領域,ActLight似乎還名不見經傳。《EE Times》聯絡的幾位業界分析師和穿戴式裝置設計人員,對於這家新創公司所知甚少。這並不令人意外,畢竟業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日於法國格勒諾布爾市(Grenoble)召開的SEMI歐洲MEMS/成像與感測器高峰會(SEMI European MEMS / Imaging & Sensors Summit)發表其基於飛行時間(ToF) 3D成像應用的DPD感測器。ToF是深度感測領域最受爭議的技術之一。

根據ActLight官網上的資料,該公司吹捧DPD感測器可以提供「更高的光學性能,這對於發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,討論在即將用於智慧型手機中的ToF 3D感測相機架構下,DPD較現有雪崩光電二極體(Avalanche Photo Diodes;APD)和單光子雪崩二極體(Single Photon Avalanche Diodes;SPAD)的競爭優勢。

而當問及DPD用於基於ToF的深度感測應用表現時,ActLight商務長Roberto Magnifico並不願發表任何評論,而只說:「我們計劃在格勒諾布爾的活動中詳細宣佈這項計劃。」

靈敏度差?

讓我們回到一開始探討光電二極體應用於穿戴式裝置的主題。

例如,在心率感測器中使用光電二極體,可以測量來自LED發射的光,以及從佩戴者的手反射的訊號。這一反射訊號會根據血液濃度而變化。只要調節光電二極體的訊號,就能提供佩戴者關於心率的訊息。

那麼,當今穿戴式應用中的光電二極體存在哪些基本問題?

Yole Développement首席成像技術和市場分析師Pierre Cambou簡潔地說:「由於靈敏度較差,使得準確性低。」

正如Cambou所解釋的,PIN光電二極管「非常善於感測光線,但其靈敏度存在『閾值』(threshold)限制。光電二極體透過靈敏度,可以準確地檢測和測量光子的最小光通量。」他並補充說,針對小的光通量,光電二極體通常用於反向偏壓,「這被稱為『雪崩』(Avalanche)模式或Avalanche光電二極體的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,「傳統上,光電二極體在恆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雜訊——這個問題在低光下可能更嚴重。

這就是ActLight認為其DPD技術得以發揮之處。

該公司解釋說:「DPD並不是使用直流(DC)偏置,而是在脈衝電壓下作業: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後產生較大的正向電流,而所謂的觸發時間取決於光強度。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。」

由於輸出訊號大,ActLight聲稱DPD不需要增加放大器,而且還可以直接連接到數位電路。

如今,DPD採用了CMOS技術製造,使得光電二極體及其簡單的前端電路可以整合在同一晶片上。

穿戴裝置設計師的觀點

如果是這樣的話,採用DPD有什麼問題嗎?特別是對於穿戴裝置設計師而言,他們不斷致力於使其裝置越來越小且更節能?

《EE Times》有機會訪問到洛桑聯邦理工學院(EPFL)嵌入式系統實驗室主任David Atienza。Atienza教授及其團隊一直致力於開發各種智慧手錶和連網的穿戴式健康裝置。

ActLight總部雖然就設在EPFL的創新園區,但它並非由EPFL這所學校獨立出來的。Atienza說,在《EE Times》採訪之前,他並沒有聽說過ActLight的DPD技術。

許多開發人員,如Atienza的團隊,正在設計整合PPG感測器的智慧手錶,他們習慣於使用「標準光電二極體」。Atienza解釋,客戶都會要求智慧手錶設計必須符合醫療標準,像ActLight DPD這樣的新型動態光電二極體可能更有意思,但更重要的是DPD「必須經醫學試驗進行評估。」他想看看這家新創公司是否能達到與其宣稱的相同精度或更高的訊號雜訊比(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,它能與最準確的心電圖(ECG)系統產生「完全相同的測量結果」。“

ActLight-2 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系統的心率測量之比較結果(來源:ActLight)

ActLight-3 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系統進行比較,並確認了ActLight光電探測器的測量精度(來源:ActLight)

Atienza認為DPD技術最具吸引力之處在於其「延長了電池壽命,因為它們可以在比一般光電二極體更低的電壓下工作。」根據ActLight,由於DPD感測器具有更好的SNR性能,使其取得PPG樣本所需的光照較少。該公司聲稱,「相對於最先進的系統,其LED發射能量減少了大約7倍。」

那麼,將感測器整合至穿戴式裝置中存在哪些挑戰?Atienza說,「感測器的尺寸(這是因為必須在精確的系統設計位置整合系統)以及能量,是準確監測心率的關鍵,因為我們必須在最低頻率下進行取樣,否則訊號品質將會非常低。」

Atienza還指出精確度至關重要。但具體取決於感測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、體脂肪含量以及感測器是放在手腕還是耳朵上,都會產生不同的測量結果。

最後,測量訊號的品質,還將會成為穿戴式裝置使用哪一種感測器的決定因素。Atienza說:「我們經常需要將最初提議的PPG感測器改為其他類型(通常消耗更多[能量]),因為一開始的元件品質不足。」

針對Atienza的質疑,Magnifico回應道:「我們和客戶已經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。」他並補充說:「我們利用這款比目前市面上更小的光電測器,實現了這樣的成果。據統計,在光電探測器中用於進行生命徵象監測的PPG技術,並不一定100%適於心臟病患,但例外情況可以忽略不計。」

ActLight-4 (來源:ActLight)

ActLight-5 (來源:ActLight)

探索心率測量以外的新應用

ActLight執行長Okhonin指出,隨著基於DPD的感測器實現更高的精確度,該技術將進一步擴展到簡單的心率監測之外等應用。

他看好相同的感測器還可支援「心率變異性」(可提供預後資訊)、VO2max (心血管健康指標)或甚至是「血壓」。

他並補充說,基於DPD的感測器尺寸日趨小型化,也有助於設計人員不僅可以將感測器放在手腕上,還可以設計成耳塞用於聽戴式裝置,或甚至是助聽器等。

Magnifico解釋說,耳朵是「測量生命徵象的理想位置,因為相較於手腕,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%聽戴式生命徵象監測模組市場的公司合作,這家公司已經測試證實了ActLight光電二極體的出色SNR。」

ActLight預計整合該公司光電二極體的首款ASIC將於2019年面世,他並指出已經有兩三家OEM已在密切關注這項技術了。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Amp-Free Photodiodes Promise New Wearables,by Junko Yoshida)