橫跨物聯網和大健(jian)康兩個萬億級市場的傳感器，正在迎來(lai)強勁增長動力。過去(qu)十年間，搭載(zai)多(duo)種傳感器類型的智能手表、手環等(deng)，可(ke)以測量步數(shu)、心跳等(deng)數(shu)據，已經成為很(hen)多(duo)人必不可(ke)少的隨身設備。
隨著可穿戴設備應用的成熟，傳感器在大健康的應用場景也在不斷拓展。不僅用于兒童的看護，居家養老方面也得到更多應用，通過與多種家居設備聯動使用，有望構筑云端一體的智慧醫療新體(ti)驗。據(ju)ABI Research數據(ju)，未來十年(nian)內，居家場景中健康(kang)管理(Home Healthcare)產品的安裝量將由2022年(nian)的2000萬臺增長至2023年(nian)的1.8億(yi)臺。
英飛凌(ling)(ling)科技(ji)大中(zhong)華區(qu)電源與傳(chuan)感(gan)系統事業(ye)部(bu)應(ying)用(yong)市場總監(jian)(jian)李國豪，日(ri)前在(zai)接受媒(mei)體采訪時(shi)表示，海量健(jian)(jian)康(kang)設(she)備(bei)中(zhong)，各類傳(chuan)感(gan)器扮演著(zhu)關鍵角色。以往在(zai)醫(yi)療健(jian)(jian)康(kang)監(jian)(jian)測(ce)領(ling)域，傳(chuan)感(gan)器多(duo)應(ying)用(yong)于(yu)專業(ye)級健(jian)(jian)康(kang)醫(yi)療設(she)備(bei)。英飛凌(ling)(ling)通(tong)過(guo)對傳(chuan)感(gan)器在(zai)封裝、尺寸、成本上的(de)(de)優(you)化(hua)設(she)計，將多(duo)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器從(cong)工業(ye)應(ying)用(yong)拓展到(dao)消費電子產品中(zhong)。并與智慧(hui)健(jian)(jian)康(kang)領(ling)域的(de)(de)合作伙伴(ban)攜手(shou)進行方(fang)案設(she)計，讓消費類電子產品成為監(jian)(jian)測(ce)功(gong)能的(de)(de)載(zai)體，并在(zai)健(jian)(jian)康(kang)管理以及監(jian)(jian)測(ce)方(fang)向落地(di)。
“作為數據收集的(de)(de)起點和重要來(lai)源，傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)就(jiu)像人(ren)體感官一(yi)樣(yang)，對環境進行感應(ying)”, 李國豪(hao)介紹了英飛凌(ling)幾大類傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)的(de)(de)特(te)征，“高(gao)精(jing)度(du)毫米波雷達傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)、3D ToF飛行時間傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)，就(jiu)類似于人(ren)的(de)(de)眼睛，用于人(ren)員(yuan)/障礙物監測；超(chao)高(gao)信噪比(bi)MEMS麥克風、XENSIVE PAS CO2二(er)氧化(hua)碳傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)相當于耳(er)朵和鼻子；精(jing)準的(de)(de)壓力(li)傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)，則像人(ren)類的(de)(de)皮(pi)膚一(yi)樣(yang)具(ju)備感知(zhi)功能。”
不同傳感器如何應用于智慧健康領域？
雷達傳感器
英飛凌雷達傳感(gan)器首次在全世界亮(liang)相是2016年(nian)的(de)(de)谷歌開(kai)發(fa)者大會上。當(dang)時，在谷歌還未正式發(fa)布的(de)(de)Pixel 4手機上成功演示了(le)感(gan)知、以及手勢偵測等功能(neng)。直到(dao)現在，谷歌仍在持續地使用該雷達產品，它也進一步影(ying)響整個市場雷達的(de)(de)開(kai)發(fa)、使用的(de)(de)想(xiang)法，以及一些創新的(de)(de)應用案例。
英(ying)飛凌(ling)科技大(da)中華區電源與傳感系統事業部高級市場經理吳柏毅(yi)介紹(shao)，雷達的(de)(de)功能和特(te)性十(shi)分強大(da)，可(ke)以感知(zhi)到任何微小的(de)(de)移動，包括呼(hu)吸時(shi)胸腔微小的(de)(de)位移，由(you)此可(ke)以做生命體征的(de)(de)監測，去感知(zhi)距離、位置(zhi)、速度、角度等數據信息(xi)，之后進(jin)一步利用(yong)算法可(ke)以實現呼(hu)吸、心跳、手勢(shi)、追(zhui)蹤等各方(fang)面應用(yong)。
此外，雷達波可以穿透任(ren)何不具導電(dian)物質(zhi)的表面以及外殼，即使安裝到產品內部也(ye)不受(shou)影響(xiang)。且不容(rong)易受(shou)客觀環境如燈光、粉塵等影響(xiang)，可以更精確地識別(bie)手掌的運動(dong)和追蹤，并且在(zai)外觀設計(ji)更加靈活、美觀。
雷達(da)傳感器(qi)的工(gong)作原理(li)如下(xia)，從左至右(you)依次是雷達(da)傳感器(qi)、MCU和消(xiao)費者(zhe)終(zhong)端，探測(ce)到(dao)的數據信(xin)息以反(fan)射波的形(xing)式在處理(li)器(qi)中進行運算(suan)，輔以固件(jian)開發、算(suan)法(fa)處理(li)等，能夠滿(man)足不同使(shi)用者(zhe)的需(xu)求。
英飛凌PSS部門最新(xin)推出(chu)了兩款雷達傳感(gan)器BGT60LTR11AIP和(he)BGT60TR13C。前者(zhe)(zhe)基于(yu)毫(hao)米(mi)波(bo)多普勒效應(ying)打造，主(zhu)要面向運動檢測(ce)類應(ying)用(yong)(yong)，開啟(qi)自動模(mo)式時探測(ce)距離可達5米(mi)，水平視角約80度，平均(jun)功(gong)耗小于(yu)5毫(hao)瓦(wa)；后者(zhe)(zhe)采用(yong)(yong)一發(fa)三(san)收(shou)的硬件架(jia)構，平均(jun)功(gong)耗20-30毫(hao)瓦(wa)，頻寬大于(yu)5GHz，解(jie)析度3厘米(mi)，搭(da)配不同的高級算法(fa)，可以實現手勢辨識、室(shi)內(nei)人員存(cun)在(zai)感(gan)知、追蹤，甚(shen)至(zhi)心跳監測(ce)等(deng)功(gong)能。
吳柏毅表示，毫米波雷達芯片應用于健(jian)康(kang)監測設備(bei)中(zhong)，可以實現(xian)全天候、非接觸(chu)、不侵犯隱(yin)私的(de)數據記錄。在(zai)清雷科技(ji)發(fa)布(bu)的(de)“貝加安智(zhi)(zhi)慧康(kang)養(yang)生(sheng)命支持系(xi)統”和智(zhi)(zhi)能呼吸睡(shui)眠(mian)(mian)(mian)監測設備(bei)中(zhong)，就使用了(le)BGT60TR13C毫米(mi)波雷達芯片(pian)。在(zai)智(zhi)(zhi)能呼吸睡(shui)眠(mian)(mian)(mian)監測設備(bei)中(zhong)，采用了(le)毫米(mi)波雷達層析感知技(ji)術(shu)。通過2.5cm分辨率層析譜和100ms刷新周期，能夠(gou)從睡(shui)眠(mian)(mian)(mian)、呼吸、心率、體動(dong)、睡(shui)姿等多(duo)維度進行監測。
談及這些(xie)產品的(de)(de)開(kai)發難點(dian)，吳柏毅介紹(shao)，毫米波(bo)雷(lei)達傳感器最大(da)的(de)(de)挑戰(zhan)在于(yu)算(suan)法(fa)，通常的(de)(de)做法(fa)是將距離(li)、位置、速度、角(jiao)度信(xin)息與(yu)雷(lei)達不(bu)(bu)同的(de)(de)工作(zuo)原理和算(suan)法(fa)相結合，形成組合方案。當然，隨著算(suan)法(fa)的(de)(de)不(bu)(bu)同，雷(lei)達傳感器所匹配的(de)(de)MCU或處(chu)理器也不(bu)(bu)相同，因(yin)此成本(ben)、功(gong)耗(hao)會存在差(cha)異，這完全取決于(yu)最終的(de)(de)應用場景所需。
在主打的應(ying)用(yong)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)方(fang)(fang)(fang)面，BGT60TR13C適用(yong)于(yu)(yu)先進的雷達(da)傳感(gan)，同時也適用(yong)于(yu)(yu)高階的FMCW算法(fa)，通過這些(xie)復雜(za)的訊號處(chu)理，可(ke)以(yi)(yi)實現手勢控制、生命體征監測以(yi)(yi)及(ji)(ji)人(ren)員追蹤等功(gong)能； BGT60LTR11AIP則(ze)是取(qu)代紅外(wai)傳感(gan)的最佳方(fang)(fang)(fang)案，利用(yong)其集成基帶以(yi)(yi)及(ji)(ji)集成天線封(feng)裝技(ji)術(shu)，可(ke)以(yi)(yi)更精準地偵(zhen)測運動方(fang)(fang)(fang)向(xiang)，并且對于(yu)(yu)使用(yong)者沒(mei)有要求，任何人(ren)都可(ke)以(yi)(yi)直接使用(yong)以(yi)(yi)及(ji)(ji)偵(zhen)測。這些(xie)產品豐富了英飛(fei)凌的產品方(fang)(fang)(fang)案組合，也極(ji)大拓(tuo)寬了雷達(da)方(fang)(fang)(fang)案的應(ying)用(yong)場景。
ToF傳感器
英飛凌科技大中華區電源與傳感系統事業部高級市場經理張鐵虎回顧，2013年，英飛凌和pmd technologies就在ToF領域展開合作，并于2015年推出第一代ToF圖像傳感器REAL3。此后，英飛凌保持著每年推出一代產品的節奏，2021年，英飛凌推出了第六代ToF產品，具備了更遠距離檢測的能力(達到10米距離)，這是為了適應未來元宇宙的(de)應用需(xu)求，以及(ji)更加適配AR應用的(de)需(xu)求(包括(kuo)圖像功能(neng)增(zeng)強和低(di)功耗(hao)需(xu)要)。他(ta)強調，英(ying)飛(fei)凌是最(zui)早進入ToF領(ling)域的(de)廠(chang)商之一，同時也是在消費類產(chan)品中(zhong)實(shi)現大量(liang)量(liang)產(chan)的(de)廠(chang)商。
目前(qian)看來，ToF傳感器在掃(sao)地(di)機器人和AMR中的(de)(de)應用最為(wei)廣泛。這些產(chan)品的(de)(de)共(gong)同特(te)點都是需要(yao)對工(gong)作空(kong)間(jian)、障礙物形狀(zhuang)進行判斷，并實現智(zhi)能構圖和路(lu)徑規劃(hua)，從而達(da)到高效運轉的(de)(de)目的(de)(de)，這就(jiu)需要(yao)精準的(de)(de)圖像探(tan)測。
在汽車(che)(che)領域(yu)，包括駕駛員(yuan)(yuan)檢(jian)測、駕駛員(yuan)(yuan)Face ID驗證、乘(cheng)客檢(jian)測、燈光座(zuo)椅調整在內(nei)的(de)Smart in-cabin sensing(駕艙(cang)內(nei)智能感應(ying))，以及自動泊車(che)(che)輔助、車(che)(che)門避(bi)障在內(nei)的(de)車(che)(che)外應(ying)用，都是(shi)ToF熱(re)門的(de)應(ying)用領域(yu)。
在健(jian)康監測領(ling)域，ToF可被用于跌(die)倒檢測。這是(shi)高分辨率(lv)ToF傳感(gan)器的(de)優勢領(ling)域，因為既能(neng)(neng)得到(dao)清(qing)晰的(de)圖(tu)像，又能(neng)(neng)保護(hu)隱(yin)私。張鐵(tie)虎介紹了騰訊即視智慧養老(lao)解決方(fang)案(an)，基于英(ying)飛(fei)凌REAL3 3D飛(fei)行(xing)時(shi)間圖(tu)像傳感(gan)器IRS2381C，能(neng)(neng)提供(gong)7*24小時(shi)的(de)安全事(shi)件識別(bie)、健(jian)康數據分析、場景識別(bie)及(ji)定位(wei)等能(neng)(neng)力。
XENSIVE PAS CO2傳感器
二(er)(er)氧化(hua)碳(tan)濃度(du)(du)是空氣(qi)質(zhi)量的(de)一項關鍵指(zhi)標(biao)，在(zai)(zai)人多擁(yong)擠、通風不良的(de)環(huan)境(jing)下，二(er)(er)氧化(hua)碳(tan)濃度(du)(du)會快(kuai)速上升。如果(guo)一個(ge)人在(zai)(zai)大(da)約4平(ping)方米的(de)空間中(zhong)，二(er)(er)氧化(hua)碳(tan)濃度(du)(du)值會在(zai)(zai)45分鐘(zhong)之內從500PPM上升到(dao)1000PPM以(yi)上。室(shi)(shi)內二(er)(er)氧化(hua)碳(tan)濃度(du)(du)越高(gao)，室(shi)(shi)內人員舒適度(du)(du)越低，當(dang)濃度(du)(du)達到(dao)1000PPM以(yi)上時，人們會感(gan)到(dao)困倦、難以(yi)集(ji)中(zhong)注(zhu)意(yi)力；濃度(du)(du)達到(dao)2000PPM以(yi)上，甚至(zhi)認知(zhi)能力會受(shou)到(dao)影(ying)響(xiang)。高(gao)濃度(du)(du)除了會對人體健康造(zao)成(cheng)風險之外，在(zai)(zai)住宅(zhai)和商業建筑(zhu)采用有效的(de)空氣(qi)質(zhi)量監控會有助于(yu)節(jie)約能源，同時降(jiang)低相應的(de)成(cheng)本。
英飛凌科技大中(zhong)華區電源(yuan)與傳感(gan)系(xi)統事業部(bu)市場經理劉菊表示，通(tong)過對空氣(qi)中(zhong)的二氧化碳濃(nong)度(du)進行監測，能夠有針對性地對空氣(qi)質量進行控(kong)制，有助于(yu)改(gai)善人們的健康(kang)狀況，提(ti)高生活的舒適(shi)度(du)和提(ti)高工作效(xiao)率。另一(yi)方面，按照需要來控(kong)制和使用通(tong)風系(xi)統，可(ke)以節(jie)約能源(yuan)，降低通(tong)風系(xi)統的運(yun)行成本。
憑(ping)借MEMS技術(shu)的(de)(de)(de)經驗，英飛凌成(cheng)功開發了(le)(le)以(yi)光(guang)聲(sheng)光(guang)譜技術(shu)為(wei)基礎的(de)(de)(de)新型XENSIVE PAS CO2 二氧化碳傳(chuan)感器，這款(kuan)產品基于(yu)光(guang)聲(sheng)光(guang)譜(PAS)原理，幾乎實(shi)現了(le)(le)目(mu)前(qian)最小(xiao)的(de)(de)(de)封裝(zhuang)尺寸，包含紅(hong)外(wai)光(guang)源、光(guang)學濾(lv)波片(pian)、MEMS麥(mai)克風傳(chuan)感器和MCU，相當于(yu)一個小(xiao)型系(xi)統，極大(da)幫助(zhu)客戶加快了(le)(le)產品上市時間。此(ci)外(wai)，SMD封裝(zhuang)支持大(da)批量、大(da)規模生(sheng)產工(gong)序，基于(yu)光(guang)聲(sheng)光(guang)譜的(de)(de)(de)XENSIVE PAS CO2 二氧化碳傳(chuan)感器是目(mu)前(qian)較好的(de)(de)(de)選擇。
據劉菊介紹，與基于NDIR、EC和eCO2原理的(de)XENSIVE PAS CO2二(er)氧化碳傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)相比，PAS技術采用了(le)MEMS麥克風作為檢測器(qi)(qi)(qi)，靈敏度(du)高，減(jian)少了(le)器(qi)(qi)(qi)件和設計的(de)復(fu)雜性，比市場(chang)上(shang)現有的(de)NDIR傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)產品尺寸(cun)縮小了(le)4倍(bei)，重(zhong)量(liang)減(jian)輕了(le)3倍(bei)，能夠節(jie)省75%以上(shang)的(de)空間，同時自帶補(bu)償算(suan)法，非常適合(he)大批量(liang)的(de)工業應用和消費類的(de)應用。另一方(fang)面(mian)，EC和eCO2的(de)精度(du)和指向(xiang)性比較弱，而且容(rong)易受到濕(shi)度(du)的(de)影響。
傳感器在智慧健康領域的發展趨勢？
相較于(yu)汽車、工業等領域的(de)(de)傳(chuan)感器(qi)產品，家用(yong)智慧(hui)健(jian)康(kang)(kang)監測設備在感應距離和敏(min)感度(du)方面(mian)都(dou)不一樣，并(bing)且(qie)，在室內的(de)(de)小空間，存在很多反射(she)和干擾。這些(xie)都(dou)是傳(chuan)感器(qi)在家庭智慧(hui)健(jian)康(kang)(kang)監測領域的(de)(de)現實問題。與此同時(shi)，應用(yong)場景(jing)和需求極度(du)的(de)(de)碎(sui)片化、且(qie)對功耗要求更(geng)(geng)為嚴苛，這都(dou)給傳(chuan)感器(qi)設計帶來(lai)了更(geng)(geng)大(da)挑戰(zhan)。
對此，李(li)國豪表(biao)示，英飛(fei)凌在傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)的(de)開發(fa)方(fang)面已有多年(nian)積淀(dian)，形成了豐(feng)富(fu)的(de)傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)產(chan)品(pin)線和多種產(chan)品(pin)規格。結(jie)合(he)傳感(gan)(gan)(gan)器(qi)、處(chu)理器(qi)、安全芯片等產(chan)品(pin)，除了傳感(gan)(gan)(gan)功(gong)能(neng)，還(huan)可以(yi)加入(ru)(ru)更多的(de)IoT、無線等功(gong)能(neng)，讓智慧健康監測變得(de)更容易，走入(ru)(ru)更多家庭(ting)中得(de)以(yi)應(ying)用(yong)。
在持續開拓(tuo)新應用(yong)方(fang)(fang)面，將會通過不(bu)同(tong)商業模式、不(bu)同(tong)合作(zuo)(zuo)方(fang)(fang)式，與不(bu)同(tong)生態圈的合作(zuo)(zuo)伙伴(ban)，通過多種(zhong)模式進一步觸達新的應用(yong)藍海(hai)。目前(qian)，英飛凌(ling)正在開啟智慧健康監測領(ling)域的更多新應用(yong)，通過與合作(zuo)(zuo)伙伴(ban)進行算法(fa)提升，未(wei)來(lai)將在健康管理方(fang)(fang)面發揮(hui)重(zhong)大功效，開拓(tuo)更多的新機遇。
以智慧(hui)養(yang)老(lao)為例，通過毫米(mi)波雷達、ToF等(deng)設備(bei)無接觸偵測(ce)老(lao)年人生活(huo)狀(zhuang)態(tai)的應用需求已經(jing)比較明確，例如偵測(ce)靜坐及睡眠(mian)時(shi)的呼吸、心(xin)率狀(zhuang)況；或是(shi)偵測(ce)在屋內行走有無跌倒等(deng)狀(zhuang)況。再結合市場(chang)上已有的線上醫生、甚至是(shi)保險服務(wu)等(deng)，能夠形成智慧(hui)醫療、智慧(hui)養(yang)老(lao)生態(tai)圈的聯動發(fa)展。
此外，一些智慧康(kang)養(yang)(yang)生(sheng)命支(zhi)持系統(tong)可面向康(kang)養(yang)(yang)機構、社(she)區養(yang)(yang)老(lao)、居(ju)家養(yang)(yang)老(lao)、醫療(liao)機構等多種應用場景，提(ti)(ti)供危險(xian)信(xin)息及(ji)時(shi)告(gao)警(jing)，包括離床告(gao)警(jing)、跌(die)倒告(gao)警(jing)、呼(hu)吸(xi)急促(cu)或心(xin)跳過(guo)緩告(gao)警(jing)、呼(hu)吸(xi)暫停告(gao)警(jing)等。同時(shi)，它(ta)還能(neng)實現(xian)潛在(zai)風(feng)險(xian)提(ti)(ti)前(qian)預測(ce)，包括睡眠(mian)質量分析、跌(die)倒風(feng)險(xian)預測(ce)、生(sheng)命活力(li)評估、呼(hu)吸(xi)慢(man)病AI輔助診療(liao)等功(gong)能(neng)。
“不過，由于場景多、需求復雜，因此多傳感器融合方案目前面臨的最大挑戰仍是算法，尤其是在算法的相互配合和可靠性方面”，李國豪補充，“通過引入人工智能和(he)機器(qi)學習(xi)，補(bu)充更多邏(luo)輯(ji)功能來強化數據(ju)的分析和(he)處理，將成為下一(yi)步的重要趨勢。”
近年來，英飛凌致力(li)于(yu)發(fa)展“感知、計(ji)算(suan)、執行、連接、安全”五大方向的物聯網能力(li)，這些技術能力(li)相互配合，有利于(yu)提(ti)供更為完整的傳感器解(jie)決方案(an)。
李國豪表示，除(chu)了應用于智(zhi)慧健康(kang)領域的(de)多種傳感(gan)器(qi)，英飛凌還有用于安防的(de)傳感(gan)器(qi)，通(tong)過網絡通(tong)知入侵(qin)狀(zhuang)況。在智(zhi)能(neng)(neng)音(yin)箱(xiang)這個典型的(de)應用中，通(tong)過硅麥克風、雷(lei)達，再加上軟件算法(fa)，能(neng)(neng)夠判斷用戶是(shi)否靠(kao)近智(zhi)能(neng)(neng)音(yin)箱(xiang)，以此來控制屏幕亮度。
“各類(lei)傳(chuan)感(gan)器可以(yi)(yi)收集到(dao)不同類(lei)型(xing)的(de)數(shu)據，不論是聲音、感(gan)應還是其他可以(yi)(yi)量化(hua)的(de)數(shu)據，這(zhe)些(xie)數(shu)據在數(shu)字(zi)化(hua)生活中越(yue)來越(yue)重要”，李國(guo)豪說，“用(yong)戶通過傳(chuan)感(gan)器采集到(dao)的(de)這(zhe)些(xie)數(shu)據，再加(jia)上(shang)合(he)適(shi)的(de)算法、邏輯(ji)，能夠開發(fa)出(chu)更多、更豐(feng)富的(de)應用(yong)方案(an)，未來的(de)落地點非(fei)常廣泛(fan)，機遇也多種多樣(yang)。”
