橫跨物聯(lián)網(wǎng)和大健康兩個萬億級市場的傳感器，正在迎來強勁增長動力。過去十年間，搭載多種傳感器類型的智能手表、手環(huán)等，可以測量步數(shù)、心跳等數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為很多人必不可少的隨身設(shè)備。
隨著可穿戴設(shè)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(yǎng)老方面也得到更多應用，通過與多種家居設(shè)備聯(lián)動使用，有望構(gòu)筑云端一體的智慧醫(yī)療新體驗。據(jù)ABI Research數(shù)據(jù)，未來十年內(nèi)，居家場景中健康管理(Home Healthcare)產(chǎn)品的安裝量將由2022年的2000萬臺增長至2023年的1.8億臺。
英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部應用市場總監(jiān)李國豪，日前在接受媒體采訪時表示，海量健康設(shè)備中，各類傳感器扮演著關(guān)鍵角色。以往在醫(yī)療健康監(jiān)測領(lǐng)域，傳感器多應用于專業(yè)級健康醫(yī)療設(shè)備。英飛凌通過對傳感器在封裝、尺寸、成本上的優(yōu)化設(shè)計，將多種傳感器從工業(yè)應用拓展到消費電子產(chǎn)品中。并與智慧健康領(lǐng)域的合作伙伴攜手進行方案設(shè)計，讓消費類電子產(chǎn)品成為監(jiān)測功能的載體，并在健康管理以及監(jiān)測方向落地。
“作為數(shù)據(jù)收集的起點和重要來源，傳感器就像人體感官一樣，對環(huán)境進行感應”, 李國豪介紹了英飛凌幾大類傳感器的特征，“高精度毫米波雷達傳感器、3D ToF飛行時間傳感器，就類似于人的眼睛，用于人員/障礙物監(jiān)測；超高信噪比MEMS麥克風、XENSIVE PAS CO2二氧化碳傳感器相當于耳朵和鼻子；精準的壓力傳感器，則像人類的皮膚一樣具備感知功能?！?/p>
不同傳感器如何應用于智慧健康領(lǐng)域？
雷達傳感器
英飛凌雷達傳感器首次在全世界亮相是2016年的谷歌開發(fā)者大會上。當時，在谷歌還未正式發(fā)布的Pixel 4手機上成功演示了感知、以及手勢偵測等功能。直到現(xiàn)在，谷歌仍在持續(xù)地使用該雷達產(chǎn)品，它也進一步影響整個市場雷達的開發(fā)、使用的想法，以及一些創(chuàng)新的應用案例。
英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部高級市場經(jīng)理吳柏毅介紹，雷達的功能和特性十分強大，可以感知到任何微小的移動，包括呼吸時胸腔微小的位移，由此可以做生命體征的監(jiān)測，去感知距離、位置、速度、角度等數(shù)據(jù)信息，之后進一步利用算法可以實現(xiàn)呼吸、心跳、手勢、追蹤等各方面應用。
此外，雷達波可以穿透任何不具導電物質(zhì)的表面以及外殼，即使安裝到產(chǎn)品內(nèi)部也不受影響。且不容易受客觀環(huán)境如燈光、粉塵等影響，可以更精確地識別手掌的運動和追蹤，并且在外觀設(shè)計更加靈活、美觀。
雷達傳感器的工作原理如下，從左至右依次是雷達傳感器、MCU和消費者終端，探測到的數(shù)據(jù)信息以反射波的形式在處理器中進行運算，輔以固件開發(fā)、算法處理等，能夠滿足不同使用者的需求。
英飛凌PSS部門最新推出了兩款雷達傳感器BGT60LTR11AIP和BGT60TR13C。前者基于毫米波多普勒效應打造，主要面向運動檢測類應用，開啟自動模式時探測距離可達5米，水平視角約80度，平均功耗小于5毫瓦；后者采用一發(fā)三收的硬件架構(gòu)，平均功耗20-30毫瓦，頻寬大于5GHz，解析度3厘米，搭配不同的高級算法，可以實現(xiàn)手勢辨識、室內(nèi)人員存在感知、追蹤，甚至心跳監(jiān)測等功能。
吳柏毅表示，毫米波雷達芯片應用于健康監(jiān)測設(shè)備中，可以實現(xiàn)全天候、非接觸、不侵犯隱私的數(shù)據(jù)記錄。在清雷科技發(fā)布的“貝加安智慧康養(yǎng)生命支持系統(tǒng)”和智能呼吸睡眠監(jiān)測設(shè)備中，就使用了BGT60TR13C毫米波雷達芯片。在智能呼吸睡眠監(jiān)測設(shè)備中，采用了毫米波雷達層析感知技術(shù)。通過2.5cm分辨率層析譜和100ms刷新周期，能夠從睡眠、呼吸、心率、體動、睡姿等多維度進行監(jiān)測。
談及這些產(chǎn)品的開發(fā)難點，吳柏毅介紹，毫米波雷達傳感器最大的挑戰(zhàn)在于算法，通常的做法是將距離、位置、速度、角度信息與雷達不同的工作原理和算法相結(jié)合，形成組合方案。當然，隨著算法的不同，雷達傳感器所匹配的MCU或處理器也不相同，因此成本、功耗會存在差異，這完全取決于最終的應用場景所需。
在主打的應用方向方面，BGT60TR13C適用于先進的雷達傳感，同時也適用于高階的FMCW算法，通過這些復雜的訊號處理，可以實現(xiàn)手勢控制、生命體征監(jiān)測以及人員追蹤等功能； BGT60LTR11AIP則是取代紅外傳感的最佳方案，利用其集成基帶以及集成天線封裝技術(shù)，可以更精準地偵測運動方向，并且對于使用者沒有要求，任何人都可以直接使用以及偵測。這些產(chǎn)品豐富了英飛凌的產(chǎn)品方案組合，也極大拓寬了雷達方案的應用場景。
ToF傳感器
英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部高級市場經(jīng)理張鐵虎回顧，2013年，英飛凌和pmd technologies就在ToF領(lǐng)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(chǎn)品的節(jié)奏，2021年，英飛凌推出了第六代ToF產(chǎn)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應用需求，以及更加適配AR應用的需求(包括圖像功能增強和低功耗需要)。他強調(diào)，英飛凌是最早進入ToF領(lǐng)域的廠商之一，同時也是在消費類產(chǎn)品中實現(xiàn)大量量產(chǎn)的廠商。
目前看來，ToF傳感器在掃地機器人和AMR中的應用最為廣泛。這些產(chǎn)品的共同特點都是需要對工作空間、障礙物形狀進行判斷，并實現(xiàn)智能構(gòu)圖和路徑規(guī)劃，從而達到高效運轉(zhuǎn)的目的，這就需要精準的圖像探測。
在汽車領(lǐng)域，包括駕駛員檢測、駕駛員Face ID驗證、乘客檢測、燈光座椅調(diào)整在內(nèi)的Smart in-cabin sensing(駕艙內(nèi)智能感應)，以及自動泊車輔助、車門避障在內(nèi)的車外應用，都是ToF熱門的應用領(lǐng)域。
在健康監(jiān)測領(lǐng)域，ToF可被用于跌倒檢測。這是高分辨率ToF傳感器的優(yōu)勢領(lǐng)域，因為既能得到清晰的圖像，又能保護隱私。張鐵虎介紹了騰訊即視智慧養(yǎng)老解決方案，基于英飛凌REAL3 3D飛行時間圖像傳感器IRS2381C，能提供7*24小時的安全事件識別、健康數(shù)據(jù)分析、場景識別及定位等能力。
XENSIVE PAS CO2傳感器
二氧化碳濃度是空氣質(zhì)量的一項關(guān)鍵指標，在人多擁擠、通風不良的環(huán)境下，二氧化碳濃度會快速上升。如果一個人在大約4平方米的空間中，二氧化碳濃度值會在45分鐘之內(nèi)從500PPM上升到1000PPM以上。室內(nèi)二氧化碳濃度越高，室內(nèi)人員舒適度越低，當濃度達到1000PPM以上時，人們會感到困倦、難以集中注意力；濃度達到2000PPM以上，甚至認知能力會受到影響。高濃度除了會對人體健康造成風險之外，在住宅和商業(yè)建筑采用有效的空氣質(zhì)量監(jiān)控會有助于節(jié)約能源，同時降低相應的成本。
英飛凌科技大中華區(qū)電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部市場經(jīng)理劉菊表示，通過對空氣中的二氧化碳濃度進行監(jiān)測，能夠有針對性地對空氣質(zhì)量進行控制，有助于改善人們的健康狀況，提高生活的舒適度和提高工作效率。另一方面，按照需要來控制和使用通風系統(tǒng)，可以節(jié)約能源，降低通風系統(tǒng)的運行成本。
憑借MEMS技術(shù)的經(jīng)驗，英飛凌成功開發(fā)了以光聲光譜技術(shù)為基礎(chǔ)的新型XENSIVE PAS CO2 二氧化碳傳感器，這款產(chǎn)品基于光聲光譜(PAS)原理，幾乎實現(xiàn)了目前最小的封裝尺寸，包含紅外光源、光學濾波片、MEMS麥克風傳感器和MCU，相當于一個小型系統(tǒng)，極大幫助客戶加快了產(chǎn)品上市時間。此外，SMD封裝支持大批量、大規(guī)模生產(chǎn)工序，基于光聲光譜的XENSIVE PAS CO2 二氧化碳傳感器是目前較好的選擇。
據(jù)劉菊介紹，與基于NDIR、EC和eCO2原理的XENSIVE PAS CO2二氧化碳傳感器相比，PAS技術(shù)采用了MEMS麥克風作為檢測器，靈敏度高，減少了器件和設(shè)計的復雜性，比市場上現(xiàn)有的NDIR傳感器產(chǎn)品尺寸縮小了4倍，重量減輕了3倍，能夠節(jié)省75%以上的空間，同時自帶補償算法，非常適合大批量的工業(yè)應用和消費類的應用。另一方面，EC和eCO2的精度和指向性比較弱，而且容易受到濕度的影響。
傳感器在智慧健康領(lǐng)域的發(fā)展趨勢？
相較于汽車、工業(yè)等領(lǐng)域的傳感器產(chǎn)品，家用智慧健康監(jiān)測設(shè)備在感應距離和敏感度方面都不一樣，并且，在室內(nèi)的小空間，存在很多反射和干擾。這些都是傳感器在家庭智慧健康監(jiān)測領(lǐng)域的現(xiàn)實問題。與此同時，應用場景和需求極度的碎片化、且對功耗要求更為嚴苛，這都給傳感器設(shè)計帶來了更大挑戰(zhàn)。
對此，李國豪表示，英飛凌在傳感器的開發(fā)方面已有多年積淀，形成了豐富的傳感器產(chǎn)品線和多種產(chǎn)品規(guī)格。結(jié)合傳感器、處理器、安全芯片等產(chǎn)品，除了傳感功能，還可以加入更多的IoT、無線等功能，讓智慧健康監(jiān)測變得更容易，走入更多家庭中得以應用。
在持續(xù)開拓新應用方面，將會通過不同商業(yè)模式、不同合作方式，與不同生態(tài)圈的合作伙伴，通過多種模式進一步觸達新的應用藍海。目前，英飛凌正在開啟智慧健康監(jiān)測領(lǐng)域的更多新應用，通過與合作伙伴進行算法提升，未來將在健康管理方面發(fā)揮重大功效，開拓更多的新機遇。
以智慧養(yǎng)老為例，通過毫米波雷達、ToF等設(shè)備無接觸偵測老年人生活狀態(tài)的應用需求已經(jīng)比較明確，例如偵測靜坐及睡眠時的呼吸、心率狀況；或是偵測在屋內(nèi)行走有無跌倒等狀況。再結(jié)合市場上已有的線上醫(yī)生、甚至是保險服務(wù)等，能夠形成智慧醫(yī)療、智慧養(yǎng)老生態(tài)圈的聯(lián)動發(fā)展。
此外，一些智慧康養(yǎng)生命支持系統(tǒng)可面向康養(yǎng)機構(gòu)、社區(qū)養(yǎng)老、居家養(yǎng)老、醫(yī)療機構(gòu)等多種應用場景，提供危險信息及時告警，包括離床告警、跌倒告警、呼吸急促或心跳過緩告警、呼吸暫停告警等。同時，它還能實現(xiàn)潛在風險提前預測，包括睡眠質(zhì)量分析、跌倒風險預測、生命活力評估、呼吸慢病AI輔助診療等功能。
“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(zhàn)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機器學習，補充更多邏輯功能來強化數(shù)據(jù)的分析和處理，將成為下一步的重要趨勢?！?/p>
近年來，英飛凌致力于發(fā)展“感知、計算、執(zhí)行、連接、安全”五大方向的物聯(lián)網(wǎng)能力，這些技術(shù)能力相互配合，有利于提供更為完整的傳感器解決方案。
李國豪表示，除了應用于智慧健康領(lǐng)域的多種傳感器，英飛凌還有用于安防的傳感器，通過網(wǎng)絡(luò)通知入侵狀況。在智能音箱這個典型的應用中，通過硅麥克風、雷達，再加上軟件算法，能夠判斷用戶是否靠近智能音箱，以此來控制屏幕亮度。
“各類傳感器可以收集到不同類型的數(shù)據(jù)，不論是聲音、感應還是其他可以量化的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在數(shù)字化生活中越來越重要”，李國豪說，“用戶通過傳感器采集到的這些數(shù)據(jù)，再加上合適的算法、邏輯，能夠開發(fā)出更多、更豐富的應用方案，未來的落地點非常廣泛，機遇也多種多樣?！?/p>
