生物传感器如何玩转可穿戴设备

根据市调机构IDC预测，在未来几年，智能手表、手环等手戴产品将一直领跑整个可穿戴市场。IDC称，2015年手戴设备出货量将达到4070万部，占据可穿戴设备出货量的九成。由于手戴产品能帮助人们分析日常行为活动，极大地改善了我们的生活方式，因此与之相关的可穿戴技术受到了越来越多的关注度。

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李悠冉

2020-4-30 16:54:35

我们知道，一个典型的可穿戴设备通过一个外部设备整合用户数据和外部数据分析并显示用户信息。可穿戴设备的结构包括一个或多个传感器、存储器件、连接器件（射频控制器）、显示屏及电池。目前市场上最有名的的可穿戴电子设备当属智能手表、健身手环及活动检测器，这些设备通过一个或者多个传感器测量和捕获用户信息。因此，手戴产品对传感器有着高应用需求，促使整个传感器迅猛增长。据世强产品经理罗光川表示：“可穿戴设备在全球引起广泛关注，这种趋势在中国尤为明显。作为可穿戴设备重要组成部分的传感器因此变得炙手可热。”

他表示，目前一些较新的可穿戴设备利用光学传感器来追踪生命指标。Silicon labs拥有的高性能、低功耗的传感器产品，如紫外线传感器、红外光/环境光传感器等等，可感应出UV指数、环境光、心率/脉搏血氧饱和度以及2D或者3D手势应移动等。世强凭借广泛的目标客户群使得传感器业务获得大幅增长。罗光川介绍到：“针对可穿戴设备，Silicon labs开发的生物传感器Si1132/4X系列，主要用于测量人们的心跳、血压，追踪阳光紫外线强度等，并且这些传感器致力于小尺寸以应对可穿戴领域的挑战。”

图1：Si1132/4X接近/环境光/UV检测器

Si1132是Silicon labs推出的全球首款单芯片数字紫外线指数传感器，支持UV指数检测，可作为智能可穿戴和保健应用的首选。由于集成了光传感器，因此Si1132可自动调整显示来优化功耗并使人眼更为舒适，并且与加速度计配合能实现睡眠追踪。人体接收适度的紫外线是可取的，但是过度的照射则会引起致命的皮肤癌。罗光川表示：“在紫外线检测应用中，Si1132可提供实时的累积的紫外线指数照射，从而能帮助人们降低患皮肤癌的风险，轻松愉快享受健康的户外生活，因此Si1132已成功地应用于健康手环和健康戒指上。在接近/环境光检测应用中，Si1132具有强大的长距离接近检测，在室内可达到2米。世强看好Si1132在物联网、工业和消费中的显示接口应用，接近功能可用于唤醒设备。比如物联网控制面板检测到人唤醒、远程控制检测到人唤醒、可视门铃检测到人唤醒以及非接触式干手器等。此外，环境光传感器自动调节显示器亮度，从而提高可阅读性，减少眼睛负担，并降低电量消耗。”

图2：Si1132的UV检测功能

具体到产品技术，Si1132的电池寿命超长，在1Hz采样频率下的功耗仅为1.2uA，采用2×2×0.65毫米QFN封装，并且在出厂前校准提高了产品的一致性。Si1132配备I2C接口此外，Si1132牢靠的传感架构内包含一个高达128klux感应能力的光传感器，因此在宽动态范围光源内Si1132依旧保持性能不便。罗光川指出，Si1132单芯片方案集成了光敏二极管、ADC和信号处理功能，从而简化产品设计和具有高灵敏度,可在包括深色玻璃在内的各种材料覆盖下工作。

另外，Silicon labs推出的Si114X系列UV和IR接近/环境光传感器在紫外线和光环境功能上和Si1132一样。两者不同的是Si114X根据型号提供单、双和三个LED驱动器集成选项，并且能为为手势识别提供15级可选择的驱动等级。据罗光川介绍：“Si114X系列可应用于心率和血氧测量和生物计量、最长距离可达1.5m的长距离接近检测以及先进的2D和3D手势检测等。如LG心率耳塞就使用了Si114X。” 值得一提的是，Si114X还是革新的超低功耗单脉冲传感器，最小化IR LED导通时间为25.6us。罗光川特别强调，Si114X具有多个LED无触摸2D和3D手势感应，即使是在阳光照射下，也有非常高的动态范围。

图3：Si114X集成了3个LED驱动器

从上图可以看出，Si114X最多能集成3个LED驱动器。LED驱动器的作用是为健康和健身跟踪器通过反射式心率和血饱和度测量功能，非接触式接口能支持终端用户远距离控制。SI114X系列内部带有一个或多个红外发光二极管驱动器，驱动电流可以通过寄存器进行设置，驱动器驱动外接的红外发射二极管发出红外光(波长范围一般在750到950之间。850nm最好)，当有人或其他物体接近时，发出的红外光被反射回到接近传感器的红外光接收窗口，经过内部的ADC转换，再通过I2C接口电路发送给MCU，就可以根据计算出的光强大小，得出有人或物体在接近。Si1146和Si1147支持高级运动和手势感应，Si1146可以实现Z轴和X轴运动感应和非接触式控制，而Si1147添加了第三轴，可以实现三维运动感应。两个传感器提供的反射测量能够进行后处理，以进一步判别手势。

图4： Si114x在手势应用中的优势

在手戴产品系统中，若是离散组件较多，不仅会增加电兼容和测试方面的复杂性，还会增加功耗、BOM成本以及PCB尺寸等。Silicon labs的UV指数传感器IC单芯片解决方案可针对性地解决上述问题。罗光川表示，该方案的优势体现在2mm×2mm封装的单芯片IC中集成了UV指数传感器和数字处理电路，直观来说，在8.5英寸宽的页面中可防治655颗UV指数传感器IC。由于具有超低功耗架构，用户使用Silicon labs UV指数传感器帮助用户采用小电池实现可穿戴薄设计，同时在每秒一次的UV测量速率下平均电路低至1.2 uA，从而延长了电池寿命。罗光川表示：“世强不但提供功能丰富的各类传感器产品，而且我们将不断深化与原厂的合作，凭借世强广泛的分销网络为客户提供更好的服务，同时为客户提供及时的现场应用支持。”
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