手機、平板、可穿戴的新風向：ROHM高精度光學脈搏感測器

（上圖為ROHM半導體（上海）有限公司 設計中心 高級工程師 孫彬）

進入2017年，就在業界為即將到來的物聯網產業大機遇而倍感興奮的時候，Gartner的一份最新調查卻迎頭潑了一盆涼水：消費者最初被可穿戴設備的新奇功能和華麗外表所吸引而購買，但是有近三分之一的用戶在使用一段時間後感到無聊然後拋棄了它們，智能手錶棄用率為29%、健身類可穿戴設備棄用率為30%。

除了可穿戴設備外，智能手機與平板電腦也進入了創新乏善可陳的境地。根據Gartner，2016年全年智能手機銷售量15億部、較2015年增加5%，其中雖然蘋果在兩年後重奪全球智能手機龍頭廠商，但在2016年第四季度與三星銷售量的差距卻是史上最小，說明手機的差異化正在迅速縮小，平板電腦就更不用提了。

在可穿戴設備、智能手機和平板電腦等智能硬體進入創新窘境的時候，一個新的差異化創新點卻悄然出現了，這就是低功耗、高精度的光學脈搏感測器。由電信號到生理信號，一個智能硬體的新價值空間正在被打開。

獨特的光學脈博感測器

ROHM羅姆半導體是一家著名的全球半導體製造商，自1958年在日本成立以來歷經半個世紀的發展已經成為全球系統IC和首屈一指的半導體生產製造商，產品涉及IC、分立元器件、光學元器件、無源元件、模塊、半導體應用產品以及醫療器具等。

2017年2月21日，ROHM羅姆半導體在北京推出了最新研發及量產的光學脈搏感測器BH1790GLC。脈搏是指隨著心臟輸出血液發生的血管的容積變化，ROHM半導體（上海）有限公司設計中心高級工程師孫彬介紹說，BH1790GLC主要利用的是綠光達到人體血管後進行散射回來的結果：當血管中的血流變多的時候，反射回來的綠光強度就會變小，血流變小的時候綠光強度就會變大，最終出現的就是一個脈衝的信號，通過脈衝的數量可以計算人體的脈搏數。

（上圖為脈搏波感測器原理）

此前曾有紅外脈搏感測器，但難以適應室外等干擾光強烈的場景。BH1790GLC利用ROHM的感測器技術優勢，採用非常適合脈搏檢測的符合綠色光波長的LED光電二極體，同時感光部採用綠色光的濾光片和紅外 (IR) 截止濾光片相結合的脈搏感測器專有的濾光片結構，不僅實現了高精度檢測，而且將紅外線的影響降低到以往產品的1/10以下，即使在劇烈運動和太陽光等紅外線干擾較強的環境下，也可獲得穩定的脈搏數據。

（上圖為光學脈搏感測器BH1790GLC的濾光原理）

孫彬強調，在室外檢測脈搏的時候，往往導致較差的檢測精度。這是因為太陽光譜是一個複雜的光譜，除了可見光之外還有紫外光和紅外光，紅外光還可以穿透人體，這樣就會疊加上一個雜訊，非常難以來計算脈搏數。為了解決這個問題，ROHM採用了專門的紅外線去除措施，加了兩層濾光片：一個是紅外濾光片，一個是彩色濾光片。紅外濾光片可以把外界的紅外光全部過濾掉，彩色濾光片可以將可見光當中除了綠光的部分全部過濾掉，只讓綠光通過，這樣就突出了綠光、達到高精度的檢測。

BH1790GLC的另一個優勢是低功耗。脈搏感測器的功耗主要來源於兩個方面，一是LED的驅動電流，另外一個是晶元內部的功耗。因為BH1790GLC產品可以達到高精度檢測，因此驅動LED燈就不需要很強的電流，這部分的電流可以削減掉。BH1790GLC內部還優化了電路構造，放大器採用了電容式的積分放大器代替傳統的跨阻式的放大器，也減少了電流的消耗。孫彬表示，BH1790GLC的整體功耗比以往的產品下降了74%左右，實現了業界最小級別的低功耗，有助於延長可穿戴式設備的電池壽命。

此外，由於脈搏感測器應用最多的是運動手錶、移動手環之類的產品，在戶外運動時通常會與人體之間產生相對運動而產生噪音，ROHM針對這種情況開發了一個專門的脈搏計算演算法。該方法利用了ROHM集團旗下Kionix公司的加速度感測器與脈搏感測器同時採集信號，然後通過快速傅里葉變換在頻域中找出跟加速度感測器信號頻率一致的脈搏噪音，將之去除掉後還原出純粹的脈搏信號。通過測試，BH1790GLC在高速運動下始終與標準測試儀器測試出來的結果吻合。

BH1790GLC的優勢還包括採用低亮度、低VF電壓的LED元件，不再需要以往所需的LED電源用DCDC電路，與以往產品相比可減少達30％的安裝面積，有助於減輕設計負荷。

面向開發者的多種演算法和開發平台

在2016年6月至8月間，Gartner對來自澳大利亞、英國和美國的9500多名消費者進行了調查，調查他們對可穿戴設備的態度以及購買行為等。調查顯示，消費者之所以丟棄可穿戴設備是因為它們缺乏實用性或是亮點不足，而45歲以下的人更傾向於使用智能手機解決所需的一切。

（上圖為BH1790GLC的潛在應用場景）

顯然BH1790GLC光學脈搏感測器的面世對於可穿戴設備、平板電腦和智能手機來說是一個福音，可以獲得實用性和差異化的競爭點。BH1790GLC雖然名為光學脈搏感測器，但基於脈搏的測量可以計算出更多更有價值的數據。測量最大攝氧量是衡量一個人有氧運動水平常用的方法，一種比較直觀的測法就是在人運動的時候用專門儀器收集呼出的氣體，再用氣體分析儀去分析，這種測量的成本高且複雜；另一種比較簡單的方法，就是根據最大攝氧量和人體脈搏數的數學關係，利用脈搏數來推測出人體的最大攝氧量。

BH1790GLC的其它潛在應用場景包括玩家在玩遊戲機的時候，在遊戲機手柄下面安放一個脈搏感測器，用於監測用戶的心跳，從而在遊戲中給出某種反饋信號，這也可以通過脈搏感測器實現。ROHM還在開發一個新的演算法，利用人體的脈搏數來計算人體的血壓。而在一些智能軟體里，還可以通過人的脈搏數來反映一個人當前的精神狀態。開發者可以根據自己的需求，自行開發相關的演算法，進一步豐富BH1790GLC的應用場景。

近年來業內有越來越多的開發人員用到Arduino開放平台，可以非常便利的做軟體開發與產品評估。ROHM從2016年10開始已經在官網上售賣感測器評估套件，這個評估套件支持Arduino開放平台。而ROHM的感測器擴展板完全兼容Arduino Uno開發板，擴展板上可以接插羅姆的各種感測器，如今還推出了一個脈搏感測器的擴展板，從2017年2月開始可以在官網上購買。

BH1790GLC已於2016年10月開始出售樣品（600日元/個：不含稅），於2016年11月開始暫以月產50萬個的規模投入量產，前期工序的生產基地為ROHM Apollo Co., Ltd.（日本福岡縣），後期工序的生產基地為ROHM Electronics Philippines Inc.（菲律賓）。

差異化的智能設備與終端市場

BH1790GLC光學脈搏感測器的問世對於可穿戴設備以及智能手機、平板等智能終端市場來說，將帶來什麼樣的可能變化呢？

（上圖為ROHM Co., Ltd. LSI商品開發本部 感測解決方案LSI商品開發部 感測器開發課 經理 山岸信之）

ROHM Co., Ltd. LSI商品開發本部感測解決方案LSI商品開發部感測器開發課經理山岸信之表示，原本脈搏感測器只是用在專業的醫療領域，隨著大眾對健康管理意識的不斷提高，現在也不斷普及到智能手錶、運動手環中，ROHM也因此特別推出了相應產品。可穿戴設備市場是ROHM第一步計劃，接下來也會進入包括在車內監控人體脈搏等各種生命體征等市場。

山岸信之表示，雖然之前也有很多公司推出類似的消費級產品，但是總體來說在精度、功耗等各方面沒有完全達到醫療級要求。山岸信之認為，BH1790GLC在標準的心率帶檢測等方面已經接近於醫療級應用，ROHM主要是希望在高端應用上有所作為。除了檢測脈搏，包括測血壓、測精神狀態等都能帶來更高的精度和更快的速度。

（上圖為ROHM Co., Ltd. LSI商品開發本部 感測解決方案 LSI商品開發部 感測器開發課 技術調查主任 相良武志）

ROHM Co., Ltd. LSI商品開發本部感測解決方案LSI商品開發部感測器開發課技術調查主任相良武志則表示，由於種種原因導致當前市場對於個人可穿戴設備的需求達到一定瓶頸，但就健康理念來說應該還會產生更多需求，包括養老、醫院輔助護理、保險、員工健康管理等，ROHM更看重這些長線市場。比如，保險公司想要對簽保的用戶進行健康管理，工廠想要對員工進行健康管理等，都是潛在應用場景。

當然，尤其對於老年人健康管理來說，這是一個巨大的市場。根據投中集團2015年的報告，我國從2001年到2020年是快速老齡化階段，中國將平均每年新增596萬老年人口、年均增長速度達到3.28%，到2020年老年人口將達到2.48億、老齡化水平將達到17.17%。其中，80歲及以上老年人口將達到3067萬人，占老年人口的12.37%。不斷膨脹的老年市場，給光學脈搏感測器帶來了巨大的想像空間。

值得一提的是，BH1790GLC實際上是集ROHM集團下屬三家公司的合力而成。除了ROHM羅姆半導體之外，ROHM集團旗下還有Kionix公司和藍碧石半導體(LAPIS Semiconductor)。Kionix公司是2009年羅姆收購的一家美國知名半導體企業，擁有世界領先的電容式MEMS開發技術以及加速度感測器、陀螺儀感測器和相關產品組合。藍碧石半導體的前身是日本的OKI半導體，由ROHM於2008年收購，主要產品包括低功耗的MCU、語音合成晶元、無線通訊模塊等等。

BH1790GLC的出現表明，隨著感測器技術的進步，可穿戴智能設備和智能終端市場仍有著創新和想像空間，這為創業者和大公司創新提供了新思路和新方向。（文/寧川，雲科技時代）