智能可穿戴設(shè)備的功能已不再局限于簡(jiǎn)單計(jì)步，智能手表、健身手環(huán)、無(wú)線耳機(jī)、智能服裝，越來(lái)越多地需要提供連續(xù)、低干擾的生理監(jiān)測(cè)功能。在實(shí)現(xiàn)這些功能的技術(shù)中，心率系統(tǒng)級(jí)封裝模塊提供了一種較緊湊的方式，可集成基于光電容積脈搏波描記法（PPG）的心率傳感所需的光學(xué)與電子元件。通過(guò)將多種傳感和處理功能集成到緊湊封裝中，心率SiP模塊有助于簡(jiǎn)化產(chǎn)品開發(fā)、減少電路板空間，并支持低功耗連續(xù)監(jiān)測(cè)。其應(yīng)用范圍涵蓋消費(fèi)級(jí)健身設(shè)備和遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)，而其集成度也可能影響下一代可穿戴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和性能。

一、什么是心率SiP模塊

心率SiP模塊是一種集成式傳感解決方案，主要用于基于PPG的心率監(jiān)測(cè)。在傳統(tǒng)離散式設(shè)計(jì)中，制造商可能需要分別選擇和集成LED、光電二極管、模擬前端（AFE）、信號(hào)處理組件、微控制器和輔助電路。系統(tǒng)級(jí)封裝則可將部分或大部分功能集成到一個(gè)緊湊封裝中，具體取決于產(chǎn)品架構(gòu)。

典型組件可能包括綠色、紅色或紅外LED、光電探測(cè)器、光學(xué)結(jié)構(gòu)、低噪聲模擬前端電路、數(shù)字信號(hào)處理功能和嵌入式算法，部分集成度較高的方案還可以提供額外存儲(chǔ)器、傳感器接口或無(wú)線連接。

這種架構(gòu)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是，制造商可獲得相對(duì)完整的光學(xué)傳感子系統(tǒng)，而無(wú)需獨(dú)立開發(fā)每個(gè)電路和信號(hào)處理級(jí)。該模塊可以處理光信號(hào)，并向主機(jī)系統(tǒng)提供心率相關(guān)數(shù)據(jù)；實(shí)際輸出和集成度取決于具體SiP設(shè)計(jì)。

二、心率SiP模塊的應(yīng)用

1、智能手表和健身追蹤器

智能手表和健身手環(huán)是心率SiP模塊較常見(jiàn)的應(yīng)用之一，連續(xù)心率數(shù)據(jù)可支持運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、心率區(qū)間追蹤、活動(dòng)分析、恢復(fù)評(píng)估及其他健康相關(guān)功能。

心率SiP模塊可幫助這些設(shè)備在占用較小PCB空間的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)或間歇性心率監(jiān)測(cè)。低功耗運(yùn)行較為重要，因?yàn)榭纱┐髟O(shè)備需要在生理傳感與顯示屏、處理器、GPS、無(wú)線通信和其他耗電功能之間取得平衡。

通過(guò)集成傳感和信號(hào)處理組件，SiP技術(shù)可使連續(xù)心率監(jiān)測(cè)更易于集成到緊湊型可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)中。

2、可聽(tīng)設(shè)備及耳戴式設(shè)備

無(wú)線耳塞和其他耳戴式設(shè)備正逐漸成為基于PPG的生理監(jiān)測(cè)的另一類應(yīng)用。根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)，位于耳朵附近的傳感器可以測(cè)量心率；在使用合適波長(zhǎng)和傳感架構(gòu)時(shí)，也可能支持血氧飽和度等參數(shù)測(cè)量。

耳朵是較適合進(jìn)行生理傳感的位置，因?yàn)檎_佩戴后，設(shè)備可與皮膚保持相對(duì)穩(wěn)定的接觸。然而，光學(xué)耦合、耳塞位置、運(yùn)動(dòng)、環(huán)境光以及個(gè)體解剖結(jié)構(gòu)都會(huì)影響測(cè)量質(zhì)量。

將光學(xué)傳感系統(tǒng)集成到緊湊型SiP中，有助于制造商在不明顯增加耳戴式設(shè)備尺寸的情況下，為其添加健康監(jiān)測(cè)功能。

3、智能服裝和可穿戴貼片

智能服裝、胸帶、臂帶和粘性可穿戴貼片也可集成緊湊型心率傳感模塊，這些產(chǎn)品可用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、體能評(píng)估、遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)時(shí)間生理數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用。

對(duì)于可穿戴貼片，緊湊性和能效較為重要，因?yàn)樵O(shè)備需要在長(zhǎng)時(shí)間佩戴時(shí)保持輕便舒適。SiP可減少傳感電子元件所需空間，并簡(jiǎn)化PPG與其他傳感器的集成。

在某些應(yīng)用中，PPG可與心電圖（ECG）、溫度、運(yùn)動(dòng)或其他傳感技術(shù)結(jié)合。由此形成的多傳感器系統(tǒng)可以提供比單獨(dú)使用心率更豐富的用戶生理狀態(tài)信息。

4、遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)和遠(yuǎn)程醫(yī)療

可穿戴式心率傳感器在遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)和居家醫(yī)療保健中逐漸增多，持續(xù)或周期性的心率測(cè)量可為臨床醫(yī)生和醫(yī)療保健平臺(tái)提供額外生理信息，并可為臨床隨訪或就診決策提供參考，是否減少臨床就診取決于具體醫(yī)療流程。

緊湊型SiP可通過(guò)減小傳感電子元件尺寸和降低功耗要求，為這些系統(tǒng)提供支持。當(dāng)與其他傳感器及適當(dāng)軟件結(jié)合使用時(shí)，可穿戴設(shè)備能夠采集多種生理參數(shù)，并將其傳輸至監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

然而，涉及診斷、臨床決策或醫(yī)療的應(yīng)用需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)驗(yàn)證并獲得監(jiān)管批準(zhǔn)。因此，除非完整設(shè)備已通過(guò)適當(dāng)驗(yàn)證和認(rèn)證，否則心率SiP本身不應(yīng)被視為醫(yī)療診斷系統(tǒng)。

5、體育、健身、AR/VR及工業(yè)應(yīng)用

心率監(jiān)測(cè)的應(yīng)用范圍不僅限于傳統(tǒng)健康可穿戴設(shè)備，運(yùn)動(dòng)設(shè)備可利用心率數(shù)據(jù)輔助訓(xùn)練分析和監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。AR和VR系統(tǒng)可將生理信息作為輸入，用于自適應(yīng)體驗(yàn)或分析用戶狀態(tài)。

在工業(yè)環(huán)境中，若采用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?、算法和安全?guī)程，生理傳感技術(shù)有助于監(jiān)測(cè)疲勞度或工作負(fù)荷。這些應(yīng)用展示了緊湊型心率傳感技術(shù)如何融入更廣泛的人機(jī)交互與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

三、心率SiP模塊的優(yōu)勢(shì)

1、尺寸緊湊與高度集成

小型化是SiP技術(shù)較突出的優(yōu)勢(shì)之一，可穿戴產(chǎn)品正朝著更小、更薄的方向發(fā)展，同時(shí)集成越來(lái)越多傳感器和電子功能。

通過(guò)將多個(gè)組件集成于單一封裝內(nèi)，心率SiP能夠減小PCB占用面積并降低組件數(shù)量。這為設(shè)計(jì)人員開發(fā)智能手表、智能戒指、耳塞和可穿戴貼片等緊湊型產(chǎn)品提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。

2、低功耗

電池續(xù)航是可穿戴設(shè)備的重要考量因素，心率SiP解決方案可集成低功耗模擬前端、高效LED驅(qū)動(dòng)器及專用處理功能，從而降低能耗。

根據(jù)具體設(shè)計(jì)，采用占空比控制、自適應(yīng)采樣和本地信號(hào)處理等技術(shù)，可進(jìn)一步降低功耗需求。這使可穿戴產(chǎn)品更容易執(zhí)行周期性或連續(xù)監(jiān)測(cè)，而不會(huì)給電池帶來(lái)過(guò)重負(fù)擔(dān)。

不過(guò)，實(shí)際功耗取決于多種因素，例如LED驅(qū)動(dòng)電流、采樣頻率、測(cè)量條件、處理需求以及主設(shè)備所選定的工作模式。

3、加快產(chǎn)品開發(fā)

利用分立元件開發(fā)可靠的光學(xué)心率系統(tǒng)，通常需要模擬電子、光學(xué)、信號(hào)處理、固件及算法開發(fā)等方面的專業(yè)能力。

集成度較高的SiP通過(guò)預(yù)先集成傳感與處理功能，減輕了開發(fā)負(fù)擔(dān)。工程師無(wú)需從零開始構(gòu)建光學(xué)傳感鏈路的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而可將更多精力投入整體產(chǎn)品架構(gòu)、工業(yè)設(shè)計(jì)、軟件及用戶體驗(yàn)優(yōu)化。

這有助于縮短開發(fā)周期并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，對(duì)于內(nèi)部缺乏PPG傳感專業(yè)技術(shù)積累的制造商較為有利。

4、增強(qiáng)信號(hào)處理與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能力

基于PPG的心率監(jiān)測(cè)易受運(yùn)動(dòng)偽影干擾，在跑步或騎行等活動(dòng)中，身體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光學(xué)信號(hào)變化往往遠(yuǎn)大于待測(cè)生理信號(hào)幅度。

現(xiàn)代傳感解決方案通常結(jié)合優(yōu)化的光學(xué)結(jié)構(gòu)、環(huán)境光抑制技術(shù)、低噪聲模擬電路以及數(shù)字運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，以提升信號(hào)質(zhì)量。部分系統(tǒng)還能將PPG數(shù)據(jù)與加速度計(jì)或其他運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

終性能取決于完整的傳感器架構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)、皮膚接觸狀況、算法以及應(yīng)用場(chǎng)景，而不僅僅取決于SiP封裝本身。

5、支持邊緣處理

集成度較高的傳感模塊可在本地執(zhí)行部分信號(hào)處理任務(wù)，而無(wú)需持續(xù)向主處理器或云平臺(tái)傳輸原始光學(xué)數(shù)據(jù)。

本地處理不僅能降低數(shù)據(jù)傳輸需求、減少延遲，還有助于降低功耗；同時(shí)，它也能限制需要從可穿戴設(shè)備傳出的原始生理數(shù)據(jù)量。

根據(jù)SiP架構(gòu)不同，嵌入式處理功能可涵蓋心率計(jì)算和信號(hào)質(zhì)量評(píng)估等，而更復(fù)雜的指標(biāo)計(jì)算可由可穿戴設(shè)備的主處理器或應(yīng)用軟件完成。

6、制造一致性與簡(jiǎn)化集成

將多種功能集成于SiP中，可減少主PCB上的分立元件數(shù)量及電氣互連點(diǎn)。這不僅簡(jiǎn)化組裝流程，也有助于制造商在不同產(chǎn)品型號(hào)間實(shí)現(xiàn)傳感子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。

此外，集成度較高的解決方案還能簡(jiǎn)化生產(chǎn)測(cè)試和系統(tǒng)集成。盡管如此，光學(xué)對(duì)準(zhǔn)、機(jī)械接觸、固件配置以及終產(chǎn)品校準(zhǔn)等環(huán)節(jié)仍需嚴(yán)格的制造管控。

7、潛在的系統(tǒng)總成本降低

與分立元件組合相比，SiP的單價(jià)未必更低。然而，元件價(jià)格僅是產(chǎn)品總成本的一部分。

集成度較高的模塊能夠減小PCB面積、減少元件數(shù)量、降低工程投入與組裝復(fù)雜度，并縮短開發(fā)周期。對(duì)于大批量生產(chǎn)的可穿戴設(shè)備，這些因素有助于降低系統(tǒng)總成本并簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈管理。

心率SiP模塊是實(shí)現(xiàn)智能可穿戴設(shè)備中緊湊型PPG傳感的重要技術(shù)，通過(guò)將多種光學(xué)、模擬及數(shù)字功能集成于微型封裝內(nèi)，這些模塊有助于制造商節(jié)省PCB空間、簡(jiǎn)化產(chǎn)品開發(fā)流程、優(yōu)化功耗管理，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)或周期性的心率監(jiān)測(cè)。其應(yīng)用范圍較廣，涵蓋智能手表、健身追蹤器、智能耳戴式設(shè)備、智能服裝、可穿戴貼片、運(yùn)動(dòng)裝備以及遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。隨著可穿戴設(shè)備在體積縮小的同時(shí)集成更多傳感功能，集成度較高的SiP解決方案有望在可穿戴生理監(jiān)測(cè)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮重要作用。