ST1VAFE3BX：意法半導體推出首款超低功耗生物傳感器，成為眾多新型應用的核心所在

ST最新推出的生物傳感器ST1VAFE3BX將生物電位輸入與意法半導體的加速度計以及機器學習核心相結(jié)合并實現(xiàn)同步，從而為下一代需要控制能耗的可穿戴醫(yī)療設備開辟了道路。此外，其小巧的封裝(2mm x 2mm x 0.74mm)有助于降低制造成本和 PCB電路板尺寸。整體設計對電能的需求也更低，系統(tǒng)架構(gòu)需求的復雜程度也隨之降低。不過，ST1VAFE3BX保留了先前推出的ST1VAFE6AX的有限狀態(tài)機和機器學習核心，確保了能夠在邊緣端提供人工智能。

此前在慕尼黑電子展上展示了這款生物傳感器的實際應用，例如，我們與杜邦共同開發(fā)的實時便攜式心率監(jiān)測儀和心電圖貼片系統(tǒng)。

ST生物傳感器是vAFE、加速度計和AI的結(jié)合體

■ 生物傳感器是什么？

生物傳感器并非什么新鮮事物，而且它在重要設備中的應用正越來越多。從本質(zhì)上講，生物傳感器與溫度計、電位計、濕度計或氣壓計等傳統(tǒng)傳感器類似，不同的是，它們檢測跟蹤的生物信號，例如，心跳、呼吸、大腦活動等。ST博客的忠實讀者應該記得，多年來，我們一直在介紹ST傳感器和技術(shù)在醫(yī)療保健領域的應用情況。然而，醫(yī)療應用對測量準確度和可靠性都有極高的要求，還受到法規(guī)的嚴格限制，因此，醫(yī)療應用開發(fā)仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。例如，一款消費級手表即便少記錄幾步也不會產(chǎn)生什么不良影響。但對于心電圖醫(yī)療設備來說，情況就截然不同了，因為這種低準確度會產(chǎn)生無用并具有潛在危險的數(shù)據(jù)，可能會導致醫(yī)生做出對患者不利的臨床決策。

■ vAFE是什么？

為了應對這一挑戰(zhàn)并確保測量更準確，ST目前正在推首款嵌入垂直模擬前端（vAFE）和超低功耗加速度計的生物傳感器ST1VAFE3BX。顧名思義，vAFE 是專用集成電路（ASIC）內(nèi)的模擬電路，用于放大和過濾特定應用傳感元件捕獲的生物電位信號，例如ECG。

▲全新的心電圖監(jiān)測方式：用智能手機和可穿戴設備內(nèi)的ST生物傳感器監(jiān)測心電圖

當我們研究vAFE時，我們發(fā)現(xiàn)心電圖監(jiān)測系統(tǒng)是讓工程師用差分模式連接電極來測量靜電勢。因此，我們生物傳感器中的vAFE是觸摸或滑動手勢感測技術(shù)的一種應用擴展，現(xiàn)在，可以檢測更復雜的信號。因此，這也證明了我們在傳感器方面的專業(yè)技術(shù)是如何滲透到整個產(chǎn)品系列之中的。

▲用電極測量靜電勢的示例

■ 為什么要增加加速度計和人工智能

▲生物傳感器框圖：整合用于檢測生物電位信號的垂直模擬前端（vAFE）和用于運動跟蹤的三軸超低功耗加速度計以及AI核心（MLC、FSM）

模擬前端vAFE檢測生物電位信息，同時慣性傳感器提供情境感知功能，有助于進一步凈化信號，確保機器學習核心提供準確的結(jié)果，因為算法對輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求很高。例如，當使用便攜式監(jiān)測設備的人移動時，加速度計會檢測到人體運動，并取消或更正傳感器捕獲的相關數(shù)據(jù)，因此，ST1VAFE3BX是業(yè)內(nèi)首次把生物傳感、慣性傳感器和人工智能融合在一起，跟蹤大腦功能、心率、心電信號以及手或眼運動，為新型產(chǎn)品上市打開了大門。

■ 這次整合的成果是什么？

ST1VAFE3BX發(fā)布后，一些ST合作伙伴開始采用這款新器件開發(fā)新產(chǎn)品，并表示它是在可穿戴設備中開發(fā)手勢識別、心率監(jiān)測、認知性能和神經(jīng)健康檢測應用的絕佳解決方案。這一技術(shù)進步讓他們可以顯著增強產(chǎn)品的功能性和用戶體驗。

ST1VAFE3BX，生物傳感與超低功耗兼?zhèn)?/strong>

■ 超低功耗是什么意思？

在模擬前端vAFE和加速度計同時開啟的高性能模式，ST1VAFE3BX的功耗為 50μA。相比之下，競爭對手的解決方案的整體功耗是ST1VAFE3BX的六倍或更高。此外，ST1VAFE3BX的有限狀態(tài)機和機器學習核心可以連續(xù)低功耗運行。人工智能在傳感器上運行與在主微控制器上運行相比，前者的耗電量低很多，從而延長了電池續(xù)航時間，并提高了系統(tǒng)整體能效。相反，競爭對手必須在微控制器上運行所有推理運算，微控制器必須保持始終開啟狀態(tài)。通常情況下，為了實用，產(chǎn)品外形尺寸必須保持小巧，這意味著電池容量會更小，所以整體設計就需要更加注重節(jié)能。

■ 超低功耗生物傳感器有何作用？

▲采用內(nèi)置ST1VAFE3BX的SensorTile.box PRO板開發(fā)的便攜式心電監(jiān)測儀參考設計

除了宣布ST1VAFE3BX的問世之外，我們還展示了多個演示應用方案，例如，ST用最新的設備開發(fā)了一個雙電極電路板，所有組件都安裝在SensorTile.box PRO或?qū)I(yè)級的MEMS電路板STEVAL-MKI109V3的上面。這可能是最簡單、最快和最省錢的探索ST1VAFE3BX功能的方法。用戶只需將兩個食指放在演示板上，ECG應用立即開始運行。因此，在短短幾分鐘內(nèi)，就可以針對競爭產(chǎn)品測試這款新設備的各項功能。

▲用于ECG心電圖檢測的MKI109V3和ST1VAFE3BX開發(fā)板

客戶或工程院校的開發(fā)成果也展示了如何使用我們的生物傳感器。當放置在人體胸部、手腕或頭部時，它可以測量心率變異性，以識別心理壓力和疲勞度等。當與IMU結(jié)合使用時，ST1VAFE3BX可以幫助創(chuàng)建一個監(jiān)測運動員是否有腦震蕩風險的健康系統(tǒng)。除了典型的心電圖外，該傳感器還可以用于腦電圖（EEG）、心震圖（SCG）和神經(jīng)電圖（ENG）。

■ 該行業(yè)的樂觀前景？

不難看出，ST1VAFE3BX將徹底改變醫(yī)療健康可穿戴設備市場的未來，在這個市場中，效率與創(chuàng)新相互交融。我們的這款設備不單單是一個傳感器，它更是健康監(jiān)測和活動追蹤的綜合性解決方案，集精準度、集成性與高效性于一身，為個人監(jiān)測設備樹立了新的標準。

專家們都知道，在一款新設備的生命周期如此早期就能看到這么多概念驗證是很罕見的。事實上，鑒于已經(jīng)涌現(xiàn)出的應用數(shù)量之多，顯然ST1VAFE3BX的意義遠超一款商用生物傳感器。在效率提升的背后，蘊藏著一個充滿諸多可能性的全新世界。這就是為什么我們也在努力讓合作伙伴對隱私和安全問題保持敏感的原因。意法半導體（ST）認識到這種追蹤非常私人化信息的能力背后所蘊含的潛力。因此，我們正在與合作伙伴探討，并將與業(yè)界合作，推進生物數(shù)據(jù)安全和用戶隱私的保護行動。