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技(jì)術(shù)文章
探(tàn)索(suǒ)高效(xiào)率光(guāng)電二極(jí)管(guǎn)在健康(kāng)監測(cè)中的(dí)應用(yòng)潛力
更新(xīn)時間:2024-10-09
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摘要(yào)
可穿戴醫(yī)療技(jì)術在臨(lín)床環境和(hé)日常健(jiàn)康(kāng)監(jiān)測(cè)中(zhōng)都(dū)得(dé)到了(liǎo)廣泛的普及(jí)。ElFys在該領域引入了高性能光(guāng)電(diàn)二極管(guǎn)(PD),利(lì)用黑矽感(gǎn)應(yīng)結技術(shù),旨在提(tí)高(gāo)可(kě)穿戴健康監測設備的準(zhǔn)確性(xìng)和(hé)效率,特(tè)別是(shì)在光(guāng)電體積脈(mài)搏描(miáo)記(jì)(PPG)方(fāng)麵(miàn)。
重(zhòng)點:
•可(kě)穿戴(dài)健康(kāng)技術(shù)是臨(lín)床和日常(cháng)環境中(zhōng)持(chí)續監(jiān)測(cè)的組成(chéng)部分(fēn)。
•ElFys解決了(liǎo)可(kě)穿戴(dài)健康(kāng)監測儀(yí)對高(gāo)精度,便(biàn)攜(xié)性(xìng)和(hé)能效(xiào)的(dí)需求(qiú)。
•光(guāng)電體(tǐ)積(jī)脈(mài)搏描(miáo)記(PPG)是(shì)一項核(hé)心技術(shù),為(wéi)心率(shuài)和血氧評(píng)估提供了對血容(róng)量變(biàn)化的光(guāng)學(xué)見(jiàn)解。
•ElFys的黑矽感應(yīng)結(jié)PD在(zài)測(cè)量(liáng)精度,功率(shuài)效率(shuài)和整(zhěng)體功能方麵突(tū)出他們的有(yǒu)效(xiào)性。
•該(gāi)創新(xīn)技術(shù)消除(chú)了(liǎo)光(guāng)學(xué)損耗,並利(lì)用(yòng)無(wú)重(zhòng)組pn結,在(zài)UV-VIS-NIR光(guāng)譜(pǔ)範(fàn)圍內實現(xiàn)了接近理想的(dí)外(wài)部(bù)量(liáng)子效(xiào)率(shuài)(EQE)。
•ElFys的SM係列(liè)PD專為可(kě)穿(chuān)戴式(shì)健(jiàn)康(kāng)監(jiān)測(cè)而設計,具有(yǒu)卓*的靈(líng)敏(mǐn)度,對綠光和紅光的(dí)光響應顯(xiǎn)著改(gǎi)善(shàn)。
•優點包括(kuò)更高(gāo)的(dí)信噪比(bǐ),更高的(dí)精度(dù),更低(dī)的(dí)功(gōng)耗,以(yǐ)及(jí)設計更小,更(gēng)謹慎(shèn)的可穿(chuān)戴(dài)設(shè)備的(dí)潛力。
•優先(xiān)考慮終(zhōng)端(duān)用(yòng)戶體(tǐ)驗,為(wéi)精確的醫療診(zhěn)斷(duàn),早期(qī)疾病(bìng)檢測(cè)和有(yǒu)效的運(yùn)動訓練(liàn)提供潛(qián)力。ElFys黑矽(guī)感(gǎn)應結技(jì)術(shù)代表(biǎo)了(liǎo)可穿戴健(jiàn)康監測領(lǐng)域的(dí)重大(dà)進(jìn)步(bù),有望(wàng)提高(gāo)準確性,靈敏度和以(yǐ)用(yòng)戶為中(zhōng)心(xīn)的優勢,與不斷(duàn)發(fā)展(zhǎn)的健康(kāng)和(hé)保健技術(shù)領(lǐng)域保持(chí)一致(zhì)。
作者簡介:
Toni Pasanen是(shì)ElFys公司的(dí)高(gāo)級(jí)項目工程(chéng)師,也是該公司(sī)的(dí)聯(lián)合創(chuàng)始人之一。
他(tā)擁有芬蘭阿(ā)爾(ěr)托大(dà)學(Aalto University)微(wēi)納米科(kē)學(Tech.)博士(shì)學位(wèi),具(jù)有基於(yú)半導(dǎo)體(tǐ)的(dí)光(guāng)電(diàn)器件的(dí)應(yīng)用研究背(bèi)景。他(tā)在各(gè)種類型(xíng)的(dí)光和(hé)輻 射(shè)探測(cè)器的設計和製造方麵有幾(jī)年的(dí)經(jīng)驗,在(zài)納米結構(gòu)黑矽表(biǎo)麵和(hé)薄(báo) 膜(mó)方麵也(yě)有很強的專(zhuān)業知(zhī)識。帕薩(sà)寧博(bó)士撰寫了(liǎo)數(shù)十(shí)篇(piān)同(tóng)行評(píng)議(yì)的科(kē)學文章(zhāng),寫(xiě)了一本(běn)書關(guān)於黑(hēi)矽的性質和應(yīng)用(yòng)的章(zhāng)節,並在(zài)幾個國際會(huì) 議和其他活(huó)動(dòng)中(zhōng)展(zhǎn)示了他的(dí)工(gōng)作。
前言(yán)
可(kě)穿(chuān)戴(dài)醫療(liáo)技術在臨(lín)床(chuáng)環境(jìng)和(hé)日常健康(kāng)監測方麵的(dí)應用(yòng)越(yuè)來越廣(guǎng)泛(fàn)。該技(jì)術(shù)為醫(yī)療用途提供了(liǎo)幾個(gè)好(hǎo)處。首(shǒu)先(xiān),可穿(chuān)戴設備(bèi)可(kě)以在佩(pèi)戴者(zhě)移(yí)動時持(chí)續監測重(zhòng)要的身體參(cān)數,如(rú)心(xīn)率(shuài)(HR)和(hé)血液氧合(hé)。這一點(diǎn)很(hěn)重(zhòng)要(yào),因(yīn)為(wéi)對於(yú)快速恢復(fù)來(lái)說(shuō),患者可(kě)以從床上(shàng)爬(pá)起來,並盡(jìn)快(kuài)在診所(suǒ)開始活(huó)動,這(zhè)是至關(guān)重(zhòng)要(yào)的(dí),例如手術(shù)後。可(kě)穿(chuān)戴技術廣泛使用(yòng)的另(lìng)一個原因是測(cè)量的簡單性(xìng)和非侵入(rù)性,因為它(tā)們通(tōng)常基(jī)於光(guāng)學(xué)技(jì)術(shù)這些設備重量輕,便(biàn)於攜帶(dài),患(huàn)者(zhě)通常(cháng)可以(yǐ)在家中單獨(dú)進行(háng)測(cè)量(liáng),並(bìng)與(yǔ)醫生(shēng)遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)。
健康監(jiān)測技術(shù)在(zài)消費(fèi)者中也非(fēi)常(cháng)受(shòu)歡迎(yíng)。這(zhè)並不(bù)奇怪,因(yīn)為(wéi)現代(dài)可(kě)穿戴設備(bèi),如(rú)智 能手表和(hé)運動手表,腕(wàn)帶(dài)和(hé)智能戒指,可以提(tí)供很多(duō)有(yǒu)用(yòng)和有趣(qù)的身(shēn)體狀(zhuàng)態信息(xī), 包(bāo)括(kuò)壓力(lì)水平,恢(huī)復(fù)情(qíng)況和(hé)睡(shuì)眠質量。事(shì)實(shí)上,這(zhè)些小工具(jù)已經使(shǐ)不(bù)斷了解健康(kāng)和(hé) 健身(shēn)水平(píng)成為一種普(pǔ)遍(biàn)趨(qū)勢,它(tā)們也成為(wéi)許多人(rén)追求更(gēng)健康(kāng)生活(huó)方式的動力。可穿戴式健(jiàn)康監(jiān)測設備也(yě)變(biàn)得如(rú)此小巧舒(shū)適, 以(yǐ)至(zhì)於用戶幾(jī)乎不會注意到(dào)自(zì)己戴(dài)著(zhuó)它(tā)們而功耗(hào)和電池(chí)壽命對智(zhì)能(néng)手表(biǎo)來(lái)說很重(zhòng)要(yào)。(例如(rú)智能戒(jiè)指(zhǐ)),數據(jù)采集也不(bù)需要用戶(hù)付出任何努力(lì)。對(duì)於運(yùn)動和(hé)健(jiàn)身(shēn)跟蹤來(lái)說也是如此(cǐ),因為在運動過(guò)程(chéng)中(zhōng),由於基(jī)於手腕(wàn)的(dí)測(cè)量越來越精確,不再需要(yào)單獨(dú)的胸帶來測(cè)量心率。*新的情(qíng)況(kuàng)是,由於(yú)2019冠(guān)狀病毒大(dà)流行以及(jí)盡早識別感染的必要性,使得更(gēng)廣(guǎng)泛的(dí)公(gōng)眾對持續監測生命(mìng)體征(zhēng)的好(hǎo)處(chǔ)了解非(fēi)常(cháng)具體。因此, IDC最(zuì)近的(dí)一份(fèn)報告[1]顯(xiǎn)示,市場(cháng)同比增長8.5%,總出貨(huò)量達(dá)到1.163億台設備(bèi),這並(bìng)不奇(qí)怪。
可(kě)穿戴健康監測設備(bèi)的主(zhǔ)要(yào)特點(diǎn)之一是光學(xué)測(cè)量(liáng)人(rén)體重(zhòng)要(yào)參數(shù),包括(kuò)心(xīn)率(HR)和(hé)外(wài)周 血(xiě)氧(yǎng)飽(bǎo)和(hé)度(dù)(SpO2)。這些參(cān)數(shù)的測(cè)量(liáng)是(shì)基於(yú)led照射在(zài)皮(pí)膚(fū)上的光(guāng),以及(jí)使(shǐ)用(yòng)稱為(wéi)光(guāng)電 二(èr)極管(PD)的(dí)光(guāng)學(xué)傳(chuán)感器測量透(tòu)射(shè)或(huò)反射光的(dí)量。測量的(dí)精度(dù)很(hěn)大(dà)程(chéng)度(dù)上受PD信(xìn)號強度的(dí)影響(xiǎng)。要產生更強(qiáng)的信號,一(yī)個(gè)顯而易(yì)見的解(jiě)決(jué)方案(àn)是(shì)增(zēng)加(jiā)LED燈的功率,然(rán)而, 這自(zì)然(rán)會以電池(chí)壽命為(wéi)代價——對於(yú)不願頻 繁充(chōng)電(diàn)的消費(fèi)者(zhě)來說(shuō),這(zhè)是一(yī)個不想要(yào)的效果(guǒ)。另一(yī)種(zhǒng)選(xuǎn)擇是從(cóng)更大的區域收集(jí)光。然(rán)而,這意味著(zhuó)設備(bèi)需(xū)要更大,這減(jiǎn)少(shǎo)了設(shè)計師對二極管位(wèi)置的自由度,並(bìng)且(qiě)與設備小型化的趨(qū)勢(shì)背道(dào)而馳。提高(gāo)測量精(jīng)度的(dí)第(dì)三種更有(yǒu)效的方法是(shì)選擇(zé)具有靈(líng)敏度(dù)盡(jìn)可能高的(dí)PD,這意味(wèi)著與給定LED功(gōng)率相(xiāng)比,它產生的(dí)信(xìn)號(hào)比噪聲強(qiáng)。
重要(yào)的是(shì)要注意,並非所有的(dí)最(zuì)終用戶應用程序都(dū)以(yǐ)最大(dà)的準確性(xìng)為目標。始終(zhōng)需(xū)要在(zài)測量精度(dù),功耗和(hé)PD尺寸之間(jiān)進行權衡,並(bìng)且不同類(lèi)型(xíng)的可(kě)穿(chuān)戴健(jiàn)康(kāng)監控應(yīng)用程序(xù)可(kě)能對要(yào)優化的(dí)參數(shù)具有(yǒu)不同的(dí)權(quán)重。例如,精度可(kě)能是(shì)醫療(liáo)可穿(chuān)戴設備最(zuì)重要(yào)的參數,而功耗(hào)和電池壽(shòu)命對智能手表(biǎo)來(lái)說(shuō)很重(zhòng)要(yào)。PD占用的(dí)麵積(jī)可能(néng)是小型(xíng)設(shè)備(如智能(néng)環)的(dí)限(xiàn)製因素。盡管(guǎn)如(rú)此(cǐ),具有最高(gāo)性能(néng)的(dí)PD可(kě)以(yǐ)在這些(xiē)參(cān)數之間進行最佳(jiā)權(quán)衡(héng),而不(bù)管哪(nǎ)個(gè)是*理(lǐ)想的(dí)。
PPG 簡介
可穿戴(dài)設(shè)備中(zhōng)HR和(hé)SpO2的測量通(tōng)常基(jī)於一(yī)種稱為(wéi)光電體(tǐ)積(jī)脈(mài)搏描記(PPG)的(dí)技術[2]。它是一種光學測量外周(zhōu)循環中血容量(liáng)變化的(dí)方(fāng)法。在(zài)這項(xiàng)技術中(zhōng),PPG模塊(kuài)緊(jǐn)緊(jǐn)貼(tiē)著佩(pèi)戴者的皮(pí)膚(fū),由LED燈照(zhào)亮。一(yī)部分光(guāng)被(bèi)血(xiě)液(yè),組織和(hé)骨(gǔ)骼吸(xī)收,而一部(bù)分光(guāng)通過身(shēn)體部位透(tòu)射,一部分(fēn)光(guāng)被(bèi)反射(shè)。吸(xī)收光(guāng)的數(shù)量(liáng)是通過(guò)用(yòng)PD圖 1a)測(cè)量透射光或(huò)反射光來(lái)表征(zhēng)的,PD得到的也(yě)是(shì)和(hé)光強成比例的電信(xìn)號(hào)。以前用的(dí)方(fāng)法(測(cè)量透射光(guāng))被用於(yú)脈(mài)搏血氧儀(yí),例(lì)如(rú)測量患者指尖或耳垂(chuí)的(dí)SpO2, 而(ér)消費(fèi)產(chǎn)品,如(rú)智能手(shǒu)表和(hé)戒(jiè)指(zhǐ),更多地依賴於反射光的測(cè)量,因(yīn)為(wéi)它們(mén)通常被(bèi)放置在身體(tǐ)較厚(hòu)的部位(wèi),而(ér)這些(xiē)部(bù)位光(guāng)綫(xiàn)無法穿(chuān)透(tòu)。
動脈(mài)中的(dí)血(xiě)量周期性地變化,其(qí)頻率(shuài)由(yóu)心髒度(dù)跳動的的(dí)速度決定。也(yě)可(kě)以(yǐ)感(gǎn)覺(jué)到手(shǒu)腕或(huò)頸部的脈搏(bó),大(dà)部(bù)分光(guāng)被吸收,PD測(cè)量的透射/反(fǎn)射光強度(dù)較(jiào)小(xiǎo)(圖1b)。光信號(hào)中兩個脈(mài)衝(chōng)之間(jiān)的(dí)時(shí)間(jiān)表示一個(gè)心髒周期,監(jiān)測光強度(dù)峰(fēng)值(zhí)的數(shù)量作為時(shí)間(jiān)的(dí)函數(shù)得到(dào)每分鐘跳(tiào)動(dòng)(bpm)的(dí)心(xīn)率(shuài)。在實(shí)踐中(zhōng),這(zhè)個(gè)過(guò)程(chéng)並不是(shì)那麼簡單,但是(shì)先進的信號處理算(suàn)法能夠(gòu)從PD信(xìn)號(hào)的周期(qī)性(xìng)變(biàn)化(huà)中確(què)定(dìng)心率。
盡(jìn)管測量(liáng)可(kě)以檢測(cè)動(dòng)脈血(xiě)容(róng)量的(dí)變化,但它(tā)不能(néng)量化血的量,因為(wéi)PD測(cè)量的定(dìng)量光強度(dù)除了(liǎo)取決於(yú)動脈(mài)血(xiě)液的吸收(shōu)外,還取決於幾個未知因素。這(zhè)些(xiē)因素包括組織(zhī),骨(gǔ)骼和靜脈血(xiě)的吸(xī)收,以及測量單元與(yǔ)皮(pí)膚的(dí)貼合程度。

圖1(a)所示, PPG是(shì)基於用(yòng)LED照射皮(pí)膚,並(bìng)用PD測(cè)量反(fǎn)射光或(huò)透射光(guāng)。(b)部分(fēn)入射(shè)光被(bèi)組(zǔ)織,靜(jìng)脈血(xiě)和(hé)動脈血吸收,其(qí)餘(yú)部分(fēn)通(tōng)過(guò)身體(tǐ)透射(shè)或(huò)從身(shēn)體反(fǎn)射。吸(xī)收(shōu)光的量是(shì)周(zhōu)期性變化的(dí),因為動脈血(xiě)容量隨(suí)心髒(zàng)周(zhōu)期的(dí)階(jiē)段(duàn)而變(biàn)化。HR可(kě)以(yǐ)得以確(què)定(dìng)通過(guò)測量這種變(biàn)化。
血液(yè)對(duì)光的吸收(shōu)取決於光的(dí)波長(cháng)(圖2)。綠(lǜ)光被(bèi)人(rén)體血液(yè)有效吸(xī)收,因此通常用(yòng)於測量心率。吸收還取決(jué)於(yú)血(xiě)液中的血紅蛋白(bái)(Hb)分子是否與(yǔ)氧(yǎng)結(jié)合(hé)。這種效(xiào)應(yīng)在紅光和近(jìn)紅外(NIR)光(guāng)下*強(qiáng),這就是為什(shí)麼(mó)這(zhè)些(xiē)波長(cháng)通(tōng)常(cháng)用(yòng)於PPG測量SpO2。在(zài)這(zhè)個(gè) 測量(liáng)中(zhōng),光的吸收(shōu)在兩個(gè)不(bù)同的(dí)波長,通常(cháng)約(yuē)660和(hé)940nm波長(cháng),是用PD進(jìn)行測量。
由圖2可知,氧(yǎng)合Hb分子濃度越高(gāo),對紅(hóng)光的吸(xī)光(guāng)度(dù)越低,對NIR的(dí)吸(xī)光(guāng)度越高。通(tōng)過比較(jiào)這兩(liǎng)個波(bō)長(cháng)下的信(xìn)號電(diàn)平,數(shù)據算(suàn)法可(kě)以計(jì)算(suàn)出(chū)血(xiě)紅蛋(dàn)白及其含氧(yǎng)分子(zǐ)的相對濃(nóng)度,從而(ér)得出血氧飽和(hé)度水(shuǐ)平(píng)。

圖(tú)2,光(guāng)的(dí)吸收取決(jué)於(yú)波長和(hé)血(xiě)紅蛋(dàn)白分子是(shì)否(fǒu)被氧(yǎng)合(HbO2)或(huò)(Hb)。綠(lǜ)光(guāng)能被(bèi)人體(tǐ)血(xiě)液(yè)有效吸(xī)收(shōu),因(yīn)此(cǐ)常用於HR測量。紅(hóng)光(guāng)和NIR用於SpO2的(dí)測量(liáng),因(yīn)為它們的(dí)吸(xī)收率(shuài)不同(tóng)依賴於血(xiě)紅(hóng)蛋白氧合(hé)水(shuǐ)平(píng)。
影(yǐng)響(xiǎng)LED顏色選(xuǎn)擇(zé)的(dí)另一(yī)個因素(sù)是(shì)光(guāng)的(dí)吸收深度。一(yī)般來說(shuō),短(duǎn)波長的(dí)光更靠(kào)近皮(pí)膚(fū)表麵(miàn)被(bèi)吸(xī)收(shōu),而(ér)長(cháng)波(bō)的光則(zé)更深入組織。波(bō)長較(jiào)短(duǎn)的綠(lǜ)光大(dà)多(duō)被表麵組織反射,與組織深處較(jiào)大的(dí)動(dòng)脈相比,小動(dòng)脈(mài)中(zhōng)的血(xiě)液量(liáng)隨用戶手(shǒu)的運動(dòng)變化(huà)較(jiào)小。這使得(dé)由(yóu)用戶(hù)的運動引起(qǐ)的(dí)信號中的噪聲更小。因(yīn)此(cǐ),在(zài)佩戴(dài)者移動(dòng)的情況下(xià),例(lì)如(rú)在鍛煉(liàn)期間,綠光(guāng)更適合(hé)用於HR測量。依靠紅光(guāng)的光學測量(liáng),例如(rú)SpO2測量(liáng),通常(cháng)要(yào)用戶在數據(jù)采(cǎi)集(jí)過程中保持相(xiāng)當靜止才(cái)能(néng)準確。
選擇LED時(shí)要(yào)考慮(lǜ)的(dí)第三(sān)個因素(sù),特(tè)別(bié)是可(kě)穿戴設(shè)備,是(shì)功耗(hào)。綠色LED燈的缺(quē)點 是它們通(tōng)常比(bǐ)紅色或NIR LED燈(dēng)更耗電,因(yīn)為波長(cháng)較小(xiǎo)的(dí)光(guāng)子攜帶更(gēng)多(duō)的(dí)能量,因此需要(yào)產生更多(duō)的電(diàn)力。如(rú)果(guǒ)用相(xiāng)同(tóng)的功率(shuài)驅動綠色和紅色LED燈,紅色LED燈(dēng)會更亮一(yī)些,這樣(yàng)就能(néng)產(chǎn)生(shēng)更大的(dí)光強。事(shì)實上(shàng),當(dāng)佩戴者(zhě)在(zài)休息(xī)時(shí),有些設備會(huì)采用(yòng)紅光或者NIR光來監測心率從而(ér)節(jié)約(yuē)電池。
ElFys黑(hēi)矽感應結技(jì)術(shù)
PPG 模(mó)塊的(dí)關鍵部件之(zhī)一是 PD,它用於測量透過(guò)人體或(huò)從人體(tǐ)反(fǎn)射的(dí)光(guāng)綫(xiàn)。PD 的(dí)性(xìng)能在很大(dà)程(chéng)度上受光吸收效(xiào)率的影響(xiǎng)。減(jiǎn)少光學損(sǔn)耗的常用(yòng)方(fāng)法(fǎ)是(shì)在 PD 表麵塗上(shàng)抗(kàng)反(fǎn)射 (AR) 塗層,以減少PD表麵(miàn)的光(guāng)反射(shè)。雖然這種技術(shù)在單(dān)一的窄(zhǎi)波長區域(yù)效果很好(hǎo),但 AR 塗層甚至(zhì)會增加(jiā)其(qí)他波(bō)長(cháng)的光損耗(hào),而(ér)這(zhè)並不是它的設(shè)計目(mù)的。
ElFys 光(guāng)致(zhì)發光器件的(dí)前(qián)表麵(miàn)(圖(tú) 3)沒(méi)有(yǒu) AR 塗層,而(ér)是(shì)有微小的納(nà)米結(jié)構(gòu),即黑(hēi)色(sè)矽(Si),光綫(xiàn)會(huì)在(zài)這些(xiē)納米(mǐ)結構中損失。用(yòng)更(gēng)科學(xué)的術(shù)語(yǔ)來說,黑色(sè)矽(guī)納米(mǐ)結構(gòu)形(xíng)成了一個分級折射(shè)率層(céng),因(yīn)此,入射光(guāng)綫(xiàn)看(kàn)不(bù)到空(kōng)氣(qì)和(hé)矽(guī)之(zhī)間(jiān)的界麵,也(yě)就(jiù)不(bù)會(huì)發生(shēng)反射。因此,從紫外綫(UV)到(dào)可(kě)見光(guāng)(VIS)和近(jìn)紅外(wài)的(dí)寬(kuān)波(bō)長範圍(wéi)內,黑矽表(biǎo)麵的(dí)反射(shè)幾(jī)乎為(wéi)零,所(suǒ)有光(guāng)綫(xiàn)都(dū)被(bèi)矽(guī)材料(liào)吸(xī)收。黑(hēi)色矽(guī)還能(néng)有效散射光,增加光路長度(dù),從(cóng)而減少長波長光的傳輸,因為長波長光在矽(guī)中傳(chuán)輸距離較長,然後才(cái)會(huì)被(bèi)吸收。因此(cǐ),ElFys PD 的光(guāng)學損耗(hào)可(kě)以忽略不(bù)計(jì)。
100% 的(dí)吸收率意味著(zhuó)每(měi)一個(gè)入射(shè)光(guāng)子都會(huì)產(chǎn)生一個電(diàn)荷對:一個電子和(hé)一個空(kōng)穴。 但(dàn)是(shì)電荷載流(liú)子收(shōu)集通常是通過在(zài) PD 正(zhèng)麵的(dí)一薄(báo)層矽中(zhōng)摻(chān)入與(yǔ)矽塊極性相反的(dí)摻雜劑,形成(chéng) p-n 結來實現的。然而(ér),高摻雜(zá)層會導致過多的(dí)電荷載(zǎi)流子(zǐ)重組,從而限製(zhì)了(liǎo) PD 的性能,尤其是(shì)被(bèi)摻(chān)雜層(céng)吸(xī)收的短(duǎn)波長(cháng)光(guāng)。
為了(liǎo)避(bì)免這些(xiē)問題(tí),ElFys PD 采(cǎi)用(yòng)了(liǎo)獲得***感應結技術。黑色矽納米結(jié)構表(biǎo)麵鍍(dù)有(yǒu)一層帶(dài)電薄(báo)膜(mó),可(kě)在 PD 前表(biǎo)麵(miàn)附近產(chǎn)生*的(dí)電場(cháng) [3]。電場(cháng)使(shǐ)表麵附近(jìn)矽(guī)材料(liào)的(dí)極(jí)性(xìng)發(fā)生逆轉(圖(tú) 3),並形成 p-n 結(jié),負責電(diàn)子和(hé)空(kōng)穴的匯(huì)聚。由(yóu)於不需要(yào)外部摻(chān)雜劑,因(yīn)此可(kě)以有效地(dì)將電損耗降至*低(dī),對於短波(bō)長光(guāng)也是(shì)如(rú) 此(cǐ)。

圖(tú)3,ElFys PD基於黑矽(guī)感(gǎn)應(yīng)結(jié)**技術。他(tā)們有一(yī)個納米(mǐ)結(jié)構(gòu)的黑(hēi)色(sè)矽(guī)前表麵,以(yǐ)消除(chú)光(guāng)學損耗。電荷載流子的收集是通過感應(yīng)結技術實現的(dí):在黑色表(biǎo)麵塗(tú)上一層(céng)高(gāo)電(diàn)荷的(dí)薄膜矽(guī)表麵反(fǎn)轉了(liǎo)PD前表麵(miàn)的(dí)極性(xìng),並實現(xiàn)了(liǎo)“無(wú)重組(zǔ)"的pn結。請注(zhù)意(yì),該圖(tú)展示了(liǎo)一(yī)個(gè)廣義(yì)的PD結(jié)構,而(ér)不是(shì)任何(hé)特定的 ElFys產品。
PD測(cè)量(liáng)光的性(xìng)能(néng)可(kě)以用一個稱(chēng)為外部量(liáng)子效率(EQE)的(dí)參數(shù)來表示。它描述(shù)了每(měi)個入射(shè)光(guāng)子從(cóng)器件(jiàn)中收集到多少載流(liú)子(zǐ)。理想的(dí)PD具有(yǒu)100%的(dí)EQE,這意(yì)味著(zhuó)如果(guǒ)100個(gè)光子(zǐ)撞(zhuàng)擊PD前(qián)表麵,則在(zài)外(wài)部電(diàn)路(lù)中收集(jí)100個(gè)電荷(hé)載流(liú)子,並且(qiě)沒有(yǒu)載流子因(yīn)光(guāng)學(xué)或電氣(qì)而損(sǔn)失(shī)而丟失(shī)。
ElFys黑矽感應結(jié)PD的EQE如圖(tú)4所(suǒ)示。ElFys PD在整個(gè)UV-VIS-NIR波長範(fàn)圍(wéi)從200到1000 nm具有接近(jìn)100%的EQE[4,5],這意味著(zhuó)它們可以(yǐ)捕(bǔ)獲每一束光(guāng)。在大(dà)多(duō)數波長(cháng)下(xià),EQE 大於99%, 在(zài) 350nm 左(zuǒ)右的(dí)波長(cháng)下(xià),EQE最(zuì)小可達(dá) >96%。接近理想的(dí)EQE表明(míng),黑色矽納米(mǐ)結(jié)構確實(shí)消除了所有的(dí)光學(xué)損耗(hào),並且(qiě)由於感應(yīng)結(jié)和其他先進技術有效地減少了(liǎo)矽(guī)材(cái)料及其表麵的(dí)載(zǎi)流子(zǐ)重(zhòng)組,電損耗可以忽略(lüè)不計。在較(jiào)深的UV中,EQE甚至高(gāo)於100%,這是(shì)可能(néng)的,因(yīn)為(wéi)具有(yǒu)短波長的光(guāng)子具有如此高的能量(liáng),以至於它(tā)們可(kě)以(yǐ)在(zài)每(měi)個光子中(zhōng)產生多(duō)個電(diàn)荷(hé)載流子對[6,7]。這部分光譜非(fēi)常(cháng)接(jiē)近黑色矽(guī)納(nà)米結構內(nèi)部的前(qián)表麵,並且>100% EQE表明由(yóu)於(yú)納米結(jié)構內(nèi)部或其表麵(miàn)的(dí)缺陷(xiàn)而(ér)導致(zhì)的復(fù)合損失非常(cháng)小(xiǎo)。

圖(tú)4,獲(huò)得(dé)**的黑矽(guī)感應結(jié)技術(shù)在(zài)UV-VIS-NIR的寬波(bō)長(cháng)範圍(wéi)內(nèi)實現(xiàn)了(liǎo)接(jiē)近(jìn)100%的外(wài)部量子(zǐ)效率(EQE),這意味(wèi)著ElFys PD可以“捕獲(huò)每(měi)一(yī)束光"。與其(qí)他(tā)技(jì)術(shù)相比(bǐ),這種(zhǒng)改進是顯(xiǎn)而易(yì)見的。值(zhí)得(dé)注意的是(shì),傳(chuán)統的(dí)PD可(kě)能隻針對(duì)窄(zhǎi)波長區域進行優(yōu)化。
圖4還比較了ElFys產品(pǐn)與競爭(zhēng)設備的(dí)性能,這些設備已(yǐ)根據(jù)其(qí)製造商(shāng)針對UV和(hé)NIR光(guāng)譜(pǔ)範圍進(jìn)行(háng)了優化。競爭(zhēng)器(qì)件(jiàn)的EQE光(guāng)譜(pǔ)表明(míng),雖然在(zài)一定的窄(zhǎi)波長範(fàn)圍內可(kě)以(yǐ)實現(xiàn)相(xiāng)對(duì)較(jiào)高的性能,但(dàn)當遠離(lí)器(qì)件(jiàn)優化的(dí)區域時(shí),EQE會迅(xùn)速下降。為(wéi)了(liǎo)在(zài)需要(yào)多個(gè)波長的(dí)應用中獲(huò)得(dé)最大的性(xìng)能,需要對(duì)頻譜的每(měi)個(gè)部(bù)分使用(yòng)單獨(dú)的PD。單(dān)個ElFys PD可以覆蓋整個UV-VIS-NIR範(fàn)圍,具(jù)有高性(xìng)能。該圖還(huán)顯(xiǎn)示(shì),依靠(kào)傳(chuán)統的摻雜(zá)p-n結(jié)技術實現(xiàn)PD的高(gāo)UV性(xìng)能(néng)是具有挑戰性的。ElFys感(gǎn)應結基(jī)PD的靈敏(mǐn)度甚至(zhì)比(bǐ)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手(shǒu)的(dí)UV增(zēng)強PD高幾倍(bèi)。
高(gāo)性(xìng)能PD在可穿(chuān)戴健(jiàn)康(kāng)監(jiān)測中的應(yīng)用
PD的(dí)選(xuǎn)擇對PPG測量的(dí)準確性(xìng)有重大(dà)影響。 由(yóu)於器件負責捕獲(huò)傳(chuán)輸或反(fǎn)射(shè)光(guāng)信(xìn)號(hào),因此無(wú)論使用(yòng)何種(zhǒng)軟件(jiàn)算(suàn)法,其性能都 決定了(liǎo)原始(shǐ)測量數(shù)據的(dí)質(zhì)量。
如(rú)前一節所述,ElFys提(tí)供(gōng)基於**黑(hēi)矽(guī)感應結技術(shù)的⾼性(xìng)能PD。ElFys SM係(xì)列(liè)產(chǎn)品專用(yòng)於(yú)需要高(gāo)靈敏度(dù)的(dí)穿(chuān)戴類監測應用。這些(xiē)PD封(fēng)裝(zhuāng)在(zài)表(biǎo)麵貼裝型(xíng)封裝(zhuāng)中(zhōng),PD附著在(zài)印刷(shuā)電路板(PCB)上,並(bìng)在光(guāng)學(xué)環 氧(yǎng)樹脂中成型(xíng)以進行(háng)表麵(miàn)保護。標(biāo)準尺寸(cùn)為3.22 mm2和(hé)4.46 mm2,可現貨購買(mǎi),方便插(chā)入式更(gēng)換(huàn),但產品也可以靈活定製,以(yǐ)滿(mǎn)足客(kè)戶(hù)的(dí)特定要(yào)求。
PPG應用(yòng)中(zhōng)PD性能(néng)最(zuì)重(zhòng)要(yào)的參(cān)數之一是光響(xiǎng)應(yīng),它(tā)告訴(sù)PD每(měi)瓦(wǎ)入(rù)射(shè)光產生多(duō)大的(dí)輸出電(diàn)流。更高的值意(yì)味著(zhuó)更少(shǎo)的(dí)光足以產生(shēng)同樣強的(dí)信(xìn)號,或(huò)者(zhě)類(lèi)比地說,對(duì)於相同數量的(dí)光(guāng),電(diàn)信(xìn)號更(gēng)強。圖(tú)5給(gěi)出(chū)了封(fēng)裝(zhuāng)的(dí)ElFys SM係(xì)列產(chǎn)品(pǐn)與(yǔ)另(lìng)一(yī)種(zhǒng)先進的(dí) PD通常用(yòng)於PPG的典型響應光譜。ElFys**黑(hēi)矽感應結技術(shù)在(zài)綠光波(bō)段(duàn)的(dí)靈(líng)敏(mǐn)度提(tí)高了(liǎo)約50%,在(zài)540nm波(bō)長的光響(xiǎng)應(yīng)高達(dá)0.40 A/W。在(zài)紅外(wài)波段(duàn)的(dí)響(xiǎng)應也(yě)接近達到(dào)理想值,在630nm時(shí) 性(xìng)能(néng)提高(gāo)了(liǎo)> 15%,達到0.47 A/W。

圖5,ElFys黑矽(guī)感應(yīng)結(jié)PD的(dí)光(guāng)響(xiǎng)應(yīng)與PPG中常用的(dí)其他先(xiān)進(jìn)PD產(chǎn)品(pǐn)的(dí)比(bǐ)較。ElFys技術對(duì)綠(lǜ)光的靈(líng)敏度提高(gāo)了(liǎo)約(yuē)50%,對(duì)紅光產生(shēng)增強了大於(yú)15%的信號(hào)。
由(yóu)於圖5中所比(bǐ)較(jiào)的產品的噪聲水(shuǐ)平(píng)相似(sì),響應的(dí)差(chà)異直接(jiē)說明了信噪(zào)比的差(chà)異(yì)。 因此,與(yǔ)其(qí)他先(xiān)進的產(chǎn)品相比,ElFys SM組(zǔ)件在(zài)給定(dìng)光強下(xià)產生(shēng)高達(dá)50% 的(dí)高頻信(xìn)號,這意味(wèi)著PPG測量精度(dù)的極大提高。更高(gāo)的(dí)靈敏度也(yě)意味著更(gēng)小(xiǎo)的(dí)光強度(dù)可以更準(zhǔn)確地測量,並且(qiě)較(jiào)弱(ruò)的(dí)光信(xìn)號(hào)從PD產(chǎn)生同樣(yàng)強的電輸出。因(yīn)此,PPG模(mó)塊的(dí)LED可(kě)以用(yòng)更(gēng)小(xiǎo)的電流(liú)驅動,從(cóng)而(ér)降低了(liǎo)測(cè)量的(dí)功(gōng)耗(hào),並提(tí)供了(liǎo)提高(gāo)設備電池壽命的(dí)可能(néng)性(xìng)。更高的光響應的第(dì)三(sān)個好處(chǔ)是,從一個(gè)占用更小的空間(jiān)的PD可以(yǐ)獲得(dé)相(xiāng)同的信(xìn)號水(shuǐ)平(píng)。這為可穿戴(dài)設(shè)備製造商(shāng)提(tí)供了(liǎo)更大(dà)的自由度來優化(huà)其設計(jì),並使(shǐ)設備(bèi)變得更小。
終端用(yòng)戶受益於光電二(èr)極管性能(néng)的提(tí)高
光電二極管(guǎn)性能(néng)的提高(gāo)為可(kě)穿戴健康(kāng)監測(cè)設備(bèi)的用戶提供了(liǎo)幾個具(jù)體的好(hǎo)處(chǔ)。光測(cè)量(liáng)的(dí)更高靈敏度(dù)能(néng)夠使檢測到(dào)之前由於(yú)精(jīng)度(dù)有(yǒu)限(xiàn)⽽⽆法(fǎ)檢測(cè)到(dào)的新的身(shēn)體參(cān)數(shù),這可能為(wéi)光學測量(liáng)技術(shù)開辟(bì)全新(xīn)的(dí)用例,並(bìng)為可穿戴設備帶(dài)來新(xīn)的應用。在(zài)醫(yī)療(liáo)應用(yòng)中(zhōng),更(gēng)高的(dí)測量(liáng)精(jīng)度(dù)可以更準確地監(jiān)測生(shēng)命體征(zhēng)改(gǎi)善診斷,甚至有(yǒu)可能挽救生(shēng)命(mìng)。另(lìng)一方麵(miàn)如果患者可以在(zài)家(jiā)中自(zì)行(háng)監(jiān)測和檢(jiǎn)查(chá),隻需要(yào)護士或(huò)醫(yī)生(shēng)的(dí)遠程(chéng)會診(zhěn),那(nà)麼醫療(liáo)保健所需(xū)的(dí)資源(yuán)數量就會減少(shǎo),這(zhè)在(zài)人(rén)口老(lǎo)齡(líng)化(huà)同(tóng)時又(yòu)缺乏受過(guò)教(jiào)育(yù)的人員的(dí)現代社會(huì)中至(zhì)關重要。 此(cǐ)外,消費(fèi)者可(kě)穿(chuān)戴設(shè)備(bèi)也支持同樣的(dí)目標(biāo),如(rú)果它們(mén)能讓人們(mén)對自己的(dí)健(jiàn)康(kāng)更感(gǎn)興(xīng),並(bìng)激勵(lì)他們遵循更健(jiàn)康的生(shēng)活(huó)方(fāng)式,減少(shǎo)對醫(yī)療保(bǎo)健的(dí)需求。
用更靈敏(mǐn)的傳感器持續監(jiān)測生(shēng)命(mìng)體征(zhēng)也(yě)可(kě)能(néng)有助(zhù)於更早地(dì)發(fā)現疾病(bìng)。可穿戴設(shè)備(bèi)可能會在佩(pèi)戴(dài)者出(chū)現任(rèn)何(hé)明顯(xiǎn)症狀之(zhī)前(qián)就顯(xiǎn)示出心律失(shī)常(cháng)或睡(shuì)眠(mián)呼吸(xī)暫停(tíng),這樣就(jiù)可以在(zài)疾(jí)病(bìng)變得(dé)過(guò)於(yú)嚴(yán)重之前及(jí)時(shí)開(kāi)始適當的醫療治(zhì)療。
結(jié)論
在(zài)本文中,我們(mén)探討了高性能光電二(èr)極(jí)管(guǎn)對(duì)可穿戴健康監(jiān)測的意(yì)義(yì)。隨(suí)著(zhuó)可(kě)穿(chuān)戴醫(yī)療保(bǎo)健技術在(zài)臨床和(hé)日常(cháng)環境中(zhōng)的使(shǐ)用激(jī)增(zēng),心率和血(xiě)氧水(shuǐ)平等生命(mìng)體征(zhēng)監(jiān)測的準確性(xìng)至(zhì)關重(zhòng)要(yào) 。ElFys 的黑矽(guī)感應結 (Black Silicon Induced Junction)技術通過消(xiāo)除光學(xué)和(hé)電氣損耗,革(gé)*性的改變(biàn)了(liǎo)PD性(xìng)能,獲(huò)得了(liǎo)接近(jìn)理(lǐ)想的EQE和(hé)比任何其他PD產品監測得到的更強的信(xìn)號(hào)。
在(zài)CO*ID-19大流行期(qī)間(jiān),可(kě)穿戴(dài)設備的(dí)用(yòng)戶(hù)通(tōng)過(guò)觀(guān)察心(xīn)率和體(tǐ)溫的(dí)變化(huà),在感染(rǎn)後的(dí)幾天前(qián)就知道要(yào)呆(dāi)在家裏,沒有進一(yī)步(bù)傳播疾病,這(zhè)在covid -19大流(liú)行期(qī)間非(fēi)常具體(tǐ)。
在體育運(yùn)動(dòng)中(zhōng),光(guāng)學測(cè)量(liáng)使基(jī)於(yú)HR的訓(xùn)練(liàn)成(chéng)為可能,而不(bù)需要單(dān)獨(dú)的(dí)不舒服的(dí)胸(xiōng)帶(dài)。然而,對於(yú)某(mǒu)些(xiē)類(lèi)型(xíng)的(dí)運動(dòng)來(lái)說,測量的(dí)準確(què)性(xìng)受到(dào)限製,因為(wéi)這(zhè)些運(yùn)動(dòng)需要非(fēi)常精確地了解心(xīn)率。靈(líng)敏(mǐn)度(dù)的(dí)提(tí)高將(jiāng)會(huì)緩解(jiě)這(zhè)些問題。在其他(tā)一(yī)些(xiē)運(yùn)動(dòng)中,如超(chāo)跑或徒步旅(lǚ)行(háng),可以通(tōng)過(guò)降低(dī)能(néng)耗(hào)的形(xíng)式(shì)利用高(gāo)PD性能,因(yīn)為當體育(yù)活動(dòng)可(kě)以持(chí)續(xù)數(shù)天時,電池壽命(mìng)至關重要。
在不犧牲(shēng)測量(liáng)精度的(dí)情況下使用(yòng)更小的PD的能力(lì)使(shǐ)設(shè)計更小(xiǎo)的(dí)可穿戴設(shè)備成(chéng)為可能(néng)。如(rú)今,可穿戴式健(jiàn)康監測設(shè)備不(bù)僅限(xiàn)於(yú)智(zhì)能(néng)手表,市(shì)場上也有更(gēng)小的(dí)設(shè)備(bèi),如戒(jiè)指和耳塞(sāi)。隨著PD性能(néng)的提高,設(shè)計師(shī)在PPG模(mó)塊尺(chǐ)寸上有(yǒu)更(gēng)大(dà)的自由度(dù),甚至可(kě)以設(shè)計更精(jīng)細(xì)的(dí)器(qì)件,包括不(bù)同形式的珠(zhū)寶。
這一進(jìn)步(bù)轉化(huà)為最終(zhōng)用(yòng)戶的切實利益,從更(gēng)精(jīng)確(què)的醫療(liáo)診斷到早(zǎo)期疾(jí)病檢(jiǎn)測。它還(huán)增(zēng)強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)訓練(liàn),降(jiàng)低(dī)了功(gōng)耗,並使更小,更簡潔的可穿(chuān)戴(dài)設備(bèi)成為可能。當(dāng)我們(mén)擁(yōng)抱(bào)一(yī)個(gè)健(jiàn)康(kāng)和(hé)健康(kāng)至(zhì)上(shàng)的(dí)未來(lái)時,這些創新預(yù)示(shì)著(zhuó)可穿戴(dài)健(jiàn)康(kāng)監(jiān)測的新(xīn)時(shí)代,改善(shàn)生活(huó)和醫(yī)療保(bǎo)健效(xiào)率。
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ElFys, Inc.成立(lì)於2017年,位於(yú)芬蘭(lán)埃斯波。該公(gōng)司以阿(ā)爾(ěr)托(tuō)大學對光電(diàn)探(tàn)測器技(jì)術的(dí)長期研(yán)究工(gōng)作(zuò)為(wéi)基(jī)礎。我們的(dí)核心團隊由前(qián)高級研(yán)究(jiū)人(rén)員,工(gōng)程(chéng)負(fù)責(zé)人(rén)和商(shāng)業**人(rén)士(shì)組成。公(gōng)司利(lì)用位於芬(fēn)蘭(lán)埃斯(sī)波的Micronova納米(mǐ)加工中(zhōng)心先(xiān)進(jìn)的加(jiā)工(gōng)設施(shī):2600平(píng)方(fāng)米的(dí)CMOS兼容(róng)設施(shī),適(shì)合研(yán)發和半批量(liáng)生(shēng)產。為(wéi)了大批量生產,ElFys與外部的(dí)歐洲鑄造(zào)廠合作。
ElFys提供(gōng)了比以往任何(hé)產品都更(gēng)靈(líng)敏的光傳感(gǎn)器(qì),可以(yǐ)捕(bǔ)捉到(dào)每(měi)一縷(lǚ)光(guāng)綫(xiàn)。該技(jì)術(shù)極(jí)大(dà)地改(gǎi)善了從健康(kāng)監測到分析儀(yí)器和(hé)安(ān)全x射綫(xiàn)成(chéng)像(xiàng)的(dí)任(rèn)何光傳(chuán)感(gǎn)應用(yòng)。ElFys光電(diàn)探(tàn)測(cè)器的卓(zhuó)*性能(néng)是(shì)基於現代MEMS納米(mǐ)技術(shù)和(hé)原子層(céng)沉積(jī)的創造(zào)性結(jié)合。
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