用于可穿戴健康監測的高性能光電二極管
摘要
可穿戴醫療技術在臨床環境和日常健康監測中都得到了廣泛的普及。ElFys在該領域引入了高性能光電二極管(PD)，利用黑硅感應結技術，旨在提高可穿戴健康監測設備的準確性和效率，特別是在光電體積脈搏描記(PPG)方面。
重點:
•可穿戴健康技術是臨床和日常環境中持續監測的組成部分。
•ElFys解決了可穿戴健康監測儀對高精度、便攜性和能效的需求。
•光電體積脈搏描記(PPG)是一項核心技術，為心率和血氧評估提供了對血容量變化的光學見解。
•ElFys的黑硅感應結PD在測量精度，功率效率和整體功能方面突出他們的有效性。
•該創新技術消除了光學損耗，并利用無重組pn結，在UV-VIS-NIR光譜范圍內實現了接近理想的外部量子效率(EQE)。
•ElFys的SM系列PD專為可穿戴式健康監測而設計，具有卓越的靈敏度，對綠光和紅光的光響應顯著改善。
•優點包括更高的信噪比、更高的精度、更低的功耗，以及設計更小、更謹慎的可穿戴設備的潛力。
•優先考慮終端用戶體驗，為精確的醫療診斷、早期疾病檢測和有效的運動訓練提供潛力。 ElFys黑硅感應結技術代表了可穿戴健康監測領域的重大進步，有望提高準確性、靈敏度和以用戶為中心的優勢，與不斷發展的健康和保健技術領域保持一致。
作者簡介:
Toni Pasanen是ElFys公司的高級項目工程師，也是該公司的聯合創始 人之一。
他擁有芬蘭阿爾托大學(Aalto University)微納米科學(Tech.)博士學位，具有基于半導體的光電器件的應用研究背景。他在各種類型的光和輻 射探測器的設計和制造方面有幾年的經驗，在納米結構黑硅表面和薄 膜方面也有很強的專業知識。帕薩寧博士撰寫了數十篇同行評議的科 學文章，寫了一本書關于黑硅的性質和應用的章節，并在幾個國際會 議和其他活動中展示了他的工作。
前言
可穿戴醫療技術在臨床環境和日常健康監測方面的應用越來越廣泛。該技術為醫療用途提供了幾個好處。首先，可穿戴設備可以在佩戴者移動時持續監測重要的身體參數，如心率(HR)和血液氧合。這一點很 重要，因為對于快速恢復來說，患者可以從床上爬起來，并盡快在診所開始活動， 這是至關重要的，例如手術后。可穿戴技術廣泛使用的另一個原因是測量的簡單性和非侵入性，因為它們通常基于光學技術這些設備重量輕，便于攜帶，患者通常可以在家中單獨進行測量，并與醫生遠程共享數據。
健康監測技術在消費者中也非常受歡迎。 這并不奇怪，因為現代可穿戴設備，如智 能手表和運動手表、腕帶和智能戒指，可以提供很多有用和有趣的身體狀態信息， 包括壓力水平、恢復情況和睡眠質量。事實上，這些小工具已經使不斷了解健康和 健身水平成為一種普遍趨勢，它們也成為許多人追求更健康生活方式的動力。可穿戴式健康監測設備也變得如此小巧舒適， 以至于用戶幾乎不會注意到自己戴著它們而功耗和電池壽命對智能手表來說很重要。(例如智能戒指)，數據采集也不需要用戶付出任何努力。對于運動和健身跟蹤來 說也是如此，因為在運動過程中，由于基于手腕的測量越來越精確，不再需要單獨的胸帶來測量心率。*新的情況是，由于2019 冠狀病毒大流行以及盡早識別感染的必要性，使得更廣泛的公眾對持續監測生命體征的好處了解非常具體。因此， IDC最近的一份報告[1]顯示，市場同比增 長8.5%，總出貨量達到1.163億臺設備，這并不奇怪。
可穿戴健康監測設備的主要特點之一是光學測量人體重要參數，包括心率(HR)和外周 血氧飽和度(SpO2)。這些參數的測量是基于led照射在皮膚上的光，以及使用稱為光電 二極管(PD)的光學傳感器測量透射或反射光的量。測量的精度很大程度上受PD信號強度的影響。要產生更強的信號，一個顯而易見的解決方案是增加LED燈的功率，然而， 這自然會以電池壽命為代價——對于不愿頻 繁充電的消費者來說，這是一個不想要的效果。另一種選擇是從更大的區域收集光。然而，這意味著設備需要更大，這減少了設計師對二極管位置的自由度，并且與設備小型化的趨勢背道而馳。提高測量精度的第三種更有效的方法是選擇具有靈敏度盡可能高的PD，這意味著與給定LED功率相比，它產生的信號比噪聲強。
重要的是要注意，并非所有的最終用戶應用程序都以最大的準確性為目標。始終需要在測量精度、功耗和PD尺寸之間進行權衡，并且不同類型的可穿戴健康監控應用程序可能對要優化的參數具有不同的權重。例如，精度可能是醫療可穿戴設備最重要的參數，而功耗和電池壽命對智能手表來說很重要。PD占用的面積可能是小型設備(如智能環)的限制因素。盡管如此，具有最高性能的PD可以在這些參數之間進行最佳權衡，而不管哪個是最理想的。
PPG 簡介
可穿戴設備中HR和SpO2的測量通常基于一種稱為光電體積脈搏描記(PPG)的技術[2]。 它是一種光學測量外周循環中血容量變化的方法。在這項技術中，PPG模塊緊緊貼 著佩戴者的皮膚，由LED燈照亮。一部分光被血液、組織和骨骼吸收，而一部分光通過身體部位透射，一部分光被反射。吸收光的數量是通過用PD圖 1a）測量透射光或反射光來表征的，PD得到的也是和光強成比例的電信號。以前用的方法(測量透射光)被用于脈搏血氧 儀，例如測量患者指尖或耳垂的SpO2, 而消費產品，如智能手表和戒指，更多地依賴于反射光的測量，因為它們通常被放置在身體較厚的部位，而這些部位光線無法穿透。
動脈中的血量周期性地變化，其頻率由?臟度跳動的的速度決定。也可以感覺到手腕或頸部的脈搏，大部分光被吸收，PD測量的透射/反射光強度較小(圖1b)。光信號中兩個脈沖之間的時間表示一個心臟周期，監測光強度峰值的數量作為時間的函數得到每分鐘跳動(bpm)的 的?率。在實踐中，這個過程并不是那么 簡單，但是先進的信號處理算法能夠從PD 信號的周期性變化中確定?率。
盡管測量可以檢測動脈血容量的變化，但它不能量化血的量，因為PD測量的定量光強度除了取決于動脈血液的吸收外，還取決于幾個未知因素。這些因素包括組織、骨骼和靜脈血的吸收，以及測量單元與皮膚的貼合程度。
圖1(a)所示， PPG是基于用LED照射皮膚，并用PD測量反射光或透射光。
(b)部分入射光被組織、靜脈血和動脈血吸收，其余部分通過身體透射或從身體反射。吸收光的量是周期性變化的，因為動脈血容量隨心臟周期的階段而變化。HR可以得以確定通過測量這種變化。
血液對光的吸收取決于光的波長(圖2)。綠光被人體血液有效吸收，因此通常用于測量心率。吸收還取決于血液中的血紅蛋白(Hb)分子是否與氧結合。這種效應在紅光和近紅外(NIR)光下最強，這就是為什么 這些波長通常用于PPG測量SpO2。在這個 測量中，光的吸收在兩個不同的波長，通 常約660和940nm波長，是用PD進行測量。
由圖2可知，氧合Hb分子濃度越高，對紅光的吸光度越低，對NIR的吸光度越高。通過比較這兩個波長下的信號電平，數據 算法可以計算出血紅蛋白及其含氧分子的相對濃度，從而得出血氧飽和度水平。
影響LED顏色選擇的另一個因素是光的吸收深度。一般來說，短波長的光更靠近皮膚表面被吸收，而長波的光則更深入組織。波長較短的綠光大多被表面組織反射，與組織深處較大的動脈相比，小動脈中的血液量隨用戶手的運動變化較小。這使得由用戶的運動引起的信號中的噪聲更小。因此，在佩戴者移動的情況下，例如在鍛煉期間，綠光更適合用于HR測量。依靠紅光的光學測量，例如SpO2測量，通常要用戶在數據采集過程中保持相當靜止才能準確。
選擇LED時要考慮的第三個因素，特別是可穿戴設備，是功耗。綠色LED燈的缺點 是它們通常比紅色或NIR LED燈更耗電，因為波長較小的光子攜帶更多的能量，因此需要產生更多的電力。如果用相同的功率驅動綠色和紅色LED燈，紅色LED燈會更亮一些，這樣就能產生更大的光強。事實上，當佩戴者在休息時，有些設備會采用紅光或者NIR光來監測心率從而節約電池。
圖片來源:Jerry Kavan。非版權圖片來自Unsplash
ElFys黑硅感應結技術
PPG 模塊的關鍵部件之一是 PD，它用于測量透過 人體或從人體反射的光線。PD 的性能在很大程度 上受光吸收效率的影響。減少光學損耗的常用方法 是在 PD 表面涂上抗反射 (AR) 涂層，以減少 PD表面的光反射。雖然這種技術在單一的窄波長區域 效果很好，但 AR 涂層甚至會增加其他波長的光損 耗，而這并不是它的設計目的。
ElFys 光致發光器件的前表面（圖 3）沒有 AR 涂 層，而是有微小的納米結構，即黑色硅（Si），光 線會在這些納米結構中損失。用更科學的術語來說，黑色硅納米結構形成了一個分級折射率層，因此，入射光線看不到空氣和硅之間的界面，也就不會發生反射。因此，從紫外線（UV）到可見光（VIS）和近紅外的寬波長范圍內，黑硅表面的反射幾乎 為零，所有光線都被硅材料吸收。黑色硅還能有效 散射光，增加光路長度，從而減少長波長光的傳輸，因為長波長光在硅中傳輸距離較長，然后才會被 吸收。因此，ElFys PD 的光學損耗可以忽略不計。
100% 的吸收率意味著每一個入射光子都會產生一個電荷對：一個電子和一個空穴。 但是電荷載流子收集通常是通過在 PD 正面的一薄層 硅中摻入與硅塊極性相反的摻雜劑，形成 p-n 結來實現的。然而，高摻雜層會導致過多的電 荷載流子重組，從而限制了 PD 的性能，尤其 是被摻雜層吸收的短波長光。
為了避免這些問題，ElFys PD 采用了獲得***感應結技術。黑色硅納米結構表面鍍有一層 帶電薄膜，可在 PD 前表面附近產生強大的電 場 [3]。電場使表面附近硅材料的極性發生逆 轉（圖 3），并形成 p-n 結，負責電子和空穴 的匯聚。由于不需要外部摻雜劑，因此可以有 效地將電損耗降至最低，對于短波長光也是如 此。
圖3，ElFys PD基于黑硅感應結**技術。他們有一個納米結構的黑色硅前表面，以消除光學損耗。 電荷載流子的收集是通過感應結技術實現的:在黑色表面涂上一層高電荷的薄膜硅表面反轉了PD前表面的極性，并實現了“無重組”的pn結。請注意，該圖展示了一個廣義的PD結構，而不是任何特定的 ElFys產品。
PD測量光的性能可以用一個稱為外部量子效率(EQE)的參數來表示。它描述了每個入射光子從器件中收集到多少載流子。理想的PD具有100%的EQE，這意味著如果100個光子撞擊PD前表面，則在外部電路中收集100個電荷載流子，并且沒有載流子因光學或電氣而損失而丟失。
ElFys黑硅感應結PD的EQE如圖4所示。ElFys PD在整個UV-VIS-NIR波長范圍從200到1000 nm具有接近100%的EQE[4,5]，這意味著它們可以捕獲每一束光。在大多數波長下，EQE 大于 99%， 在 350nm 左右的波長下，EQE最小可達 >96%。接近理想的EQE表明，黑色硅納米結構確實消除了所有的光學損耗，并且由于感應結和其他先進技術有效地減少了硅材料及其表面的載流子重組，電損耗可以忽略不計。在較深的UV中，EQE甚至高于100%，這是可能的，因為具有短波長的光子具有如此高的能量，以至于它們可以在每個光子中產生多個電荷載流子對[6,7]。這部分光譜非常接近黑色硅納米結構內部的前表面，并且>100% EQE表明由于納米結構內部或其表面的缺陷而導致的復合損失非常小。
圖4，獲得**的黑硅感應結技術在UV-VIS-NIR的寬波長范圍內實現了接近100%的外部量子效率(EQE)，這意味著ElFys PD可以“捕獲每一束光”。與其他技術相比，這種改進是顯而易見的。值得注意的是，傳統的PD可能只針對窄波長區域進行優化。
圖4還比較了ElFys產品與競爭設備的性能，這些設備已根據其制造商針對UV和NIR光譜范圍進行了優化。競爭器件的EQE光譜表明，雖然在一定的窄波長范圍內可以實現相 對較高的性能，但當遠離器件優化的區域時， EQE會迅速下降。為了在需要多個波長的應用中獲得最大的性能，需要對頻譜的每個部分使用單獨的PD。單個ElFys PD可以覆蓋整個UV-VIS-NIR范圍，具有高性能。該圖還顯示，依靠傳統的摻雜p-n結技術實現PD的高UV性能是具有挑戰性的。ElFys感應結基PD的靈敏度甚至比競爭對手的UV增強PD高幾倍。
高性能PD在可穿戴健康監測中的應用
PD的選擇對PPG測量的準確性有重大影響。 由于器件負責捕獲傳輸或反射光信號，因此無論使用何種軟件算法，其性能都 決定了原始測量數據的質量。
如前一節所 述，ElFys提供基于**黑硅感應結技術的?性能PD。ElFys SM系列產品專用于需要高靈敏度的穿戴類監測應用。這些PD封裝在表面貼裝型封裝中，PD附著在印刷電路板(PCB)上，并在光學環 氧樹脂中成型以進行表面保護。標準尺寸為3.22 mm2和4.46 mm2，可現貨購買，方便插入式更換，但產品也可以靈活定制，以滿足客戶的特定要求。
PPG應用中PD性能最重要的參數之一是光響應，它告訴PD每瓦入射光產生多大的輸 出電流。更高的值意味著更少的光足以產 生同樣強的信號，或者類比地說，對于相 同數量的光，電信號更強。圖5給出了封 裝的ElFys SM系列產品與另一種先進的 PD通常用于PPG的典型響應光譜。ElFys**黑硅感應結技術在綠光波段的靈敏 度提高了約50%，在540nm波長的光響應高達0.40 A/W。在紅外波段的響應也接近達到理想值，在630nm時 性能提高了> 15%，達到0.47 A/W。
圖5，ElFys黑硅感應結PD的光響應與PPG中常用的其他先進PD產品的比較。ElFys技術對綠光的靈敏度提高了約50%，對紅光產生增強了大于15%的信號
由于圖5中所比較的產品的噪聲水平相似，響應的差異直接說明了信噪比的差異。 因此，與其他先進的產品相比，
ElFys SM組件在給定光強下產生高達50% 的高頻信號，這意味著PPG測量精度的極大提高。更?的靈敏度也意味著更小的光強度可以更準確地測量，并且較弱的光信號從PD產生同樣強的電輸出。
因此，PPG模塊的LED可以用更小的電流驅動，從而降低了測量的功耗，并提供了提高設備電池壽命的可能性。更高的光響應的第三個好處是，從一個占用更小的空間的PD可以獲得相同的信號水平。這為可穿戴設備制造商提供了更大的自由度來優化其設計，并使設備變得更小。
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終端用戶受益于光電二極管性能的提高
光電二極管性能的提高為可穿戴健康監測設 備的用戶提供了幾個具體的好處。光測量的更高靈敏度能夠使檢測到之前由于精度有限??法檢測到的新的身體參數，這可能為光 學測量技術開辟全新的用例，并為可穿戴設備帶來新的應用。在醫療應用中，更高的測量精度可以更準確地監測生命體征改善診 斷，甚至有可能挽救生命。另一方面如果患 者可以在家中自行監測和檢查，只需要護士 或醫生的遠程會診，那么醫療保健所需的資 源數量就會減少，這在人口老齡化同時又缺 乏受過教育的人員的現代社會中至關重要。 此外，消費者可穿戴設備也支持同樣的目標，如果它們能讓人們對自己的健康更感興，并激勵他們遵循更健康的生活方式，減少 對醫療保健的需求。
用更靈敏的傳感器持續監測生命體征也可能有助于更早地發現疾病。可穿戴設備可能會在佩戴者出現任何明顯癥狀之前就顯示出心律失常或睡眠呼吸暫停，這樣就可以在疾病變得過于嚴重之前及時開始適當的醫療治療。
結論
在本文中，我們探討了高性能光電二極管對 可穿戴健康監測的意義。隨著可穿戴醫療保 健技術在臨床和日常環境中的使用激增，心 率和血氧水平等生命體征監測的準確性至關 重 要 。ElFys 的 黑 硅感應結 (Black Silicon Induced Junction)技術通過消除光學和電氣損 耗，革命性的改變了PD性能，獲得了接近理想的EQE和比任何其他PD產品監測得到的更強的信號。
在COVID-19大流行期間，可穿戴設備的用戶通過觀察心率和體溫的變化，在感染后的幾天前就知道要呆在家里，沒有進一步傳播疾病，這在covid -19大流行期間非常具體。
在體育運動中，光學測量使基于HR的訓練成為可能，而不需要單獨的不舒服的胸帶。然而，對于某些類型的運動來說，測量的準確性受到限制，因為這些運動需要非常精確地了解心率。靈敏度的提高將會緩解這些問題。在其他一些運動中，如超跑或徒步旅行，可以通過 降低能耗的形式利用高PD性能，因為當體育 活動可以持續數天時，電池壽命至關重要。
在不犧牲測量精度的情況下使用更小的PD的能力使設計更小的可穿戴設備成為可能。如 今，可穿戴式健康監測設備不僅限于智能手表，市場上也有更小的設備，如戒指和耳塞。隨著PD性能的提高，設計師在PPG模塊尺寸上有更大的自由度，甚至可以設計更精細的器件，包括不同形式的珠寶。
這一進步轉化為最終用戶的切實利益，從更精確的醫療診斷到早期疾病檢測。它還增強了運動訓練，降低了功耗，并使更小、更簡潔的可穿戴設備成為可能。當我們擁抱一個健康和健康至上的未來時，這些創新預示著可穿戴健康監測的新時代，改善生活和醫療保健效率。
參考文獻
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關于ELFYS公司
ElFys, Inc.成立于2017年，位于芬蘭埃斯波。該公司以阿爾托大學對光電探測器技術的長期研究工作為基礎。我們的核心團隊由前高級研究人員、工程負責人和商業**人士組成。公司 利用位于芬蘭埃斯波的Micronova納米加工中心先進的加工設施:2600平方米的CMOS兼容設施，適合研發和半批量生產。為了大批量生產，ElFys與外部的歐洲鑄造廠合作。ElFys提供了比以往任何產品都更靈敏的光傳感器，可以捕捉到每一縷光線。該技術極大地改善了從健康監測到分析儀器和安全x射線成像的任何光傳感應用。ElFys光電探測器的卓越性 能是基于現代MEMS納米技術和原子層沉積的創造性結合
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