摘要

前言

可穿戴醫(yī)療技術(shù)在臨床環(huán)境和日常健康監(jiān)測方面的應(yīng)用越來越廣泛。該技術(shù)為醫(yī)療用途提供了幾個好處。首先，可穿戴設(shè)備可以在佩戴者移動時持續(xù)監(jiān)測重要的身體參數(shù)，如心率(HR)和血液氧合。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)閷τ诳焖倩謴?fù)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(guān)重要的，例如手術(shù)后?？纱┐骷夹g(shù)廣泛使用的另一個原因是測量的簡單性和非侵入性，因?yàn)樗鼈兺ǔ；诠鈱W(xué)技術(shù)這些設(shè)備重量輕，便于攜帶，患者通常可以在家中單獨(dú)進(jìn)行測量，并與醫(yī)生遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)。

健康監(jiān)測技術(shù)在消費(fèi)者中也非常受歡迎。這并不奇怪，因?yàn)楝F(xiàn)代可穿戴設(shè)備，如智 能手表和運(yùn)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(tài)信息， 包括壓力水平、恢復(fù)情況和睡眠質(zhì)量。事實(shí)上，這些小工具已經(jīng)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?？纱┐魇浇】当O(jiān)測設(shè)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(shù)據(jù)采集也不需要用戶付出任何努力。對于運(yùn)動和健身跟蹤來說也是如此，因?yàn)樵谶\(yùn)動過程中，由于基于手腕的測量越來越精確，不再需要單獨(dú)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(xù)監(jiān)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(dá)到1.163億臺設(shè)備，這并不奇怪。

可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備的主要特點(diǎn)之一是光學(xué)測量人體重要參數(shù)，包括心率(HR)和外周 血氧飽和度(SpO2)。這些參數(shù)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(xué)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(qiáng)度的影響。要產(chǎn)生更強(qiáng)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(fèi)者來說，這是一個不想要的效果。另一種選擇是從更大的區(qū)域收集光。然而，這意味著設(shè)備需要更大，這減少了設(shè)計師對二極管位置的自由度，并且與設(shè)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(chǎn)生的信號比噪聲強(qiáng)。

重要的是要注意，并非所有的最終用戶應(yīng)用程序都以最大的準(zhǔn)確性為目標(biāo)。始終需要在測量精度、功耗和PD尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡，并且不同類型的可穿戴健康監(jiān)控應(yīng)用程序可能對要優(yōu)化的參數(shù)具有不同的權(quán)重。例如，精度可能是醫(yī)療可穿戴設(shè)備最重要的參數(shù)，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(shè)備(如智能環(huán))的限制因素。盡管如此，具有最高性能的PD可以在這些參數(shù)之間進(jìn)行最佳權(quán)衡，而不管哪個是*理想的。

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?yàn)閯用}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。

ElFys黑硅感應(yīng)結(jié)技術(shù)

圖3，ElFys PD基于黑硅感應(yīng)結(jié)**技術(shù)。他們有一個納米結(jié)構(gòu)的黑色硅前表面，以消除光學(xué)損耗。電荷載流子的收集是通過感應(yīng)結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的：在黑色表面涂上一層高電荷的薄膜硅表面反轉(zhuǎn)了PD前表面的極性，并實(shí)現(xiàn)了“無重組"的pn結(jié)。請注意，該圖展示了一個廣義的PD結(jié)構(gòu)，而不是任何特定的 ElFys產(chǎn)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(shù)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(xué)或電氣而損失而丟失。

ElFys黑硅感應(yīng)結(jié)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(shù)波長下，EQE 大于99%， 在 350nm 左右的波長下，EQE最小可達(dá) >96%。接近理想的EQE表明，黑色硅納米結(jié)構(gòu)確實(shí)消除了所有的光學(xué)損耗，并且由于感應(yīng)結(jié)和其他先進(jìn)技術(shù)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?yàn)榫哂卸滩ㄩL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(chǎn)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(jié)構(gòu)內(nèi)部的前表面，并且>100%  EQE表明由于納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部或其表面的缺陷而導(dǎo)致的復(fù)合損失非常小。

圖4，獲得**的黑硅感應(yīng)結(jié)技術(shù)在UV-VIS-NIR的寬波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(shù)相比，這種改進(jìn)是顯而易見的。值得注意的是，傳統(tǒng)的PD可能只針對窄波長區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

圖4還比較了ElFys產(chǎn)品與競爭設(shè)備的性能，這些設(shè)備已根據(jù)其制造商針對UV和NIR光譜范圍進(jìn)行了優(yōu)化。競爭器件的EQE光譜表明，雖然在一定的窄波長范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)相對較高的性能，但當(dāng)遠(yuǎn)離器件優(yōu)化的區(qū)域時，EQE會迅速下降。為了在需要多個波長的應(yīng)用中獲得最大的性能，需要對頻譜的每個部分使用單獨(dú)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(tǒng)的摻雜p-n結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)PD的高UV性能是具有挑戰(zhàn)性的。ElFys感應(yīng)結(jié)基PD的靈敏度甚至比競爭對手的UV增強(qiáng)PD高幾倍。

高性能PD在可穿戴健康監(jiān)測中的應(yīng)用

圖5，ElFys黑硅感應(yīng)結(jié)PD的光響應(yīng)與PPG中常用的其他先進(jìn)PD產(chǎn)品的比較。ElFys技術(shù)對綠光的靈敏度提高了約50%，對紅光產(chǎn)生增強(qiáng)了大于15%的信號。

由于圖5中所比較的產(chǎn)品的噪聲水平相似，響應(yīng)的差異直接說明了信噪比的差異。 因此，與其他先進(jìn)的產(chǎn)品相比，ElFys SM組件在給定光強(qiáng)下產(chǎn)生高達(dá)50% 的高頻信號，這意味著PPG測量精度的極大提高。更高的靈敏度也意味著更小的光強(qiáng)度可以更準(zhǔn)確地測量，并且較弱的光信號從PD產(chǎn)生同樣強(qiáng)的電輸出。因此，PPG模塊的LED可以用更小的電流驅(qū)動，從而降低了測量的功耗，并提供了提高設(shè)備電池壽命的可能性。更高的光響應(yīng)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(shè)備制造商提供了更大的自由度來優(yōu)化其設(shè)計，并使設(shè)備變得更小。

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(jiān)測設(shè)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(shù)，這可能為光學(xué)測量技術(shù)開辟全新的用例，并為可穿戴設(shè)備帶來新的應(yīng)用。在醫(yī)療應(yīng)用中，更高的測量精度可以更準(zhǔn)確地監(jiān)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(jiān)測和檢查，只需要護(hù)士或醫(yī)生的遠(yuǎn)程會診，那么醫(yī)療保健所需的資源數(shù)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(xiàn)代社會中至關(guān)重要。 此外，消費(fèi)者可穿戴設(shè)備也支持同樣的目標(biāo)，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(yī)療保健的需求。

用更靈敏的傳感器持續(xù)監(jiān)測生命體征也可能有助于更早地發(fā)現(xiàn)疾病?？纱┐髟O(shè)備可能會在佩戴者出現(xiàn)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(yán)重之前及時開始適當(dāng)?shù)尼t(yī)療治療。

結(jié)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(jiān)測的意義。隨著可穿戴醫(yī)療保健技術(shù)在臨床和日常環(huán)境中的使用激增，心率和血氧水平等生命體征監(jiān)測的準(zhǔn)確性至關(guān)重要 。ElFys 的黑硅感應(yīng)結(jié) (Black Silicon Induced Junction)技術(shù)通過消除光學(xué)和電氣損耗，革*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(chǎn)品監(jiān)測得到的更強(qiáng)的信號。

在CO*ID-19大流行期間，可穿戴設(shè)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(jìn)一步傳播疾病，這在covid -19大流行期間非常具體。

在體育運(yùn)動中，光學(xué)測量使基于HR的訓(xùn)練成為可能，而不需要單獨(dú)的不舒服的胸帶。然而，對于某些類型的運(yùn)動來說，測量的準(zhǔn)確性受到限制，因?yàn)檫@些運(yùn)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(yùn)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?yàn)楫?dāng)體育活動可以持續(xù)數(shù)天時，電池壽命至關(guān)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(shè)計更小的可穿戴設(shè)備成為可能。如今，可穿戴式健康監(jiān)測設(shè)備不僅限于智能手表，市場上也有更小的設(shè)備，如戒指和耳塞。隨著PD性能的提高，設(shè)計師在PPG模塊尺寸上有更大的自由度，甚至可以設(shè)計更精細(xì)的器件，包括不同形式的珠寶。

這一進(jìn)步轉(zhuǎn)化為最終用戶的切實(shí)利益，從更精確的醫(yī)療診斷到早期疾病檢測。它還增強(qiáng)了運(yùn)動訓(xùn)練，降低了功耗，并使更小、更簡潔的可穿戴設(shè)備成為可能。當(dāng)我們擁抱一個健康和健康至上的未來時，這些創(chuàng)新預(yù)示著可穿戴健康監(jiān)測的新時代，改善生活和醫(yī)療保健效率。

參考文獻(xiàn)

[1] International Data Corporation. “Global Shipments for Wearable Devices Return to Growth in the Second Quarter of 2023,  According to IDC. " IDC - Wearable Devices

Market Share (accessed November 27, 2023).

[2] M. A. Almarshad et al. “Diagnostic Features and Potential Applications of PPG Signal

in Healthcare: A Systematic Review", Healthcare, 10: 547 (2022).

[3] J.  Heinonen et al.  “Modeling field-effect in black silicon and its impact on device

performance", IEEE Transactions on Electron Devices, 67(4):1645–1652 (2020).

[4] M.  A.  Juntunen et al.  “Near-unity quantum efficiency of broadband black silicon

photodiodes with an induced junction", Nature Photonics, 10(12): 777-781 (2016).

[5] J. Heinonen, “High-sensitivity photodiodes using black silicon and induced junction",

Aalto Universi-ty publication series DOCTORAL THESES, 36/2022.

[6] M. A. Juntunen et al. , "N-type Induced junction Black Silicon photodiode for UV detection", Proc. SPIE 10249, Integrated Photonics: Materials, Devices, and  Applications

IV, 102490I (2017).

[7] M.  Garin et al.  "Black silicon UV photodiodes achieve >130% external quantum efficiency", Physical Review Letters, 125:117702 (2020).

關(guān)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(xué)對光電探測器技術(shù)的長期研究工作為基礎(chǔ)。我們的核心團(tuán)隊(duì)由前高級研究人員、工程負(fù)責(zé)人和商業(yè)**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(jìn)的加工設(shè)施：2600平方米的CMOS兼容設(shè)施，適合研發(fā)和半批量生產(chǎn)。為了大批量生產(chǎn)，ElFys與外部的歐洲鑄造廠合作。

ElFys提供了比以往任何產(chǎn)品都更靈敏的光傳感器，可以捕捉到每一縷光線。該技術(shù)極大地改善了從健康監(jiān)測到分析儀器和安全x射線成像的任何光傳感應(yīng)用。ElFys光電探測器的卓*性能是基于現(xiàn)代MEMS納米技術(shù)和原子層沉積的創(chuàng)造性結(jié)合。