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(cè)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。該技術(shù)為醫(yī)療用途提供了幾個(gè)好處。首先，可穿戴設(shè)備可以在佩戴者移動(dòng)時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)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?duì)于快速恢復(fù)來(lái)說(shuō)，患者可以從床上爬起來(lái)，并盡快在診所開始活動(dòng)，這是至關(guān)重要的，例如手術(shù)后。可穿戴技術(shù)廣泛使用的另一個(gè)原因是測(cè)量的簡(jiǎn)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?？梢栽诩抑袉为?dú)進(jìn)行測(cè)量，并與醫(yī)生遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)。

健康監(jiān)測(cè)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(dòng)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(shì)，它們也成為許多人追求更健康生活方式的動(dòng)力?？纱┐魇浇】当O(jiān)測(cè)設(shè)備也變得如此小巧舒適， 以至于用戶幾乎不會(huì)注意到自己戴著它們而功耗和電池壽命對(duì)智能手表來(lái)說(shuō)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(duì)于運(yùn)動(dòng)和健身跟蹤來(lái)說(shuō)也是如此，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于基于手腕的測(cè)量越來(lái)越精確，不再需要單獨(dú)的胸帶來(lái)測(cè)量心率。*新的情況是，由于2019冠狀病毒大流行以及盡早識(shí)別感染的必要性，使得更廣泛的公眾對(duì)持續(xù)監(jiān)測(cè)生命體征的好處了解非常具體。因此， IDC最近的一份報(bào)告[1]顯示，市場(chǎng)同比增長(zhǎng)8.5%，總出貨量達(dá)到1.163億臺(tái)設(shè)備，這并不奇怪。

可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的主要特點(diǎn)之一是光學(xué)測(cè)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(cè)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(cè)量透射或反射光的量。測(cè)量的精度很大程度上受PD信號(hào)強(qiáng)度的影響。要產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)，一個(gè)顯而易見(jiàn)的解決方案是增加LED燈的功率，然而， 這自然會(huì)以電池壽命為代價(jià)——對(duì)于不愿頻 繁充電的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)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(jì)師對(duì)二極管位置的自由度，并且與設(shè)備小型化的趨勢(shì)背道而馳。提高測(cè)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(hào)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(cè)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(duì)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(duì)智能手表來(lái)說(shuō)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(gè)是*理想的。

圖1(a)所示， PPG是基于用LED照射皮膚，并用PD測(cè)量反射光或透射光。(b)部分入射光被組織、靜脈血和動(dòng)脈血吸收，其余部分通過(guò)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?dòng)脈血容量隨心臟周期的階段而變化。HR可以得以確定通過(guò)測(cè)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(gè)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(guò)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(wú)重組"的pn結(jié)。請(qǐng)注意，該圖展示了一個(gè)廣義的PD結(jié)構(gòu)，而不是任何特定的 ElFys產(chǎn)品。

PD測(cè)量光的性能可以用一個(gè)稱為外部量子效率(EQE)的參數(shù)來(lái)表示。它描述了每個(gè)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(gè)光子撞擊PD前表面，則在外部電路中收集100個(gè)電荷載流子，并且沒(méi)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(gè)UV-VIS-NIR波長(zhǎng)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(zhǎng)下，EQE 大于99%， 在 350nm 左右的波長(zhǎng)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(jì)。在較深的UV中，EQE甚至高于100%，這是可能的，因?yàn)榫哂卸滩ㄩL(zhǎng)的光子具有如此高的能量，以至于它們可以在每個(gè)光子中產(chǎn)生多個(gè)電荷載流子對(duì)[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(zhǎng)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(jiàn)的。值得注意的是，傳統(tǒng)的PD可能只針對(duì)窄波長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

圖4還比較了ElFys產(chǎn)品與競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備的性能，這些設(shè)備已根據(jù)其制造商針對(duì)UV和NIR光譜范圍進(jìn)行了優(yōu)化。競(jìng)爭(zhēng)器件的EQE光譜表明，雖然在一定的窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的性能，但當(dāng)遠(yuǎn)離器件優(yōu)化的區(qū)域時(shí)，EQE會(huì)迅速下降。為了在需要多個(gè)波長(zhǎng)的應(yīng)用中獲得最大的性能，需要對(duì)頻譜的每個(gè)部分使用單獨(dú)的PD。單個(gè)ElFys  PD可以覆蓋整個(gè)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的UV增強(qiáng)PD高幾倍。

高性能PD在可穿戴健康監(jiān)測(cè)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(duì)綠光的靈敏度提高了約50%，對(duì)紅光產(chǎn)生增強(qiáng)了大于15%的信號(hào)。

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(shuō)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(hào)，這意味著PPG測(cè)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(cè)量，并且較弱的光信號(hào)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(dòng)，從而降低了測(cè)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(gè)好處是，從一個(gè)占用更小的空間的PD可以獲得相同的信號(hào)水平。這為可穿戴設(shè)備制造商提供了更大的自由度來(lái)優(yōu)化其設(shè)計(jì)，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(cè)設(shè)備的用戶提供了幾個(gè)具體的好處。光測(cè)量的更高靈敏度能夠使檢測(cè)到之前由于精度有限??法檢測(cè)到的新的身體參數(shù)，這可能為光學(xué)測(cè)量技術(shù)開辟全新的用例，并為可穿戴設(shè)備帶來(lái)新的應(yīng)用。在醫(yī)療應(yīng)用中，更高的測(cè)量精度可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)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(cè)和檢查，只需要護(hù)士或醫(yī)生的遠(yuǎn)程會(huì)診，那么醫(yī)療保健所需的資源數(shù)量就會(huì)減少，這在人口老齡化同時(shí)又缺乏受過(guò)教育的人員的現(xiàn)代社會(huì)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(duì)自己的健康更感興，并激勵(lì)他們遵循更健康的生活方式，減少對(duì)醫(yī)療保健的需求。

用更靈敏的傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)生命體征也可能有助于更早地發(fā)現(xiàn)疾病。可穿戴設(shè)備可能會(huì)在佩戴者出現(xiàn)任何明顯癥狀之前就顯示出心律失?；蛩吆粑鼤和?，這樣就可以在疾病變得過(guò)于嚴(yán)重之前及時(shí)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(duì)可穿戴健康監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)得到的更強(qiáng)的信號(hào)。

在CO*ID-19大流行期間，可穿戴設(shè)備的用戶通過(guò)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(méi)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(dòng)中，光學(xué)測(cè)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(duì)于某些類型的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，測(cè)量的準(zhǔn)確性受到限制，因?yàn)檫@些運(yùn)動(dòng)需要非常精確地了解心率。靈敏度的提高將會(huì)緩解這些問(wèn)題。在其他一些運(yùn)動(dòng)中，如超跑或徒步旅行，可以通過(guò)降低能耗的形式利用高PD性能，因?yàn)楫?dāng)體育活動(dòng)可以持續(xù)數(shù)天時(shí)，電池壽命至關(guān)重要。

在不犧牲測(cè)量精度的情況下使用更小的PD的能力使設(shè)計(jì)更小的可穿戴設(shè)備成為可能。如今，可穿戴式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備不僅限于智能手表，市場(chǎng)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(jì)師在PPG模塊尺寸上有更大的自由度，甚至可以設(shè)計(jì)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(cè)。它還增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，降低了功耗，并使更小、更簡(jiǎn)潔的可穿戴設(shè)備成為可能。當(dāng)我們擁抱一個(gè)健康和健康至上的未來(lái)時(shí)，這些創(chuàng)新預(yù)示著可穿戴健康監(jiān)測(cè)的新時(shí)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(duì)光電探測(cè)器技術(shù)的長(zhǎng)期研究工作為基礎(chǔ)。我們的核心團(tuán)隊(duì)由前高級(jí)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(cè)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(cè)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。