日期：2022-06-28
反射型光電容積脈搏波 (PPG) 脈沖傳感器廣泛用于消費(fèi)市場(chǎng)以測(cè)量心血管信號(hào)。與發(fā)光二極管(LED)和光電探測(cè)器(PD)在不同芯片中的片外封裝方案不同，提出了一種新型環(huán)形結(jié)構(gòu)的GaN集成光電芯片來實(shí)現(xiàn)PPG脈沖傳感器。集成的光電芯片由兩個(gè)多量子阱(MQW)二極管組成。對(duì)于更高的靈敏度，中央和外圍 MQW 二極管分別適合作為 LED 和 PD。結(jié)果表明，基于藍(lán)光LED外延片的集成光電芯片更適合基于器件性能的集成PPG傳感器。而且，從指尖采集的PPG脈沖信號(hào)的幅度比從手腕采集的要高。
脈搏傳感器一、響應(yīng)速度快
血流變化或心率等心血管信號(hào)可以為臨床應(yīng)用中的患者診斷、老年人和心臟病患者的日常健康護(hù)理以及持續(xù)的運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)提供有價(jià)值的信息。反射式光電容積脈搏波 (PPG) 脈沖傳感器 具有無創(chuàng)測(cè)量、成本低、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試方法方便等特點(diǎn)，是消費(fèi)市場(chǎng)獲取心血管信號(hào)的首選。一個(gè)基本的 PPG 傳感器只需要一個(gè)光發(fā)射器來照亮皮膚組織和一個(gè)光電探測(cè)器 (PD) 來檢測(cè)與微血管床中血容量變化相關(guān)的光強(qiáng)度的微小變化。
脈搏傳感器二、透射式
與使用紅外光源的透射式 PPG 傳感器 [ 9-11 ]相比，一般使用綠色光源的反射式傳感器可以放置在人體皮膚的各個(gè)部位以檢測(cè)反射光，并且不易受來自熱應(yīng)力 [ 11]。光發(fā)射器和 PD 之間更短的距離有助于提高反射光比和最終的設(shè)備性能。因此，陳等人。最近開發(fā)了一種基于集成光電芯片的 PPG 脈沖傳感器 [ 12] 其中LED和PD在一個(gè)芯片上，藍(lán)寶石基板可以直接接觸皮膚。
脈搏傳感器三、測(cè)量結(jié)果
對(duì)基于藍(lán)色和綠色 LED 外延片的兩個(gè)集成光電芯片的性能進(jìn)行表征，以確定適用于 PPG 脈沖傳感器系統(tǒng)的芯片。為方便測(cè)量，集成光電芯片倒裝芯片結(jié)合到柔性印刷電路板上并封裝在聚二甲基硅氧烷(PDMS)條中，如圖3的插圖所示 。圖 3(a)顯示了基于藍(lán)色外延片的 PD 的 IV 特性，其中不同的電流注入到相鄰的 LED 中。對(duì)于圖3 (a)左下角的 IV 曲線 ，中心 MQW 二極管用作 LED，外圍是 PD。對(duì)于圖3右下方的 IV 曲線 (a)，中央MQW二極管用作PD，外圍是LED。對(duì)比顯示，外圍MQW二極管由于輸出電流較高，更適合PPG的PD。
脈搏傳感器四、反射式
集成光電芯片上的 PD 光電流主要是由 LED 直接發(fā)出的光引起的，只有一小部分是由反射器發(fā)出的光引起的。結(jié)果如圖 5所示表明由反射光引起的 PD 光電流隨著集成光電芯片和反射器之間的距離而顯著減小。因此，對(duì)于反射式PPG脈搏傳感器的實(shí)際應(yīng)用，芯片與人體皮膚的距離應(yīng)盡可能小。相應(yīng)的解決方案是將芯片的藍(lán)寶石襯底直接放置在皮膚上，降低藍(lán)寶石厚度。
脈搏傳感器五、濾波電路組成
因此，選用藍(lán)芯片構(gòu)成完整的PPG脈搏傳感器原型。傳感器系統(tǒng)的示意圖如圖
7(g)所示，它由具有新穎環(huán)形結(jié)構(gòu)的集成光電芯片、基于Arduino板的信號(hào)處理、信號(hào)分析和顯示單元的放大和濾波電路組成。藍(lán)色的集成光電芯片和周信號(hào)處理電路封裝在手指大小的PCB中。從指尖采集的處理后的
PPG 脈沖信號(hào)如圖 7所示(h)，可以從軟件算法中得到對(duì)應(yīng)的心跳。因此，所提出的PPG脈搏傳感器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的心臟脈搏監(jiān)測(cè)。
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