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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(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(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(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,，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(dòng)和健身跟蹤來說也是如此，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)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(shí)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(bào)告[1]顯示,，市場同比增長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(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)——對于不愿頻 繁充電的消費(fèi)者來說,，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(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(gè)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(dòng)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?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(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(gè)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(gè)稱為外部量子效率(EQE)的參數(shù)來表示,。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(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[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(shí),，EQE會(huì)迅速下降。為了在需要多個(gè)波長的應(yīng)用中獲得最大的性能,，需要對頻譜的每個(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(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(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)測設(shè)備的用戶提供了幾個(gè)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(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,。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(hào)。

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(dòng)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(dòng)來說,，測量的準(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)緩解這些問題,。在其他一些運(yùn)動(dòng)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(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(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。它還增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)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(gè)健康和健康至上的未來時(shí),，這些創(chuàng)新預(yù)示著可穿戴健康監(jiān)測的新時(shí)代,，改善生活和醫(yī)療保健效率。

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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(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,。