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。

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。

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。

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。

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。

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

參考文獻

[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).
 

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