用于可穿戴健康监测的高性能光电二极管
摘要
可穿戴医疗技术在临床环境和日常健康监测中都得到了广泛的普及。ElFys在该领域引入了高性能光电二极管(PD)，利用黑硅感应结技术，旨在提高可穿戴健康监测设备的准确性和效率，特别是在光电体积脉搏描记(PPG)方面。
重点:
•可穿戴健康技术是临床和日常环境中持续监测的组成部分。
•ElFys解决了可穿戴健康监测仪对高精度、便携性和能效的需求。
•光电体积脉搏描记(PPG)是一项核心技术，为心率和血氧评估提供了对血容量变化的光学见解。
•ElFys的黑硅感应结PD在测量精度，功率效率和整体功能方面突出他们的有效性。
•该创新技术消除了光学损耗，并利用无重组pn结，在UV-VIS-NIR光谱范围内实现了接近理想的外部量子效率(EQE)。
•ElFys的SM系列PD专为可穿戴式健康监测而设计，具有卓越的灵敏度，对绿光和红光的光响应显着改善。
•优点包括更高的信噪比、更高的精度、更低的功耗，以及设计更小、更谨慎的可穿戴设备的潜力。
•优先考虑终端用户体验，为精确的医疗诊断、早期疾病检测和有效的运动训练提供潜力。 ElFys黑硅感应结技术代表了可穿戴健康监测领域的重大进步，有望提高准确性、灵敏度和以用户为中心的优势，与不断发展的健康和保健技术领域保持一致。
作者简介:
Toni Pasanen是ElFys公司的高级项目工程师，也是该公司的联合创始 人之一。
他拥有芬兰阿尔托大学(Aalto University)微纳米科学(Tech.)博士学位，具有基于半导体的光电器件的应用研究背景。他在各种类型的光和辐 射探测器的设计和制造方面有几年的经验，在纳米结构黑硅表面和薄 膜方面也有很强的专业知识。帕萨宁博士撰写了数十篇同行评议的科 学文章，写了一本书关于黑硅的性质和应用的章节，并在几个国际会 议和其他活动中展示了他的工作。
前言
可穿戴医疗技术在临床环境和日常健康监测方面的应用越来越广泛。该技术为医疗用途提供了几个好处。首先，可穿戴设备可以在佩戴者移动时持续监测重要的身体参数，如心率(HR)和血液氧合。这一点很 重要，因为对于快速恢复来说，患者可以从床上爬起来，并尽快在诊所开始活动， 这是至关重要的，例如手术后。可穿戴技术广泛使用的另一个原因是测量的简单性和非侵入性，因为它们通常基于光学技术这些设备重量轻，便于携带，患者通常可以在家中单独进行测量，并与医生远程共享数据。
健康监测技术在消费者中也非常受欢迎。 这并不奇怪，因为现代可穿戴设备，如智 能手表和运动手表、腕带和智能戒指，可以提供很多有用和有趣的身体状态信息， 包括压力水平、恢复情况和睡眠质量。事实上，这些小工具已经使不断了解健康和 健身水平成为一种普遍趋势，它们也成为许多人追求更健康生活方式的动力。可穿戴式健康监测设备也变得如此小巧舒适， 以至于用户几乎不会注意到自己戴着它们而功耗和电池寿命对智能手表来说很重要。(例如智能戒指)，数据采集也不需要用户付出任何努力。对于运动和健身跟踪来 说也是如此，因为在运动过程中，由于基于手腕的测量越来越精确，不再需要单独的胸带来测量心率。*新的情况是，由于2019 冠状病毒大流行以及尽早识别感染的必要性，使得更广泛的公众对持续监测生命体征的好处了解非常具体。因此， IDC最近的一份报告[1]显示，市场同比增 长8.5%，总出货量达到1.163亿台设备，这并不奇怪。
可穿戴健康监测设备的主要特点之一是光学测量人体重要参数，包括心率(HR)和外周 血氧饱和度(SpO2)。这些参数的测量是基于led照射在皮肤上的光，以及使用称为光电 二极管(PD)的光学传感器测量透射或反射光的量。测量的精度很大程度上受PD信号强度的影响。要产生更强的信号，一个显而易见的解决方案是增加LED灯的功率，然而， 这自然会以电池寿命为代价——对于不愿频 繁充电的消费者来说，这是一个不想要的效果。另一种选择是从更大的区域收集光。然而，这意味着设备需要更大，这减少了设计师对二极管位置的自由度，并且与设备小型化的趋势背道而驰。提高测量精度的第三种更有效的方法是选择具有灵敏度尽可能高的PD，这意味着与给定LED功率相比，它产生的信号比噪声强。
重要的是要注意，并非所有的最终用户应用程序都以最大的准确性为目标。始终需要在测量精度、功耗和PD尺寸之间进行权衡，并且不同类型的可穿戴健康监控应用程序可能对要优化的参数具有不同的权重。例如，精度可能是医疗可穿戴设备最重要的参数，而功耗和电池寿命对智能手表来说很重要。PD占用的面积可能是小型设备(如智能环)的限制因素。尽管如此，具有最高性能的PD可以在这些参数之间进行最佳权衡，而不管哪个是最理想的。
PPG 简介
可穿戴设备中HR和SpO2的测量通常基于一种称为光电体积脉搏描记(PPG)的技术[2]。 它是一种光学测量外周循环中血容量变化的方法。在这项技术中，PPG模块紧紧贴 着佩戴者的皮肤，由LED灯照亮。一部分光被血液、组织和骨骼吸收，而一部分光通过身体部位透射，一部分光被反射。吸收光的数量是通过用PD图 1a）测量透射光或反射光来表征的，PD得到的也是和光强成比例的电信号。以前用的方法(测量透射光)被用于脉搏血氧 仪，例如测量患者指尖或耳垂的SpO2, 而消费产品，如智能手表和戒指，更多地依赖于反射光的测量，因为它们通常被放置在身体较厚的部位，而这些部位光线无法穿透。
动脉中的血量周期性地变化，其频率由⼼脏度跳动的的速度决定。也可以感觉到手腕或颈部的脉搏，大部分光被吸收，PD测量的透射/反射光强度较小(图1b)。光信号中两个脉冲之间的时间表示一个心脏周期，监测光强度峰值的数量作为时间的函数得到每分钟跳动(bpm)的 的⼼率。在实践中，这个过程并不是那么 简单，但是先进的信号处理算法能够从PD 信号的周期性变化中确定⼼率。
尽管测量可以检测动脉血容量的变化，但它不能量化血的量，因为PD测量的定量光强度除了取决于动脉血液的吸收外，还取决于几个未知因素。这些因素包括组织、骨骼和静脉血的吸收，以及测量单元与皮肤的贴合程度。
图1(a)所示， PPG是基于用LED照射皮肤，并用PD测量反射光或透射光。
(b)部分入射光被组织、静脉血和动脉血吸收，其余部分通过身体透射或从身体反射。吸收光的量是周期性变化的，因为动脉血容量随心脏周期的阶段而变化。HR可以得以确定通过测量这种变化。
血液对光的吸收取决于光的波长(图2)。绿光被人体血液有效吸收，因此通常用于测量心率。吸收还取决于血液中的血红蛋白(Hb)分子是否与氧结合。这种效应在红光和近红外(NIR)光下最强，这就是为什么 这些波长通常用于PPG测量SpO2。在这个 测量中，光的吸收在两个不同的波长，通 常约660和940nm波长，是用PD进行测量。
由图2可知，氧合Hb分子浓度越高，对红光的吸光度越低，对NIR的吸光度越高。通过比较这两个波长下的信号电平，数据 算法可以计算出血红蛋白及其含氧分子的相对浓度，从而得出血氧饱和度水平。
影响LED颜色选择的另一个因素是光的吸收深度。一般来说，短波长的光更靠近皮肤表面被吸收，而长波的光则更深入组织。波长较短的绿光大多被表面组织反射，与组织深处较大的动脉相比，小动脉中的血液量随用户手的运动变化较小。这使得由用户的运动引起的信号中的噪声更小。因此，在佩戴者移动的情况下，例如在锻炼期间，绿光更适合用于HR测量。依靠红光的光学测量，例如SpO2测量，通常要用户在数据采集过程中保持相当静止才能准确。
选择LED时要考虑的第三个因素，特别是可穿戴设备，是功耗。绿色LED灯的缺点 是它们通常比红色或NIR LED灯更耗电，因为波长较小的光子携带更多的能量，因此需要产生更多的电力。如果用相同的功率驱动绿色和红色LED灯，红色LED灯会更亮一些，这样就能产生更大的光强。事实上，当佩戴者在休息时，有些设备会采用红光或者NIR光来监测心率从而节约电池。
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ElFys黑硅感应结技术
PPG 模块的关键部件之一是 PD，它用于测量透过 人体或从人体反射的光线。PD 的性能在很大程度 上受光吸收效率的影响。减少光学损耗的常用方法 是在 PD 表面涂上抗反射 (AR) 涂层，以减少 PD表面的光反射。虽然这种技术在单一的窄波长区域 效果很好，但 AR 涂层甚至会增加其他波长的光损 耗，而这并不是它的设计目的。
ElFys 光致发光器件的前表面（图 3）没有 AR 涂 层，而是有微小的纳米结构，即黑色硅（Si），光 线会在这些纳米结构中损失。用更科学的术语来说，黑色硅纳米结构形成了一个分级折射率层，因此，入射光线看不到空气和硅之间的界面，也就不会发生反射。因此，从紫外线（UV）到可见光（VIS）和近红外的宽波长范围内，黑硅表面的反射几乎 为零，所有光线都被硅材料吸收。黑色硅还能有效 散射光，增加光路长度，从而减少长波长光的传输，因为长波长光在硅中传输距离较长，然后才会被 吸收。因此，ElFys PD 的光学损耗可以忽略不计。
100% 的吸收率意味着每一个入射光子都会产生一个电荷对：一个电子和一个空穴。 但是电荷载流子收集通常是通过在 PD 正面的一薄层 硅中掺入与硅块极性相反的掺杂剂，形成 p-n 结来实现的。然而，高掺杂层会导致过多的电 荷载流子重组，从而限制了 PD 的性能，尤其 是被掺杂层吸收的短波长光。
为了避免这些问题，ElFys PD 采用了获得***感应结技术。黑色硅纳米结构表面镀有一层 带电薄膜，可在 PD 前表面附近产生强大的电 场 [3]。电场使表面附近硅材料的极性发生逆 转（图 3），并形成 p-n 结，负责电子和空穴 的汇聚。由于不需要外部掺杂剂，因此可以有 效地将电损耗降至最低，对于短波长光也是如 此。
图3，ElFys PD基于黑硅感应结**技术。他们有一个纳米结构的黑色硅前表面，以消除光学损耗。 电荷载流子的收集是通过感应结技术实现的:在黑色表面涂上一层高电荷的薄膜硅表面反转了PD前表面的极性，并实现了“无重组”的pn结。请注意，该图展示了一个广义的PD结构，而不是任何特定的 ElFys产品。
PD测量光的性能可以用一个称为外部量子效率(EQE)的参数来表示。它描述了每个入射光子从器件中收集到多少载流子。理想的PD具有100%的EQE，这意味着如果100个光子撞击PD前表面，则在外部电路中收集100个电荷载流子，并且没有载流子因光学或电气而损失而丢失。
ElFys黑硅感应结PD的EQE如图4所示。ElFys PD在整个UV-VIS-NIR波长范围从200到1000 nm具有接近100%的EQE[4,5]，这意味着它们可以捕获每一束光。在大多数波长下，EQE 大于 99%， 在 350nm 左右的波长下，EQE最小可达 >96%。接近理想的EQE表明，黑色硅纳米结构确实消除了所有的光学损耗，并且由于感应结和其他先进技术有效地减少了硅材料及其表面的载流子重组，电损耗可以忽略不计。在较深的UV中，EQE甚至高于100%，这是可能的，因为具有短波长的光子具有如此高的能量，以至于它们可以在每个光子中产生多个电荷载流子对[6,7]。这部分光谱非常接近黑色硅纳米结构内部的前表面，并且>100% EQE表明由于纳米结构内部或其表面的缺陷而导致的复合损失非常小。
图4，获得**的黑硅感应结技术在UV-VIS-NIR的宽波长范围内实现了接近100%的外部量子效率(EQE)，这意味着ElFys PD可以“捕获每一束光”。与其他技术相比，这种改进是显而易见的。值得注意的是，传统的PD可能只针对窄波长区域进行优化。
图4还比较了ElFys产品与竞争设备的性能，这些设备已根据其制造商针对UV和NIR光谱范围进行了优化。竞争器件的EQE光谱表明，虽然在一定的窄波长范围内可以实现相 对较高的性能，但当远离器件优化的区域时， EQE会迅速下降。为了在需要多个波长的应用中获得最大的性能，需要对频谱的每个部分使用单独的PD。单个ElFys PD可以覆盖整个UV-VIS-NIR范围，具有高性能。该图还显示，依靠传统的掺杂p-n结技术实现PD的高UV性能是具有挑战性的。ElFys感应结基PD的灵敏度甚至比竞争对手的UV增强PD高几倍。
高性能PD在可穿戴健康监测中的应用
PD的选择对PPG测量的准确性有重大影响。 由于器件负责捕获传输或反射光信号，因此无论使用何种软件算法，其性能都 决定了原始测量数据的质量。
如前一节所 述，ElFys提供基于**黑硅感应结技术的⾼性能PD。ElFys SM系列产品专用于需要高灵敏度的穿戴类监测应用。这些PD封装在表面贴装型封装中，PD附着在印刷电路板(PCB)上，并在光学环 氧树脂中成型以进行表面保护。标准尺寸为3.22 mm2和4.46 mm2，可现货购买，方便插入式更换，但产品也可以灵活定制，以满足客户的特定要求。
PPG应用中PD性能最重要的参数之一是光响应，它告诉PD每瓦入射光产生多大的输 出电流。更高的值意味着更少的光足以产 生同样强的信号，或者类比地说，对于相 同数量的光，电信号更强。图5给出了封 装的ElFys SM系列产品与另一种先进的 PD通常用于PPG的典型响应光谱。ElFys**黑硅感应结技术在绿光波段的灵敏 度提高了约50%，在540nm波长的光响应高达0.40 A/W。在红外波段的响应也接近达到理想值，在630nm时 性能提高了> 15%，达到0.47 A/W。
图5，ElFys黑硅感应结PD的光响应与PPG中常用的其他先进PD产品的比较。ElFys技术对绿光的灵敏度提高了约50%，对红光产生增强了大于15%的信号
由于图5中所比较的产品的噪声水平相似，响应的差异直接说明了信噪比的差异。 因此，与其他先进的产品相比，
ElFys SM组件在给定光强下产生高达50% 的高频信号，这意味着PPG测量精度的极大提高。更⾼的灵敏度也意味着更小的光强度可以更准确地测量，并且较弱的光信号从PD产生同样强的电输出。
因此，PPG模块的LED可以用更小的电流驱动，从而降低了测量的功耗，并提供了提高设备电池寿命的可能性。更高的光响应的第三个好处是，从一个占用更小的空间的PD可以获得相同的信号水平。这为可穿戴设备制造商提供了更大的自由度来优化其设计，并使设备变得更小。
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终端用户受益于光电二极管性能的提高
光电二极管性能的提高为可穿戴健康监测设 备的用户提供了几个具体的好处。光测量的更高灵敏度能够使检测到之前由于精度有限⽽⽆法检测到的新的身体参数，这可能为光 学测量技术开辟全新的用例，并为可穿戴设备带来新的应用。在医疗应用中，更高的测量精度可以更准确地监测生命体征改善诊 断，甚至有可能挽救生命。另一方面如果患 者可以在家中自行监测和检查，只需要护士 或医生的远程会诊，那么医疗保健所需的资 源数量就会减少，这在人口老龄化同时又缺 乏受过教育的人员的现代社会中至关重要。 此外，消费者可穿戴设备也支持同样的目标，如果它们能让人们对自己的健康更感兴，并激励他们遵循更健康的生活方式，减少 对医疗保健的需求。
用更灵敏的传感器持续监测生命体征也可能有助于更早地发现疾病。可穿戴设备可能会在佩戴者出现任何明显症状之前就显示出心律失常或睡眠呼吸暂停，这样就可以在疾病变得过于严重之前及时开始适当的医疗治疗。
结论
在本文中，我们探讨了高性能光电二极管对 可穿戴健康监测的意义。随着可穿戴医疗保 健技术在临床和日常环境中的使用激增，心 率和血氧水平等生命体征监测的准确性至关 重 要 。ElFys 的 黑 硅感应结 (Black Silicon Induced Junction)技术通过消除光学和电气损 耗，革命性的改变了PD性能，获得了接近理想的EQE和比任何其他PD产品监测得到的更强的信号。
在COVID-19大流行期间，可穿戴设备的用户通过观察心率和体温的变化，在感染后的几天前就知道要呆在家里，没有进一步传播疾病，这在covid -19大流行期间非常具体。
在体育运动中，光学测量使基于HR的训练成为可能，而不需要单独的不舒服的胸带。然而，对于某些类型的运动来说，测量的准确性受到限制，因为这些运动需要非常精确地了解心率。灵敏度的提高将会缓解这些问题。在其他一些运动中，如超跑或徒步旅行，可以通过 降低能耗的形式利用高PD性能，因为当体育 活动可以持续数天时，电池寿命至关重要。
在不牺牲测量精度的情况下使用更小的PD的能力使设计更小的可穿戴设备成为可能。如 今，可穿戴式健康监测设备不仅限于智能手表，市场上也有更小的设备，如戒指和耳塞。随着PD性能的提高，设计师在PPG模块尺寸上有更大的自由度，甚至可以设计更精细的器件，包括不同形式的珠宝。
这一进步转化为最终用户的切实利益，从更精确的医疗诊断到早期疾病检测。它还增强了运动训练，降低了功耗，并使更小、更简洁的可穿戴设备成为可能。当我们拥抱一个健康和健康至上的未来时，这些创新预示着可穿戴健康监测的新时代，改善生活和医疗保健效率。
参考文献
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[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).
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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
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[7] M. Garin et al. ”Black silicon UV photodiodes achieve >130% external quantum efficiency”, Physical Review Letters, 125:117702 (2020).
关于ELFYS公司
ElFys, Inc.成立于2017年，位于芬兰埃斯波。该公司以阿尔托大学对光电探测器技术的长期研究工作为基础。我们的核心团队由前高级研究人员、工程负责人和商业**人士组成。公司 利用位于芬兰埃斯波的Micronova纳米加工中心先进的加工设施:2600平方米的CMOS兼容设施，适合研发和半批量生产。为了大批量生产，ElFys与外部的欧洲铸造厂合作。ElFys提供了比以往任何产品都更灵敏的光传感器，可以捕捉到每一缕光线。该技术极大地改善了从健康监测到分析仪器和安全x射线成像的任何光传感应用。ElFys光电探测器的卓越性 能是基于现代MEMS纳米技术和原子层沉积的创造性结合
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