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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)用越來越廣泛雙重提升。該技術(shù)為醫(yī)療用途提供了幾個(gè)好處戰略布局。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)表現明顯更佳，如心率(HR)和血液氧合狀態。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)閷τ诳焖倩謴?fù)來說指導，患者可以從床上爬起來廣泛認同，并盡快在診所開始活動(dòng)，這是至關(guān)重要的更高效，例如手術(shù)后全面協議。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具體而言，因?yàn)樗鼈兺ǔ工具；诠鈱W(xué)技術(shù)這些設(shè)備重量輕，便于攜帶喜愛，患者通持匾慕巧?？梢栽诩抑袉为?dú)進(jìn)行測量，并與醫(yī)生遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)向好態勢。

健康監(jiān)測技術(shù)在消費(fèi)者中也非常受歡迎平臺建設。這并不奇怪，因?yàn)楝F(xiàn)代可穿戴設(shè)備貢獻力量，如智 能手表和運(yùn)動(dòng)手表使用、腕帶和智能戒指，可以提供很多有用和有趣的身體狀態(tài)信息發行速度， 包括壓力水平更加堅強、恢復(fù)情況和睡眠質(zhì)量與時俱進。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初步建立，它們也成為許多人追求更健康生活方式的動(dòng)力實施體系。可穿戴式健康監(jiān)測設(shè)備也變得如此小巧舒適各有優勢， 以至于用戶幾乎不會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)重要的意義，數(shù)據(jù)采集也不需要用戶付出任何努力持續。對于運(yùn)動(dòng)和健身跟蹤來說也是如此，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)過程中再獲，由于基于手腕的測量越來越精確產品和服務，不再需要單獨(dú)的胸帶來測量心率。*新的情況是體驗區，由于2019冠狀病毒大流行以及盡早識別感染的必要性增多，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。因此有望， IDC最近的一份報(bào)告[1]顯示進一步推進，市場同比增長8.5%，總出貨量達(dá)到1.163億臺設(shè)備顯示，這并不奇怪創新為先。

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)科普活動。這些參數(shù)的測量是基于led照射在皮膚上的光創新延展，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信號強(qiáng)度的影響長期間。要產(chǎn)生更強(qiáng)的信號基本情況，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)不想要的效果脫穎而出。另一種選擇是從更大的區(qū)域收集光規定。然而，這意味著設(shè)備需要更大紮實做，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研究進展，這意味著與給定LED功率相比，它產(chǎn)生的信號比噪聲強(qiáng)連日來。

重要的是要注意快速融入，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)認為。始終需要在測量精度、功耗和PD尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡增強，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)重重要意義。例如，精度可能是醫(yī)療可穿戴設(shè)備最重要的參數(shù)更加廣闊，而功耗和電池壽命對智能手表來說很重要規劃。PD占用的面積可能是小型設(shè)備(如智能環(huán))的限制因素。盡管如此可以使用，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)衡進入當下，而不管哪個(gè)是*理想的。

圖1(a)所示蓬勃發展， PPG是基于用LED照射皮膚，并用PD測量反射光或透射光積極回應。(b)部分入射光被組織開放要求、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也逐步提升。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註入了新的力量。HR可以得以確定通過測量這種變化重要的作用。

圖片來源:Jerry Kavan最深厚的底氣。非版權(quán)圖片來自Unsplash

ElFys黑硅感應(yīng)結(jié)技術(shù)

圖3先進水平，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)的黑色硅前表面全面展示，以消除光學(xué)損耗重要平臺。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)核心技術。請注意應用提升，該圖展示了一個(gè)廣義的PD結(jié)構(gòu)深入，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)來表示前沿技術。它描述了每個(gè)入射光子從器件中收集到多少載流子基礎。理想的PD具有100%的EQE，這意味著如果100個(gè)光子撞擊PD前表面影響力範圍，則在外部電路中收集100個(gè)電荷載流子大局，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所示邁出了重要的一步。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]有序推進，這意味著它們可以捕獲每一束光。在大多數(shù)波長下需求，EQE 大于99%堅定不移， 在 350nm 左右的波長下，EQE最小可達(dá) >96%更讓我明白了。接近理想的EQE表明迎難而上，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探索，電損耗可以忽略不計(jì)堅持先行。在較深的UV中，EQE甚至高于100%滿意度，這是可能的情況較常見，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]主要抓手。這部分光譜非常接近黑色硅納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部的前表面體製，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創新科技，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)服務延伸，這意味著ElFys PD可以“捕獲每一束光"。與其他技術(shù)相比具有重要意義，這種改進(jìn)是顯而易見的進一步。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)化強大的功能。

圖4還比較了ElFys產(chǎn)品與競爭設(shè)備的性能應用的因素之一，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光譜表明預期，雖然在一定的窄波長范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)相對較高的性能開展試點，但當(dāng)遠(yuǎn)離器件優(yōu)化的區(qū)域時(shí)，EQE會迅速下降。為了在需要多個(gè)波長的應(yīng)用中獲得最大的性能推進一步，需要對頻譜的每個(gè)部分使用單獨(dú)的PD經過。單個(gè)ElFys  PD可以覆蓋整個(gè)UV-VIS-NIR范圍，具有高性能力度。該圖還顯示明確了方向，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高幾倍勇探新路。

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)品的比較生產效率。ElFys技術(shù)對綠光的靈敏度提高了約50%產能提升，對紅光產(chǎn)生增強(qiáng)了大于15%的信號。

由于圖5中所比較的產(chǎn)品的噪聲水平相似節點，響應(yīng)的差異直接說明了信噪比的差異通過活化。 因此落地生根，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% 的高頻信號健康發展，這意味著PPG測量精度的極大提高有效保障。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，并且較弱的光信號從PD產(chǎn)生同樣強(qiáng)的電輸出長效機製。因此講實踐，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奮戰不懈，并提供了提高設(shè)備電池壽命的可能性市場開拓。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水平有所增加。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)各項要求，并使設(shè)備變得更小。

非版權(quán)圖片來自Unsplash

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)具體的好處越來越重要的位置。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)新技術，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)用順滑地配合。在醫(yī)療應(yīng)用中深入，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前沿技術。另一方面如果患者可以在家中自行監(jiān)測和檢查基礎，只需要護(hù)士或醫(yī)生的遠(yuǎn)程會診，那么醫(yī)療保健所需的資源數(shù)量就會減少多種方式，這在人口老齡化同時(shí)又缺乏受過教育的人員的現(xiàn)代社會中至關(guān)重要對外開放。 此外，消費(fèi)者可穿戴設(shè)備也支持同樣的目標(biāo)深入交流研討，如果它們能讓人們對自己的健康更感興資料，并激勵(lì)他們遵循更健康的生活方式，減少對醫(yī)療保健的需求實現了超越。

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)疾病新產品。可穿戴設(shè)備可能會在佩戴者出現(xiàn)任何明顯癥狀之前就顯示出心律失硺蛄鹤饔?；蛩吆粑鼤和ｉL遠所需，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

在本文中讓人糾結，我們探討了高性能光電二極管對可穿戴健康監(jiān)測的意義規模。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)和電氣損耗聯動，革*性的改變了PD性能能力建設，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。

在CO*ID-19大流行期間生產體系，可穿戴設(shè)備的用戶通過觀察心率和體溫的變化服務，在感染后的幾天前就知道要呆在家里，沒有進(jìn)一步傳播疾病能力和水平，這在covid -19大流行期間非常具體覆蓋。

在體育運(yùn)動(dòng)中，光學(xué)測量使基于HR的訓(xùn)練成為可能研究，而不需要單獨(dú)的不舒服的胸帶高效。然而，對于某些類型的運(yùn)動(dòng)來說提高，測量的準(zhǔn)確性受到限制機構，因?yàn)檫@些運(yùn)動(dòng)需要非常精確地了解心率。靈敏度的提高將會緩解這些問題交流。在其他一些運(yùn)動(dòng)中基礎，如超跑或徒步旅行，可以通過降低能耗的形式利用高PD性能還不大，因?yàn)楫?dāng)體育活動(dòng)可以持續(xù)數(shù)天時(shí)高產，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)備成為可能發揮作用。如今良好，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)備發揮，如戒指和耳塞顯著。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開放以來，甚至可以設(shè)計(jì)更精細(xì)的器件占，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)利益結構不合理，從更精確的醫(yī)療診斷到早期疾病檢測動手能力。它還增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練逐步改善，降低了功耗意見征詢，并使更小、更簡潔的可穿戴設(shè)備成為可能大大提高。當(dāng)我們擁抱一個(gè)健康和健康至上的未來時(shí)的必然要求，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。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)于ELFYS公司

ElFys, Inc.成立于2017年完善好，位于芬蘭埃斯波大面積。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)由前高級研究人員問題分析、工程負(fù)責(zé)人和商業(yè)**人士組成培養。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)更加完善。為了大批量生產(chǎn)形式，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支撐作用，可以捕捉到每一縷光線日漸深入。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)合同時。