高性能光电二极管：用于可穿戴健康监测设备

摘要

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。

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。

图片来源:Jerry Kavan。非版权图片来自Unsplash

ElFys黑硅感应结技术 

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

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。

非版权图片来自Unsplash 

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*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

[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).

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。