用于节能的、低噪声的光电容积描记传感器模块的光学布置制造技术

本公开提供用于节能的、低噪声的光电容积描记传感器模块的光学布置。根据一个实施例，本文提供了包括至少一个发光二极管(LED)和至少一个光电探测器的节能的、低噪声的光电容积描记(PPG)传感器模块。LED通常被配置为发射光并且被定位在所述PPG传感器模块上而用于将所发射的光透射到生物组织中。所述光电探测器通常被配置为用于探测由LED透射到生物组织内并反射回到光电探测器的光的一部分。光电探测器是细长光电探测器，细长光电探测器的较长尺度是细长光电探测器的较短尺度的至少1.5倍。通过将细长光电探测器定位在PPG传感器模块上而使得较长尺度面向第一LED，细长光电探测器被配置为收集显著更多的反射光，从而增加探测到的信号的信噪比。

【技术实现步骤摘要】
用于节能的、低噪声的光电容积描记传感器模块的光学布置
本公开涉及生物计量监测装置，更具体地，涉及用于包括在生物计量监测装置内的功率节能的、低噪声的光电容积描记(PPG)传感器模块的光学布置。技术背景以下描述和实施例仅作为背景提供，并且旨在揭示被认为与本公开可能相关的信息。不必特意承认或解释为任何以下信息构成影响本文要求保护的主题的可给予专利权的特征的现有技术。传感器、电子设备和电源小型化的最新进展已经允许提供小尺寸的个人健康监测装置，本文中也称为生物计量监测装置。这些生物计量监测装置可以从嵌入在所述监测装置内的各种传感器或装置收集和/或导出一种或多种类型的生理数据和/或环境数据，并且可以将这类数据提供给用户接口而用于跟踪个人的健康或运动状态。可以由生物计量监测装置监测的信息的示例类型包括但不限于心率、血压、氧饱和度、呼吸率、皮肤温度和/或体温、燃烧的卡路里、爬楼和/或下楼的楼层、曝光、地理位置和/或前进方向、高度、步行速度和/或行进距离等。特别地，在现今生物计量感测技术可用于各种身体状况的人(从寻求提高运动表现的严肃认真的运动员到仅寻求更健康的、更积极的生活方式的人)之后，心率监测是最受欢迎的一种生物计量感测技术。精确的心率监测能够精确计算消耗的卡路里，使其更容易维持饮食养生方案。心率测量传统上限于使用链接到外部装置(如智能手机或专用健身手表)或链接到集成到健身设备上的电触摸板的胸带。这些心率测量解决方案带来了独特的问题。例如，许多人发现胸带穿起来不方便或不舒服，而其他人发现智能手机难以在跑步或骑行时进行监测，并且健身手表太笨重了。由于集成到健身设备上的电触摸板不是可穿戴式生物计量监测装置，因此只能在使用者与触摸垫接触时从这些装置获取心率测量值。最近，在腕戴式生物计量监测装置中提供了心率监测技术，因此只要使用者佩戴所述装置，就提供了更方便舒适的方式来测量心率。然而，常规的腕戴式监测装置的测量准确度经常受到以下所列项的不利影响：手腕中较弱(与胸部相比)的血流信号、由使用者的运动引入测量信号的复杂运动伪影、皮肤组成和颜色的差异和/或设计不良的传感器模块。常规的腕戴式监测装置也趋向于是昂贵的且耗电量大的，这限制了这类装置的电池寿命。一些腕戴式生物计量监测装置也是笨重的且佩戴麻烦。因此，需要一种改进的生物计量监测装置，所述生物计量监测装置在空间受限的可穿戴式装置中提供精确的心率监测，同时降低功耗并延长电池寿命。虽然本文描述的是可穿戴式生物计量监测装置，并且更具体地是腕戴式生物计量监测装置，但是本文所描述的传感器模块可用于各种各样的可穿戴式设备(包括活动跟踪健身带和条带、计步器和智能手表)以及健身设备、浴室秤以及患者监测装置。
技术实现思路
光电容积描记(PPG)传感器模块和包括所述PPG传感器模块的生物计量监测装置的各种实施例的以下描述不以任何方式解释为限制所附权利要求的主题。总体来说，认为本公开提供了一种改进的生物计量监测装置，所述生物计量监测装置在空间受限的可穿戴式装置中提供精确的心率监测，同时降低功耗并延长电池寿命。本公开通过使所述生物计量监测装置具有改进的PPG传感器模块来实现这些目的，所述PPG传感器模块优化了包括在所述PPG传感器模块内的一个或多个发光二极管和一个或多个光电探测器的光学布置，以便使可以从生物组织接收并由所述(多个)光电探测器探测的反射光的量最大化。本文所公开的优化布置改善了探测到的信号的信噪比(SNR)，并且提高了心率测量信号的准确度，使得即使在具有较弱血流的周边位置也能够精确地监测心率。由于改进了SNR，所以可以在本文描述的PPG传感器模块中降低功耗而不会不利地影响测量准确度。在一些实施例中，可以通过在所述PPG传感器模块内提供多个LED/光电探测器对来进一步改进准确度，每对LED/光电探测器可能提供用于接收来自生物组织的反射光的不同信号路径。这提供了信号分集并且可以通过使具有最佳SNR的反射信号用于监测心率而显著地改进各种不同皮肤类型和测量位置(例如，手腕、上臂、脚踝等)的测量准确度。虽然本文描述的是用于监测心率，但是本文描述的PPG传感器模块还可用于监测呼吸和其他循环状况，如血压、血容量、动脉硬度、氧饱和度、血糖水平、心律、血容量不足以及血容量过多等等。根据一个实施例，改进的PPG传感器模块通常可以包括第一发光二极管(LED)和光电探测器。所述第一LED可以被配置为发射光，并且可以定位在PPG传感器模块上而用于将所发射的光透射到生物组织中。所述光电探测器通常可以被配置为探测由所述第一LED透射到生物组织中并反射回到所述光电探测器的部分光。通常，第一LED可以被配置为发射基本上任何可见光或红外波长范围内的光。然而，当监测心率时，所述第一LED可以被配置为发射在约495nm和约570nm之间延伸的波长范围内的绿光。在一些实施例中，所述改进的PPG传感器模块可以包括一个或多个附加LED，所述附加LED被配置为发射绿光、蓝光(例如，在约380nm和450nm之间延伸的波长范围内的光)、红光(例如，在约620nm和750nm之间延伸的波长范围内的光)和/或红外光(例如，在约700nm和1mm之间延伸的波长范围内的光)。当由一个或多个附加LED发射的光被透射到生物组织中、反射回并被光电探测器接收时，所反射的/接收的光可以用于为心率测量信号提供信号分集，去除由第一LED发射并由光电探测器探测的绿光信号中的噪声分量，或收集和/或导出与其它生理条件有关的数据。光电探测器优选地是细长光电探测器，所述细长光电探测器的较长尺度是所述细长光电探测器的较短尺度的至少1.5倍。在一些实施例中，所述细长光电探测器的较长尺度可以是所述细长光电探测器的较短尺度的大约2倍至大约8倍。所述细长光电探测器定位在PPG传感器模块上，使得所述较长尺度面向第一LED。在一些实施例中，所述细长光电探测器可被定位在PPG传感器模块上，使得PPG传感器模块的平面中穿过第一LED的中心点的线实质上平分细长光电探测器的较长尺度。以这种方式布置细长光电探测器可以最大化可由细长光电探测器探测的反射光的收集角度，使得可以沿着其较长边缘收集更多的反射光。在一些实施例中，PPG传感器模块还可以包括附加细长光电探测器，所述附加细长光电探测器被配置为探测由第一LED透射到生物组织中并反射回所述附加细长光电探测器的部分光。类似于所述第一细长光电探测器，所述附加细长光电探测器的较长尺度优选地是所述附加细长光电探测器的较短尺度的至少1.5倍(更优选地，约2至约8倍)。所述第一LED布置在所述细长光电探测器和所述附加细长光电探测器之间。在一些实施例中，所述附加细长光电探测器可以定位在PPG传感器模块上，使得PPG传感器模块的平面中穿过第一LED的中心点的线实质上平分所述细长光电探测器的较长尺度和所述附加细长光电探测器的较长尺度。在一些实施例中，可以通过将每个LED/光电探测器对分隔开不同的距离来提供信号分集。例如，所述细长光电探测器和所述第一LED分隔开的第一距离可以基本上大于或基本上小于所述第一LED和所述附加细长光电探测器分隔开的第二距离。为了“基本上大于”或“基本上小于”，第一距离可以是第二距离的大约2倍至大约16倍或大约1/2至大约本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电容积描记传感器模块即PPG传感器模块，包括：被配置为发射光的第一发光二极管即第一LED，其中，所述第一LED定位在所述PPG传感器模块上，以将发射的所述光透射到生物组织中；以及细长光电探测器，所述细长光电探测器被配置为探测由所述第一LED透射到所述生物组织中并反射回到所述细长光电探测器的所述光的一部分，其中，所述细长光电探测器的较长尺度是所述细长光电探测器的较短尺度的至少1.5倍，并且其中，所述细长光电探测器定位在所述PPG传感器模块上，使得所述较长尺度面向所述第一LED。

【技术特征摘要】
2016.04.05 US 15/091,2051.一种光电容积描记传感器模块即PPG传感器模块，包括：被配置为发射光的第一发光二极管即第一LED，其中，所述第一LED定位在所述PPG传感器模块上，以将发射的所述光透射到生物组织中；以及细长光电探测器，所述细长光电探测器被配置为探测由所述第一LED透射到所述生物组织中并反射回到所述细长光电探测器的所述光的一部分，其中，所述细长光电探测器的较长尺度是所述细长光电探测器的较短尺度的至少1.5倍，并且其中，所述细长光电探测器定位在所述PPG传感器模块上，使得所述较长尺度面向所述第一LED。2.如权利要求1所述的PPG传感器模块，其中，所述细长光电探测器的较长尺度是所述细长光电探测器的较短尺度的大约1.5倍至大约8倍。3.如权利要求1所述的PPG传感器模块，其中，所述细长光电探测器进一步定位在所述PPG传感器模块上，使得所述PPG传感器模块的平面中穿过所述第一LED的中心点的线基本上平分所述细长光电探测器的较长尺度。4.如权利要求1所述的PPG传感器模块，还包括第二LED，所述第二LED被配置为发射光并且被定位在所述PPG传感器模块上以将发射的所述光透射到所述生物组织中。5.如权利要求4所述的PPG传感器模块，其中，所述细长光电探测器定位在所述第一LED和所述第二LED之间的所述PPG传感器模块上，使得所述PPG传感器模块的平面中穿过所述第一LED的中心点和所述第二LED的中心点的线基本上平分所述细长光电探测器的较长尺度。6.如权利要求4所述的PPG传感器模块，其中，所述细长光电探测器进一步定位于所述第一LED和所述第二LED之间的所述PPG传感器模块上，使得所述PPG传感器模块的平面中穿过所述第一LED的中心点和所述第二LED的中心点的线穿过所述细长光电探测器的较长尺度的上半部分。7.如权利要求4所述的PPG传感器模块，还包括第三LED和第四LED，所述第三LED和第四LED中的每一个被配置为发射光并且被定位在所述PPG传感器模块上以将发射的所述光透射到所述生物组织中。8.如权利要求7所述的PPG传感器模块，其中，所述细长光电探测器进一步定位在所述第三LED和所述第四LED之间的所述PPG传感器模块上，使得所述PPG传感器模块的平面中穿过所述第三LED的中心点和所述第四LED的中心点的线穿过所述细长光电探测器的较长尺度的下半部分。9.如权利要求1所述的PPG传感器模块，还包括附加细长光电探测器，所述附加细长光电探测器被配置为探测由所述第一LED透射到所述生物组织中并反射回所述附加细长光电探测器的所述光的一部分：其中，所述附加细长光电探测器的较长尺度是所述附加细长光电探测器的较短尺度的至少1.5倍；并且其中，所述附加细长光电探测器被定位在所述PPG传感器模块上，使得所述PPG传感器模块的平面中穿过第一LED的中心点的线基本上平分所述细长光电探测器的较长尺度和所述附加细长光电探测器的较长尺度。10.如权利要求9所述的PPG传感器模块，其中，所述第一LED布置在所述细长光电探测器和所述附加细长光电探测器之间，使得所...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·M·阿特梅捷德，B·P·德斯格诺，Y·张，
申请(专利权)人：硅实验室公司，
类型：发明
国别省市：美国,US