CN110200605A - 一种心率传感器及采集心率的电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种心率传感器及采集心率的电子设备，该心率传感器包括基板，基板上彼此光隔离地设置有用于发射测试心率所需的绿色光波的第一光波发射模块，用于发射测试血氧与心率所需的红色光波与红外光波的第二光波发射模块，用于接收反射回的绿色光波、红色光波及红外光波的第一光波接收模块及第二光波接收模块；其中，第一光波接收模块及第二光波接收模块分别位于第一光波发射模块的两侧，第二光波发射模块设置两组且分别位于第一光波接收模块及第二光波接收模块远离第一光波发射模块的一侧。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器技术领域，更具体地，涉及一种心率传感器及采集心率的电子设备。
背景技术
现代社会中由于人们的生活方式以及膳食结构不合理等因素，部分心血管疾病如高血压、冠心病等逐渐成为临床医学上的常见病和多发病，这些疾病多属于慢性疾病，大多只能予以控制而无法治愈，需要患者定期去医院检查及服用药物，但这样仍然不能避免突发状况的发生，所以需要实时监测病人的心率变化，从而及时发现问题。随着人们生活水平的提高，越来越多的民众开始通过科学运动来保持身体健康，为保证运动量的合理性和运动的效果，使用心率设备监测心率从而合理地制定运动计划已经越来越广泛地被人们所认可和接受。
近年来，血氧传感器、血压传感器、心率传感器在智能设备、便携测量设备、便携医疗仪器等产品中均有应用。目前市面上的心率传感器一般主要分为分离方案和集成方案两种形式：分离方案由于采用分立元件，在安装时需要分多次进行，安装位置误差较大，增加了发光元件与接收元件之间位置的不一致性，造成接收信号的一致性较差，且分离方案多需要在整机配合结构做光栅设计，存在尺寸大等缺点，在不断的平台更新换代中需要不断选型不同的LED和PD配件去匹配，比较繁琐；现有技术中的集成方案多是光电二极管PD和LED灯的集成方式，具有尺寸大集成度低等缺点。
有鉴于此，需要提供一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种心率传感器及采集心率的电子设备的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种心率传感器，包括基板，所述基板上设置有彼此光隔离的：
第一光波发射模块，所述第一光波发射模块被配置为用于发射测试心率所需的绿色光波；
第二光波发射模块，所述第二光波发射模块被配置为用于发射测试血氧与心率所需的红色光波与红外光波；
第一光波接收模块及第二光波接收模块，所述第一光波接收模块与第二光波接收模块被配置为用于接收反射回的绿色光波、红色光波及红外光波；
所述第一光波接收模块及第二光波接收模块分别位于第一光波发射模块的两侧，所述第二光波发射模块设置两组且分别位于第一光波接收模块及第二光波接收模块远离第一光波发射模块的一侧；
可选地，还包括覆盖在所述基板上的隔离光栅墙，所述隔离光栅墙上开设有多个与基板相连通的容纳槽，所述容纳槽的位置分别与所述第一光波发射模块、第二光波发射模块、第一光波接收模块及第二光波接收模块的位置相对应。
可选地，所述基板与隔离光栅墙为一体成型，或者所述基板与隔离光栅墙粘接或焊接在一起。
可选地，还包括设置在基板上的模拟前端模块与电源管理模块，所述第一光波接收模块与第二光波接收模块其中之一贴装在所述模拟前端模块上，且另一个贴装在所述电源管理模块上。
可选地，所述模拟前端模块和/或电源管理模块埋设在基板内。
可选地，所述第一光波发射模块包括三个绿光LED芯片，且三个绿光LED芯片分布在同一直线上。
可选地，每组所述第二光波发射模块均包括一个红光LED芯片及一个红外光LED芯片，每组所述第二光波发射模块中的红光LED芯片与红外光LED芯片分布在与三个绿光LED芯片平行的直线上。
可选地，所述隔离光栅墙的容纳槽内填充有透光胶体，或者所述隔离光栅墙的容纳槽上设置有透光玻璃。
可选地，所述第一光波发射模块与第一光波接收模块和/或第一光波发射模块与第二光波接收模块之间的距离为2.3-3.2mm；所述第二光波发射模块与第二光波接收模块之间的距离为6-10mm。
根据本发明的第二方面，提供了一种采集心率的电子设备，包括如上所述的心率传感器。
本发明的心率传感器通过在基板两侧各设置一个用于发射测试血氧与心率所需的红色光波与红外光波的第二光波发射模块，可以有效增加血氧信号的检测范围和信号强度，并且可以有效提高该心率传感器监测的准确度，即便该心率传感器发生倾斜偏移，一样能够测得比较准确的数据。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一种心率传感器的结构示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1，本发明实施例提供了一种心率传感器，该心率传感器包括基板，基板为PCB或BT板，在PCB或BT板内预先设置有心率传感器的电路布图。所述基板上设置有第一光波发射模块1及第二光波发射模块2，所述第一光波发射模块1被配置为用于发射测试心率所需的绿色光波，所述第二光波发射模块2被配置为用于发射测试血氧与心率所需的红色光波与红外光波；所述基板上还设置有第一光波接收模块3及第二光波接收模块4，第一光波接收模块3及第二光波接收模块4可以采用光电二极管PD，用于将光信号转换为电信号；所述第一光波接收模块3与第二光波接收模块4被配置为用于接收反射回的绿色光波、红色光波及红外光波，设置两个光波接收模块可以有效增加反射光接收的检测范围，并且还可以分别接收从皮肤或血液反射回的红色光波、红外光波和绿色光波，分别测试血氧饱和度数据以及心率数据等，提高检测效果。所述第一光波接收模块3及第二光波接收模块4分别位于第一光波发射模块1的两侧，所述第二光波发射模块2设置两组且分别位于第一光波接收模块3及第二光波接收模块4远离第一光波发射模块1的一侧；即，第一光波接收模块3位于第一光波发射模块1与一组第二光波发射模块2之间，第二光波接收模块4位于第一光波发射模块1与另一组第二光波发射模块2之间。本发明实施例在基板的两侧分别设置一组第二光波发射模块2，可增加血氧信号的检测范围和信号强度，并且可以有效提高该心率传感器监测的准确度，如果只设置一组第二光波发射模块2，那么当心率传感器发生倾斜偏移时，则会影响其监测的效果，而设置两组第二光波发射模块2则可以有效避免这一问题，即便该心率传感器发生倾斜偏移，一样能够测得比较准确的数据。
进一步地，该心率传感器还包括覆盖在所述基板上的隔离光栅墙5，隔离光栅墙5采用不透光的材料制作而成，其用于将所述第一光波发射模块1、第二光波发射模块2、第一光波接收模块3及第二光波接收模块4隔离开，这样可以有效防止第一光波发射模块1及第二光波发射模块2发出的光信号直接被第一光波接收模块3及第二光波接收模块4感应到，使得第一光波接收模块3及第二光波接收模块4不会与第一光波发射模块1及第二光波发射模块2之间发生干扰。所述隔离光栅墙5上开设有多个与基板相连通的容纳槽51，所述容纳槽51的位置分别与所述第一光波发射模块1、第二光波发射模块2、第一光波接收模块3及第二光波接收模块4的位置相对应，即第一光波发射模块1、第一光波接收模块3、第二光波接收模块4以及每组第二光波发射模块2分别位于一个容纳槽51的位置处。
在一个实施例中，该心率传感器还包括设置在基板上的模拟前端模块(AFE)6与电源管理模块7，所述第一光波接收模块3与第二光波接收模块4其中之一贴装在所述模拟前端模块6上，且另一个贴装在所述电源管理模块7上；模拟前端模块6用于反馈及转换信号；电源管理模块7用于为第一光波发射模块1、第二光波发射模块2、第一光波接收模块3及第二光波接收模块4供电。
在一个实施例中，所述电源管理模块7为PMIC芯片，PMIC芯片可以同时控制多路电路。在一个实施例中，所述模拟前端模块6和/或电源管理模块7埋设在基板内，将模拟前端模块6和/或电源管理模块7埋入基板能够使整个心率传感器的厚度从0.7-0.8mm左右减小到0.4mm左右，有效减小了心率传感器的尺寸。
在一个实施例中，所述第一光波发射模块1包括三个绿光LED芯片，且三个绿光LED芯片分布在同一直线上。绿光LED芯片发出的绿色光波可以测量血液在血管中流动时密度发生的改变情况，经进一步的计算后可以测试心率数据。而之所以设置三个绿光LED芯片，因为这样发射出的绿光强度较高，进而从血液中返回的绿光信号也会更多。并且三个绿光LED芯片呈直线排列，可以增加检测范围，当该心率传感器发生倾斜偏移的时候也会有光信号反馈，不会出现只设置一个绿光LED芯片时信号检测不到的情况。
在一个实施例中，每组所述第二光波发射模块2均包括一个红光LED芯片21及一个红外光LED芯片22，红光LED芯片21及红外光LED芯片22可用于测试血氧饱和度数据以及心率数据等。每组所述第二光波发射模块2中的红光LED芯片21与红外光LED芯片22分布在与三个绿光LED芯片平行的直线上，这样分布可以增加检测范围。
在一个实施例中，所述第一光波发射模块1与第一光波接收模块3之间的距离和/或第一光波发射模块1与第二光波接收模块4之间的距离为2.3-3.2mm(若因为模组尺寸的要求，可以不限于两个光波接收模块与第一光波发射模块1之间都达到这个距离；但为了缩小模组的尺寸，必须至少有一个光波接收模块与第一光波发射模块1之间的距离满足2.3-3.2mm，当然，如果两个光波接收模块与第一光波发射模块1之间都达到这个距离最好)；所述第二光波发射模块2与第二光波接收模块4之间的距离为6-10mm。通过调整第一光波发射模块1与第一光波接收模块3之间的距离，以及第二光波发射模块2与第二光波接收模块4之间的距离，可以达到较优的光学距离，使第一光波接收模块3更好地接收到从皮肤或血液反射回来的绿色光波，使第二光波接收模块4更好地接收到从皮肤或血液反射回来的红色光波和红外光波，或者使第一光波接收模块3与第二光波接收模块4同时很好地接收从皮肤或血液反射回来的红色光波、红外光波及绿色光波，经多次计算取平均值，有助于实现准确的检测。
在一个实施例中，所述基板与隔离光栅墙5为一体成型；在本实施例中，该心率传感器在进行SIP封装时，首先通过注塑的方式将隔离光栅墙5与基板制成一体，然后通过贴片的方式将第一光波发射模块1、两组第二光波发射模块2、模拟前端模块6及电源管理模块7贴装到基板上与隔离光栅墙5的容纳槽51对应的位置处，当然，所述模拟前端模块6可以预先埋设在基板内，再将第一光波接收模块3及第二光波接收模块4其中之一贴装在所述模拟前端模块6上，且另一个贴装在所述电源管理模块7上，然后再通过引线键合的方式将第一光波发射模块1、两组第二光波发射模块2、第一光波接收模块3及第二光波接收模块4的电极与基板的PCB焊盘连接好，最后在隔离光栅墙5的容纳槽51内填充透光胶体，或者在隔离光栅墙5的容纳槽51上通过注塑压合或粘贴方式设置透光玻璃。
在一个实施例中，所述基板与隔离光栅墙5粘接或焊接在一起；在本实施例中，该心率传感器在进行SIP封装前，首先通过模具注塑成型一个与基板的形状及尺寸相匹配的隔离光栅墙5，隔离光栅墙5上具有容纳槽51，然后通过贴片的方式将第一光波发射模块1、两组第二光波发射模块2、模拟前端模块6及电源管理模块7贴装到基板上，当然，所述模拟前端模块6可以预先埋设在基板内，贴装时注意第一光波发射模块1、两组第二光波发射模块2、模拟前端模块6及电源管理模块7的位置需要与容纳槽51的位置相对应，再将第一光波接收模块3及第二光波接收模块4其中之一贴装在所述模拟前端模块6上，且另一个贴装在所述电源管理模块7上，然后再通过引线键合的方式将第一光波发射模块1、两组第二光波发射模块2、第一光波接收模块3及第二光波接收模块4的电极与基板的PCB焊盘连接好，最后将预先注塑好的隔离光栅墙5通过粘结或超声波焊接的方式与基板结合成一个整体；可以预先通过双色注塑的方式将隔离光栅墙5的容纳槽51处注塑上透光玻璃，还可以在隔离光栅墙5的容纳槽51内填充透光胶体。
上述两个实施例中，无论是透光玻璃还是透光胶体，都可以使第一光波发射模块1及第二光波发射模块2发射出的光波通过隔离光栅墙5上的容纳槽51向外部射出，从而被人体的皮肤或血液所接收，而第一光波接收模块3及第二光波接收模块4则可以分别接收从对应的容纳槽51进入的由人体皮肤或血液反射回来的光波。此外，在隔离光栅墙5的容纳槽51内填充透光胶体的方式不仅可以对第一光波发射模块1、第二光波发射模块2、第一光波接收模块3及第二光波接收模块4进行保护，并且透光胶体固化后还可以对上述元件进行固定，并且不会影响各个元件的功能。在隔离光栅墙5的容纳槽51上注塑设置透光玻璃的方式也可以对第一光波发射模块1、第二光波发射模块2、第一光波接收模块3及第二光波接收模块4进行保护，此时注意透光玻璃的厚度不要影响整个心率传感器的尺寸。无论是采用透光胶体还是透光玻璃，都需要注意其折射率需要接近人体皮肤的折射率，以免对测试效果产生影响。
实际使用时，该心率传感器采用与人体皮肤贴近的方式进行测量，由第一光波发射模块1及第二光波发射模块2发出的光线射向人体的皮肤，一部分会被皮肤软组织吸收，另一部分从皮肤或者血液中反射回来，分别被第一光波接收模块3及第二光波接收模块4接收到。由于血液中氧含量等的不同会造成对红光、红外光吸收率的不同，从而使反射回来的光线存在微弱变化，引起第一光波接收模块3及第二光波接收模块4输出电流的变化，这个变化经模拟前端模块6转换后送入处理器等部件中进行进一步处理，例如通过对比红光信号和红外光信号强度的差异，计算出血液中的氧含量，即得到血氧值；并且，当心脏跳动时，血液会在皮肤内流动，会造成皮肤中血液含量的变化，通过计算红光信号或者红外光信号的变化与时间的关系，便可以计算出心率。也可以通过绿光信号的变化测量血液含量的变化，通过计算绿光信号的变化与时间的关系，也可以测试心率数据。
本发明实施例还提供了一种采集心率的电子设备，其包括如上所述的心率传感器。所述采集心率的电子设备可以为智能手环、智能手表、智能手机、以及便携式医疗设备等电子产品等。
上述智能手环、智能手表、智能手机等智能穿戴产品或消费类电子产品内部的空间都非常紧凑，整机主板和其他元器件占用的空间也比较多，因此留给电池的容量空间就非常小，这样会造成整机的待机时间相应地减少。本发明实施例的心率传感器通过SIP封装的方式把模拟前端模块、光波接收模块、光波发射模块、电源管理模块等部件的晶元封测成一个整体，设计时把各个晶元的光路设计距离调节好以使光路性能达到最佳效果。通过这种SIP封装的方式，不仅可以达到检测心率、血氧、血压检测，而且可以将该心率传感器的尺寸做得非常小，以至于跟单个PD的尺寸相当。并且，本发明实施例把原先只能放到整机主板上的模拟前端模块埋设到心率传感器的基板里面去，这样可以进一步减少占用整机主板的空间。本发明实施例对终端客户的开发减少了不必要的复杂设计，产线的组装及光路设计更加便利，减少占用内部的空间，增大电池容量从而延长待机时间。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种心率传感器，其特征在于，包括基板，所述基板上设置有彼此光隔离的：
第一光波发射模块(1)，所述第一光波发射模块(1)被配置为用于发射测试心率所需的绿色光波；
第二光波发射模块(2)，所述第二光波发射模块(2)被配置为用于发射测试血氧与心率所需的红色光波与红外光波；
第一光波接收模块(3)及第二光波接收模块(4)，所述第一光波接收模块(3)与第二光波接收模块(4)被配置为用于接收反射回的绿色光波、红色光波及红外光波；
所述第一光波接收模块(3)及第二光波接收模块(4)分别位于第一光波发射模块(1)的两侧，所述第二光波发射模块(2)设置两组且分别位于第一光波接收模块(3)及第二光波接收模块(4)远离第一光波发射模块(1)的一侧。
2.根据权利要求1所述的心率传感器，其特征在于，还包括覆盖在所述基板上的隔离光栅墙(5)，所述隔离光栅墙(5)上开设有多个与基板相连通的容纳槽(51)，所述容纳槽(51)的位置分别与所述第一光波发射模块(1)、第二光波发射模块(2)、第一光波接收模块(3)及第二光波接收模块(4)的位置相对应。
3.根据权利要求2所述的心率传感器，其特征在于，所述基板与隔离光栅墙(5)为一体成型，或者所述基板与隔离光栅墙(5)粘接或焊接在一起。
4.根据权利要求1所述的心率传感器，其特征在于，还包括设置在基板上的模拟前端模块(6)与电源管理模块(7)，所述第一光波接收模块(3)与第二光波接收模块(4)其中之一贴装在所述模拟前端模块(6)上，且另一个贴装在所述电源管理模块(7)上。
5.根据权利要求4所述的心率传感器，其特征在于，所述模拟前端模块(6)和/或电源管理模块(7)埋设在基板内。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的心率传感器，其特征在于，所述第一光波发射模块(1)包括三个绿光LED芯片，且三个绿光LED芯片分布在同一直线上。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的心率传感器，其特征在于，每组所述第二光波发射模块(2)均包括一个红光LED芯片(21)及一个红外光LED芯片(22)，每组所述第二光波发射模块(2)中的红光LED芯片(21)与红外光LED芯片(22)分布在与三个绿光LED芯片平行的直线上。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的心率传感器，其特征在于，所述隔离光栅墙(5)的容纳槽(51)内填充有透光胶体，或者所述隔离光栅墙(5)的容纳槽(51)上设置有透光玻璃。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的心率传感器，其特征在于，所述第一光波发射模块(1)与第一光波接收模块(3)和/或第一光波发射模块(1)与第二光波接收模块(4)之间的距离为2.3-3.2mm；所述第二光波发射模块(2)与第二光波接收模块(4)之间的距离为6-10mm。
10.一种采集心率的电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的心率传感器。
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