CN113164090A - 包括模制光束成形元件的集成光学生物传感器 - Google Patents
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Abstract
一种集成光学生物传感器模块，包括可操作以产生用于从模块发射的光的一个或多个光源，以及包括光敏区域的集成电路芯片。光敏区域包括一个或多个光电检测器，该一个或多个光电检测器可操作以检测由一个或多个光源产生并由模块外部的对象反射的光。集成电路芯片可操作以基于来自一个或多个光电检测器的信号来确定对象的生理状况。透明模具覆盖物封装一个或多个光源，其中透明模具覆盖物包括一个或多个光束成形元件，每个光束成形元件被设置成与来自一个或多个光源中相关联的一个光源的光束的路径相交。
Description
技术领域
本公开涉及包括一个或多个模制光束成形元件的集成光学生物传感器。
背景技术
各种类型的传感器被用于各种应用。这些传感器中的一些使用光学信号来测量感兴趣的参数，例如压力、距离、温度或成分。在一些情况下，包含这种传感器的模块用于医疗和健康相关的应用中。例如，对人体执行测量可以包括使人体的一部分接近模块，将从模块发射的光导向人体的该部分，以及检测由人体的该部分反射到模块中的光。例如，基于模块检测到的光的信息可以被处理，以提供人体生理状况的指示。
发明内容
本公开描述了集成光学生物传感器，其包括一个或多个模制光束成形元件(例如，透镜)。如下文更详细描述的，光束成形元件可以整体形成为透明(clear)模具覆盖物的一部分，该透明模具覆盖物将一个或多个光源封装在生物传感器模块中。
例如，在一个方面，本公开描述了一种集成光学生物传感器模块，其包括可操作以产生用于从模块发射的光的一个或多个光源，以及包括光敏区域的集成电路芯片。光敏区域包括一个或多个光电检测器，该一个或多个光电检测器可操作以检测由一个或多个光源产生并由模块外部的对象反射的光。集成电路芯片可操作以基于来自一个或多个光电检测器的信号来确定对象的生理状况。透明模具覆盖物封装一个或多个光源，其中透明模具覆盖物包括一个或多个光束成形元件，每个光束成形元件被设置成与来自一个或多个光源中相关联的一个光源的光束的路径相交。
一些应用包括一个或多个以下特征。例如，一个或多个光束成形元件中的每一个可以是由与透明模具覆盖物相同的材料组成的模制透镜。在一些情况下，透明模具覆盖物和一个或多个光束成形元件由环氧树脂组成。
在一些实施方式中，透明模具覆盖物包括多个光束成形元件，每个光束成形元件被设置成与来自光源中的相应一个光源的光束的路径相交。光束成形元件中的至少一个可以相对于由相应光源产生的光束的光轴不对称。在一些情况下，各个光束成形元件中的每一个可操作以将来自光源中的相应一个光源的光束导向相应方向，该相应方向不同于来自光源中的至少另一个光源的光束被光束成形元件中的不同的一个光束成形元件导向的方向。
在一些实施方式中，每个光源可操作以产生不同波长的光，其中模块包括多个光电检测器，每个光电检测器可操作以检测由光源中的相应一个产生并被对象反射的光。在一些情况下，光源中的至少一个可操作以产生红外光或可见光。透明模具覆盖物对于一个或多个光源产生的光应该是透明的。
在一些情况下，模块包括限定内部区域的外壳，一个或多个光源和集成电路芯片设置在该内部区域中。例如，外壳可以在透明模具覆盖物上具有第一孔，以及在集成电路芯片上具有第二孔。
该模块可被配置用于各种生物传感器应用。例如，在一些实施方式中，集成电路芯片可操作以基于来自一个或多个光电检测器的信号来确定对象的氧饱和度水平。在一些情况下，集成电路芯片可操作以基于来自一个或多个光电检测器的信号来确定对象的脉搏速率。在一些情况下，集成电路芯片可操作以基于来自一个或多个光电检测器的信号来确定对象的心率。
本公开还描述了一种主机计算设备，其包括盖玻璃和邻近盖玻璃设置的集成光学生物传感器模块。可在主机计算设备上执行的应用可操作以使模块基于由一个或多个光源产生、由对象反射并由一个或多个光电检测器感测的光来对对象执行生理测量。主机计算设备包括显示屏，该显示屏可操作以基于来自一个或多个光电检测器的信号显示指示对象的生理状况的数据。
本公开进一步描述了包括集成光学生物传感器模块的系统。该模块包括可操作以产生用于从模块发射的光的一个或多个光源，以及包括光敏区域的集成电路芯片。光敏区域包括一个或多个光电检测器，光电检测器可操作以检测由一个或多个光源产生并由模块外部的对象反射的光。透明模具覆盖物封装一个或多个光源，并且包括一个或多个光束成形元件，每个光束成形元件被设置成与来自一个或多个光源中相关联的一个光源的光束的路径相交。该系统还包括处理器，该处理器耦合到集成电路芯片并且可操作以基于来自一个或多个光电检测器的信号确定对象的生理状况。
一些实施方式包括以下一个或多个优点。例如，该模块可以相对紧凑，使得它可以集成到其中空间非常宝贵的主机计算设备(例如，智能手机或可穿戴设备)中。通过将透镜或其他光束成形元件集成到生物传感器模块中，每个光源的能量可以更多地聚焦在要测量的区域上，这可以允许光源的孔径(和灵敏度)增加。在一些情况下，这样的布置可以降低整个系统的功耗，这继而可以增加向生物传感器模块供电的电池的寿命。此外，在一些情况下，光束成形元件可以减少光源和敏感元件之间的串扰，从而提高整体系统性能。
用相同的环氧树脂形成透镜或其他光束成形元件，使得它们被集成为光源上的透明模具覆盖物的一部分，可以允许提供大范围的光束成形元件，包括不对称透镜。这种布置可以允许来自光源的光束被导向期望的方向，并针对特定的应用进行优化。
根据以下具体实施方式、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1示出了集成光学生物传感器模块的示例的透视图。
图2示出了图1的横截面。
图3示出了生物传感器模块中的集成电路(IC)芯片的功能图和布局。
图4示出了包括光束成形元件的透明模具覆盖物的示例。
图5示出了由生物传感器模块发射的光束的角度方向的示例。
图6是生物传感器模块的另一透视图。
图7示出了使用生物传感器模块获得关于对象的生理数据。
图8示出了包括生物传感器模块的便携式计算设备的示例。
具体实施方式
本公开描述了包括一个或多个模制光束成形元件的集成光学生物传感器。如下文更详细描述的，光束成形元件可以整体形成为封装一个或多个光源的透明模具覆盖物的一部分。在一些实施方式中，这里描述的技术可以在光束成形元件的布置中提供更大的灵活性。
例如，如图1和2所示，封装的生物传感器模块20包括安装到印刷电路板(PCB)或其他基板22的各种组件。具体地，一个或多个光源24和集成电路(IC)半导体芯片26安装到PCB22上。光源24可以实现为例如发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或其他发光器件。每个光源24可操作以产生特定波长的光。在一些情况下，多个光源被安装到PCB 22，每个光源产生与其他光源中的一个或多个不同波长的光。例如，在一些实施方式中，一个光源可操作来发射光谱的红色部分(例如，大约600纳米)的光，而第二光源可操作以发射光谱的红外(IR)或近红外部分(例如，在大约700-1100纳米的范围内)的光。在其他实施方式中可以使用附加的或不同的波长或波长范围。每个光源24可以例如通过各自的晶粒(die)焊盘28连接到PCB 22。同样，IC芯片26可以电连接到PCB 22，例如，通过连接到PCB 22表面上的焊盘31的晶粒焊盘(未示出)和/或焊线30。可以在PCB 22的背面提供表面安装技术(surface mount technology，SMT)焊盘和其他电连接，以便于主机设备(例如，智能手机、可穿戴设备或其他便携式计算设备)中的模块20的电连接。
IC芯片26具有包括一个或多个光电检测器(例如光电二极管)的光敏区域34，以及用于控制光源24和用于处理来自光电检测器的信号的电路。光电检测器可操作以感测由光源24产生的光的波长。如果有多个光源，每个光源产生不同的各自波长的光(例如，在光谱的IR或可见光部分)，那么每个光电检测器可以被配置(例如，通过添加适当的光学滤光器)以感测波长中的不同的一个波长。
图3示出了根据特定实施方式的IC芯片26的功能图和布局。IC芯片26A包括用于处理光电二极管输出信号的电路26A。电路26A可以包括，例如，光学前端处理电路(例如，同步解调器；可编程定序器；滤波器)、电前端处理电路(例如，低噪声模拟电路)以及处理信号的电路，以便基于来自光电二极管的信号产生生物(例如，人)的生理状况的指示。IC芯片26可以包括各种输入/输出引脚和电源连接。IC芯片26可以存储软件指令，以实现对来自光电二极管的信号的适当处理。对于其他实施方式，各种细节可以不同。
如图1和2所示,光源24由保护性透明模具覆盖物36封装。在一些情况下，每个光源24可以由它自己的透明模具覆盖物封装，而在其他情况下(例如，如图1和2的示例所示)，两个或多个光源可以由相同的透明模具覆盖物36封装。IC芯片26也可以由保护性透明模具覆盖物40封装。可以通过模制过程形成的透明模具覆盖物36、40可以由例如对光源24产生的波长的光基本透明的环氧树脂组成。
如图1和2进一步所示，并且如图4所示，透明模具覆盖物36包括相应的光束成形元件38，光束成形元件38也可以在模制过程中形成。每个光源24可以具有各自的光束成形元件38，该光束成形元件38被设置成与特定光源产生的光束的路径相交。每个光束成形元件38可以整形(例如，使变窄或使变宽)由相关联的光源24产生的光束。光束成形元件38可以具有各种形状。例如，光束成形元件38可以包括凸透镜或凹透镜。在一些情况下，可以提供菲涅耳(Fresnel)透镜。此外，光束成形元件38可以彼此不同。通过提供透镜，每个光源24的能量可以更多地聚焦在要测量的区域上，这可以允许光源的孔径(和灵敏度)增加。在一些情况下，这种布置可以降低整个系统的功耗，这继而可以增加向模块20供电的电池的寿命。
在模制过程中用相同的环氧树脂形成光束成形元件38，使得它们被集成为透明模具覆盖物36的一部分，可以允许提供多种光束成形元件。例如，在一些情况下，如图4所示，第一光束成形元件38A可以相对于由相关联光源产生的光束的光轴对称，而另一光束成形元件38B可以相对于相关联光源产生的光束的光轴不对称。这种布置可以允许来自光源24的光束被导向期望的方向，并针对特定应用进行优化。
例如，生物传感器模块可以包括绿色、红色和IR LED，这些LED被放置为彼此距传感器的光电二极管的距离相同。在没有透镜将光束导向期望的方向的情况下，红色和IRLED的波长较长(与绿色LED的波长相比)，通常需要将它们放置在离传感器更远的地方。在红色和IR透镜上提供不对称透镜可以将光束偏转到要测量的目标的期望区域(人的皮肤)。参照图5，其示出了第一光束100和第二光束102的不同角度扩展的示例。不对称透镜的使用可以被用来允许较长波长的光源被相对靠近相关联的光电检测器地设置在PCB 22上，同时用于该光源的相关联的光束成形元件38被布置成使得由光源产生的光束被导向远离光电检测器。这种布置可以导致高度紧凑的模块。此外，用于红色和IR LED的透镜可以根据它们的波长并取决于实施方式的光学堆叠(其中光学堆叠包括封装的生物传感器的表面和主机设备的盖玻璃之间的空气间隙)以及取决于盖玻璃的厚度而具有不同的最佳形状。本技术不仅可以实现非常紧凑的封装，还可以帮助减少串扰并提高信噪比。对于给定的总模块尺寸，这些特征还可以允许在传感器的光电二极管上使用更大的孔。
如图1、2和6进一步所示，在一些实施方式中，不透明外壳42附接到PCB 22的安装有光源24和IC26的一侧。各种组件(例如，光源24、包括光敏区域34的IC芯片26、以及包括集成透镜38的透明模具覆盖物36、40)设置在由外壳42限定的内部区域中。外壳可以由例如黑色环氧树脂或其他聚合物组成，该其他聚合物对于光源24发射的波长的光基本上是不透明的，并且可以被光电检测器感测到。外壳42包括光源24上方的透明模具覆盖物36上方的孔43。由光源24之一产生的光穿过相关联的透镜38，并经由相关联的孔43离开模块。同样，外壳42包括在IC芯片26上的透明模具覆盖物40上方的孔44。例如由人体组织反射的光可以经由孔44进入模块20，以由光敏区域34中的光电检测器感测。
如上所述，IC芯片26被配置为基于由光电二极管感测的信号来生成生物(例如，人)的生理状况的指示。在操作中，例如，对人体执行测量可以包括使人体的一部分(手指)接近模块，将从模块发射的光导向人体的该部分，以及检测由人体的该部分反射到模块中的光。基于由模块检测到的光的信息可以例如由IC芯片26处理，以提供人体生理状况的指示。
IC芯片26(或者模块设置在其中的主机设备中的处理器)被配置为根据特定应用处理来自集成生物传感器模块中的光电检测器的信号。一般而言，这些应用包括但不限于脉搏血氧测定、心率监测和光电体积描记法(photo-plethysmogram，PPG)应用。
例如，脉搏血氧仪是医疗行业中常用的医疗设备，用于非侵入性地测量血液中的氧饱和度水平。脉搏血氧仪可以指示用户的氧饱和度百分比和脉搏速率。可以出于许多不同的原因而使用脉搏血氧仪。例如，脉搏血氧仪可以用于在体育锻炼期间监测个人的脉搏速率。患有呼吸系统疾病的个人或从疾病或手术中康复的患者可以根据医生的体育锻炼建议在锻炼期间佩戴脉搏血氧仪。个人也可以使用脉搏血氧仪来监测氧饱和度水平，以确保例如在飞行或高海拔锻炼期间有足够的氧合作用。
如图7所示，在脉搏血氧测定应用期间，对象(例如，人的手指104)被LED或其他光源24用具有两个不同波长(例如，红外和可见红光)的光照射。当光进入皮下区域并入射到动脉血管上时，血液中的富氧血红蛋白吸收更多的具有第一波长的光，而无氧血红蛋白吸收更多的具有第二波长的光。在吸收之后，光由对感兴趣的波长敏感的一个或多个光电检测器34A收集。IC芯片26(或主机设备中的另一处理器(例如微处理器))然后确定吸收的差异，并将该差异转换成表示血液中携带的氧气量的信息。氧含量的计算可以根据本领域已知的任何合适的算法来执行。
对于心率监测应用，模块20可以被配置为发射照射对象皮肤的光。一部分光穿过皮肤进入皮下组织，在那里它可能遇到携带氧合动脉血的血管。随着每个心动周期，心脏通过这些血管泵血，导致血管扩张。血管的扩张和收缩以及每个循环中氧合血红蛋白量的变化调节到达模块中光电检测器的光。通过监测反射回模块20并由模块20感测的光量的随时间的变化，IC芯片(或主机设备中的另一处理器(例如，微处理器))可以计算对象的相应心率。心率的计算可以根据本领域已知的任何合适的算法来执行。
在一些实施方式中，模块20可操作以进行PPG应用，PPG应用可使用差分光学吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy，DOAS)技术。如上所述，模块20可用于照射人的皮肤并测量光吸收的变化。如果模块20在不压迫皮肤的情况下被附接，也可以从静脉丛中看到作为小的次级峰的压力脉冲。通过用来自LED或其他光源24的光照射皮肤，然后测量反射到光电二极管34A的光量，来检测由压力脉冲引起的体积变化。每个心动周期表现为一个峰值。因为流向皮肤的血液可以由其他生理系统调节，所以PPG还可以用于监测呼吸、低血容量和其他循环状况。
前述段落示出了如何使用集成生物传感器模块20的特定示例，这取决于特定的实施方式。模块20还可以被配置成测量生物的其他生理状况。
如图8所示，包括如上所述的集成生物传感器模块20的生物传感器系统450可以被结合到便携式(例如，手持)或其他主机计算设备452中，例如智能手机(如图所示)、计算机平板电脑、可穿戴计算设备、智能健康设备或智能贴片设备。在这样的实施方式中，生物传感器模块20可以设置在例如主机计算设备的盖玻璃下。在一些情况下，生物传感器系统可用于汽车应用。传感器系统450可由用户操作(例如在计算设备452上执行的应用程序的控制下)，以进行诸如上述的生理测量。例如，测试结果可以显示在计算设备452的显示屏454上，以向用户提供关于测量的生理数据的基本上即时的反馈。
各种修改将是显而易见的，并且可以对前述实施例进行各种修改。在一些情况下，结合不同实施例描述的特征可以被结合到相同的实施方式中，并且结合前述示例描述的各种特征可以从一些实施方式中省略。因此，其他实施方式也在权利要求的范围内。
Claims (18)
1.一种集成光学生物传感器模块，包括:
一个或多个光源，所述一个或多个光源能够操作以产生用于从模块发射的光；
集成电路芯片，所述集成电路芯片包括光敏区域，所述光敏区域包括一个或多个光电检测器，所述光电检测器能够操作以检测由所述一个或多个光源产生并由所述模块外部的对象反射的光，其中所述集成电路芯片能够操作以基于来自所述一个或多个光电检测器的信号确定所述对象的生理状况；
透明模具覆盖物，所述透明模具覆盖物封装所述一个或多个光源，其中所述透明模具覆盖物包括一个或多个光束成形元件，每个光束成形元件被设置成与来自所述一个或多个光源中的相关联的一个光源的光束的路径相交。
2.根据权利要求1所述的模块，其中所述一个或多个光束成形元件中的每一个是由与所述透明模具覆盖物相同的材料组成的模制透镜。
3.根据权利要求2所述的模块，其中所述透明模具覆盖物和所述一个或多个光束成形元件由环氧树脂组成。
4.根据权利要求2所述的模块，包括多个光源，其中所述透明模具覆盖物包括多个光束成形元件，每个光束成形元件设置成与来自所述光源中的相应一个光源的光束的路径相交。
5.根据权利要求4所述的模块，其中所述光束成形元件中的至少一个相对于由相应光源产生的光束的光轴不对称。
6.根据权利要求4所述的模块，其中各个光束成形元件中的每一个能够操作以将来自所述光源中的相应一个光源的光束导向相应方向，所述相应方向不同于来自所述光源中的至少另一个光源的光束被所述光束成形元件中的不同的一个光束成形元件导向的方向。
7.根据权利要求4所述的模块，其中每个光源能够操作以产生不同波长的光，所述模块包括多个光电检测器，每个光电检测器能够操作以检测由光源中的相应一个产生并被对象反射的光。
8.根据权利要求4所述的模块，其中所述光源中的至少一个能够操作以产生红外光。
9.根据权利要求4所述的模块，其中所述光源中的至少一个能够操作以产生可见光。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的模块，其中所述透明模具覆盖物对于由所述一个或多个光源产生的光是透明的。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的模块，还包括限定内部区域的外壳，所述一个或多个光源和所述集成电路芯片设置在所述内部区域中。
12.根据权利要求11所述的模块，其中所述外壳在所述透明模具覆盖物上具有第一孔。
13.根据权利要求12所述的模块，进一步包括在所述集成电路芯片上的第二孔。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的模块，其中所述集成电路芯片能够操作以基于来自所述一个或多个光电检测器的信号来确定所述对象的氧饱和度水平。
15.根据权利要求1-13中任一项所述的模块，其中所述集成电路芯片能够操作以基于来自所述一个或多个光电检测器的信号来确定所述对象的脉搏速率。
16.根据权利要求1-13中任一项所述的模块，其中所述集成电路芯片能够操作以基于来自所述一个或多个光电检测器的信号来确定所述对象的心率。
17.一种主机计算设备，包括:
盖玻璃；
根据权利要求1-16中任一项所述的模块，其邻近所述盖玻璃设置；
应用，所述应用能够在所述主机计算设备上执行并且能够操作以使得所述模块基于由所述一个或多个光源产生、由所述对象反射并由所述一个或多个光电检测器感测的光，对所述对象执行生理测量；以及
显示屏，能够操作以基于来自所述一个或多个光电检测器的信号显示指示对象的生理状况的数据。
18.一种系统，包括:
集成光学生物传感器模块，所述集成光学生物传感器模块包括:
一个或多个光源，所述一个或多个光源能够操作以产生用于从所述模块发射的光；
集成电路芯片，所述集成电路芯片包括光敏区域，所述光敏区域包括一个或多个光电检测器，所述光电检测器能够操作以检测由所述一个或多个光源产生并由所述模块外部的对象反射的光；以及
透明模具覆盖物，所述透明模具覆盖物封装所述一个或多个光源，其中所述透明模具覆盖物包括一个或多个光束成形元件，每个光束成形元件被设置成与来自所述一个或多个光源中的相关联的一个光源的光束的路径相交；
所述系统还包括处理器，所述处理器耦合到所述集成电路芯片并且能够操作以基于来自所述一个或多个光电检测器的信号确定对象的生理状况。
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