JP7256552B2 - 健康管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、バイオメディカル用途、特に、健康管理のためのＣＭＯＳセンサーの領域に関する。

今日、人口の高齢化ならびに肥満度および心臓関連病状、すなわち、循環器疾患における増加の複合作用の両方を所与として、健康管理はますます重要になっている。ヘルスケア産業は、患者を管理する新しい方法により依存するようになっている。

これは、フィットネスおよび健康に対する関心の高まりと共に、より手ごろで、特に、装着時に、正確な健康管理装置が求められている。

かかる文脈では、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）が知られており、心拍数（ＨＲ）、血中酸素飽和度（Ｓ_ｐＯ_２）、呼吸数（ＲＲ）、および動脈圧（ＡＰ）などの、バイタル生物学的指標の非侵襲的な監視を可能にする主要技術のように思われる。

標準的なＰＰＧシステムは、光センサーと同期されたパルスＬＥＤ、および処理チェーンを含む。ＬＥＤはヒトの皮膚において光を拡散する。反射された拡散光によって保持される信号の処理は、いくつかのバイタルパラメータの抽出を可能にする。

標準的なＰＰＧは、単に、組織上で、特定の波長で光を照らして、反射光または組織を通して透過された光のいずれかを読み出すことにより、いくつかの心臓パラメータを測定する。光の大部分は、組織によって吸収されるが、そのごく一部は検出器に到達する。一旦、検出器で光が光生成電流に変換されると、最終的には、取得チェーン、すなわち、電子回路によってフィルタリングされて処理される。これを達成するために、標準的なＰＰＧは、少なくとも２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）、および１つの広帯域「フォトダイオード」（ＰＤ）を含む。

典型的には、２つのＬＥＤは、時分割多重化で、すなわち、位相を異にして、２つの異なる波長、例えば、可視および中赤外で、光を照らして、血液中で循環している分子ならびに特に酸化ヘモグロビン（ＨｂＯ_２）、および脱酸素化ヘモグロビン（Ｈｂ）の異なる吸収特性を活用する。ヘモグロビン分子全体に対するＨｂＯ_２分子（

）を「カウントする」と、酸素飽和度（Ｓ_ｐＯ_２）、血液中を流れる酸素量を報告する該パラメータ、が得られる。組織は多数の吸収物質がある非常に複雑な環境であるので、放出された光の出力は、十分な光子が検出器に作用するのを可能にするために十分に大きいべきである（それらの大多数は、組織によって吸収される）。ＰＰＧベースシステムの最大のボトルネックは従って、ＬＥＤ電力消費である。

このため、米国第２０１６／１８３８１３号で開示されているものなどの、従来のＰＮまたはＰＩＮダイオードに基づく現在の医療ＰＰＧシステムはポータブルまたはウェアラブルソリューションと互換性がない。

そして、最近導入された研究活動はフォトダイオードに依存するシステム－オン－ボード（ＳＯＢ）ソリューションを提示しているが、かかるＳＯＢは比較的複雑な回路を提示する。その上、市販のスマートウォッチおよび他の接続された衣服は、信頼性、精度およびバッテリー寿命の観点から顧客の要求を満足するには不十分である。

本発明はこれらの欠点に対処することを目的とする。

より正確には、本発明は、ＤＣ成分およびＡＣ成分を含む信号を出力するように構成されたフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置に関し、該装置は、
－パルスオンまたはパルスオフにされるように適合された、パルス光源、
－光生成電子を生成する光－電荷変換のための少なくとも１つのピクセル、
を含み、
－各ピクセルは該パルス光源と同期されている。

各ピクセルは、
－ウェルを含み、２つの電子接続ノードを有する、埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）、
－センスノード（ＳＮ）、ｎ^＋－ｐ接合キャパシタンスであり、その役割は、埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）ウェル内の光生成電子を、該キャパシタンスの変換利得によって、電圧に変換することである、および
－転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタ、そのソースが該埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）の１つの電子接続ノードに電子的に接続され、該埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）と該センスノード（ＳＮ）との間の転送ゲート（ＴＧ）として機能するように構成されて、光がパルスオフにされると光生成電子がシンク（ｓｉｎｋ）し、光がパルスオンにされると光生成電子を積分して、積分された光生成電子の少なくとも一部が読出しのために該センスノードに転送されるのを可能にし、ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタのグリッドは好ましくは、ＤＣ電源（Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）に電子的に接続され、その値は動的に適合できる、
を含むことを主な特徴とする。

従来のＰＮまたはＰＩＮフォトダイオードとは非常に異なる装置である、埋込みフォトダイオードの使用の結果として、ずっと短い照明パルスを、マイクロ秒のオーダーで使用することが可能である。これは、従来技術のＰＮ／ＰＩＮダイオードベースのＰＰＧ装置よりも大幅に電力消費を削減して、それらを、人が保持できる小型で軽量の装置と互換性があるようにする。その上、また、以下でさらに説明するように、ＰＰＤに特有で、従来のＰＮ／ＰＩＮダイオードに存在していない、特定の特性を使用することにより、信号対雑音比が、ＰＰＤ自体の読出し時点で信号のＤＣ部分を除去することにより、電力を大量消費する下流での信号処理を全く必要とすることなく、ＰＰＤからの出力のレベルで大幅に改善できる。これらの態様の組合せは、既存のＰＰＧシステムと比較して電力消費を大幅に削減して、それらを永久的な保持および装着に適するようにする。

一実施形態では、各ピクセルは、
－シンク（ＴＧｓｉｎｋ）トランジスタ、そのソースが該埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）の他方の電子接続ノードと電子的に接続され、該埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）と一定のＤＣ電源またはキャパシタンスのいずれかとの間の転送ゲート（ＴＧ）として機能するように構成されて、光がパルスオフにされると光生成電子が該一定のＤＣ電源または該キャパシタンスの方にシンクし、光がパルスオンにされると光生成電子積分を可能にする、
をさらに含む。

一実施形態では、該ピクセルの各々は、該埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）と並列に配置されて、それぞれの転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタによって該センスノード（ＳＮ）に接続された、少なくとも１つのさらなる埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）を含み、該転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタの各々は、例えば、それらのゲートを電気的に一緒に接続することにより、同期して動作するように構成されている。好都合に、該さらなる埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）の各々は、必要に応じて、それぞれのシンク（ＴＧｓｉｎｋ）トランジスタによって、該一定のＤＣ電源または該キャパシタンスに接続され、該シンク（ＴＧｓｉｎｋ）トランジスタの各々のゲートは、同期して動作するように構成されている。かかる所謂マクロピクセル構造は、単純な回路を保持しながら、利用可能な光生成電荷の量を増加させることにより、感度を向上させる。

好ましくは、該ピクセルは、単一のＰＰＤまたは複数をマクロピクセルに組み込んでいるかどうかを問わず、配列に配置されて、装置の感度を向上させる。

一実施形態では、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置は、マクロピクセルの出力を空間的に平均化するように構成されたプロセッサ（ＤＳＰ）をさらに含む。

一実施形態では、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置は、
－以下を含む、第１のブロック（ＣＤＳ１）、
・パルス光源がオフにされていてセンスノード（ＳＮ）ウェルが空である場合に、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の出力信号の値（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）を保存するキャパシタンス（Ｃ_ＳＨ１）、および
・パルス光源がオフにされていて、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置がちょうど周囲光にさらされている場合に、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の出力信号の値（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）を保存し、パルス光源がオンの場合にフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の出力信号の値（Ｖ＿ＬＥＤ＋Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）を保存するキャパシタンス（ＣＳＨ２）
をさらに含む。ＰＰＧ装置は、
－以下を含む、第２のブロック（ＣＤＳ２）、
・キャパシタンス（Ｃ_ＳＨ１）の該値（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）とキャパシタンス（ＣＳＨ２）の該値（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）との間の差の値（Ｖ＿ａｍｂ）を保存するキャパシタンス（Ｃ_SM、および
・パルス光源がオンの場合にフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の出力信号の値（Ｖ＿ＬＥＤ＋Ｖ＿ａｍｂ）を保存するキャパシタンス（Ｃ_SM、
・該第２のブロック（ＣＤＳ２）は、キャパシタンス（Ｃ_SM）の該値（Ｖ＿ＬＥＤ＋Ｖ＿ａｍｂ）とキャパシタンス（Ｃ_SM）の該値（Ｖ＿ａｍｂ）との間の値の差がＡＤＣに送信されてパルス光源（ＬＥＤ）だけに関連した電圧（Ｖ＿ＬＥＤ）を評価するように構築される、
も含み得る。

１つのさらなる実施形態では、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置は、
・第１のパルスの間にパルス光源がオンにされていて、センスノード（ＳＮ）ウェルが所定の期間、積分するのを許可されている場合、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の出力信号の第１の値（Ｖ＿ＬＥＤ１＋Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）を保存するキャパシタンス（Ｃ_SM）、および
・第２のパルスの間にパルス光源がオンにされていて、センスノード（ＳＮ）ウェルが該所定の期間（すなわち、前述したのと同じ継続期間の所定の期間）、積分するのを許可されている場合、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の出力信号の第２の値（Ｖ＿ＬＥＤ２＋Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）を保存するキャパシタンス（ＣＳＨ２）、
を含む、１つの単一ＣＤＳブロックを含み、
該ブロック（ＣＤＳ）は、キャパシタンス（Ｃ_SMよって保存された該第１の値（Ｖ＿ＬＥＤ１＋Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）とキャパシタンス（ＣＳＨ２）によって保存された該第２の値（Ｖ＿ＬＥＤ２＋Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）との間の値の差の関数がＡＤＣに送信され、パルス光源（ＬＥＤ）だけに関連した信号の派生物に比例した、（Ｖ＿ＬＥＤ２－Ｖ＿ＬＥＤ１）に関連した電圧を評価するように構築される。これはＰＰＣ信号に関連したさらに有用な情報を提供する。

なおさらなる実施形態では、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置は、
・パルス光源がオフにされていてセンスノード（ＳＮ）ウェルが所定の期間、積分するのを許可されている場合に、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の出力信号の値（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ａｍｂ）を保存するキャパシタンス（Ｃ_ＳＨ１）、および
・パルス光源がオンにされていて、センスノード（ＳＮ）ウェルが該所定の期間（すなわち、前述したのと同じ継続期間の所定の期間）、積分するのを許可されている場合に、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の出力信号の値（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ＬＥＤ）を保存するキャパシタンス（Ｃ_SM）
を含む、単一ＣＤＳブロックを含み得、
該ブロック（ＣＤＳ）は、キャパシタンス（Ｃ_SMによって保存された該値（Ｖ＿ＬＥＤ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ａｍｂ）とキャパシタンス（ＣＳＨ２）によって保存された該値（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ａｍｂ）との間の値の差の関数がＡＤＣに送信されて、パルス光源（ＬＥＤ）だけに関連した信号に関連した電圧（Ｖ＿ＬＥＤ）を評価するように構築される。

１つ以上のＣＤＳブロックを含むこれらの変形の全ては、スイッチとして機能しているトランジスタ以外にアクティブな構成要素をほとんど用いることなく、ＰＰＤ信号の望ましくないＤＣ成分を除去して、信号対雑音比を向上させる働きをする。これは、極めて低電力消費で優れた信号対雑音比をもたらす。

一実施形態では、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置は、ＣＭＯＳ技術で構築され、それは、システムオンチップ（ＳＯＣ）に埋め込まれる。

その別の目的によれば、本発明は、本発明に従ったフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置を操作する方法に関し、
－転送フェーズにおいて、転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタ電圧を、埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）のウェル電位（Ｖ＿ｗｅｌｌ）とシンクトランジスタ（ＴＧｓｉｎｋ）に印加された電圧（Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋ）との間に含まれる値（Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）に設定して、該オフセットを超えている光生成電子だけが読出しのためにセンスノード（ＳＮ）に転送されるのを可能にすること
を行うステップを含む。

これは、ＰＰＤ自体のレベルにおいてＰＰＤの出力の不必要なＤＣ成分の、全部ではないが、大部分を除外することが可能な結果となり、それは、電力を大量消費する処理回路を必要とすることなく、下流の信号対雑音比を大幅に向上させる。かかる操作は、電荷ウェルを有していない、従来のＰＮまたはＰＩＮダイオードでは不可能であり、本質的に、不必要で、利用可能な情報を含んでいない、信号のＤＣ成分の拒絶を可能にする。

一実施形態では、転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタ電圧は動的に適合される。

一実施形態では、本方法は、
Ａ．ＤＣ電源の値（Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）を所定の値に設定すること、
Ｂ．対応するピクセル応答が所定の閾値を超えているかどうかをチェックすること、および
Ｃ．ピクセル応答が該閾値を超えている場合、対応するピクセル応答が閾値をもう超えなくなるまで、ステップＡおよびＢを繰り返すこと
を行うステップを含む較正ステップを含む。

これは、複雑な回路または電力を大量消費する処理なしで、信号対雑音比を最大限にするためにＶ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒの値の最適化を可能にする。

一実施形態では、本方法は、以下を行うステップを含む、
－パルス光源をパルスオフにすること、および
－該埋込みフォトダイオード内の電荷を所定の期間中（すなわち、事前に決定された継続期間の長さの間）、積分すること、
－周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ）を生成するために、該転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって該電荷を該センスノード（ＳＮ）に転送して該電荷を第１のコンデンサ（ＣＳＨ１）に保存すること、次いで（すなわち、後の時点で、典型的には、数十マイクロ秒後に）
－パルス光源を該所定の期間中（すなわち、前述したのと同じ継続期間の所定の期間）、パルスオンにすること、
－該埋込みフォトダイオード内の電荷を該所定の期間（すなわち、前述したものと同じ継続期間の所定の期間）、積分すること、
－パルス光源と混合された周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）を生成するために、該転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって該電荷を該センスノード（ＳＮ）に転送して該電荷を第２のコンデンサ（ＣＳＨ２）に保存すること、次いで
－周囲光と混合されたパルス光源のパルスオンに対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）から周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ）を差し引いて、パルス光源だけに由来する検出光の関数に対応する電圧（Ｖ＿ＬＥＤ）をもたらすこと。この関数は、典型的には、（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）と（Ｖ＿ａｍｂ）の差の半分である。

代替として、本方法は、以下を行うステップを含み得る、
－パルス光源をパルスオンにすること、
－該埋込みフォトダイオード内の電荷を所定の期間中、積分すること、
－パルス光源と混合された周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）を生成するために、転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって該電荷を該センスノード（ＳＮ）に転送して該電荷を第１のコンデンサ（ＣＳＨ１）に保存すること、次いで（すなわち、後の時点で、典型的には、数十マイクロ秒後に）
－パルス光源をパルスオフにすること、および
－該埋込みフォトダイオード内の電荷を該所定の期間（すなわち、前述したものと同じ継続期間の所定の期間）、積分すること、
－周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ）を生成するために、該転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって該電荷を該センスノード（ＳＮ）に転送して該電荷を第２のコンデンサ（ＣＳＨ２）に保存すること、次いで
－周囲光と混合されたパルス光源のパルスオンに対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）から周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ）を差し引いて、パルス光源だけに由来する検出光の関数に対応する電圧（Ｖ＿ＬＥＤ）をもたらすこと。この関数は、典型的には、（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）と（Ｖ＿ａｍｂ）の差の半分である。

代替として、本方法は、以下を行うステップを含み得る、
－パルス光源をパルスオンにすること、
－該埋込みフォトダイオード内の電荷を所定の期間中、積分すること、
－パルス光源と混合された周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ１）を生成するために、該転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって該電荷を該センスノード（ＳＮ）に転送して、該電荷を第１のコンデンサ（ＣＳＨ１）に保存すること、次いで（すなわち、後の時点で、典型的には、数十マイクロ秒後に）
－パルス光源を再度、パルスオンにすること、
－該埋込みフォトダイオード内の電荷を該所定の期間中（すなわち、前述したものと同じ継続期間の所定の期間）、積分すること、
－パルス光源の第２のサンプルと混合された周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ２）を生成するために、該転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって該電荷を該センスノード（ＳＮ）に転送して、該電荷を第２のコンデンサ（ＣＳＨ２）に保存すること、次いで
－電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ１）を電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ２）から差し引いて、パルス光源（ＬＥＤ）だけから受信した光に関連した信号の派生物の関数である（Ｖ＿ＬＥＤ１）と（Ｖ＿ＬＥＤ２）との間の差の関数を取得することであり、典型的には、ＬＥＤ照明に起因した信号の部分に関連した２つの電圧間の差の半分である。これは、有用で、利用可能な情報を提供する。

代替として、本方法は、以下を行うステップを含み得る、
－パルス光源をパルスオフにすること、
－該埋込みフォトダイオード内の電荷を所定の期間中、積分すること、
－リセット電圧（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）と混合された周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ａｍｂ）を生成するために、該転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって該電荷を該センスノード（ＳＮ）に転送して、該電荷を第１のコンデンサ（ＣＳＨ１）に保存すること、次いで（すなわち、後の時点で、典型的には、数十マイクロ秒後に）
－パルス光源をパルスオンにすること、ならびに
－該埋込みフォトダイオード内の電荷を該所定の期間中（すなわち、前述したものと同じ継続期間の所定の期間）、積分すること、
－リセット電圧と混合された周囲光および該パルス光源（ＬＥＤ）に関連した該信号に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ＬＥＤ）を生成するために、該転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって該電荷を該センスノード（ＳＮ）に転送して、該電荷を第２のコンデンサ（ＣＳＨ２）に保存すること、次いで
－電圧（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ａｍｂ）を電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ＬＥＤ）から差し引いて、パルス光源（ＬＥＤ）だけに関連した信号の関数を取得すること。

これらの変形は、ＤＣ成分を最小限まで除去することによって信号対雑音比を著しく向上させ、その派生物に関連した変形は、所望の信号に関連したさらに利用可能な情報を提供する。

好都合に、該減算は、該第１のコンデンサ（ＣＳＨ１）および第２のコンデンサ（ＣＨＳ２）を、一方のコンデンサの極性が他方に関して逆になるように、並列に接続することによって実行され、両方のコンデンサ（ＣＳＨ１；ＣＳＨ２）に共通の接続ポイントは、以前に各コンデンサ（ＣＳＨ１；ＣＳＨ２）にわたる電圧間の差の半分に対応する電圧値を示す。これは、極めて単純で受動的で、電力消費を最小限に維持する。

好ましくは、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置は、マクロピクセルであり得る、複数のピクセルを含み、該方法は、各ピクセル、例えば、アナログ領域内のマクロピクセル、の出力を受動スイッチコンデンサネットワークによって空間的に平均化するステップをさらに含む。

好都合に、本発明は非侵襲的である。

本発明のさらなる特徴および利点は、発明を実施するための形態で、図面を参照して説明される。

従来のＰＰＧ光生成電流のグラフを例示する。 本発明の一実施形態に従ったピクセルに対応する電子回路を例示する。 図３Ａに従ったピクセルの部分を断面図で例示する。 図３に例示するピクセル内部の電子の異なる電位および対応する転送を、左から右に操作の連続したフェーズで例示する。 本発明のさらなる実施形態に従ったピクセル構造の電子回路を例示する。 図４Ａに従ったピクセルの部分を断面図で例示する。 マクロピクセル構造の電子回路を例示する。 図５Ａのマクロピクセル構造のブロック図を例示する。 ピクセルまたはマクロピクセル内部の電子の異なる電位および対応する転送を、上から下に操作の連続したフェーズで例示する。 配列のピクセルの出力からオフセットを差し引くために設計された電子回路の一実施形態を例示する。 配列のピクセルの出力からオフセットを差し引くために設計された電子回路の第２の変形を例示する。 図７Ａの電子回路を操作するための１つのタイミング図を例示する。 図７Ｂの電子回路を操作するための１つのタイミング図を例示する。 ＰＰＧ信号の派生物を取得するために図７Ｂの電子回路を操作するための１つのタイミング図を例示する。 図９Ｃの電子回路を操作するための１つのタイミング図を例示する。 多重サンプリング前にピクセルの出力を平均化するために設計された電子回路の一実施形態を例示する。 多重サンプリング後にピクセルの出力を平均化するために設計された電子回路の一実施形態を例示する。 多重サンプリング前にピクセルの出力を平均化するために設計されて、図８Ｂ、図８Ｃおよび図８Ｄのタイミング図で操作するために最適化された、電子回路の一実施形態を例示する。 本発明の一実施形態に従ったＳＯＣを例示する。 ｍ列およびｎ行の配列（ｍ，ｎ）に分散されたピクセルの配列に対応する電子回路を例示する。

前述の説明および図面において、スイッチが言及または例示されるときには、それは典型的には、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴまたは同様のものなどのトランジスタとして実装される。

ＰＰＤ光生成電流
図１は、古典的なＰＰＧ光生成電流（原寸に比例していない）を例示しており、それは、組織から出てきていて、ＰＤ量子効果のおかげで電子に変換された光子に対応する。「ＰＰＧ光生成電流」は、本記述では、「電流」または「ＰＰＧ光生成信号」、「ＰＰＧ信号」もしくは「信号」とも呼ばれる。

この光生成電流は、組織（ＤＣ組織）、静脈血液層（ＤＣ ｖｅｎ．）および非拍動性動脈血液層吸収（ＤＣ ａｒｔ．）の複合作用に起因して、大部分は大きな直流（ＤＣ）成分を含む。この光生成電流（図１、上部）の少量だけが、対象の信号を含むわずかな交流（ＡＣ）である。

典型的には、ＬＥＤ波長に応じて、総ＤＣ成分（図１を参照して、ＤＣ組織＋ＤＣ ｖｅｎ．＋ＤＣ ａｒｔ．）は、ＡＣ成分の２０～５００倍であり得る。

値におけるかかる相違は、
－微量のＡＣ成分を増幅し、並行してＤＣ成分を減らすことを目的とした、堅牢な設計およびフィルタリング戦略のいずれか、または
－アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、大きなビット分解能、大きな電力消費およびさらなるシリコン面積の要求、または弱い信号対雑音比（ＡＮＲ）および低性能の代償を払って、デジタル領域での処理
を生じさせる。

実際にＰＰＧ用途に対して、ＡＣは、健康管理を可能にするために必要とされる光生成電流の成分である。例えば、ＡＣ成分は動脈内の血液の脈動から出ていて、２つの連続したＡＣピーク間の距離を測定することにより心拍数を測定するために使用される。それは、酸素飽和度を判断するためにも使用され、該酸素飽和度は、完全な光生成信号の絶対最大値と絶対最小値との間の対数比に比例する。

ＰＰＧ信号の課題の１つは、そのダイナミックレンジ（ＤＲ）に関連し、それは、該信号がとることができる最大値と最小値の比率である。

各々が対応する電子回路を備えた、異なるソリューションが存在するが、そのいずれも十分に満足のいくものではない。

例えば、
－対数トランスインピーダンス光受容器に基づく、第１のソリューションは、光強度に伴って直線的に変化する帯域幅を有し、それは望ましくない特性である。例えば、同じ画像センサーが、ユーザーの皮膚色素沈着に応じて異なる結果を示し得る、
－第１のソリューションの改善されたソリューションは、興味深い結果となるが、極めて高い（約４．５ｍＷ）総電力消費量および極めて複雑なアナログ回路の代償を払ってである、
－前向き経路（ｆｏｒｗａｒｄ－ｐａｔｈ）およびフィードバック経路に基づく、別のソリューションは、サブｍＷ電力消費量に達し、その場合、光電流のＤＣ成分およびＡＣ成分を測定する代わりに、フィードバック経路はＤＣ光電流を、基準電流と呼ばれる、所望の値に設定し、それは、可視およびＩＲチャネルの両方に対して同じである。かかるソリューションは、ＤＣの除去を極めて簡単な方法で可能にするが、複雑な電子回路および制御ループの代償を払ってであり、そこではいずれのレイアウト不一致または単純な電荷注入誤差も大きなオフセット誤差となり得る、
－別のソリューションは、ＰＰＧ信号のＤＣ成分をデジタルに変換することは、ＡＤＣ分解能の飽和になることを実証する。これは、ＡＤＣの完全なダイナミックレンジを利用するために、ＡＤＣ変換の前にＤＣを除去し、それをその後、デジタル領域で、ＡＣ成分に戻すことを提案する。しかし、かかるソリューションは、弱いＳＮＲおよび低性能につながり得る、
－誤差増幅器に基づく別のソリューションも、光受容器を制御するフィードバックループを使用するが、かかる技術の効率性はＤＣ電流が小さくなるにつれて弱くなる、
－別のソリューションはダイナミックレンジエンハンサーに基づくが、さらなる複雑さ（追加のブロック）、低速度およびより大きな電力などの問題に同様に直面する。

これに対処するために、本発明は、ＰＰＧ信号を読み出すための新しい光子検知技術、特に、標準的なＣＭＯＳ技術で作製できるシステムオンチップ（ＳＯＣ）を用いて、低雑音および低電力信号処理チェーン、ＬＥＤからのより低い光レベルでのより高い感度および信頼性のある測定を有する、技術を提案する。

従来の単一ＰＤの代わりに少なくとも１つの埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）を含むＰＰＧセンサーに基づく、提案されたソリューションは、本明細書で後に説明するようにＰＰＧ信号のＤＣ成分の大部分を除去することが可能である。従来のＰＮまたはＰＩＮフォトダイオードではなくＰＰＤを使用すると、ＰＮまたはＰＩＮフォトダイオードによっては示されないＰＰＤの固有の特性を利用することにより、複雑で電力を大量消費する回路、信号処理または同様のものを用いることなく、信号のＤＣ成分の除去を可能にする。

ＰＰＤベースの画像センサー
第１の実施形態は単一の転送ゲートピクセル配列に関する。

ＰＰＤは、ピクセルの第１の実施形態を例示する図２Ｂに示すような、ｐ＋－ｎ－ｐ接合（浅い高度にドープされたｐ＋の下に埋め込まれたｎ－ｐ接合）を含む。ＰＰＤが形成される基板は、ｐ型ドープされた半導体材料であり、接地されて、ｐ＋ドープされたゾーンを本質的に浮遊したままにする。これは、光生成電荷がその中に蓄積する電荷ウェルを形成して、電荷が蓄積するにつれてｐ＋層における電圧が上昇する。本質的に、基板の厚さに形成されたｐ＋ｎ－Ｐドープされた構造は原則的に陰極－陰極に配置された２つのダイオードを形成し、ｎ層は、図２Ｂ上の２つの向かい合ったダイオード記号によって図式的に例示されているとおり（注意：この記号は図式的であり、余分の構成要素を示しておらず、層およびそれらの接合の機能を単に示すだけである）、両方の間で共有されている。この向かい合ったダイオード記号は非従来型であり、ＰＰＤを表すため、およびそれを、衝突光に応答して流れる電荷を生成する、従来技術の従来のＰＮおよびＰＩＮフォトダイオードと区別するために、様々な図の回路図で使用されている。言い換えれば、ＰＰＤの事例では、電荷が該ＰＰＤから流れ出ることができない場合、それは、ＰＰＤ「電荷ウェル」内に蓄積するにつれて積分される。

この第１の実施形態によれば、ＰＰＤは、後に説明するように、該ＰＰＤとセンスノードとの間の転送ゲート（ＴＧ）として機能する、転送ゲートトランジスタ、またはＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタと呼ばれる、トランジスタのソースに電子的に接続されている。図２Ｂから分かるように、ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタは、同じ基板上でＰＰＤのＰ＋ゾーンに横方向に隣接して配置された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、それは電荷ウェルを選択的に「空にする」ことができる働きをする。

ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタのグリッドは、Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒと呼ばれるＤＣ電源に電子的に接続され、その値は動的に適合できる。

ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタは、ＰＰＤの一縁部で電位障壁を制御するために使用され、他の縁部は接地（図２Ａ）に電子的に接続されている。

ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタのおかげでＴＧ電位を調整すると、ＤＣオフセット（図１）の調整が可能になり、ＤＣオフセットは、信号（ＤＣ組織＋ＤＣ ｖｅｎ．＋ＤＣ ａｒｔ．＋ＡＣ）から取り除かれる所定のＤＣ電圧であり、較正によって設定できる。その結果、ＰＰＧ信号から、該ＤＣオフセットに等しい所定の部分を、できるだけ早く、かつ信号処理なしで、取り除くことが可能である。本質的に、これは、ＰＰＤ「電荷ウェル」が空にされている場合に、単に転送ゲート電位を設定することにより、信号対雑音比（ＡＣ成分が信号でありＤＣ成分の大部分が雑音である）を大幅に向上させる完全に受動的な方法である。出願者の知る限り、ＰＰＤの特性のかかる利用は、これまで知られておらず、ＰＰＧの文脈で特定の利点を有する。

図１を参照すると、結果として、感知のために送信されたＰＰＧ信号は、オフセット閾値より上の信号の上部だけであり、ＤＣオフセットはピクセルレベルで信号から「取り除かれて」、感知のためにＰＰＤから送信されない。結果として、センスノードの下流でＤＣ成分を取り除くための信号処理は必要ない。

ＰＰＤを取り囲んでいるこの電位障壁が、ＰＰＤのウェル電位Ｖ_ｗｅｌｌよりも低い場合、光生成電子はそのウェル内に保たれる。典型的には、ＰＰＤを取り囲んでいる電位障壁は、少なくとも本明細書で以下で説明する積分フェーズで、ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタによってわずかに負値で保たれる。

ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタの反対側、この場合、ドレインは、センスノード（ＳＮ）に電子的に接続され、図２Ａおよび図２Ｂを参照のこと。センスノード（ＳＮ）は、定義によりキャパシタンスＣＳＮを形成するｎ^＋－ｐ接合（図２Ｂを参照）であり、その役割はＰＰＤウェル内の光生成（積分された）電子を、該キャパシタンスＣＳＮの変換利得によって、電圧に変換することである。

図２Ａに例示するように、ピクセルはソースフォロアＳＦも含み、それは、一方でＤＣ電源ＶＤＤに、他方でスイッチＳ２を通して読取りラインＣｏｌ－ｌに、電子的に接続されたトランジスタであり、スイッチＳ２は、例えば、ＦＥＴなどのトランジスタであり得る。Ｓ２をスイッチオンすると、図３Ａに例示されたピクセルの読取りを可能にし、それは任意選択である。

図２ＡのスイッチＳ１は、閉じている場合、Ｖ＿ｒｅｓｅｔ電圧値をセンスノードに課すことを可能にし、Ｖ＿ｒｅｓｅｔは一定のＤＣ電源である。この趣旨で、スイッチＳ１はＦＥＴなどのトランジスタであり得る。

図２Ａのピクセルの操作が図３に例示されており、図３は、かかるピクセル内の電子の異なる電位および対応する転送を、操作の４つのフェーズで例示する。

積分フェーズでは、
－ＰＰＤが周囲光（存在する場合）およびＬＥＤ光で照らされる、
－Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒが低電圧に設定されてＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタを閉じて電位の障壁を作る、
－Ｓ１が開く。

ＰＰＤを取り囲んでいる電位障壁は、ＰＰＤのウェル電位Ｖ_ｗｅｌｌよりも低く保たれる。それに応じて、ＰＰＤは光生成電子を生成し、それらはＰＰＤウェル内に保持されて蓄積される。

好ましくは、ＬＥＤは同期して（同相で）発光する。このように、ＬＥＤは、本当に必要な場合にだけ電力を消費する。積分フェーズは典型的には、数百ｎｓから数マイクロ秒まで、すなわち、約２００ｎｓから３μｓまで、好ましくは、３００ｎｓから２μｓまで、持続する。かかる少ない積分時間は、電子読出しチェーンとＰＰＤとの間の完全な分離の結果、可能である。従来のＰＮまたはＰＩＮフォトダイオードに基づく標準的なＰＰＧセンサーでは、かかるわずかな積分時間は、はるかに高速な読出し回路および従ってはるかに多くの電力消費を必要とするであろう。最新技術の市販製品における典型的なパルス時間は４００μｓであることに留意されたい。

積分フェーズに続いて、リセットフェーズでは、
－好ましくは、ＬＥＤがオフにされる、それは電力を節約するが、本質的ではない
－Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒが低電圧に保たれる、
－Ｓ１スイッチが閉じられる。

このように、センスノードＳＮの電圧が上昇してＶ＿ｒｅｓｅｔ値に設定されて、ＳＮウェル内の全ての電子（存在する場合）をＶ＿ｒｅｓｅｔ ＤＣ電源に流すが、光生成電子は、リセットフェーズ中、ＰＰＤウェル内に依然として保持されている。

－次いで、リセットスイッチＳ１が、アドホックに決定された、所定の期間、開かれる。

これは、ＳＮノードが、前述のように、キャパシタンスとして機能するのを可能にし、従って、転送フェーズで転送される光生成電子を保存することが可能である。

リセットフェーズに続いて、転送フェーズでは、
－好ましくは、ＬＥＤがオフにされるが、これは本質的ではない、
－Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒが上昇する、
－Ｓ１スイッチは開いたままに保持される。

転送フェーズでは、ＴＧ電位が、ＰＰＤのウェル電位Ｖ＿ｗｅｌｌとＶ＿ｒｅｓｅｔとの間に含まれる値まで増加する。

このように、ＰＰＤウェルを満たしている光生成電子（ｅ－）が転送ゲートＴＧを通ってＳＮに拡散する。

この電荷拡散はＳＮの電位をリセットレベルＶ＿ｒｅｓｅｔからＶ＿ｔｒａｎｓｆｅｒ値まで降下させ、該Ｖ＿ｔｒａｎｓｆｅｒ値は転送された電荷の数、つまり、ＰＰＤに到達した光子の数、に比例する。

好ましくは、転送フェーズは１μｓを超えて持続しない。

転送フェーズに続いて、読出しフェーズでは、
－Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒが積分フェーズのその低電圧に設定される、
－Ｓ１スイッチは開いたままに保持される。

センスノードにおける電圧値は、ＰＰＤからシンクされた電子の数、つまり、ＰＰＤに到達した電子の数、に比例する。

第２の実施形態は、二重転送ゲートピクセル配列に関する。

第１の実施形態に加えて、前述の実施形態におけるようにＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタおよび接地に電子的に接続されたＰＰＤを有する代わりに、各ピクセルレベルにおいて、ＰＰＤが、ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタと、ＴＧｓｉｎｋトランジスタと呼ばれる別のトランジスタ、すなわち、それぞれＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタおよびＴＧｓｉｎｋトランジスタに対応する２つの転送ゲートＴＧｔおよびＴＧｓ、の間に電子的に接続されるピクセル配列がここで提案される。これは図４Ａに例示されており、それは、ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタとは無関係にＰＰＤの「ウェル」を空にするのを許可する、ドレイン電圧ＶＤＤにＰＰＤが追加として接続されている点において、図２Ａとは異なる。ＰＰＤのｐ＋ゾーンに対するＴＧｔｒａｎｓｆｅｒとＴＧｓｉｎｋの正確な幾何的関係は、それらが両方ともＰＰＤのウェルを空にすることができて、相互に悪影響を及ぼさない限り、重要ではない。各トランジスタがｐ＋ゾーンの反対側に位置していることは良いソリューションである。

この趣旨で、ＴＧｓｉｎｋトランジスタはＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタと同様に機能する、すなわち、ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタのグリッドに印加された電圧Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒの値に関して、ＴＧｓｉｎｋトランジスタのグリッドに印加された電圧Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋの値に応じて、ＰＰＤを取り囲んでいる電位障壁を変更することが可能であり、感知のためにＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタを通して、またはＶＤＤにシンクするためにＴＧｓｉｎｋトランジスタを通して、ＰＰＤウェルから電子を転送することを意味する。両方のトランジスタＴＧｔｒａｎｓｆｅｒおよびＴＧｓｉｎｋは、両方ともＰＰＤから電荷をシンクすることができるように構成されているが、独立している。

図４Ｂは、第２の実施形態に従ったピクセルを断面図で例示しており、それは、ＴＧｓｉｎｋトランジスタが、ＰＰＤのｐ＋ドープされたゾーンに隣接してＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタに類似した方法で、前述のようにこの後者に対してＰＰＤの反対側上に形成される方法を明瞭に例示している。

この実施形態では、ＰＰＤ電子は、シンクフェーズでＴＧｓｉｎｋトランジスタを通してシンクノードに対するＰＰＤの一方の側へ、または転送フェーズでＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタを通してＰＰＤの他方側のセンスノードＳＮへ、のいずれかに転送できる。

図６は、かかるピクセル（またはマクロピクセル）内部の電子の異なる電位および対応する転送を、図６の上から下に、操作の連続したフェーズの少なくとも１つのループで例示する。

シンクフェーズでは、
－ＬＥＤは好ましくは、オフにされる、
－Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋは、ＴＧｓｉｎｋトランジスタのグリッドに印加された高電圧に設定される、
－ＴＧｓｉｎｋトランジスタのドレインは一定のＤＣ電源、例えば、Ｖ＿ｒｅｓｅｔ（図４Ａに例示された）に接続される。

Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒは、Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋより低いＶ＿ｗｅｌｌより低い。それに応じて、ＰＰＤウェル内部にあった光生成電子はＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタを通り抜けることができず、ＴＧｓｉｎｋトランジスタだけを通り抜けることができる。

ＰＰＤウェルの電子はＴＧｓｉｎｋトランジスタを通って、例えば、定電圧ＤＣ電源に行く。かかる場合、ＴＧｓｉｎｋトランジスタのドレインは定電圧に接続されていて、コンデンサには接続されていないので、適切な電圧Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋがＴＧｓｉｎｋトランジスタのゲートに印加されると、ＰＰＤウェルの全ての電子が失われる。

その結果、これらの電子のいずれも取得チェーン（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタを通ってセンスノードの下流に配置されている）に到達しない。それに応じて、周囲光が感知を変えることはなく、ＰＰＤウェルは空にされる。

積分フェーズでは、第１の実施形態の積分フェーズと同様に、
－ＬＥＤがオンにされる、
－Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋが低電圧に設定されてＴＧｓｉｎｋトランジスタを閉じて電位の障壁を作る。好ましくは、Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋは、光生成電子がＴＧｓｉｎｋトランジスタを通ってあふれないように、Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ以下である、
－Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒは低電圧に保たれる。

ＰＰＤを取り囲んでいる電位障壁は、ＰＰＤのウェル電位Ｖ_ｗｅｌｌよりも低く保たれている。それに応じて、ＰＰＤは光生成電子を生成し、それらはＰＰＤウェル内部に保持される。

しかし、積分された信号の大部分はＤＣ成分を含む。所定の閾値（オフセット）を超えている信号のごく一部を転送することは、センスノードが該オフセットを該ＤＣ成分から差し引いた後に読出しが実行されるのを可能にする。

リセットフェーズでは、
－好ましくはＬＥＤがオフにされる、
－Ｖ＿ＳＮがＶ＿ｒｅｓｅｔに設定される。

このように、センスノードＳＮの電圧が上昇してＶ＿ｒｅｓｅｔ値に設定されて、ＳＮウェル内の全ての電子（存在する場合）をＶ＿ｒｅｓｅｔ ＤＣ電源に流すが、光生成電子は、リセットフェーズ中、ＰＰＤウェル内に依然として保持されている。

－次いで、リセットスイッチＳ１が、必要に応じて、所定の期間、開かれる。

これは、ＳＮノードがキャパシタンスとして機能するのを可能にし、従って、転送フェーズで転送される光生成電子を保存することが可能である。

転送フェーズでは、
－ＬＥＤが好ましくはオフにされて電力を節約する、
－ＴＧｓｉｎｋ電位（ＴＧｓ）が維持される、
－ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ（ＴＧｔ）電位がＰＰＤのウェル電位Ｖ＿ｗｅｌｌとＶ＿ＴＧｓｉｎｋとの間に含まれる値まで上昇する。

このように、ＰＰＤウェルを満たしている光生成電子（ｅ－）がＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタの転送ゲートＴＧｔを通してＳＮに拡散して、センスノードＳＮをＶ＿ｔｒａｎｓｆｅｒ電圧値に設定する。

Ｖ＿ｗｅｌｌとＶ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒの差は、ピクセルレベルにおいて信号から除去されるＤＣ成分に対応するオフセット（またはＶ＿ｏｆｆｓｅｔ）である。Ｖ＿ｏｆｆｓｅｔの最小値はゼロであり得るが、典型的にはもっと大きい値であることに留意すべきである。

読出しフェーズでは、
－ＬＥＤが好ましくはオフにされて、再度、電力を節約する。

センスノードＳＮ側上の光生成電子（ｅ－）が読み出され、ＰＰＤ内部の光生成電子はその電位ウェル内に保たれる。

センスノード電圧の読出し後、後者は再度リセットでき、シンクフェーズから開始する新しいループが実装できる。

ＰＰＤ装置のｎ層は一種のウェルである、すなわち、一旦、ウェルが完全に満たされると、ＴＧｓｉｎｋトランジスタ側の電位の障壁のために、追加の光生成電子は、ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタを通してＳＮ空乏（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）にあふれ出る。

Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ動的値のおかげで、オフセットからＳＮ空乏にあふれ出ている光生成電子だけが読み取られ、Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒが適切に設定される場合、これは、以下でさらに詳細に説明するように、信号（図１を参照）のＡＣ成分だけが転送されて、ＤＣ成分をＰＰＤのウェル内に残す結果となる。このように、信号対雑音比は、単にＶ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒを適切に設定することにより、信号処理回路を下流に置くことも電力を消費することもなく、大幅に改善される。

選択された電位レベルの障壁は、以下で明らかにされるように、周囲光および較正フェーズにおけるＰＰＧ信号のＡＣ／ＤＣ比によって決まる。

典型的には、この較正フェーズは、Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒを所定の値に設定し、次いで対応するピクセルが飽和しているかどうかをチェックすることを含む。ピクセル応答が飽和している場合、ピクセル応答がもう飽和しなくなるまで、Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒの該所定の値を所定のピッチ（すなわち、量）だけ増加させることを含むループが実行される。

例えば、較正フェーズは、同じ装置が、異なる皮膚色素沈着を有する異なるユーザーに関して使用可能にする。

較正フェーズの後、ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタを通ってあふれ出ないＤＣの所定の量に対応する、所定のオフセットレベルを、対応する所定の値をＶ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒに設定することにより、設定することが可能である。

例えば、較正フェーズでは、信号のＤＣ成分＋ＡＣ成分を含む総計を測定することが可能である。ＡＣ成分はかかる信号の数パーセントしか表していないことが知られている。それに応じて、所定のオフセットレベルが信号の９０％と等しくなるように、Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒを設定することが可能である。オフセットを９０％のＤＣだけ減らすと、ＡＣ／ＤＣ比が１桁分向上して、入力におけるダイナミックレンジ制約が緩くなる。実際、ＰＰＧ測定において、ＰＰＧ信号は典型的には、２０対、例えば、５００の非常に高いＤＣ／ＡＣ比を有しており、それは、古典的な画像検知ソリューションでは対処可能ではないことに留意すべきである。

この実施形態は、ＰＰＤ信号のＤＣ成分をさらに減らす、すなわち、それは従って、ＤＣ除去装置またはＤＲエンハンサーとして動作する。これは、電力および回路の複雑さに追加のコストをかけることなく、できる。かかるシステムは、追加の回路なしで、読出しチェーンの初期段階でこれを行う。

好都合に、Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒはアナログ装置の部分である。それに応じて、電位障壁のレベル、すなわち、ＰＰＤ内に残っている電子のレベル対センスノードに転送されている上回っている電子の数（あふれ）を正確に調整することが可能である。電位障壁レベルのかかる適合はリアルタイムで行うことができる。

Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒの値を調整すると、検知されないＤＣの所定の部分の値を調整し、その結果としてセンサーが飽和するのを回避するのを可能にして、より良い信号対雑音比となる。

Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋの値がＶ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒの値と等しい場合、
－電子はＰＰＤウェル内に積分できる、または
－電子はＳＮから読み取ることができる。

Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋの値がＶ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒの値よりも大きい場合、
－ＰＰＤが読み取られていない場合、電子はＴＧｓｉｎｋトランジスタを通ってＰＰＤからシンクする。

Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋの値がＶ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒの値よりも小さい場合、
－電子は、ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタを通して読み取られている間、ＴＧｓｉｎｋトランジスタを通ってＰＰＤからシンクできない。

Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋは、例えば、スイッチまたはＤＳＰのおかげで、ＴＧｓｉｎｋトランジスタのグリッドに、選択的に印加されるか、または印加されない定数値である。

それに応じて、Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒの、およびＶ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒだけの値は、ＰＰＤの縁部において電位障壁の値を制御するために使用できる。Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒのかかる値が設定され、較正フェーズのおかげで継続的に適合でき、そのためＰＰＧ信号の定数成分（オフセット電子）を表している光生成電子の大部分は、センスノードに転送されず、代わりに、ＰＰＤウェル内に残っている。最終的に、これらの電子は次のフェーズでシンクアウトできる。

この段階で、ＰＰＤは画像センサー（電荷結合素子、ＣＣＤ）で知られているが、それらは本発明におけるのと同じ方法では利用されないことが強調されるべきである。画像センサーでは、衝突光の全量が光強度に関する重要な情報を含んでいるので、目的は、この光の全体を捕捉して利用することである。画像センサーの各ＰＰＤによって記録された強度は次いで、その画像を生成するために使用される。結果として、画像センサーでは、ＰＰＤの電荷ウェル内に保存された電荷全体は、信号処理のために回路の残りに転送される。ＰＰＧセンサーの特定の場合、受信された光の大部分は単にＤＣ雑音であり、信号を隠している。前述のとおり、この一部は周囲光に由来し、一部は組織、動脈および静脈からの変化しない反射に由来し、所望の信号はこの雑音の上の変化するＡＣ成分だけである。従来のＰＮまたはＰＩＮフォトダイオードを使用している場合、フォトダイオード自体のレベルでこれを除去する方法はなく、従来のダイオードで生成された電流全体が処理される必要がある。前述のようにＰＰＤダイオードの特性を利用することにより、ＰＰＤのレベルにおいて、このＤＣ雑音の、全部ではないが、大部分を拒絶して、所望のＡＣ成分に対応する受信した光のごく一部だけを転送することが可能である。

図４Ａおよび図４ＢのいくつかのＰＰＤ配列は、図５Ａおよび図５Ｂに例示するように、一緒に結合されて所謂「マクロピクセル」を形成することができる。特に、図５Ａは、図４Ａおよび図４Ｂにおけるように並列に配列され、それぞれシンクトランジスタＴＧｓｉｎｋによってＰＰＤに結合された、そのシンク側で共通のドレインＶＤＤを共有している、一対のＰＰＤを例示している。転送トランジスタＴＧｔｒａｎｓｆｅｒの出力は、共通のセンスノードＳＮに接続され、マイクロピクセルのＰＰＤでそれらの電荷をセンスノードＳＮに同時に転送する（ピクセルが典型的には同じセンスノードを共有しない、古典的なＣＩＳ／ＣＣＤ／ＳＰＡＤとは異なる。一部のＣＩＳでは、２、３のピクセルは、ピクセルのフィルファクタを最適化するために同じセンスノードを共有し得るが、それらはそれらの電荷を共有センスノードに同時に転送するのではなく、ローリングモードで連続して転送する）。ソースフォロアＳＦはその入力をシンクノードＳＮから取得して、さらなる回路に出力する（以下を参照）。転送トランジスタＴＧｔｒａｎｓｆｅｒを制御するための制御線の全ては、シンクトランジスタＴＧｓｉｎｋを制御するための制御線と同様に、一緒に結合される。図５Ｂは、ソースフォロアＳＦの入力（ＶＤＤ、Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋ、Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ、ＲｅｓｅｔおよびＶ＿ｒｅｓｅｔ）および下流の出力の関数として、これを概略的に例示する。本発明の意味の範囲内で、「マクロピクセル」は、複数のＰＰＤおよび共通のセンスノードを有する「ピクセル」と見なされることに留意すべきである。

２つのＰＰＤは図５では並列に配置されているが、原理的に任意の数を組み込むことができ、完成したＰＰＧ装置の画像検知領域は、並列に配置されて、各々がそれ自身のセンスノードＳＮおよび対応する出力を有する、これらのマイクロピクセル構造の１つ以上を含み得る。

マクロピクセル構造は、古典的な画像検知で検知される信号の特性とは完全に異なるＰＰＧ信号の特定の特性に対して最適化される。根本的に、ＰＰＧ出力は、１次元信号であり、従来の撮像では必須である、個々のＰＰＤ間の空間的な関係に関するいかなる情報も必要としない。さらに、かかるマクロピクセルの使用は、それらはより大きな領域をカバーするので、従来の撮像では画像分解能を大幅に低減するが、他方ここでは、「分解能」の概念がないので、極めて短い照明およびサンプリング時間でのサンプリングに対して利用可能な電荷の量を増加させるために複数のＰＰＤを並列で使用できる。

ＰＰＤ装置のリセット電圧Ｖ＿ｗｅｌｌおよび転送中に使用される転送ゲート電圧は全て、以下を行うために特別に選択される、
－同じマクロピクセルのＰＰＤがクロストークなしで（ＰＰＤは転送中、相互に独立している）そのマクロピクセルの共通のセンスノードＳＮに電荷を注入できるようにすること
－信号の所定の量が、前述のとおりＶＴＧ＿ｔｒａｎｓｆｅｒレベルのおかげでセンスノードに転送されるのを防ぐこと。該信号は潅流指数（ＡＣ／ＤＣ比）に基づく。

マクロピクセル当たりのＰＰＤ数の選択は、特にＰＰＧ信号特性に対する信号対雑音比を最適化するために定義され、ＰＰＧ信号特性は、電子的読出し雑音、光子ショット雑音、ＰＰＤ暗電流雑音、量子化雑音、飽和レベル、ＡＣ／ＤＣ比または潅流指数、ピクセルマクロピクセルの数、配列当たりのマクロピクセルの数を伴う関数である。かかる関数はＰＰＧ信号処理に特有であり、前述のとおり、画像センサー設計では考慮事項ではない。

ピクセルの配列
ピクセルの第１もしくは第２の実施形態、または前述したマクロピクセル構造が使用されるかどうかにかかわらず、複数のピクセル、特に、各ピクセルが１つのＰＰＤ１つのマクロピクセルを含む、ピクセルの配列を含む光検出器を使用することは好都合である。

これは、著しい改善となる。実際に、ＰＰＤベースの撮像装置は極めて優れた感度および雑音性能を達成することが示されている。

この実施形態で提案されるＰＰＧ装置は、入力光の分散に関するその機能が、ＰＰＤベースのピクセルの配列およびそれらの出力の平均化に基づき、これは、読出し雑音、光子ショット雑音およびスプリアス信号を著しく低減させる。

前述のとおり、ＰＰＧ装置の電力消費の大部分は、ＬＥＤ発光に費やされる。提案される装置で可能にされるより良い感度は、ＬＥＤのデューティサイクルおよび照明を著しく減らすのを可能にして、平均バイアス電流および電力消費を大幅に削減する。

これに加えて、この新しいＰＰＧ装置は、単一のチップ、ＳＯＣに完全に組み込むこともでき、それは最先端ソリューションに関してプレークスルーを意味し、ほとんどＳＯＢ（別個の電子機器）を示す。

単一のＰＤまたはＰＩＮダイオードをピクセルの配列によって置換すると、少なくとも入力光のピクセル上での分散となり、読出しチェーンに関するダイナミックレンジ制約を減らす。加えて、配列ピクセル出力の平均化は読取り雑音分散を可能にし、それは平均化された出力数に比例する。

各ピクセルにおいてリーダー回路があるという事実によって電子的読出し雑音が生成される。全てのピクセルの値を平均化すると、配列のピクセルの総数の因子である数だけ読取り雑音が低減する。これは、読取り雑音を根絶するのを可能にする。

配列ピクセルの出力の平均化は電荷領域で実行される。図１１は、各ピクセルの出力がコンデンサＣにどのように接続されているかを示す。これらのピクセルは図４Ａおよび図４Ｂのものであると例示されているが、それらは同様に図２Ａおよび図２Ｂのもの、または図５Ａにマクロピクセルとして示されているものであり得る。１つの可能な方式が図９Ｃに示されている。

この略図（図９Ｃ）に関するタイミング図が図８Ｄに示されており、図８Ｄ中、「高い」信号はスイッチ（例えば、ＦＥＴであり得る）が閉じられていることを示す。各ピクセルからの第１のサンプルが、スイッチＳ２およびＳ３を開き、スイッチＳ１を閉じることによってコンデンサＣ内に保存される。次いで、スイッチＳ１が開かれ、スイッチＳ２が閉じられて、第２のサンプルが対応するコンデンサＣに同じ方法で保存される。２つの保存されたサンプルの平均化がスイッチＳ３を閉じることによって実行される。コンデンサＣは実質的に同じ容量を有するので、このように同じサンプル（すなわち、それぞれＳ１の下流のものおよびＳ２の下流のもの）に関連した出力コンデンサの全てがそれらの電荷を共有して、配列ピクセル出力サンプルの平均に等しい電圧となる（それはそれらが出現する各実施形態に同様に適用される）。加えて、複数のピクセル出力コンデンサの並列接続から生じる大きなキャパシタンスは、次の段階のための電圧バッファとして機能するはるかに大きいキャパシタンス、例えば、図９Ｃに示されるような、コンデンサＣの下流に置かれた、増幅器となる。このプロセスは、ほぼゼロの電力消費で、平均化、多重サンプリングおよびバッファリングを可能にする。並列コンデンサＣによって可能にされたバッファリング効果のおかげで、スイッチコンデンサ増幅器は、次の段階として直接実装されて、Ｃ１／Ｃ２の比率で信号を増幅して、２つのサンプルの区別を確実にできる。実際には、スイッチＳ４がＳＡＺスイッチで最初に開かれて、第１のサンプリングされて平均化された値をコンデンサＣ１に保存する。次いで、Ｃ１内に保存された電荷をＣ２に転送して、増幅器を、出力がＣ１内に保存されたサンプルと入力における電流電圧との間の増幅された差を指すモードにするためにＳＡＺが閉じられる。次いで、Ｓ５が閉じられて、増幅器の出力においてコンデンサＣ上にサンプリングされた２つの平均値間の増幅された差を有する。この方式は、電力コストがはるかに高い、ピクセルデータ処理のための能動回路を実装する最先端の画像センサーとは全く異なる。

図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃにおける異なる変形で提示された配列構造では、配列全体に対する読出しを一度、実行する。従来の画像センサー（ＣＩＳ／ＣＣＤ／ＳＰＡＤ）では、バースト／ローリングモードでフォトサイトごとの読出しが必要とされる。我々の事例における配列は、全体として読み出されて、配列平均を同時に提供する。加えて、マクロピクセルのＴＧｔｒａｎｓｆｅｒゲートは、前述のとおり、定義されたＤＣ部分のキャンセルを可能にする。最先端のＰＰＧセンサーでは、これは複雑な回路を必要とする。

配列構造は、１００，０００を超えるＰＰＤの完全な配列に対して、所与の潅流指数に関するパルス捕捉、周囲光キャンセル、雑音低減、ＤＣキャンセルを１０uｓ未満で可能にして、従来の配列によって達成されたものを少なくとも２桁下回る電力消費を可能にする。これは、ピクセル配列と従来の画像センサーとの間の実質的な差を実証する。

多重サンプリング
ここでの目的は、信号対雑音比ＳＮＲをさらに改善することである。

第１のステップで、ＬＥＤはオフである。周囲光が、第１のコンデンサのおかげで、所定の期間、サンプリングされる。読み取られて記録される信号は周囲光にだけ対応する。

第２のステップで、ＬＥＤは、理想的には、周囲光がサンプリングされる所定の期間と同じ、所定の期間、オンである。周囲光から、およびＬＥＤからの光が、第２のコンデンサのおかげでサンプリングされる。読み取られて記録される信号はＬＥＤ光と周囲光に対応する。

この操作は、一定のリセットレベルを除去するとともにフリッカー雑音も減らす、固有の減算であり、それは、「相関二重サンプリング」（ＣＤＳ）と呼ばれて、対応するＣＤＳブロックまたは段階を使用する。

次いで、第１のコンデンサからの値を第２のコンデンサの値から差し引くことによりＬＥＤ光だけに対応する信号を得るために、第１のステップの信号を第２のステップの信号から差し引くことが可能である。

２つのＣＤＳは２０μｓ以内（１０μｓのＬＥＤ光のパルス）に操作でき、周囲光はその期間内に大きくは変化しないと想定される。これは、その期間内に変化しないアーチファクト、例えば、モーションアーチファクトを除去する。

読出し動作は、リセットレベル感知から始まってＣＤＳで終わる、いくつかのステップで実行されることが前述されている。

この機構は、周囲光減算および出力平均化、すなわち、フィルタリングを、本質的にゼロ電力を意味する、ほぼ完全に受動的な方法で実行するＰＰＧ用途に対して強化できる。

図９Ａおよび図９Ｂは、基本的な列レベル読出しチェーンを示しており、それぞれＣＤＳ１およびＣＤＳ２の、２つのＣＤＳ段階を埋め込んでいて、各々１つが「反転極性」原理に基づく。各事例で、ピクセルは図４Ａおよび図４Ｂのものとして示されているが、それらは同様に、図２Ａおよび図２Ｂのピクセル、または図５Ａのマクロピクセルであり得る。

図７Ａ、図９Ａ、図９Ｂおよび図８Ａを参照すると、読出し操作は２つのフェーズ、
－第１、周囲光と関連付けられた電圧Ｖ＿ａｍｂの抽出、および
－第２、周囲光＋ＬＥＤ光に関連した電圧の抽出
を伴う。

ＬＥＤがオフである第１のフェーズ（図８Ａを参照して「周囲光」）で、リセットフェーズを切り替えることにより、センスノードがまず、リセットされる。Ｖ＿ｒｅｓｅｔ電圧が次いで感知され、その後、スイッチＳＨ１を閉じ、スイッチＳＨ２およびＳＨ３を開くことにより、キャパシタンスＣＳＨ１（図９Ａおよび図９Ｂ上のブロックＣＤＳ１）に保存される。結果として、周囲光と関連付けられた積分された電荷が、スイッチＳＨ１およびＳＨ３を閉じ、スイッチＳＨ２を開くことにより、キャパシタンスＣＳＨ２（図９Ａおよび図９Ｂ上のブロックＣＤＳ１）に保存される。この保存された電圧は、周囲光の電圧Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔに対応する。キャパシタンスＣＳＨ１およびＣＳＨ２は、実質的に同じ容量であり、それは、それらが出現する各実施形態に同様に適用される。本出願のタイミング図上で高電圧として示されている場合、対応するスイッチは閉じていて電流が流れることに留意すべきである。

その後、スイッチＳＨ１およびＳＨ２が開かれ、スイッチＳＨ３が閉じられて、その結果、コンデンサＣＨＳ１およびＣＳＨ２の両方が、極性が反転されて、並列に接続されている。言い換えれば、電荷がＰＰＤから流れ込むコンデンサＣＳＨ２の極が接地に接続され、２つのＳＨ２スイッチの低い方によって以前に接地されていた、その他方の極は、コンデンサＣＳＨ１の入力極に接続されている。反転電位原理のため、第１のＣＤＳ１段階の終わりに、対応する電圧レベルは０．５（Ｖ＿ＣＳＨ１－Ｖ＿ＣＳＨ２）となり、それは、０．５（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ－Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）＝０．５Ｖ＿ａｍｂに等しい。これは、先行するリセットからアーチファクトを除去する。かかる結果は、スイッチＳＨ４およびＳＨ６を開くことによって、ＣＳＨ４キャパシタンス（図９Ａ上のブロックＣＤＳ２）内に保存され、他方、スイッチＳＨ５を閉じると、電荷がコンデンサＣＳＨ４に流れ込む。再度、コンデンサＣＳＨ３およびＣＳＨ４は実質的に同じ容量を有しており、それは、それらが出現する各実施形態に同様に適用されることに留意すべきである。

第２のフェーズ（図８Ａを参照して「ＬＥＤ光」）で、ＬＥＤはオンであり、それは、積分された光電子が、ＬＥＤおよび、常に存在する周囲光の両方に起因することを意味する。

この場合、第１のＣＤＳ１段階の終わりに、第１のフェーズと同様、対応する電圧レベルは０．５（Ｖ＿ＬＥＤ＋Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ－Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）＝０．５（Ｖ＿ＬＥＤ＋Ｖ＿ａｍｂ）とほぼ等しい結果となる。

第１のフェーズに関して、Ｖ＿ＬＥＤ＋Ｖ＿ａｍｂは、第２のフェーズのちょうど終わりに、キャパシタンスＣ_ＳＨ３（図９Ａおよび図９Ｂ上のブロックＣＤＳ２）に保存される。

対象のＰＰＧ情報はＶ_ＬＥＤだけに含まれているので、信号は、信号対雑音比を改善するために周囲光を「取り除く」ことができる。

ブロックＣＤＳ２の構造により、ＣＳＨ４をＣ_SM区別し、次いで、周囲光に関連した電圧０．５（Ｖ＿ａｍｂ）を周囲光＋ＬＥＤ照明に起因する信号に関連した電圧０．５（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）から差し引き、従って、ＣＤＳ１の文脈で前述したとおり、変更すべきところは変更して、ブロックＣＤＳ２の様々なスイッチを操作することにより、ＬＥＤだけに関連した電圧０．２５（Ｖ＿ＬＥＤ）を取得することが可能である。この最終的な信号は次いでＡＤＣに渡されて、デジタル信号に変換される。

結果として、信号対雑音比は、ＬＥＤをオフにして測定された受信された周囲光に対応するＰＰＤ出力からＤＣ電圧成分を差し引くことによって大幅に改善でき、ＬＥＤをオンにして測定された総信号から容易に差し引くことができる。

１つの単一ＣＤＳで周囲光のキャンセルを可能にする提示されたフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の１つの他の実施形態および操作が、図８Ｂおよび図７Ｂを使用して説明される。図８Ｂで示されるような方式での周囲光のキャンセルは、必要なＣＤＳ段階の数を減らす利点を有する。

１つのＣＤＳを用いたこの周囲光のキャンセルは、図８Ｂおよび図７Ｂに基づき以下のように説明され、各ピクセルに関して（またはマクロピクセル、使用される場合）、
－ピクセルのＳＮをそのリセットゲートによってリセットすること。
－転送ゲートトランジスタＴＧｔｒａｎｓｆｅｒのグリッドを低電圧で設定してＰＰＤからＳＮへの電荷転送を防ぐこと
－ＬＥＤをオフにして、これから先、周囲光に対応する電荷をＰＰＤ内に積分すること。
－より高い電圧のパルスを転送ゲートトランジスタＴＧｔｒａｎｓｆｅｒのグリッドに印加することによりＳＮへの第１の転送を実行し、スイッチＳＨ２およびＳＨ３を開き、スイッチＳＨ１を閉じることにより結果として生じるＶ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔに対応する出力電圧をコンデンサＣ＿ＳＨ１内に保存すること。
－ＬＥＤパルスを実行し、周囲光およびＬＥＤ光レベルに対応する電荷をＰＰＤ内に積分すること。
－さらに高い電圧のパルスを転送ゲートトランジスタＴＧｔｒａｎｓｆｅｒに印加することによりＳＮへの第２の転送を実行し、スイッチＳＨ１およびＳＨ３を開き、スイッチＳＨ２を閉じることにより、結果として生じるＶ＿ＬＥＤ＋Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔに対応する出力電圧をコンデンサＣＳＨ２内に保存すること。
－スイッチＳＨ１およびＳＨ２を開き、スイッチＳＨ３を閉じることにより第１の保存された電圧を第２から差し引いて、周囲光、アーチファクト、オフセット、低周波数および周囲雑音のない、ＬＥＤ光の受信によって生成された信号となる０．５（Ｖ＿ＬＥＤ）に対応する電圧を取得する。

ＰＰＧ信号自体の代わりにＰＰＧ信号の派生物の感知を可能にする提示されたフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の１つの他の実施形態および方法が、図８Ｃおよび図７Ｂを使用して説明される。ＰＰＧ信号派生物の感知は、読出しチェーンに由来する雑音、オフセット、アーチファクトおよびスプリアス信号だけでなく、ＬＥＤ、動きアーチファクトおよびセンサー環境にも由来するものもキャンセルする利点を有する。実際、入力信号を破損するこれら全ての要素は、数マイクロ秒を超える期間を有する。これ故、派生物を感知することは、これらの要素全てのキャンセルを可能にする。従来のＰＰＧセンサーでは、連続したＰＰＧサンプルをかかる短期間に取得することは明らかではなく、そうでなければ、より高速な回路に対するより大きな電力消費が必要とされる。

ＰＰＧ派生物感知は、図８Ｃおよび図７Ｂに基づき以下のように説明され、１つ以上のピクセル（またはマクロピクセル）に関して、
－ピクセルのＳＮをそのリセットゲートによってリセットすること、
－転送ゲートトランジスタＴＧｔｒａｎｓｆｅｒのグリッドを低電圧で設定してＰＰＤからＳＮへの電荷転送を防ぐこと
－第１のＬＥＤパルスを実行し、周囲光およびＬＥＤ光に対応する電荷をＰＰＤ内に積分すること。
－さらに高い電圧のパルスをＴＧに印加することによりＳＮへの第１の転送を実行し、結果として生じるＶ＿ＬＥＤ１＋Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔに対応する出力電圧をＣＳＨ１内に前述と同じ方法で保存すること。
－第２のＬＥＤパルスを実行し、周囲光および第２のＬＥＤ光レベルに対応する電荷をＰＰＤ内に積分すること。この第２のＬＥＤ光パルスは典型的には、第１のものの数十マイクロ秒後に生じるが、これは、必要に応じて、適合できる。
－さらに高い電圧のパルスを転送ゲートトランジスタＴＧｔｒａｎｓｆｅｒのグリッドに印加することによりＳＮへの第２の転送を実行し、結果として生じるＶ＿ＬＥＤ２＋Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔに対応する出力電圧をＣＳＨ２内に前述と同じ方法で保存すること。
－前述のようにスイッチＳＨ３を閉じることにより第１の保存された電圧を第２から差し引いて、０．５（Ｖ＿ＬＥＤ１－Ｖ＿ＬＥＤ２）に対応する電圧を取得し、それは、Ｖ＿ＬＥＤ２はＶ＿ＬＥＤ１後のある時に取得されたので、周囲光、アーチファクト、オフセット、低周波数および周囲雑音のない、ＬＥＤに由来した信号の派生物となる。

この技術は、ＰＰＧ信号派生物を１つの単一読出し方式および１つのアナログからデジタルへの変換で計算するという利点も有する。

多重サンプリング＋ピクセルの配列
ここで、および上で説明される多重サンプリングは、ｍ列およびｎ行の配列（ｍ，ｎ）に分散されたピクセルの配列を例示する図１１に示されるように、同じ列内の全てのピクセルに対して同時に実行できる。

同じ列で、ピクセルは、図５Ａに示されるように、１つの電圧バッファに接続された同じセンスノードＳＮを共有する。

図７Ａ～図７Ｂの反転極性原理は、全ての列の間で各列を平均化することで補完できる。

全ての列を平均化すると、読取り雑音分散を列数に等しい因子だけ低減し、これは低雑音、低電力消費につながる。

第１の実施形態、図９Ａでは、図７Ａに例示された２つのＣＤＳ段階は、平均化の後に行われる。図９Ａに関して、センスノードはまず、ＰＰＤのピン電圧よりも高い電圧にリセットされる。リセットレベル電圧Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋周囲光電圧Ｖ＿ａｍｂが次いで読み出されて、各電圧バッファの出力でサンプリングされる。リセット電圧＋周囲光電圧Ｖ＿ａｍｂは次いで平均化される。

平均化は、図９Ａおよび図９Ｂに示されるように、スイッチおよびサンプリングキャパシタンスで作られた完全な受動回路を伴い、コンデンサを従来方式で並列に単に接続することを伴う。それに応じて、電子回路の単なる設計がまず、二重ＣＤＳチェーンを実行でき、次いでその結果を平均化するか、または逆に、まず各列の出力を平均化し、その後、２つのＣＤＳ段階を実行する。

図１１に示されるように、配列の全てのピクセルが同時に操作されて読み出される。図１１では、平均化は同一のコンデンサにおける列レベル電圧をサンプリングし、それらを一緒に接続することによって実行される。

このリセット操作の後、ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタがオフにされ、ＬＥＤが所定の期間、パルスオンにされて、積分された電荷をＰＰＤ内に累積してセンスノードにあふれ出るようにさせる。あふれ出る電荷はセンスノードＳＮ電圧の値を直線的に変化させる。

ｘは列番号である図１１に関して、各電圧フォロワＳＦｘの出力は、再度、配列出力で平均化される。連続した２つのＣＤＳ段階ではＬＥＤ信号電圧Ｖ＿ＬＥＤを抽出して、周囲電圧Ｖ＿ａｍｂおよびリセット電圧Ｖ＿ｒｅｓｅｔの両方を取り除く。

さらなる実施形態、図９Ｂでは、図７Ａに例示された２つのＣＤＳ段階は、平均化の前に行われる。前述の実施形態とは逆に、図９Ｂでは、リセット電圧Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋周囲光電圧Ｖ＿ａｍｂがまず、各列に対して別々に抽出される。次いで、ＬＥＤから光生成された電子がセンスキャパシタンスにあふれ出て、列当たり１つのキャパシタンスの、専用キャパシタンスに保存される。

２つのＣＤＳ段階は、各列、周囲およびリセット電圧補正ごとに、独立して実行し、最後にだけ、ＬＥＤ信号電圧がｍ列の間で平均化される。

図９Ｃに例示されるさらなる実施形態では、図７Ｂにおけるように２つのＣＤＳ段階は、１つの単一ＣＤＳに減らされる。図８Ｂに例示されるように、次の２つの独立したサンプルは配列出力で平均化される、すなわち、リセット電圧Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋周囲光電圧Ｖ＿ａｍｂから成る１つ、およびリセット電圧Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋周囲光電圧Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤに対する第２のサンプル。図８Ｄを参照すると、連続した電子回路は、ＬＥＤ信号電圧Ｖ＿ＬＥＤを抽出して、周囲電圧Ｖ＿ａｍｂおよびリセット電圧Ｖ＿ｒｅｓｅｔの両方を信号から簡単な方法で取り除く。

平均化のプロセスおよびシステムレベル表現が図１０に示されている。

入力雑音（

で）に関する限り、ショット雑音は制限因子である。実際に、ショット雑音だけから成る、２８．５ｄＢのＳＮＲに関して、そのショット雑音は、入力関連雑音に関して

以上を構成する。これは、図９Ａ～図９Ｃのソリューションは、より大きな雑音の代償で、より少ない領域および電力の両方を得られ、後者はいずれにしてもショット雑音と比較すると無視できるほどなので、良いトレードオフであり得ることを意味する。

この操作は、一定のリセットレベルを除去するとともにフリッカー雑音およびスプリアス信号も減らす、固有の減算である。

本発明のおかげで、信号のＤＣ成分をピクセルレベルで除去することが可能である。

ＰＰＤはその容量値が分かっているコンデンサとして機能する。ＰＰＤ内の電荷の量はその結果、該容量値にＶ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒを掛けることによって計算できる。

本発明に従ったＰＰＤベースの画像センサーはＣＭＯＳ撮像装置にでき、それは好都合に、ＰＰＧ用途で使用される。後で説明されるように、ＣＭＯＳ画像センサーは、ＬＥＤ電力消費の問題、別の方法では信号処理およびフィルタリングを困難にするＰＰＧ信号のダイナミックレンジ制約を解決することになり得る。

本発明に従った装置は好都合に、システムオンチップ（ＳＯＣ）として構築されて、低雑音および低電力信号処理チェーンを備えた異なる光子検知技術を統合しており、これは、より低い活性光（ＬＥＤ）レベルで、および同時に標準的なＣＭＯＳプロセスで作製された、より高い感度、信頼性のあるバイタルパラメータ測定を可能にする。

前述から分かるように、従来のＰＰＧ感知装置に関して、本発明のＰＰＧセンサーは、ピクセル配列内の光電子光積分と読出しチェーンの次の段階、例えば、増幅およびアナログからデジタルへの変換、の完全な分離という利点を有する。この特別な特徴は、コンデンサは、外部の駆動トリガーなしで、アナログ値を保持できるという事実のおかげで可能になる。これは、典型的には１０uｓ未満の光積分時の間のみ、配列への電力供給のスイッチをオンにし、読出し操作の残りの間はその供給のスイッチをオフにできるようにする。このように、ＰＰＧセンサーの全体的な電力消費がさらにもっと削減される。

Claims (17)

1. ＤＣ成分およびＡＣ成分を含む信号を出力するように構成されたフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置であって、前記装置は、
   －パルスオンまたはパルスオフにされるように適合された、パルス光源と、
   －光生成電子を生成する光－電荷変換のための少なくとも１つのピクセルと、
   を含み、
   －各ピクセルは前記パルス光源と同期されていることを特徴とする、装置であり、
   各ピクセルは、
   －ウェルを含み、２つの電子接続ノードを有する、埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）と、
   －センスノード（ＳＮ）であって、前記センスノードは接合キャパシタンスであり、前記接合キャパシタンスの役割は前記埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）のウェル内の光生成電子を、前記キャパシタンスの変換利得によって、電圧に変換することである、センスノード（ＳＮ）と、
   －転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタであって、そのソースが前記埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）の１つの電子接続ノードに電子的に接続され、かつ前記埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）と前記センスノード（ＳＮ）との間の転送ゲート（ＴＧ）として機能するように構成されて、前記光がパルスオフにされるときには前記光生成電子がシンクするのを可能にし、前記光がパルスオンにされるときには光生成電子積分を可能にし、積分された光生成電子の少なくとも一部が読出しのために前記センスノードに転送されるのを可能にし、前記ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒトランジスタのグリッドは、ＤＣ電源（Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）に電子的に接続され、その値は動的に適合できる、転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタと、
   を含む、フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置。
2. 各ピクセルは、
   －シンク（ＴＧｓｉｎｋ）トランジスタであって、そのソースが前記埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）に電子的に接続され、かつ前記埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）と一定のＤＣ電源またはキャパシタンスのいずれかとの間の転送ゲート（ＴＧ）として機能するように構成されて、前記光がパルスオフにされるときには前記光生成電子が前記一定のＤＣ電源または前記キャパシタンスの方にシンクし、前記光がパルスオンにされるときには前記光生成電子積分を可能にする、シンク（ＴＧｓｉｎｋ）トランジスタ
   をさらに含む、請求項１に記載のフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置。
3. 前記ピクセルの各々は、前記埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）と並列に配置されて、それぞれの転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタによって前記センスノード（ＳＮ）に接続された、少なくとも１つのさらなる埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）を含み、前記転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタの各々は同期して動作するように構成されている、請求項２に記載のフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置。
4. 前記さらなる埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）の各々は、それぞれのシンク（ＴＧｓｉｎｋ）トランジスタによって、前記一定のＤＣ電源または前記キャパシタンスに接続され、前記シンク（ＴＧｓｉｎｋ）トランジスタの各々のゲートは、同期して動作するように構成されている、請求項３に記載のフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置。
5. 複数のピクセルを含み、前記ピクセルは配列として配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置。
6. 前記ピクセルの出力を空間的に平均化するように構成されたプロセッサ（ＤＳＰ）をさらに含む、請求項５に記載のフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置。
7. ブロック（ＣＤＳ）であって、
   ・前記パルス光源がオフにされていて、かつ前記センスノード（ＳＮ）ウェルが所定
   の期間、積分するのを許可されている場合に、前記フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の出力信号の値（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ａｍｂ）を保存するキャパシタンス（ＣＳＭ）と、
   ・前記パルス光源がオンにされていて、かつ前記センスノード（ＳＮ）ウェルが所定の期間、積分するのを許可されている場合に、前記フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置の出力信号の値（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ＬＥＤ）を保存するキャパシタンス（ＣＳＨ２）と、
   を含み、
   前記ブロック（ＣＤＳ）は、キャパシタンス（ＣＳＭ）によって保存された値（Ｖ＿ＬＥＤ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ａｍｂ）とキャパシタンス（ＣＳＨ２）によって保存された値（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ａｍｂ）との間の値の差の関数がＡＤＣに送信されて、前記パルス光源（ＬＥＤ）だけに関連する信号に関連する電圧（Ｖ＿ＬＥＤ）を評価するように構築される、
   ブロック（ＣＤＳ）を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置。
8. 前記感知装置は、ＣＭＯＳ技術で構築され、かつ各ピクセルは、システムオンチップ（ＳＯＣ）に埋め込まれる、請求項１～７のいずれか一項に記載のフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載のフォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置を操作する方法であって、
   －転送フェーズにおいて、前記転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタ電圧を、前記埋込みフォトダイオード（ＰＰＤ）のウェル電位（Ｖ＿ｗｅｌｌ）と前記シンクトランジスタ（ＴＧｓｉｎｋ）に印加された電圧（Ｖ＿ＴＧｓｉｎｋ）との間に含まれる値（Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）に設定して、オフセットを超えている光生成電子だけが読出しのために前記センスノード（ＳＮ）に転送されるのを可能にすること
   を行うステップを含む、方法。
10. 前記転送ゲート（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）トランジスタ電圧は動的に適合される、請求項９に記載の方法。
11. Ａ．前記ＤＣ電源の値（Ｖ＿ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）を所定の値に設定することと、
    Ｂ．前記ＤＣ電源に対応するピクセル応答が所定の閾値を超えているかどうかをチェックすることと、
    Ｃ．前記ピクセル応答が前記閾値を超えている場合、前記ピクセル応答が前記閾値をもう超えなくなるまで、ステップＡおよびＢを繰り返すことと、
    を行うステップを含む、
    較正ステップを含む、請求項９または１０に記載の方法。
12. －前記パルス光源をパルスオフにすることと、
    －前記埋込みフォトダイオード内の電荷を所定の期間中、積分することと、
    －周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ）を生成するために、前記転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって前記電荷を前記センスノード（ＳＮ）に転送して、前記電荷を第１のコンデンサ（ＣＳＨ１）に保存することと、次いで
    －前記パルス光源を少なくとも前記所定の期間、パルスオンにすることと、
    －前記埋込みフォトダイオード内の電荷を前記所定の期間、積分することと、
    －前記パルス光源と混合された周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）を生成するために、前記転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって前記電荷を前記センスノード（ＳＮ）に転送して、前記電荷を第２のコンデンサ（ＣＳＨ２）に保存することと、次いで
    －前記周囲光と混合されたパルス光源のパルスオンに対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）から前記周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ）を差し引いて、前記パルス光源だけに由来する検出光の関数に対応する電圧（Ｖ＿ＬＥＤ）をもたらすことと、
    を行うステップを含む、請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法。
13. －前記パルス光源をパルスオンにすることと、
    －前記埋込みフォトダイオード内の電荷を所定の期間中、積分することと、
    －前記パルス光源と混合された周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）を生成するために、前記転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって前記電荷を前記センスノード（ＳＮ）に転送して前記電荷を第１のコンデンサ（ＣＳＨ１）に保存することと、次いで
    －前記パルス光源をパルスオフにすることと、
    －前記埋込みフォトダイオード内の電荷を前記所定の期間中、積分することと、
    －周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ）を生成するために、前記転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって前記電荷を前記センスノード（ＳＮ）に転送して前記電荷を第２のコンデンサ（ＣＳＨ２）に保存することと、次いで
    －前記周囲光と混合されたパルス光源のパルスオンに対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ＬＥＤ）から前記周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ）を差し引いて、前記パルス光源だけに由来する検出光の関数に対応する電圧（Ｖ＿ＬＥＤ）をもたらすことと、
    を行うステップを含む、請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法。
14. －前記パルス光源をパルスオフにすることと、
    －前記埋込みフォトダイオード内の電荷を所定の期間中、積分することと、
    －リセット電圧（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ）と混合された周囲光に対応する電圧（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ａｍｂ）を生成するために、前記転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって前記電荷を前記センスノード（ＳＮ）に転送して、前記電荷を第１のコンデンサ（ＣＳＨ１）に保存することと、次いで
    －前記パルス光源をパルスオンにすることと、
    －前記埋込みフォトダイオード内の電荷を前記所定の期間中、積分することと、
    －前記リセット電圧と混合された周囲光および前記パルス光源（ＬＥＤ）に関連する信号に対応する電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ＬＥＤ）を生成するために、前記転送ゲートトランジスタ（ＴＧｔｒａｎｓｆｅｒ）によって前記電荷を前記センスノード（ＳＮ）に転送して、前記電荷を第２のコンデンサ（ＣＳＨ２）に保存することと、次いで
    －前記電圧（Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ａｍｂ）を前記電圧（Ｖ＿ａｍｂ＋Ｖ＿ｒｅｓｅｔ＋Ｖ＿ＬＥＤ）から差し引いて、前記パルス光源（ＬＥＤ）だけに由来する検出光に関連する信号の関数を取得することと、
    を行うステップを含む、請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法。
15. 減算が、前記第１のコンデンサ（ＣＳＨ１）および第２のコンデンサ（ＣＳＨ２）を、一方のコンデンサの極性が他方に関して逆になるように、並列に接続することによって実行され、両方のコンデンサ（ＣＳＨ１、ＣＳＨ２）に共通の接続ポイントは、各コンデンサ（ＣＳＨ１、ＣＳＨ２）にわたる電圧間の差の半分に対応する電圧値を示す、請求項１２～１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記フォトプレチスモグラフィ（ＰＰＧ）感知装置は複数のピクセルを含み、前記方法は、各ピクセルの出力を空間的に平均化するステップをさらに含む、請求項９～１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記ピクセルの平均化は、電子バッファにつながる複数のコンデンサの接続を通じる受動スイッチコンデンサ方式で実行される、請求項１６に記載の方法。

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