TWI580931B - 光感測器模組及具有該光感測器模組的穿戴裝置 - Google Patents

Description

光感測器模組及具有該光感測器模組的穿戴裝置

本發明是有關於一種感測器模組及具有感測模組的穿戴裝置，特別是指一種光感測器模組及具有該光感測器模組的穿戴裝置。

現代人注重健康管理的觀念與穿戴裝置的盛行，讓運動手錶、手環等健康相關的穿戴裝置更為蓬勃發展。現有的智慧手環大多採用非侵入方式量測人體的相關健康資訊，此方式具有易於取得資料及不受人體型態限制的優點。

一般來說，常見的非侵入方式多為採用光學方式量測，例如已於市面上販售的37度手環，即是透過手環內的一發光件發光入射至使用者的皮膚中，再藉由皮膚內的皮膚組織將該發光件發出的光反射回手環內的一光接收件，並傳至手環內的一處理器進行分析處理。

由於該發光件發出的光為向四面八方散開，且該發光件與該光接收件均設置於同一平面上，因此，反射的光線並無法有效的進入該光接收件，此外，因為該發光件往側向發出的光也會進入該光接收件，而影響量測與分析的誤差。因此，為了避免該發光件發出的光干擾該光接收件，會進一步地於相鄰的該發光件與該光接收件之間形成一黑色擋光牆以避免非量測光線對該光接收件的影響。然而，仍無法避免反射的光線無法有效的進入該光接收件的缺點。

因此，本發明之目的，即在提供一種可提升收光效率的光感測器模組。

於是，本發明該光感測器模組，包含：一支撐架、一接收單元，及二發光單元。

該支撐架包括一板體，及二位於該板體的相對兩側，並與該板體成一角度設置的側板體。

該接收單元包括一設置於該板體上的光接收件，及一包覆該光接收件並連接該側板體的第一擋光層，該光接收件具有一位於該側板體相反側的收光面，該第一擋光層具有一對應該收光面的開口。

該發光單元分別設置於該兩個側板體上而位於該光接收件之相對兩側，該每一發光單元包括至少一具有一出光面的發光件，定義一垂直該光接收件的該收光面的第一直線，該每一發光單元發出的光是往該第一直線集中。

此外，本發明之另一目的，即在提供一種穿戴裝置。

於是，本發明該穿戴裝置適用於配帶在一使用者上而與該使用者的皮膚相接觸，且可量測光體積變化描記訊號，該穿戴裝置包含一固定基體、一電路板，及該光感測器模組。

該固定基體包括一具有能與該使用者的皮膚相接觸的透明外蓋的罩殼，及一連接該罩殼而能配帶於該使用者上的固定部。

該電路板固設於該罩殼內。

該光感測器模組設置於該電路板上，而位於該透明外蓋與該電路板之間。

本發明之功效在於，藉由讓該側板體與該板體成角度設置，使該發光單元與該接收單元位於不同平面，而構成立體傾斜出光結構，使得反射的光線能更有效的進入該接收單元，而可提升該光感測器模組量測的效率及準確度。

100‧‧‧使用者

2‧‧‧光感測器模組

20‧‧‧金屬片

21‧‧‧支撐架

210‧‧‧板體部

211‧‧‧板體

212‧‧‧側板體

213‧‧‧第一折腳部

214‧‧‧第二折腳部

215‧‧‧橋接部

216‧‧‧側板體部

217‧‧‧缺角結構

22‧‧‧接收單元

221‧‧‧光接收件

222‧‧‧第一透明封裝膠

223‧‧‧第一擋光層

224‧‧‧側面

225‧‧‧收光面

226‧‧‧第一頂面

23‧‧‧發光單元

231‧‧‧發光件

232‧‧‧第二透明封裝膠

233‧‧‧第二擋光層

234‧‧‧透鏡

235‧‧‧出光面

236‧‧‧第二頂面

3‧‧‧固定基體

31‧‧‧罩殼

311‧‧‧透明外蓋

32‧‧‧固定部

4‧‧‧電路板

5‧‧‧處理單元

6‧‧‧穿戴裝置

L‧‧‧第一直線

N‧‧‧法線

θ‧‧‧夾角

X‧‧‧距離

Y‧‧‧距離

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一立體示意圖，說明本發明光感測器模組的一實施例；圖2是一剖視示意圖，輔助說明圖1之該實施例；圖3A是一製作流程示意圖，說明製作該光感測器模組之準備一支撐架；圖3B是一製作流程示意圖，說明製作該光感測器模組之形成一光接收件與一發光件；圖3C是一製作流程示意圖，說明製作該光感測器模組之形成一第透明封裝膠、二第二透明封裝膠，及二透鏡；圖3D是一製作流程示意圖，說明製作該光感測器模組之形成一第一擋光層及一第二擋光層；圖3E是一製作流程示意圖，說明製作該光感測器模組之彎折該支撐架的二側板體；圖4是一立體示意圖，說明本發明穿戴裝置的一實施例；及圖5是一沿圖4之V-V直線所取得的剖視示意圖，輔助說明圖4之該實施例。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明光感測器模組2的一實施例，包含一接收單元22、二位於該接收單元22相對兩側的發光單元23，及連接該接收單元22與發光單元23之支撐架21。

該支撐架21包括一板體211，及二位於該板體211的相對兩側，並與該板體211成一角度設置的側板體212。該板體211具有由二相異於該側板體212的相對兩側沿y方向與相反y方向相互遠離的第一折腳部213，該每一側板體212具有二沿x方向與相反x方向朝該兩個板體211延伸的橋接部215，及二分別由該兩橋接部215沿y方向與相反y方向，而與該等第一折腳部213同向延伸的第二折腳部214，且該等第一折腳部213與該等第二折腳部214為彼此不相接觸且電性分離。

具體地說，該支撐架21是由同一金屬片材料所構成，因此，該等側板體212可藉由將該等橋接部215往z方向並朝該板體211方向彎折而構成3D立體結構，較佳地，本實施例之構成該支撐架21的金屬材料是以散熱佳且可塑性高的銅為例作說明，但不限於此。

該接收單元22包括一設置於該板體211上的一光接收件221、一第一透明封裝膠222，及一第一擋光層223。該光接收件221具有二與該兩側板體212相鄰的側面224，及一與該兩個側面224連接並遠離該板體211的收光面225，該收光面225能用以接收外界的光訊號。該第一透明封裝膠222包覆該光接收件221，並具有一位於該光接收件211的該收光面225之上的第一頂面226。該第一擋光層223包覆位於該光接收件221周面的該第一透明封裝膠222，並讓該第一透明封裝膠222的該第一頂面226露出。

於本實施例中，該光感測器模組2主要是應用於檢測人體的健康資訊，因此，適用於本實施例的該光接收件221為一能接收並檢測光體積變化描記(photoplethysmography，PPG)訊號的檢測器。

詳細地說，該等橋接部215是朝該兩個板體211延伸而與該第一擋光層223相連接，該第一透明封裝膠222除了包覆該光接收件221之外，也一併包覆該板體211，但讓該等第一折腳部213與該等第二折腳部214露出而凸伸出該第一透明封裝膠222與該第一擋光層223，用以後續電連接之用，且該第一擋光層223還進一步自該第一透明封裝膠222的周面延伸至該第一透明封裝膠222的該第一頂面226，讓該第一頂面226部份露出，而形成對應該收光 面225的開口。藉由將該第一擋光層223讓該第一頂面226僅部份露出，可避免該光接收件221直接接收到相鄰之該發光單元23發出的光，而影響量測結果。

該等發光單元23分別對稱地設置於該側板體212上而位於該光接收件221的相對兩側。具體地說，於本實施例中，該每一發光單元23包括二個發光件231，一第二透明封裝膠232、一第二擋光層233，及一設置於該第二透明封裝膠232上的透鏡234。

該每一個發光件231具有一出光面235，該第二透明封裝膠232包覆該等發光件231，並具有一遠離該發光件231而位於該發光件231之該出光面235之上的第二頂面236。該第二擋光層233包覆位於該發光件231周面的該第二透明封裝膠232，並讓該第二透明封裝膠232的該第二頂面236露出，從而讓該發光件231發出的光能正向的由該第二頂面236發出至外界。該透鏡234設置於該第二透明封裝膠232的該第二頂面236上，而能更有效提升該發光件231的光效。

要說明的是，該發光單元23的光色與該發光件231的數量並無特別限制，可視用途調整該發光單元23的光色及增減該發光件231的數量。本發明為了獲得更加準確地人體的健康資訊，因此，本實施例是設置兩個並且能分別發出波長介於520nm~535nm的 綠光與波長介於587nm~597nm的橘光的發光件231以供該光感測器模組2檢測之用。

另外要說明的是，該第一擋光層223與該第二擋光層233材質選擇主要要求為其光吸收材料，舉例來說，深色的樹脂材料或黑色矩陣光阻(black matrix(BM)resist)，但不限於此，只要能有效阻隔並吸收光源即可，二者可用相同或不同的材料；且該第一透明封裝膠222與該第二透明封裝膠232則可使用例如環氧樹脂，及壓克力樹脂等能透光的材料，二者可用相同或不同的材料。於本實施例中，該第一擋光層223與該第二擋光層233是使用黑色的環氧樹脂，而該第一透明封裝膠222與該第二透明封裝膠232則是使用透明的環氧樹脂為例作說明。

此處值得一提的是，每一側之位於中間的該等第一折腳部213是與設置於該板體211上的該光接收件221電連接，而位於最外兩側的該等第二折腳部214則是分別與相鄰之設置於該側板體212上的該等發光件231電連接。以該等第一折腳部213電連接該光接收件221，及以該等第二折腳部214電連接該發光件231不僅能電性獨立控制，還能進一步簡化後續應用於裝置中的電性線路的設計。

參閱圖3A~圖3E，本發明該光感測器模組2的一製作流程大致如圖3A~圖3E所載的流程。首先，如圖3A所示，先準備由例如銅等金屬所製成而具有該支撐架21結構的金屬片20。詳細地說，該板體211還具有二個彼此間隔相對而大致位於金屬片20的中心位置的板體部210，該板體211的該兩個第一折腳部213分別由該兩個板體部210的相反兩側沿y方向與相反該y方向延伸。該等側板體212分別沿x方向地位於該板體211的兩相反側，且該每一個側板體212還具有二個彼此間隔相對的側板體部216，該每一個側板體212的該兩個橋接部215分別由該兩個側板體部216沿x方向與相反x方向朝該等板體部210延伸，但該等橋接部215與該等板體部210不相接觸，且該每一個側板體212的該兩個第二折腳部214分別由該兩個橋接部215的一端沿y方向與相反y方向並平行該等第一折腳部213地同向延伸，且該等第一折腳部213與該等第二折腳部214彼此不相接觸。此外，對應該等板體部210之形狀，該等橋接部215與該等第二折腳部214交接處具有一缺角結構217，用以提供該光接收件221較大的容置空間。

接著，如圖3B所示，將該光接收件221固設於該板體211至少其中一個板體部210上，且透過打線或其它電連接方式將該光接收件221與該等板體部210進行電性連接，並於該每一側板 體212的至少其中一側板體部216上設置兩個發光件231，且將該等發光件231與該等側板體部216進行電性連接。隨後，則如圖3C與圖3D所示，形成包覆該光接收件221、該等板體部210、部份該橋接部215、部份的該等第一折腳部213與部分的該等第二折腳部214的該第一透明封裝膠222，及包覆該等發光件231與該等側板體部216的該第二透明封裝膠232，並於該第二透明封裝膠232上形成該透鏡234後，再於該第一透明封裝膠222與該第二透明封裝膠232上分別形成該第一擋光層223與該第二擋光層233從而構成該接收單元22與該發光單元23。最後，如圖3E所示，由於該支撐架21是由同一片可塑性佳的銅金屬片20所製成，因此，將該每一個側板體212的該等側板體部216藉由將該等橋接部215往z方向並朝該接收單元22方向彎折而與該板體211成一角度。更進一步的說，其中位於該接收單元22兩側之該等發光單元23為相同發光件231時，該等橋接部215彎折角度較佳為相對稱。且將該接收單元22之相異該側板體212的相對兩側邊的該等第一折腳部213與該等第二折腳部214切斷並彎折，最後將該金屬片20的其餘部分切除分離，即可構成如圖l所示的該光感測器模組2。

參閱圖4與圖5，前述的該光感測器模組2主要是應用於一穿戴裝置中，以構成一如圖4的穿戴裝置6。該穿戴裝置6適用於 配帶在一使用者100上而與該使用者100的皮膚相接觸，且可量測光體積變化描記(PPG)訊號。該穿戴裝置6包含一固定基體3、一設置於該固定基體3內的電路板4、設置於該電路板4上的該光感測器模組2，及一設置於該電路板4上而與該光感測器模組2位於兩相反側的處理單元5。

具體地說，該固定基體3包括一具有能與該使用者100的皮膚相接觸的透明外蓋311的罩殼31，及一連接該罩殼31而能配帶於該使用者100上的固定部32。具體地說，該罩殼31與該固定部32的態樣並無特別限制，本發明是將該固定基體3設計成一如手錶或手環的態樣，因此，該固定部32是分別由該罩殼31的兩相反端延伸成一圓弧狀而能配帶於該使用者100的手腕上。

該電路板4是固設於該罩殼31內，其固設方式並無特別限制，只要能固定於該罩殼31內即可，較佳地，本發明該電路板4是平行該透明外蓋311地固設於該罩殼31內。

當該光感測器模組2應用於該穿戴裝置6而裝設於該罩殼31內時，是藉由該等第一折腳部213與該等第二折腳部214電連接於該電路板4的表面，而位於該透明外蓋311與該電路板4之間，並藉由該等第一折腳部213與該等第二折腳部214的設置，調整該接收單元22與該透明外蓋311的距離，以令該光感測器模組2可得 到最佳的反射及接收效果。該處理單元5則設置於該電路板4之相反該光感測模組2的表面，且該光感測模組2的該等第一折腳部213與該等第二折腳部214亦與該處理單元5電連接。透過在該電路板4的上下表面以表面貼焊技術(surface mount technology，SMT)設置各電子零件，可減少該電路板4的層數，此外，因為本發明該側板體212的該等側板體部216透過該等橋接部215而經過彎折，因此會與該電路板4形成一間隙，而可再利用此與該電路板4之間的Z軸空間產生的該間隙設置電子零件，並減小該穿戴裝置6的體積。

要特別說明的是，本發明的該光感測器模組2之該接收單元22、該發光單元23之相對位置與傾角有一預定關係，以優化該光感測器模組2的效能。

具體地說，定義一垂直該收光面225的第一直線L，並延伸該發光件231之出光面235的一法線N，使該第一直線L與該法線N彼此相交且其夾角為θ。也就是說，其夾角θ即代表該發光單元23沿Z軸方向朝垂直該接收單元22的第一直線L傾斜θ度，換句話說，由延伸通過該等側板體部216並與該法線N垂直的一直線I₁，及與一水平面的一直線I₂的夾角即為θ。此外，該每一發光單元23的一幾何中心至該光接收件221的該側面224的距離為Y，而該光接 收件221的該收光面225至一預定光反射面的距離為X，且Xtanθ<Y/2。

要特別說明的是，當該光感測器模組2設置於該罩殼31內時，該透明外蓋311的內表面即為上述之預定光反射面。而當將整個該感測器模組2藉由封裝膠(圖未示)直接封裝而無該透明外蓋311，該封裝膠之頂面即為上述之預定光反射面。

本發明該發光單元23與接收單元22藉由夾角θ而具有3D立體結構，使該發光單元23的該等發光件231具有傾斜出光的角度，因此可調整入射光的角度，而使該等發光件231所發出的光是往該第一直線L集中，並減少光線在該透明外蓋311的全反射，而增加入射至該使用者100的光量；此外，配合包覆該第二擋光層233及設置於該等發光件231之上的該透鏡234結構，以進一步將該等發光件231發出的光提升其發光強度並更有效的正向出光直接入射至使用者100的皮膚內。

當該等發光件231發出的光入射至使用者100的皮膚內時，皮膚內的皮膚組織會將此入射光反射至該接收單元22的該收光面225，以讓該光接收件221接收，由於該光接收件221透過包覆該第一擋光層223且僅讓該第一透明封裝膠222的第一頂面226部份露出(見圖1)，因此，該光接收件221能更有效的接收來自皮膚組 織反射的光訊號，並避免接收來自側邊的該等發光件231所發出的光的干擾。此外，本發明進一步限制Xtanθ<Y/2的關係，除了讓該發光單元23與該接收單元22兩者不會因距離過大而降低讓光接收件221接收來自皮膚組織反射的光訊號之外，還可藉由此限制避免該等發光件231發出的光受預定光反射面反射的問題。

綜上所述，本發明該光感測器模組2設置於該穿戴裝置6中，藉由讓該側板體212與該板體211成角度設置，使該發光單元23呈沿Z軸方向朝垂直該接收單元22的第一直線L傾斜θ度，而構成3D立體傾斜出光結構，使得由使用者100的皮膚組織反射的光線能更有效的進入該光接收件221，而可提升該光感測器模組2量測的效率及準確度，此外，限定Xtanθ<Y/2的關係可避免該等發光件231發出的光受預定光反射面反射的問題，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧使用者

2‧‧‧光感測器模組

216‧‧‧側板體部

224‧‧‧側面

225‧‧‧收光面

235‧‧‧出光面

31‧‧‧罩殼

311‧‧‧透明外蓋

4‧‧‧電路板

5‧‧‧處理單元

6‧‧‧穿戴裝置

L‧‧‧第一直線

N‧‧‧法線

θ‧‧‧夾角

X‧‧‧距離

Y‧‧‧距離

I₁‧‧‧直線

I₂‧‧‧直線

Claims (10)

1. 一種光感測器模組，包含：一支撐架，包括一板體，及二位於該板體的相對兩側，並與該板體成一角度設置的側板體；一接收單元，包括一設置於該板體上的光接收件，及一包覆該光接收件並連接該側板體的第一擋光層，該光接收件具有一位於該板體相反側的收光面，該第一擋光層具有一對應該收光面的開口；及二發光單元，分別設置於該兩個側板體上而位於該光接收件之相對兩側，該每一發光單元包括至少一具有一出光面的發光件，定義一垂直該光接收件的該收光面的第一直線，該每一發光單元所發出的光是往該第一直線集中。
2. 如請求項1所述的光感測器模組，其中，該每一發光單元還包括一第二透明封裝膠，及一第二擋光層，該第二透明封裝膠包覆該至少一發光件，該第二擋光層包覆位於該發光件周面的該第二透明封裝膠，並具有一對應該發光件之出光面的開口，該第二透明封裝膠之一第二頂面由該開口露出。
3. 如請求項2所述的光感測器模組，其中，該每一發光單元還包括一設置於該第二透明封裝膠的該第二頂面的透鏡。
4. 如請求項2所述的光感測器模組，其中，該接收單元還包括一包覆該光接收件的第一透明封裝膠，該第一擋光層包覆位於該光接收件周面的該第一透明封裝膠，並讓該第一 透明封裝膠之一第一頂面露出，而形成對應該收光面的該開口。
5. 如請求項1所述的光感測器模組，其中，該板體具有二相對的板體部，該光接收件設置於其中一個板體部上，該每一個側板體具有二個側板體部，及二分別由該兩個側板體部朝該兩個板體部延伸而與該第一擋光牆相連接的橋接部，該等橋接部分別於該等板體部的相對兩側成一角度設置。
6. 如請求項5所述的光感測器模組，其中，該板體還具有二分別由該兩個板體部之相異於該側板體的相對兩側延伸的第一折腳部，該每一個側板體還具有二分別由該兩橋接部與該第一擋光牆的連接處凸出並分別與相對的該等第一折腳部同向延伸的第二折腳部，其中，該兩個板體部與該等側板體彼此間隔不接觸。
7. 如請求項6所述的光感測器模組，其中，該板體的該等第一折腳部供該光接收件對外電連接，該側板體的該等第二折腳部供該等發光件對外電連接。
8. 如請求項1至7中任一項所述的光感測器模組，其中，該光接收件還具有二鄰近該兩個側板體的側面，該第一直線與該出光面的一法線彼此相交且夾角為θ，該每一發光單元的一幾何中心至該光接收件的該側面的距離為Y，由該光接收件的該收光面沿該第一直線往遠離該光接收件至一預定光反射面的距離為X，且Xtanθ<Y/2。
9. 一種穿戴裝置，適用於配帶在一使用者上而與該使用者的皮膚相接觸，且可量測光體積變化描記訊號，該穿戴裝置包含：一固定基體，包括一具有能與該使用者的皮膚相接觸的透明外蓋的罩殼，及一連接該罩殼而能配帶於該使用者上的固定部；一電路板，固設於該罩殼內；及一如請求項1至7中任一項所述的光感測器模組，設置於該電路板上，而位於該透明外蓋與該電路板之間。
10. 如請求項9所述的穿戴裝置，其中，該光接收件還具有二鄰近該兩個側板體的側面，該第一直線與該出光面的一法線彼此相交且夾角為θ，該每一發光單元的一幾何中心至該光接收件的該側面的距離為Y，該光接收件的該收光面至該透明外蓋的距離為X，且Xtanθ<Y/2。