TWI795104B - 生理感測裝置 - Google Patents

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TWI795104B
TWI795104B TW110144623A TW110144623A TWI795104B TW I795104 B TWI795104 B TW I795104B TW 110144623 A TW110144623 A TW 110144623A TW 110144623 A TW110144623 A TW 110144623A TW I795104 B TWI795104 B TW I795104B
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Abstract

一種生理感測裝置，包括電子元件、耦合式感測電極、耦合介電層以及導線層。耦合式感測電極用以感測物體的生理訊號，其中物體和耦合式感測電極之間具有電容值。耦合介電層配置於耦合式感測電極下方，使電容值介於1nF至10nF。導線層電性連接電子元件與耦合式感測電極。

Description

生理感測裝置
本揭露是有關於一種感測裝置，且是有關於一種生理感測裝置。
以穿戴式生醫感測技術而言，可將生理訊號測量設備（如，感測電極貼片或感測器）穿戴於待測者身上，並以非侵入式方式隨時記錄穿戴者的各項生理訊號，從而得知穿戴者的體溫、脈搏、心跳、呼吸頻率…等人體生理狀態。並且，還可對可能的生理異變狀況加以提醒或預防，甚至當症狀發生時更可達到迅速及時提醒及求救的效果。因此，穿戴式生醫感測技術對於醫療照護方面（例如在家休養的病人、具有心臟病史的患者、或是獨居老人…等穿戴者）來說是極為方便的科技進步，也可運用於運動期間生理狀態的即時監控。此外，穿戴式生醫感測裝置除了護具或織物等可穿戴於待測者身上的類型，更可延伸至車戴裝置（例如座椅或安全帶）以及長照裝置（例如輪椅或床墊）。
然而，基於現有技術的侷限，感測電極貼片需要緊貼於穿戴者皮膚上，長時間穿著可能導致穿戴者產生緊迫壓力、不舒服或過敏的狀況。基於此點，新型的耦合式生理訊號感測裝置可減少穿戴時的緊迫壓力感，但存在耦合生理訊號微弱、雜訊干擾/產品耐用、隔離物材質與厚度變異以及汗液干擾訊號的問題。更詳細而言，採用耦合式生理感測方式雖可解決習知阻抗式感測所帶來的不舒適性，但耦合生理訊號會因不同使用情境（低壓迫、非接觸）受感測電極與皮膚間隙變大而訊號下降、或經過線路傳導訊號失真問題，進而影響生理訊號的判讀。
基於上述，如何提高耦合式生理訊號感測裝置的耦合電容且兼顧模組服貼性，提高感測訊號強度，改善感測結構應力不匹配導致製程脫層的問題，顯得日趨重要。
本揭露實施例提供一種生理感測裝置，能夠有效地提高耦合電容且兼顧模組服貼性，提升感測訊號強度，改善感測結構應力不匹配導致製程脫層的問題。
本揭露一實施例的生理感測裝置包括電子元件、耦合式感測電極、耦合介電層以及導線層。耦合式感測電極用以感測物體的生理訊號，其中物體和耦合式感測電極之間具有電容值。耦合介電層配置於耦合式感測電極下方，使電容值介於1nF至10nF。導線層電性連接電子元件與耦合式感測電極。
下文列舉實施例並配合附圖來進行詳細地說明，但所提供的實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍。此外，附圖僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為了方便理解，在下述說明中相同的元件將以相同的符號標示來說明。另外，關於文中所使用「包含」、「包括」、「具有」等等用語，均為開放性的用語，也就是指「包含但不限於」。再者，文中所提到的方向性用語，例如「上」、「下」等，僅是用以參考附圖的方向，並非用來限制本揭露。此外，在說明書中所提及的數量與形狀僅用以具體地說明本揭露以便於了解其內容，而非用以限定本揭露。
本揭露實施例提供一種生理感測裝置，包括在耦合式感測電極下方配置的耦合介電層。耦合介電層可提高電容值，彌補感測電極至待測物間的耦合間距所造成耦合訊號衰減，以有效地提高感測訊號強度。本揭露實施例的生理感測裝置也可包括配置於耦合介電層上方的應力補償層，應力補償層可改善耦合介電層材料本身材料應力大、易脆裂特性或感測結構應力匹配的問題。如此一來，本揭露實施例的生理感測裝置可有效地提高耦合電容且兼顧模組服貼性，同時提升感測訊號強度。
圖1A及圖1B為依照本揭露的第一實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。
請參照圖1A，生理感測裝置100可包括第一電子元件102A、第二電子元件102B、導電端子112A及112B、耦合式感測電極120、耦合介電層122、雜訊隔絕層130、導電通孔132、導線層140、介電層150、耦合應力調整層160以及封裝結構170。第一電子元件102A例如可包括高阻抗前端電路模組，第二電子元件102B例如可包括積體電路（IC），第一電子元件102A及第二電子元件102B各具有至少一個導電端子112A、112B，導電端子112A、112B例如可包括焊球，第一電子元件102A及第二電子元件102B可經由導電端子112A、112B與其他元件電性連接。耦合式感測電極120用以感測物體的生理訊號，其中物體和耦合式感測電極120之間具有電容值，物體例如可包括皮膚S。耦合介電層122配置於耦合式感測電極120下方。雜訊隔絕層130配置於耦合式感測電極120上方，耦合式感測電極120與雜訊隔絕層130之間以介電層150隔絕且投影彼此重疊，雜訊隔絕層130藉由導電通孔132電性連接耦合式感測電極120。在本實施例中，雜訊隔絕層130可包括接地線路（ground circuit）或接地線路貼片（ground patch），雜訊隔絕層130可避免耦合式感測電極120直接接收外界雜訊源，導致生理訊號訊雜比（SNR）過小而無法精準感測。導線層140配置於雜訊隔絕層130上方，導線層140與雜訊隔絕層130之間以介電層150隔絕且分別電性連接第一電子元件102A、第二電子元件102B與耦合式感測電極120，導線層140例如是經由導電端子112A、112B分別電性連接第一電子元件102A、第二電子元件102B。線路佈局（layout design）可以依據設計上的需求而加以調整，於本揭露並不加以限定。耦合應力調整層160配置於介電層150上方，耦合應力調整層160可改善生理感測裝置100整體的應力匹配。封裝結構170配置於第一電子元件102A及第二電子元件102B上方並覆蓋第一電子元件102A及第二電子元件102B，封裝結構170的材料例如是軟性材料，可包括聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）或熱塑性聚氨基甲酸酯（Thermoplastic Polyurethane，TPU），用以對第一電子元件102A及第二電子元件102B提供保護與絕緣效果。
在本實施例中，耦合式感測電極120的材料例如可包括Mo、Ti、Al或Cu，厚度例如是300 nm至5000 nm。
在本實施例中，耦合介電層122的材料例如可包括SiO 2、Si 3N 4、Al 2O 3、TiO 2或聚醯亞胺。耦合介電層122的厚度例如是0.1μm至10μm。透過調整耦合介電層122的厚度並搭配使用介電常數材料，可提高電容值，使電容值介於1nF至10nF，其中介電常數材料的介電常數例如是3至110，較佳例如是7至90。
更詳細而言，可透過以下公式進行電容值C的計算與調整：
Figure 02_image001
在公式中，各符號的定義如下： ɛ 0:8.85x10 -12A:耦合式感測電極面積 h 1:耦合介電層厚度 ɛ d:耦合介電層介電常數 耦合間距g 0：耦合介電層與皮膚之間的耦合間距
（當緊貼皮膚時，耦合間距g 0可以是0）耦合電容值低於1.1 nF時，(訊號/雜訊)耦合率低於50%。耦合式感測電極若以PI作為耦合介電層，應要加大耦合式感測電極面積A至6.283cm 2(r=2cm圓形電極，r為直徑)。
在以下表1中，以實例1、實例2以及比較例1說明電容值介於1nF至10nF或此範圍之外的區別性。一般而言，訊雜比越高，訊號的品質也越高。 表1
  耦合式感測電極面積A 耦合介電層厚度h1 耦合介電層介電常數ɛ d 耦合間距(g0) 電容C 耦合率 訊雜比
實例1 3.14 cm 2 205nm 7(SiNx) 1.2-2.5µm 1.1-2.2nF 53.8-63% ＞20dB
實例2 6.28 cm 2 15µm 3.2 (PI) 1.2-2.5µm 0.79-0.97pF 45-50% 10-19dB
比較例 3.14 cm 2 10µm 3.2(PI) 1.2-2.5µm 0.50-0.66nF 20-40% ＜10dB
請參照圖1B，圖1B的生理感測裝置中，各元件及其技術內容與圖1A的生理感測裝置大致上相似，因此，採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。圖1B與圖1A的差異在於：雜訊隔絕層130的投影面積覆蓋耦合式感測電極120B的投影面積，換言之，雜訊隔絕層130的投影面積可以大於或等於耦合式感測電極120B的投影面積。
圖2為依照本揭露的第二實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。圖2所示的實施例相似於圖1A所示的第一實施例，因此，下述實施例將沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
請參照圖2，在本實施例中，與第一實施例的差異在於：生理感測裝置200可更包括應力補償層224，配置於耦合式感測電極120與耦合介電層122之間，以改善耦合介電層122的應力。然而，本揭露並不以此為限，應力補償層224亦可配置於耦合介電層122下方，亦可改善耦合介電層122的應力。應力補償層224的材料可以是無機材料，例如可包括Pb(ZrTi)O 3、SiO 2、ZnO、Ta 2O 5、Si 3N 4、SiON、BaTiO 3、CaTiO 3、SrTiO 3、TiO 2、MgO、AlN或Al 2O 3。應力補償層224可改善耦合介電層122材料本身材料應力大、易脆裂特性或與其他膜層，例如耦合式感測電極120、雜訊隔絕層130、導線層140等之間的應力匹配，防止生產製造時出現脫層（peeling）問題。在本實施例中，應力補償層224的應力值可考量生理感測裝置200的應力值進行調整。舉例而言，當生理感測裝置200的應力值例如是50Mpa至200Mpa（張應力）時，造成生理感測裝置200捲曲，可將應力補償層224的應力值調整為例如-50Mpa至-200Mpa，以使生理感測裝置200平坦；當生理感測裝置200的應力值例如是-50Mpa至-200Mpa（壓應力）時，造成生理感測裝置200捲曲，可將應力補償層224的應力值調整為例如50Mpa至200Mpa，以使生理感測裝置平坦。同時，耦合電容仍可維持1nF至10nF。更詳細而言，可透過以下公式進行電容值C的計算與調整：
Figure 02_image001
在公式中，各符號的定義如下： ɛ 0:8.85x10 -12A:耦合式感測電極面積 h 1:耦合介電層厚度 ɛ d:耦合介電層介電常數 耦合間距g 0：耦合介電層與皮膚之間的耦合間距 （當緊貼皮膚時，耦合間距g 0可以是0）
圖3為依照本揭露的第三實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。圖3所示的實施例相似於圖1A所示的第一實施例，因此，下述實施例將沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
請參照圖3，在本實施例中，與第一實施例的差異在於：生理感測裝置300的耦合介電層322採用圖案化設計，以減少耦合介電層322內應力過大，避免生產製造出現脫層（peeling）問題，且耦合電容仍可維持1nF至10nF。耦合介電層322的材料等性質與上文第一實施例相似，故不予贅述。必須說明的是，雖然在圖3中，耦合介電層322與耦合式感測電極120的邊緣為彼此切齊，但較佳例如是耦合介電層322的長度略為凸出耦合式感測電極120的邊緣，亦即，圖案化設計的耦合介電層322的投影面積可大於或等於耦合感測電極120的投影面積。更詳細而言，可透過以下公式進行電容值C的計算與調整：
Figure 02_image001
在公式中，各符號的定義如下： ɛ 0:8.85x10 -12A:耦合式感測電極面積 h 1:耦合介電層厚度 ɛ d:耦合介電層介電常數 耦合間距g 0：耦合介電層與皮膚之間的耦合間距 （當緊貼皮膚時，耦合間距g 0可以是0）
圖4為依照本揭露的第四實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。圖4所示的實施例相似於圖1A所示的第一實施例，因此，下述實施例將沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
請參照圖4，在本實施例中，與第一實施例的差異在於：生理感測裝置400可更包應力補償層424，配置於耦合式感測電極120與耦合介電層422之間，以改善耦合介電層422的應力，且應力補償層424與耦合介電層422皆採用圖案化設計。然而，本揭露並不以此為限，應力補償層424亦可配置於耦合介電層422下方，亦可改善耦合介電層422的應力。耦合介電層422的材料等性質與上文第一實施例相似，應力補償層424的材料等性質與上文第二實施例相似，故不予贅述。此時，耦合電容仍可維持1nF至10nF。更詳細而言，可透過以下公式進行電容值C的計算與調整：
Figure 02_image001
在公式中，各符號的定義如下： ɛ 0:8.85x10 -12A:耦合式感測電極面積 h 1:耦合介電層厚度 ɛ d:耦合介電層介電常數 耦合間距g 0：耦合介電層與皮膚之間的耦合間距 （當緊貼皮膚時，耦合間距g 0可以是0）
圖5為依照本揭露的第五實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。圖5所示的實施例相似於圖1A所示的第一實施例，因此，下述實施例將沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
請參照圖5，在本實施例中，與第一實施例的差異在於：生理感測裝置500的耦合式感測電極520採用陣列式設計，雜訊隔絕層130藉由導電通孔532電性連接耦合式感測電極120。此外，耦合介電層522採用圖案化設計，以減少耦合介電層522內應力過大，避免生產製造出現脫層（peeling）問題，且耦合電容仍可維持1nF至10nF。耦合介電層522的材料等性質與上文第一實施例相似，故不予贅述。必須說明的是，雖然在圖5中，耦合介電層522與耦合式感測電極520的邊緣為彼此切齊，但較佳例如是耦合介電層522的長度略為凸出耦合式感測電極520的邊緣。更詳細而言，可透過以下公式進行電容值C的計算與調整：
Figure 02_image001
在公式中，各符號的定義如下： ɛ 0:8.85x10 -12A:耦合式感測電極面積 h 1:耦合介電層厚度 ɛ d:耦合介電層介電常數 耦合間距g 0：耦合介電層與皮膚之間的耦合間距 （當緊貼皮膚時，耦合間距g 0可以是0）
圖6為依照本揭露的第六實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。圖6所示的實施例相似於圖1A所示的第一實施例，因此，下述實施例將沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
請參照圖6，在本實施例中，與第一實施例的差異在於：生理感測裝置600的耦合式感測電極620採用陣列式設計，雜訊隔絕層130藉由導電通孔632電性連接耦合式感測電極620。此外，生理感測裝置600可更包應力補償層624，配置於耦合式感測電極620與耦合介電層622之間，以改善耦合介電層622的應力，且應力補償層624與耦合介電層622皆採用圖案化設計，應力補償層624與耦合介電層622的設置可對應於耦合式感測電極620採用陣列式設計。然而，本揭露並不以此為限，應力補償層624亦可配置於耦合介電層622下方，亦可改善耦合介電層622的應力。耦合介電層622的材料等性質與上文第一實施例相似，應力補償層624的材料等性質與上文第二實施例相似，故不予贅述。此時，耦合電容仍可維持1nF至10nF。更詳細而言，可透過以下公式進行電容值C的計算與調整：
Figure 02_image001
在公式中，各符號的定義如下： ɛ 0:8.85x10 -12A:耦合式感測電極面積 h 1:耦合介電層厚度 ɛ d:耦合介電層介電常數 耦合間距g 0：耦合介電層與皮膚之間的耦合間距 （當緊貼皮膚時，耦合間距g 0可以是0）
綜上所述，本揭露實施例提供一種生理感測裝置，包括在耦合式感測電極下方配置的耦合介電層。透過調整耦合介電層的厚度並搭配使用介電常數材料（介電常數例如是3至110，較佳例如是7至90），可提高電容值（提升至1nF至10nF），彌補感測電極至待測物間的耦合間距所造成耦合訊號衰減，以有效地提高感測訊號強度。本揭露的生理感測裝置也可包括配置於耦合介電層上方或下方的應力補償層，應力補償層可改善耦合介電層材料本身材料應力大、易脆裂特性或感測結構應力匹配，防止生產製造時出現脫層（peeling）問題，且耦合電容仍可維持1nF至10nF。此外，本揭露的生理感測裝置也可包括圖案化設計的耦合介電層，以減少耦合介電層內應力過大，避免生產製造出現脫層（peeling）問題，且耦合電容仍可維持1nF至10nF。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、400、500、600:生理感測裝置 102A、102B:電子元件 112A、112B:導電端子 120、120B、520、620:耦合式感測電極 122、322、422、522、622:耦合介電層 130:雜訊隔絕層 132、532、632:導電通孔 140:導線層 150:介電層 160:耦合應力調整層 170:封裝結構 224、424、624:應力補償層 g 0:耦合間距 S:皮膚
圖1A及圖1B為依照本揭露的第一實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。 圖2為依照本揭露的第二實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。 圖3為依照本揭露的第三實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。 圖4為依照本揭露的第四實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。 圖5為依照本揭露的第五實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。 圖6為依照本揭露的第六實施例的生理感測裝置的剖面示意圖。
100:生理感測裝置
102A、102B:電子元件
112A、112B:導電端子
120:耦合式感測電極
122:耦合介電層
130:雜訊隔絕層
132:導電通孔
140:導線層
150:介電層
160:耦合應力調整層
170:封裝結構
g0:耦合間距
S:皮膚

Claims (19)

  1. 一種生理感測裝置，包括：電子元件；耦合式感測電極，用以感測物體的生理訊號，其中所述物體和所述耦合式感測電極之間具有電容值；耦合介電層，配置於所述耦合式感測電極下方，使所述電容值介於1nF至10nF；以及導線層，配置於所述電子元件與所述耦合式感測電極之間，且電性連接所述電子元件與所述耦合式感測電極。
  2. 如請求項1所述的生理感測裝置，其中所述物體包括皮膚。
  3. 如請求項1所述的生理感測裝置，更包括雜訊隔絕層，配置於所述耦合式感測電極上方，所述耦合式感測電極與所述雜訊隔絕層之間以介電層隔絕且投影彼此重疊。
  4. 如請求項3所述的生理感測裝置，其中所述導線層配置於所述雜訊隔絕層上方，所述導線層與所述雜訊隔絕層之間以所述介電層隔絕且分別電性連接所述電子元件與所述耦合式感測電極。
  5. 如請求項1所述的生理感測裝置，更包括雜訊隔絕層，配置於所述耦合式感測電極上方，所述耦合式感測電極與所述雜訊隔絕層之間以介電層隔絕且所述雜訊隔絕層的投影面積大於或等於所述耦合式感測電極的投影面積。
  6. 如請求項1所述的生理感測裝置，其中所述耦合介電層的材料包括SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2或聚醯亞胺。
  7. 如請求項1所述的生理感測裝置，更包括應力補償層，配置於所述耦合式感測電極與所述耦合介電層之間。
  8. 如請求項7所述的生理感測裝置，其中所述應力補償層的材料包括Pb(ZrTi)O3、SiO2、ZnO、Ta2O5、Si3N4、SiON、BaTiO3、CaTiO3、SrTiO3、TiO2、MgO、AlN或Al2O3。
  9. 如請求項7所述的生理感測裝置，其中所述生理感測裝置的應力值為50Mpa至200Mpa(張應力)時，將所述應力補償層的應力值調整為-50Mpa至-200Mpa。
  10. 如請求項7所述的生理感測裝置，其中所述生理感測裝置的應力值為-50Mpa至-200Mpa(壓應力)時，將所述應力補償層的應力值調整為50Mpa至200Mpa。
  11. 如請求項1所述的生理感測裝置，其中所述耦合介電層的厚度為0.1μm至10μm。
  12. 如請求項1所述的生理感測裝置，其中所述耦合介電層採用圖案化設計。
  13. 如請求項12所述的生理感測裝置，更包括應力補償層，配置於所述耦合式感測電極與所述耦合介電層之間，所述應力補償層採用圖案化設計。
  14. 如請求項13所述的生理感測裝置，其中所述應力補償層的材料包括Pb(ZrTi)O3、SiO2、ZnO、Ta2O5、Si3N4、SiON、BaTiO3、CaTiO3、SrTiO3、TiO2、MgO、AlN或Al2O3。
  15. 如請求項12所述的生理感測裝置，其中所述耦合式感測電極採用陣列式設計。
  16. 如請求項15所述的生理感測裝置，更包括應力補償層，配置於所述耦合式感測電極與所述耦合介電層之間，所述應力補償層採用圖案化設計。
  17. 如請求項16所述的生理感測裝置，其中所述應力補償層的材料包括Pb(ZrTi)O3、SiO2、ZnO、Ta2O5、Si3N4、SiON、BaTiO3、CaTiO3、SrTiO3、TiO2、MgO、AlN或Al2O3。
  18. 如請求項1所述的生理感測裝置，其中所述電子元件具有至少一個導電端子，所述導線層經由所述至少一個導電端子電性連接所述電子元件。
  19. 如請求項1所述的生理感測裝置，其中所述耦合式感測電極的材料包括Mo、Ti、Al或Cu。
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