TWI829559B - 一種生物皮下特徵的偵測元件及包括其之穿戴裝置 - Google Patents
一種生物皮下特徵的偵測元件及包括其之穿戴裝置 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI829559B TWI829559B TW112110180A TW112110180A TWI829559B TW I829559 B TWI829559 B TW I829559B TW 112110180 A TW112110180 A TW 112110180A TW 112110180 A TW112110180 A TW 112110180A TW I829559 B TWI829559 B TW I829559B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- light
- detecting
- grid structure
- subcutaneous
- semiconductor chip
- Prior art date
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 61
- 238000007920 subcutaneous administration Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 64
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 18
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims description 17
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 12
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 4
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 4
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 abstract description 5
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 21
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 21
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 12
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 11
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 description 3
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 description 3
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 3
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 2
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- 210000001736 capillary Anatomy 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 2
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 2
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 2
- 230000001146 hypoxic effect Effects 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- 230000010412 perfusion Effects 0.000 description 2
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 2
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 2
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 2
- 208000025721 COVID-19 Diseases 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010020772 Hypertension Diseases 0.000 description 1
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N [Ga].[As].[In] Chemical compound [Ga].[As].[In] KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 1
- 230000008081 blood perfusion Effects 0.000 description 1
- 238000009534 blood test Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 210000004207 dermis Anatomy 0.000 description 1
- 206010012601 diabetes mellitus Diseases 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 210000000624 ear auricle Anatomy 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 210000003811 finger Anatomy 0.000 description 1
- 210000001061 forehead Anatomy 0.000 description 1
- 150000003278 haem Chemical class 0.000 description 1
- 208000019622 heart disease Diseases 0.000 description 1
- 208000017169 kidney disease Diseases 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 206010033675 panniculitis Diseases 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 230000001568 sexual effect Effects 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000002798 spectrophotometry method Methods 0.000 description 1
- 210000004304 subcutaneous tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 210000003371 toe Anatomy 0.000 description 1
- 210000005010 torso Anatomy 0.000 description 1
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 1
Abstract
提供一種偵測生物皮下特徵的元件以及一種具有偵測生物皮下特徵的穿戴裝置。偵測生物皮下特徵的元件具有一個基板、一個光偵測半導體晶片、一個格柵結構、及一個封蓋。光偵測半導體晶片位於基板之上，用以偵測紅光或是近紅外光的訊號。格柵結構位於光偵測半導體晶片之上，具有複數條相互平行的不透明擋牆，用以阻擋側向光，提升近垂直的入射光比例。封蓋位於格柵結構之間或之上，以保護元件的入光面。偵測生物皮下特徵的穿戴裝置具有一顆以上的紅光或近紅外光的光源，以及複數個偵測生物皮下特徵的元件，其中，至少有一個偵測生物皮下特徵的元件具有複數條相互平行的不透明擋牆的格柵結構，其不透明擋牆的排列方向大致平行於光源發出光線的發射方向。
Description
本揭露是關於一種偵測生物皮下特徵的元件以及一種具有偵測生物皮下特徵的穿戴裝置，特別是關於血氧偵測、血糖偵測的應用。生物皮下特徵系指包含來自真皮、皮下組織、肌肉組織、動脈、靜脈、微血管等的訊號可以用以推估血氧、血糖等生物的生命特徵數據。
隨著科技的進步，使用光電元件進行非侵入式偵測生物的生命特徵越來越方便，也越來越重要，例如：心跳、血氧、血糖，都有豐富的研究，甚至是血壓、血流量，也都有不少科學家努力進行研究中。其中，最主要的原因莫過於人類的高齡化趨勢之下，各式的文明病紛紛顯現，例如：高血壓、心臟病，唯有依靠早期發現才能早期治療。另外一方面，各式尚無法根治的疾病早已折磨傷害眾多病患，例如：糖尿病、腎臟病。於是便宜、可靠、安全、無痛的非侵入式偵測生物皮下特徵的穿戴裝置的各式產品需求恐急，尤其在COVID-19疫情爆發之後，對於血氧偵測的需求更是急如星火。
血氧偵測器，主要是運用了光譜分析法(Spectrophotometry) 中的比爾定律 (Beer-Lambert Law) 。當特定波長的光線，穿過某種溶液之後 （溶液由會吸收此光線的溶質、和不吸收此光線的溶劑所組成），其光的吸收度 (A)，與吸收係數 (α)、光徑長 (l)、濃度 (c)，成正比。即 A = α‧l‧c 。
如圖一所示，血氧偵測的原理是利用血液中缺氧血紅素(hemoglobin, Hb)與含氧血紅素(oxyhemoglobin, HbO
2)分別在波長 660 與 940 nm 波段時有不同之吸收率，所以利用二種不同波長的發光二極體直接照射進入人體中的動脈及靜脈，可獲得當下血液中對於不同波長的不同吸收強度。如圖二所示，當動脈因為脈搏而膨脹/收縮時，就會隨著時間產生如圖三的光吸收度不同的變化，於是，透過分析比較不同波長的感測數據，再與抽血測得的動脈血氧飽和度 (arterial oxygen saturation, SaO
2) 校準之後即可推算出足以信賴的血氧含量，此外，當心臟收縮與舒張時，動脈血液對光的吸收率也會呈現週期的變化，因此一般脈衝式血氧儀也可量測出脈搏。
目前血氧偵測器的主流設計為結合不同發光波長的發光二極體、光偵測元件以及各式演算法的設計，達成非侵入式偵測生物的生命特徵的偵測方法。如圖二所示，LED A及LED B分別為660nm及940nm波長的發光二極體，並選擇搭配反射式的設計將光偵測元件(Detector A, Detector B) 設置於被測物的同一側，或是搭配穿透式的設計將光偵測元件(Detector C)設置於被測物的另一側。人體中的手指、腳趾或耳垂組織較薄且充滿微血管，適合穿透式的設計，然而手腕、額頭、軀幹則因為太厚，只能使用反射式的設計。
現有光偵測元件的封裝結構普遍符合它們各自的需求，但並不是在所有方面皆令人滿意， 尤其是雜散光的干擾造成訊噪比不佳，使得準確度下降，也間接造成電流功率的損耗，不利於穿戴裝置的長期續航使用。因此，仍需要進一步改良封裝結構及其形成方法，以製造出符合產品需求的具有偵測生物皮下特徵的穿戴裝置。
本揭露提供一種偵測生物皮下特徵的元件以及一種具有偵測生物皮下特徵的穿戴裝置。偵測生物皮下特徵的元件具有一個基板、一個光偵測半導體晶片、一個格柵結構、一個封蓋。光偵測半導體晶片位於基板之上，用以偵測紅光或是近紅外光的訊號。格柵結構位於光偵測半導體晶片之上，具有複數條相互平行的不透明擋牆，用以阻擋側向光，提升近垂直的入射光比例。封蓋位於格柵結構之間或之上，以保護元件的入光面。偵測生物皮下特徵的穿戴裝置，具有一顆以上的紅光或近紅外光的光源，以及複數個偵測生物皮下特徵的元件，其中，至少有一個偵測生物皮下特徵的元件具有複數條相互平行的不透明擋牆的格柵結構，其不透明擋牆的排列方向大致平行於光源發出光線的發射方向。
以下實施例中參照所附圖式提供詳細敘述。
以下說明本揭露實施例之封裝結構及其形成方法。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例，用以實施本揭露一些實施例之不同態樣。以下所述特定的元件及排列方式僅為簡單清楚描述本揭露一些實施例。當然，這些僅用以舉例而非本揭露之限定。此外，在不同實施例中可能使用類似及/或對應的元件符號標示類似及/或對應的元件，以清楚描述本揭露。然而，這些類似及/或對應的元件符號的使用僅為了簡單清楚地敘述本揭露一些實施例，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。
本揭露實施例提供一種偵測生物皮下特徵的元件以及包含此偵測生物皮下特徵元件的穿戴裝置。
根據本揭露的一些實施例，提供一種封裝結構。封裝結構具有一基板、一光偵測半導體晶片、一格柵結構、及一封蓋。光偵測半導體晶片位於基板之上，用以偵測紅光或是近紅外光的訊號。格柵結構位於光偵測半導體晶片之上，用以阻擋側向光，提升近垂直的入射光比例。封蓋位於格柵結構之間或之上，做為可保護元件的透明入光面。在本揭露的一些實施例，光偵測半導體晶片可以是由矽基半導體材料製作，如：矽半導體或矽鍺半導體材料。光偵測半導體晶片也可以是III-V半導體材料製作，如：砷化銦鎵半導體或磷化銦半導體材料。在本揭露的一些實施例，採取如圖二中所示反射式的設計架構，LED光源A及LED光源B分別為660nm及940nm波長的發光二極體，將光偵測封裝結構(Detector A, Detector B)設置於被測物的同一側，而此光偵測封裝結構使用本揭露的一些實施例，此封裝格構上的格柵結構的開口大小、高度取決於LED光源與光偵測半導體晶片之間的距離，當光源與光偵測半導體晶片之間的距離較近時，結構所需的開口角度就會小，反之距離較遠時，結構所需的開口角度就會大，以有效阻隔環境光線進入光偵測半導體晶片，確保光偵測半導體晶片收到的光線是來自血管及血液的光線，以提升訊號的準確性。格柵結構是由複數條相互平行的不透明擋牆組成，其高寬比介於1:1~100:1。例如：複數條相互平行的不透明擋牆其高度為100μm至1000μm、寬度為20μm至100μm、間距為50μm至600μm。格柵結構可以使用模具成型、切割或是黃光蝕刻的方式在光偵測半導體晶片上直接製成。格柵結構也可以預先形成在暫時基板上，再用膠材接著於光偵測半導體晶片之上，或使用卡扣的方式固定於光偵測半導體晶片之上。格柵結構使用黑色樹脂、黑色矽膠、矽基板等不透明材料構成。格柵結構的複數條相互平行的不透明擋牆具有相等間距的排列設計，也可以是具有疏密間距的排列設計。在本揭露的一些實施例，封蓋可以使用樹脂、矽膠、玻璃等對於紅光或近紅外光大致透明的材料構成，直接填入或覆蓋格柵結構，也可完全覆蓋於光偵測半導體晶片的四周及基板之上，於是由LED光源射出的660nm或940nm光線進入人體皮膚，並經由血管反射回來後，得以穿過透明封蓋到達光偵測半導體晶片，而格柵結構的不透明擋牆可以抑制吸收掉部分未經血管的表皮散射。
在本揭露的一些實施例，所使用的光偵測半導體晶片有三種形式，分別是覆晶式、垂直式、正裝式。光偵測半導體晶片上方是具有PN接面或PIN接面的一方，而光偵測半導體晶片下方是半導體的基板，是相對遠離PN接面或PIN接面的一方。其中，覆晶式光偵測半導體晶片在晶片的設計製作中，把入光面設計於晶片上方，把正電極與負電極皆製作於晶片下方，以利晶片的入光面積最大化，其搭配的封裝基板設計有對應晶片兩個電極之大小及間距的兩個焊墊，以利於使用鍚膏固晶及與正/負電極分別電性連結。垂直式光偵測半導體晶片在晶片的設計製作中，把入光面設計於晶片上方，把正/負電極之一製作於晶片下方，另一電極則製作於晶片上方並形成一打線區，其搭配的封裝基板有一個焊墊比晶片面積大，以利於使用鍚膏固晶並與正/負電極之一電性連結，而其上方的電極打線區使用打線的方式與基板上的另一個焊墊進行電性連結。正裝式光偵測半導體晶片在晶片的設計製作中，把入光面設計於晶片上方，把正/負電極皆製作於晶片上方並分別形成二個打線區，其搭配的封裝基板有一個固晶區比晶片面積大，以使用膠材或鍚膏將晶片固晶於基板上，而其上方的正電極打線區與負電極打線區使用打線的方式分別與基板上的兩個焊墊電性連結。
在本揭露的一些實施例，如圖四(a)、(b)、(c)所示，先將碳基的黑色粉末添加於矽膠中形成黑色膠材，均勻塗佈於覆晶式光偵測半導體晶圓20上形成黑色膠材層30，再透過蝕刻黑色膠材層30形成多條平行的格柵結構31，接著以透明的矽膠填入格柵結構31形成封蓋40a，之後再將晶圓切割成光偵測元件50a，如圖五(a)所示，再將此光偵測元件50a固晶及電性連結於封裝基板10上，其中晶片下方的正極以鍚膏與基板的正極焊墊11相互固定及電性連結，晶片下方的負極以鍚膏與基板的負極焊墊12相互固定及電性連結，即完成一種偵測生物皮下特徵的元件1a。
在本揭露的一些實施例，先將碳基的黑色膠材製成黑色膠材層30於一暫時基板上，以切割或蝕刻方法將其製成有多條平行格柵的格柵結構31，再以透明的矽膠填入格柵結構31形成封蓋40a後，將暫時基板上的格柵結構31及封蓋40a直接接著於覆晶式光偵測半導體晶圓20上，接著移除暫時基板並留下封蓋40a及格柵結構31於覆晶式光偵測半導體晶圓20上。在移除暫時基板後，將晶圓切割成光偵測元件50a，再將此光偵測元件50a固晶及電性連結於封裝基板10上，其中晶片下方的正極以鍚膏與基板的正極焊墊11相互固定及電性連結，晶片下方的負極以鍚膏與基板的負極焊墊12相互固定及電性連結，如圖五(a)所示，即完成一種偵測生物皮下特徵的元件1a。
在本揭露的一些實施例，先將光偵測半導體晶圓20切割成光偵測半導體晶片20a，再將碳基的黑色膠材製成黑色膠材層30於暫時基板上，透過切割技術或蝕刻技術將其製作成有多條平行的格柵結構31，再以透明的矽膠填入格柵結構31直接形成封蓋40a，再透過切割技術將格柵結構31與封蓋40a切成與光偵測半導體晶片20a大小相同之薄片單元，再將此薄片單元剝離暫時基板並且一對一的接著或卡扣於光偵測半導體晶片20a之上形成光偵測元件50a，再將此光偵測元件50a完成固晶及電性連結於封裝基板10上，其中晶片下方的正極以鍚膏與基板的正極焊墊11相互固定及電性連結，晶片下方的負極以鍚膏與基板的負極焊墊12相互固定及電性連結，如圖五(a)所示，即完成一種偵測生物皮下特徵的元件1a。
在本揭露的一些實施例，如圖四(a)與(b)所示，先將碳基的黑色粉末添加於矽膠中形成黑色膠材，均勻塗佈於覆晶式光偵測半導體晶圓20上形成黑色膠材層30，再透過蝕刻黑色膠材層30形成多條平行的格柵結構31，接著省略透明矽膠填入格柵結構31形成封蓋40a的步驟，直接將具有格柵結構31之晶圓切割成光偵測元件50b，如圖五(b)，再將此光偵測元件50b完成固晶及電性連結於封裝基板10上，其中晶片下方的正極以鍚膏與基板的正極焊墊11相互固定及電性連結，晶片下方的負極以鍚膏與基板的負極焊墊12相互固定及電性連結，即完成一種偵測生物皮下特徵的元件1b。
在本揭露的一些實施例，可依前述實施方式，分別改使用垂直式及正裝式光偵測半導體晶圓20，先將碳基的黑色粉末添加於矽膠中形成黑色膠材，均勻塗佈於垂直式及正裝式光偵測半導體晶圓20上形成黑色膠材層30，在透過蝕刻黑色膠材層30於晶片上方形成多條平行的格柵結構31，也在晶片正面蝕刻裸露出預留的打線區21/22以方便後續的電性連結，接著省略透明矽膠填入格柵結構31形成封蓋40a的步驟，直接將具有格柵結構31之晶圓切割成垂直式及正裝式光偵測元件50c/50d，如圖五(c)所示，其中垂直式光偵測元件50c的正極以鍚膏與基板的正極焊墊11相互固定及電性連結，負極22以打線的方式與基板的負極焊墊12電性連結。而如圖五(d)所示，正裝式光偵測元件50d的正極21以打線的方式與基板的正極焊墊11電性連結，負極22以打線的方式與基板的負極焊墊12電性連結。在本揭露的一些實施例，對於需要打線或無透明矽膠封蓋40a的設計，可以選擇搭配對於紅光或近紅外光大致透明的材料構成的封蓋，如此既可以保護光偵測元件也可以保護金屬導線不受到外力傷害。如圖五(c) 及圖五(d)所示，使用透明玻璃封蓋40b，設置於格柵結構31及基板10之上，即完成偵測生物皮下特徵的元件1c及1d。
在本揭露的一些實施例，以俯視方向視之，光偵測元件50/50a/50b/50c/50d為方型結構，其上的格柵結構之高度為250μm、寬度為30μm、間距為210μm。在本揭露的一些實施例中，偵測生物皮下特徵的元件結構可以為矩型、圓形、或大於四邊之多邊形。
在本揭露的一些實施例，格柵結構31可以是由複數條相互平行的不透明擋牆組成，且擋牆的間距具有疏密的變化。做為對照組，如圖六(a)所示，傳統的偵測生物皮下特徵的元件1ref為無格柵結構，而根據本揭露的技術分別製作出如圖六(b) 、(c) 、(d)所示的另外三種偵測生物皮下特徵的元件1a1/1a2/1a3，分別具有 (b)等距格柵結構31b、(c)漸變密疏格柵結構31c、(d)漸變疏密格柵結構31d。其中，漸變密疏格柵結構31c的格柵間距隨著距離晶片俯視表面的中心點越近其間距越大，而漸變疏密格柵結構31d的格柵間距隨著距離晶片俯視表面的中心點越近其間距越小。
根據本揭露的一些實施例，提供一種具有包含上述偵測生物皮下特徵元件的穿戴裝置，具有一顆以上的紅光或近紅外光的光源，以及複數個偵測生物皮下特徵的元件，其中，至少有一個偵測生物皮下特徵的元件具有複數條相互平行的不透明擋牆的格柵結構，且不透明擋牆的排列方向不與光源發出的光線發射方向垂直，較佳地，不透明擋牆的排列方向大致平行於光源發出的光線發射方向。在本揭露的一些實施例中，偵測生物皮下特徵的穿戴裝置上的複數個偵測生物皮下特徵的元件環繞紅光或近紅外光的光源，並大致以光源為中心呈放射狀向外輻射設置，以使此些複數個偵測生物皮下特徵的元件中其格柵結構的不透明擋牆排列方向與光源的光線發射方向平行。在本揭露的一些實施例中，偵測生物皮下特徵的穿戴裝置可以是手錶、血氧機、血糖機。
如圖三所示，偵測生物皮下特徵的元件所接收到的訊號包含有人體組織、靜脈、微血管、動脈、動脈搏動造成的血管脈衝，其中，動脈搏動造成的血管脈衝稱為交流訊號AC，會隨著時間起伏，而其他訊號的加總稱為直流訊號DC，則相對平穩，依AC/DC比例所計算出的血流灌注指數PI (perfusion index, PI=AC/DC) 有助判斷所測的血氧飽和度、脈率是否精準，一般而言，血氧機可測的 PI 值範圍由 0.02 % 到 30 %，若 PI 值過低，譬如低於 0.4%，血氧機顯示的讀數就未必能作可靠的參考。透過改善元件設計提高PI值，可以改善數據的精準度。在本揭露的一些實施例，如圖七(a)、(b)、(c)、(d)所示，分別使用8顆圖六中的四種不同的偵測生物皮下特徵的元件1ref/1a1/1a2/1a3，環繞設置於波長為660nm的LED光源60及波長為940nm的LED光源70之四周，分別組成四種具有偵測生物皮下特徵元件的穿戴裝置2a/2b/2c/2d。如表一所示，就偵測生物皮下特徵的元件對應之660nm及940nm光強分佈的收光能量來看，雖然1a1-等距格柵結構/1a2-漸變密疏格柵結構/1a3-漸變疏密格柵結構的總收光強度(DC+AC)都較1ref-無格柵結構來的低，但因為打到動脈的光線AC比例提高，使得PI值反而較為提高，所以透過格柵結構設計可以有效阻擋雜散光，來提升來自血管和血液的光訊號的比例，進而改善數據的精準度。從此些實施例的結果得知，在有加入格柵結構的血流灌注指數PI值皆比傳統的無格柵結構好。
表一
| 訊號強度 | 1ref- 無格柵 結構 | 1a1- 等距格柵結構 | 1a2- 漸變密疏格柵結構 | 1a3- 漸變疏密格柵結構 | |
| 660nm | DC+AC | 112.81 | 45.95 | 50.22 | 46.81 |
| DC | 103.49 | 41.63 | 45.63 | 42.4 | |
| AC | 9.32 | 4.32 | 4.59 | 4.41 | |
| PI=AC/DC | 9.0% | 10.4% | 10.1% | 10.4% | |
| 940nm | DC+AC | 113.02 | 47.19 | 50.88 | 47.53 |
| DC | 92.44 | 38.28 | 41.37 | 38.24 | |
| AC | 20.58 | 8.91 | 9.51 | 9.29 | |
| PI=AC/DC | 22.3% | 23.3% | 23.0% | 24.3% |
惟上述實施例僅為例示性說明本申請案之原理及其功效，而非用於限制本申請案。任何本申請案所屬技術領域中具有通常知識者均可在不違背本申請案之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化。舉凡依本申請案申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本申請案之申請專利範圍內。
1a/1b/1c/1d/1ref/1a1/1a2/1a3:偵測生物皮下特徵的元件
1ref-660nm/1a1-660nm/1a2-660nm/1a3-660nm:偵測生物皮下特徵的元件1ref/1a1/1a2/1a3分別對應之660nm光強分佈
2a/2b/2c/2d:偵測生物皮下特徵的穿戴裝置
10:基板
11:基板的正極
12:基板的負極
20:光偵測半導體晶圓
20a:覆晶式光偵測半導體晶片
20c:垂直式光偵測半導體晶片
20d:正裝式光偵測半導體晶片
21:光偵測半導體晶片的正極
22:光偵測半導體晶片的負極
30:黑色膠材層
31:格柵結構
31b:等距格柵結構
31c:漸變密疏格柵結構
31d:漸變疏密格柵結構
40:封蓋
40a:矽膠封蓋
40b:玻璃封蓋
50/50a/50b/50c/50d:光偵測元件
60:LED 660nm光源
70:LED 940nm光源
第1圖為缺氧血紅素與含氧血紅素對不同光波長範圍之吸收率。
第2圖為習知非侵入式光偵測生物皮下特徵之設計架構。
第3圖為血液的光吸收度隨著時間與動脈搏動之變化。
第4圖為根據本揭露一實施例之光偵測元件其製作方法的上視圖及側剖面圖:(a)塗佈黑色膠材於光偵測晶圓上(b)以蝕刻技術製作格柵結構(c)填入矽膠形成封蓋。
第5圖為根據本揭露一實施例之四種偵測生物皮下特徵的元件的立體圖，分別具有(a)覆晶式光偵測半導體晶片及矽膠封蓋，(b) 覆晶式光偵測半導體晶片且無封蓋，(c)垂直式光偵測半導體晶片及玻璃封蓋，(d) 正裝式光偵測半導體晶片及玻璃封蓋。
第6圖為四種偵測生物皮下特徵的元件的上視圖及側剖面圖，分別具有(a) 無格柵結構(b) 等距格柵結構 (c) 漸變密疏格柵結構 (d)漸變疏密格柵結構 。
第7圖為四種具有偵測生物皮下特徵的穿戴裝置，分別具有8顆(a)無格柵結構(b) 等距格柵結構 (c) 漸變密疏格柵結構 (d)漸變疏密格柵結構之偵測生物皮下特徵的元件及其各一對660nm光源的光強分佈圖。
1a1:一種偵測生物皮下特徵的元件
10:基板
20a:光偵測半導體晶片
31b:等距格柵結構
40a:矽膠封蓋
Claims (8)
- 一種偵測生物皮下特徵的元件，包含：一基板、一光偵測半導體晶片、一格柵結構、以及一封蓋；其中，該光偵測半導體晶片位於該基板之上，用以偵測紅光或是近紅外光的強度；該格柵結構位於該光偵測半導體晶片之上，用以阻擋側向光，提升近垂直的入射光比例；該封蓋位於該格柵結構之間或之上，以保護元件的入光面；其中該格柵結構是直接形成在該光偵測半導體晶片上並且接觸該光偵測半導體晶片。
- 如請求項1之偵測生物皮下特徵的元件，該光偵測半導體晶片可以是由矽基半導體材料或是III-V半導體材料形成。
- 如請求項1之偵測生物皮下特徵的元件，該格柵結構包括複數條相互平行的不透明擋牆，其中不透明擋牆之高寬比介於1：1~100：1。
- 如請求項1之偵測生物皮下特徵的元件，該格柵結構是由複數條相互平行的不透明擋牆組成，其中不透明擋牆之高度為100μm至1000μm、寬度為30μm至100μm和間距為50μm至600μm。
- 如請求項1之偵測生物皮下特徵的元件，該格柵結構可以使用模具成型、切割或是蝕刻的方式在該光偵測半導體晶片上直接製成，或者可以分開製作，再使用膠材接著或是使用卡扣的 方式固定於該光偵測半導體晶片之上。
- 如請求項1之偵測生物皮下特徵的元件，該格柵結構使用黑色樹脂、黑色矽膠、矽基板等不透明材料構成。
- 如請求項1之偵測生物皮下特徵的元件，該格柵結構的複數條相互平行的不透明擋牆具有相等間距的排列設計，或者具有密疏間距或疏密間距的排列設計。
- 如請求項1之偵測生物皮下特徵的元件，該封蓋可以使用透明樹脂、透明矽膠或透明玻璃等對於紅光或近紅外光大致透明的材料構成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW112110180A TWI829559B (zh) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | 一種生物皮下特徵的偵測元件及包括其之穿戴裝置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW112110180A TWI829559B (zh) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | 一種生物皮下特徵的偵測元件及包括其之穿戴裝置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI829559B true TWI829559B (zh) | 2024-01-11 |
Family
ID=90459068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW112110180A TWI829559B (zh) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | 一種生物皮下特徵的偵測元件及包括其之穿戴裝置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI829559B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWM541281U (zh) * | 2017-01-20 | 2017-05-11 | Han-Wei Zhang | 血流偵測裝置及其血流偵測器 |
| WO2021146333A1 (en) * | 2020-01-13 | 2021-07-22 | Masimo Corporation | Wearable device with physiological parameters monitoring |
-
2023
- 2023-03-20 TW TW112110180A patent/TWI829559B/zh active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWM541281U (zh) * | 2017-01-20 | 2017-05-11 | Han-Wei Zhang | 血流偵測裝置及其血流偵測器 |
| WO2021146333A1 (en) * | 2020-01-13 | 2021-07-22 | Masimo Corporation | Wearable device with physiological parameters monitoring |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11864890B2 (en) | Methods and devices for detecting intensity of light with translucent detector | |
| TWI594445B (zh) | 包含特徵以幫助減少雜光及／或光學串擾之光電模組 | |
| CN110338815B (zh) | 用于深层血氧检测的柔性装置及其制造方法 | |
| US5237994A (en) | Integrated lead frame pulse oximetry sensor | |
| US10211360B2 (en) | Optical biosensor module and method for making the same | |
| US20120176599A1 (en) | Optical transceiver | |
| WO2006110488A2 (en) | High efficiency photoplethysmographic sensor with coupling gel | |
| CN206565941U (zh) | 一种改进型反射式光电传感器 | |
| WO2011051888A2 (en) | Medical optical sensor | |
| JP2022535318A (ja) | 信号対雑音比が高い光電脈波センサ | |
| US11259712B2 (en) | Wearable reflectance-mode PPG sensor network having improved detected signal strength | |
| KR20150118557A (ko) | 헬스케어 기능을 가지는 모바일 플래쉬 모듈장치 | |
| US9814419B2 (en) | Pulse oximetry devices and systems and methods of making the same | |
| TWI829559B (zh) | 一種生物皮下特徵的偵測元件及包括其之穿戴裝置 | |
| CN206565935U (zh) | 一种新型反射式光电传感器 | |
| KR20190036446A (ko) | 포토트랜지스터 및 이를 이용하는 웨어러블 생체 정보 모니터링 장치 | |
| US20230066808A1 (en) | Medical devices with photodetectors and related systems and methods | |
| WO2021253445A1 (zh) | 生物特征检测装置及智能穿戴设备 | |
| Chung et al. | Signal-enhancement reflective pulse oximeter with Fresnel lens | |
| US20120130210A1 (en) | Sensor for measuring amount of substance in blood and method of making the sensor | |
| US20220015673A1 (en) | Integrated optical biosensors including molded beam shaping elements | |
| Fiala et al. | Implantable optical sensor for continuous monitoring of various hemoglobin derivatives and tissue perfusion | |
| WO2021253446A1 (zh) | 血氧检测装置及智能穿戴设备 | |
| CN213551703U (zh) | 生物特征检测装置及智能穿戴设备 | |
| WO2021253451A1 (zh) | 生物特征检测装置及智能穿戴设备 |