光学诊断传感器系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请涉及并根据35USC§119(e)要求共同待决且共同拥有的 美国专利申请No.62/885,081的优先权权益，该美国专利申请于2019年8 月9日提交，题为“OpticalDiagnostic Sensor Systems and Methods”，列出 了Craig Easson、Joy Jones、JohnHanks、Khanh Tran和Arkadii Samoilov作 为发明人，出于所有目的通过引用将该美国专利申请的专利文件的全部内 容并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及诊断传感器，例如生命体征监视器。更具体地，本 公开涉及用于光学诊断传感器的系统和方法。

背景技术

脉搏血氧传感器是一种非侵入式生物统计光学传感器，其利用从皮下 血管反射的光学IR信号来测量人体血液的外周血氧饱和度(SpO2)水平。 脉搏血氧传感器也可以用作光电容积脉搏波传感器，该传感器监测定期变 化的血容量脉动或皮肤中的灌注。检测到的光学IR信号还可以用于确定人 的心律。

当今的脉搏血氧测定法基于氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧或还原血红 蛋白(Hb)的红光(波长<700nm)和红外光(波长>700nm)吸收特性(见 图1)。HbO2比Hb吸收更多的红外光，即HbO2比Hb允许更多的红光通 过。相反，Hb吸收更多的红光，并允许更多的红外光通过。由于皮肤吸收 的红光与红外光的比值表示HbO2与Hb的比值，因此通常可以使用凭经验获得的公式来转换红光/IR比值以得出SpO2值。

虽然可以从检测到的红外光信号中相对简单地得出心率，但是氧合度 (血液中结合的血红蛋白的百分比)的测量通常涉及在现有的脉搏血氧饱 和度传感器处交替地发出红外光和红光。红外光和红光由在两种不同波长 下操作的两个LED光源生成，例如，一个LED产生约660nm波长的红光， 另一个LED产生约940nm波长的IR光。然后，通过传感器内的光电二极 管一次一个地测量从皮肤反射的两个波长。然后，收集到的信息可以用于 计算心率并确定用户的皮下血管中的氧气浓度。另外，如果测量红光的交 流分量(即，心率脉搏波的包络)与红光的直流分量的比值除以红外光的 交流分量与直流分量的比值，则可以获得(外周)灌注指数。

对于红外光应用，例如光学心率测量，与正面照明(FSI)方法相比， 背面照明(BSI)技术节省了大量成本。但是，尚无已知的等效BSI应用用 于测量SpO2的脉搏血氧传感器。这主要是由于SpO2测量所需的红光在半 导体器件的硅衬底中在相对较小的穿透深度内被吸收的事实。如图2所示， 红光在约660nm的波长下的硅穿透深度为约5μm。这使得将现有BSI技术 用于使用脉搏血氧传感器进行的SpO2测量不可行。

此外，对于诸如耳塞和助听器之类的消费产品中的某些传感器，随着 光电二极管导通和关断而发光或闪烁的可观察到的红光不是所期望的。此 外，抵靠在人皮肤上的耳塞需要相对较小的占用面积，例如，它们必须具 有足够小的外形尺寸，才能舒适地安装在直径4mm至5mm的耳道中。

因此，需要能够利用BSI技术所提供的成本和占用面积减少的优点， 同时使用光学诊断传感器(例如脉搏血氧传感器)来避免消费产品中的在 美学上令人讨厌的特征的系统和方法。

附图说明

将参考本发明的实施例，其示例可以在附图中示出。这些图仅是说明 性的，而非限制性的。尽管一般在这些实施例的上下文中描述了本发明， 但是应当理解，并不旨在将本发明的范围限制于这些特定实施例。图中的 项目未按比例绘制。

图1示出了在200nm-1000nm的范围内的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋 白的不同等吸光点。

图2示出了不同波长的光到硅材料中的穿透深度。

图3A示出了根据本公开的各种实施例的BSI芯片的截面图，该BSI 芯片包括在光电二极管和沟槽之间的涂覆有氧化物钝化层的硅衬底。

图3B示出了根据本公开的各种实施例的包括空腔的图3A中的BSI芯 片的截面图。

图4示出根据本公开的各种实施例的使用绝缘体上硅(SOI)方法的 BSI芯片的简化截面图，该SOI方法包括在光电二极管和沟槽之间的氧化 物层。

图5是示出根据本公开的各种实施例的光学生物统计传感器的示例性 框图。

图6是根据本公开的各种实施例的确定生命体征的说明性过程的流程 图。

图7是根据本公开的各种实施例的用于制造用于检测生命的光学传感 器的说明性过程的流程图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发 明的理解。然而，对本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些细节 的情况下实践本发明。此外，本领域的技术人员将认识到，以下描述的本 发明的实施例可以以多种方式实施，例如以过程、装置、系统、设备或有 形计算机可读介质上的方法来实施。

在图中示出的部件或模块是本发明的示例性实施例的说明，并且意在 避免使本发明晦涩难懂。还应当理解，在整个讨论中，部件可以被描述为 单独的功能单元，其可以包括子单元，但是本领域技术人员将认识到，各 种部件或其部分可以被划分为单独的部件或者可以集成在一起，包括集成 在单个系统或部件内。应当注意，本文讨论的功能或操作可以被实施为部 件。部件可以以软件、硬件或其组合来实施。

此外，附图内的部件或系统之间的连接不旨在限于直接连接。相反， 这些部件之间的数据可以由中间部件修改、重新格式化或以其他方式更改。 同样，可以使用额外的或更少的连接。还应注意，术语“耦合”、“连接” 或“通信地耦合”应理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备的间 接连接以及无线连接。

在说明书中对“一个实施例”、“优选实施例”、或“实施例”的引用意 味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至 少一个实施例中，并且可以在一个以上的实施例中。同样，上述短语在说 明书中各个地方的出现不一定全部指代相同的一个或多个实施例。

在说明书中的各个地方使用某些术语是为了说明，而不应被解释为限 制性的。服务、功能或资源不限于单个服务、功能或资源；这些术语的使 用可能是指相关服务、功能或资源的分组，它们可以是分布式的或聚合的。

在本文中，光电二极管和光电检测器可互换使用。术语“包括”、“包 含”应被理解为开放式术语，并且以下的任何列表都是示例，并不意味着 限于所列出的项目。

此外，本领域技术人员将认识到：(1)可以可选地执行某些步骤；(2) 步骤可能不限于本文中阐述的特定顺序；(3)某些步骤可能以不同的顺序 执行；(4)某些步骤可以同时进行。

此外，应注意，本文描述的实施例是在LED作为发光器件的背景下给 出的，但是本领域的技术人员应认识到，本公开的教导不限于LED，因为 可以等同地使用其他发光源。

图3A示出了根据本公开的各种实施例的BSI芯片的截面图，该BSI 芯片包括在光电二极管和沟槽之间的涂覆有氧化物钝化层的硅衬底。图3B 示出了根据本公开的各种实施例的包括空腔的图3A中的BSI芯片的截面图。 芯片300可以设置在PCB 310上，并且在实施例中，包括光电二极管302、 硅衬底304和沟槽306。如图3A所示，沟槽306可以具有倾斜的侧壁并且 包括氧化物钝化层308。光电二极管302可以是光电检测器(未示出)的一 部分。

在实施例中，可以根据区域330的各种光学特性来选择区域330中的 衬底304(即，在沟槽306和光电二极管302之间)的厚度。如以上背景部 分中所述，红光的相对低的硅穿透深度使得BSI技术无法通过检测红LED 光和IR LED光的脉搏血氧传感器来测量SpO2。

因此，在本公开的实施例中，代替使用一个红光LED和一个IR LED， 可以使用都能够产生在可见光谱(小于700nm)之外且更接近IR光(即 700nm以上，例如780nm)的波长的两个发光源(图3A中未示出)。

对于其中衬底304主要包括硅的实施方式，硅衬底304的厚度因此不 能防止入射在沟槽306上的IR光充分穿透衬底304。结果，与红光不同， 两个IR LED的光可以到达光电二极管302。作为额外的优点，可以避免在 诸如耳塞之类的消费设备的传感器中出现不希望的“发光”红光。

在实施例中，可以通过在半导体制造期间利用干法蚀刻或湿法蚀刻工 艺来调节区域330中的衬底304的厚度。在实施例中，蚀刻增大了沟槽306 的深度并且将区域330的厚度降低到容许IR波长穿过区域330的期望厚度， 因此，允许光电二极管302从IR光源接收足够的IR光。

在实施例中，区域330可以被调整以便例如用作自然滤光器，该自然 滤光器有利地消除了对用于阻挡可见的环境光的额外的和昂贵的滤光的需 要。另外，由于Si的带隙为大约1.12μm，由于光电二极管302不响应于 Si的带隙以上的波长，所以中IR波长(>1000nm)也可以被“拒绝”。在 实施例中，选择区域330的厚度，使得取决于硅起始材料，LED的IR波长的硅穿透深度为约30μm至60μm。

在实施例中，光电二极管302的宽度可以相对较小，以确保在光电二 极管302上方的相对平坦的钝化层308，并防止拐角处的“面包切块”，否 则会负面影响光路的均匀性。

在实施例中，孔径(未示出)可以用于控制入射到光电二极管302上 的光子的路径。孔径(例如，以及集成孔径)可以包括吸收或反射光的材 料，使得受控光束可以形成在期望的区域。另外，传感器可以包括与孔径 相邻的透镜(未示出)，以帮助收集光。

应当理解，芯片300的某些部分可以用作光导，在实施例中，可以用 反射材料涂覆光导以减少光传输损耗。还应当理解，尽管可以将BSI芯片 300优化为用于接收和测量来自IR波长的两个光源的光，但这并不旨在限 制本公开的范围。

在实施例中，可以选择光源的波长，以使得能够进行与图1所示的不 同的等吸光点相关联的测量。例如，为了测量与可能位于大于1000nm的波 长处的等吸光点相关联的波长，例如，以便于在高达2.5μm的波长处进行 葡萄糖测量，可以相应地调整检测器的实施细节。例如，这可以通过以下 方式来实现：选择合适的衬底材料以容纳超过1000nm的测量波长，并根 据该材料的光学特性优化光电探测器302上方的厚度，以允许某些波长通 过，同时阻挡其他波长，从而充当光学带通滤光器。同样，可以通过控制 沟槽306的深度来控制厚度。

图4示出了根据本公开的各种实施例的使用SOI方法的BSI芯片的简 化截面图，该SOI方法包括在光电二极管和沟槽之间的氧化物层。以类似 于图3A的方式，在实施例中，芯片400包括光电二极管302、氧化物层430、 硅衬底404、键合球420和沟槽406。均具有一定直径的键合球420可以设 置为衬底410的下表面。

在实施例中，可以蚀刻沟槽406以具有倾斜的侧壁，以增大由光电二 极管302收集的光子的数量。可以用例如反射材料涂覆侧壁以进一步增大 到达光电二极管302的光子的数量。如图4中描绘的，芯片400可以是SOI 结构，其中绝缘体由氧化物430形成。在实施例中，氧化物430可以用作 蚀刻停止部，其消除了对用钝化层涂覆沟槽406的需要。

在实施例中，优化沟槽306的深度，即光电二极管302上方的区域的 厚度，有利地消除了对传统封装的需要，并且允许在对芯片400所位于的 晶片进行切割之前使用晶片级封装，从而节省大量成本。

注意，图3A、图3B和图4中所示的芯片不限于此处示出或在所附文 本中描述的构造细节。如本领域技术人员将理解的，可以使用不同的半导 体制造处理步骤来制造合适的检测器，所述半导体制造处理步骤可以添加 或去除某些结构，例如，层或其部分。

图5是示出根据本公开的各种实施例的光学生物统计传感器的示例性 框图。传感器500包括微控制器502、光电二极管单元504、LED单元506、 电池508和通信控制器510。应当理解，LED单元可以包括一个LED或LED 阵列。类似地，光电二极管单元504可以包括一个或多个光电二极管。还 应理解，一个或多个部件可以集成在单个芯片上。作为示例，LED单元506 可以包括一个或多个LED，其被放置在包括传感器500的芯片的外部。本 领域的普通技术人员将理解，可以使用附加的和不同的元件来实现本发明 的目的。

在实施例中，LED单元506可以与能够检测一个或多个波长的入射IR 光的光电二极管单元504相邻放置。如参考图3A所提到的，通过组合红外 信号或变化的频率，生物统计光学传感器500中的光电二极管单元504可 以用于使用由LED单元506产生的两个IR波长来确定用户(例如，患者) 的血氧饱和度水平。光电二极管单元504也可以被配置为根据由LED单元 506产生的红外光信号来确定心率。这样，传感器500可以用作多功能生物 统计传感器。

当例如在初始化过程之后测量心率或O2饱和度水平时，传感器500可 以例如通过使用红外光谱中的两种不同光的组合来收集用户数据。在实施 例中，光可以替代地由两个红外LED光源产生，这两个红外LED光源将两 种波长的光投射到用户的皮肤中。在光信号从用户的皮肤反射时，可以使 用光电二极管504对该光信号进行检测。特别地，然后可以使用两种光信 号或其分量的比值来计算用户的皮肤表面下血管中的氧气浓度，确定心率 等。这种方法有利地消除了对通过人的手指进行透射测量的需要，该测量 需要将有线夹放在手指周围。

在实施例中，传感器500内的微控制器502将来自光传感器或LED单 元506的信号数字化，以在输出结果之前计算心率/血氧饱和度水平，可以 根据需要对其进行进一步处理。

本领域的技术人员将理解，根据本发明的目的，可以实施诸如噪声过 滤元件等的附加电子设备以支持传感器500的功能。例如，可以实施主动 控制的升压调节器以改善传感器500的噪声性能。

图6是根据本公开的各种实施例的确定生命体征的说明性过程的流程 图。在实施例中，当在位于光电二极管和沟槽之间的半导体材料处接收到 高于红光的波长的第一和第二波长的光时，确定生命体征调节的过程600 开始于步骤605。半导体材料，例如可以用作蚀刻停止层的衬底材料(硅或 多晶硅)或氧化物材料由于其选择的厚度而被优化，以用作阻挡低于红光 波长的波长的滤光器。

第一和第二波长可以由一个或多个内部或外部LED产生，所述内部或 外部LED产生例如在700μm-1000μm的近IR范围内的光。

在步骤610，使用一个或多个光电二极管来检测第一波长和第二波长中 的至少一个的光。应当理解，一个光电二极管可以用于例如通过切换而一 次测量两个LED之一的光，以交替地测量来自两个LED的光。

最后，在步骤615，所检测的光用于确定生命体征。

图7是根据本公开的各种实施例的用于制造用于检测生命的光学传感 器的说明性过程的流程图。在实施例中，制造过程700在步骤705开始于 确定光电二极管和沟槽之间的衬底材料的厚度。在实施例中，该确定是基 于衬底材料的光学特性及其拒绝第一波长的光并使第二波长的光通过的能 力。

在步骤710，响应于确定厚度，蚀刻光电二极管上方的沟槽以提供确定 的厚度。

本发明的各方面可以利用用于使一个或多个处理器或处理单元执行步 骤的指令而编码在一个或多个非暂时性计算机可读介质上。应当注意，一 个或多个非易失性计算机可读介质应包括易失性和非易失性存储器。应当 注意的是，替代实施方式是可能的，包括硬件实施方式或软件/硬件实施方 式。可以使用ASIC、可编程阵列、数字信号处理电路等来实现硬件实施的 功能。因此，任何权利要求中的“装置”术语旨在涵盖软件和硬件实施方式两者。类似地，本文所使用的术语“一种或多种计算机可读介质”包括 具有体现于其上的指令程序的软件和/或硬件、或其组合。考虑到这些实施 方式的替代方案，应当理解，附图和随附的描述提供了本领域技术人员编 写程序代码(即，软件)和/或制造电路(即，硬件)以执行所需处理将需 要的功能信息。

应当注意，本发明的实施例可以进一步涉及具有非暂时性有形计算机 可读介质的计算机产品，其上具有用于执行各种计算机实施的操作的计算 机代码。介质和计算机代码可以是出于本发明的目的而专门设计和构造的 那些，或者它们可以是相关领域技术人员已知或可获得的种类。有形计算 机可读介质的示例包括但不限于：诸如硬盘、软盘和磁带之类的磁性介质； 光学介质，例如CD-ROM和全息设备；磁光介质；以及专门配置用于存储或存储并执行程序代码的硬件设备，例如专用集成电路(ASIC)、可编程逻 辑设备(PLD)、闪存设备以及ROM和RAM设备。计算机代码的示例包 括机器代码(例如由编译器生成的机器代码)以及包含由计算机使用解释 器执行的更高级别代码的文件。本发明的实施例可以全部或部分地实施为 机器可执行指令，该机器可执行指令可以在由处理设备执行的程序模块中。 程序模块的示例包括库、程序、例程、对象、部件和数据结构。在分布式 计算环境中，程序模块可能物理上位于本地、远程或两者的设置中。

本领域的技术人员将认识到没有任何计算系统或编程语言对于实践本 发明是至关重要的。本领域技术人员还将认识到，上述许多元件可以在物 理和/或功能上被分成子模块或组合在一起。

本领域技术人员将理解，前述示例和实施例是示例性的，并且不限制 本公开的范围。旨在使本领域技术人员在阅读说明书并研究附图之后将显 而易见的所有排列、增强、等同物、组合和改进都包括在本公开的真实精 神和范围内。还应当注意，任何权利要求的要素可以不同地布置，包括具 有多种依赖性、配置和组合。