WO2023110668A1 - Sensor assembly for an optical vital sign sensor - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a sensor arrangement for use in an optical vital sign sensor, comprising at least one light source and at least one photodetector, the light source and photodetector being spaced apart from one another in a transverse direction, and an optical vital sign sensor having such a sensor arrangement.
- Vital sign sensors are sensors that can be placed on the skin of a human or animal as the user and optionally together with electronics measure or determine vital signs of the human or animal in question.
- the heartbeat, the heartbeat frequency or the pulse of the human or animal can be measured by the vital sign sensor as a vital sign.
- the basic measurement method is also known as photoplethysmography (PPG) and is based on the fact that blood-filled arteries are an optical medium that absorbs, transmits and reflects different amounts of light intensity, depending on the amount (volume) of blood and oxygen saturation.
- PPG photoplethysmography
- the amount of blood fluctuates with each pressure surge as the arteries dilate.
- the optical properties of the blood also change with the oxygen saturation of the hemoglobin, so that pulse and oxygen saturation can be measured optically as a result.
- Such vital sign sensors include a light source such as a light emitting diode (LED) that emits light into a user's skin. The emitted light is scattered in the skin and at least partially absorbed by the blood. Some of the light exits the skin and can be captured by a photodetector. The amount of light detected by the photodetector can be an indication of the blood volume in a user's skin.
- a vital sign sensor can measure blood flow in the dermis and subcutaneous tissue of the skin by measuring absorption monitor at a specific wavelength. If the blood volume changes due to the pulsing heart, the scattered light returning from the user's skin also changes. Therefore, a pulse of a user in his skin and thus the heart rate can be determined by monitoring the detected light signal by means of the photodetector.
- blood components such as oxygen-containing or oxygen-poor hemoglobin and oxygen saturation can be determined.
- the amount of light emitted by a light source could be increased to to compensate for losses associated with increasing the distance between the emitter and detector.
- This can e.g. B. done by increasing both the emission area and the absolute current through an LED, so that the current density , i. H . the amount of current divided by the active area remains approximately constant.
- this would increase the overall size of the entire arrangement and increase its power consumption, so that other components such as power supply, driver stages and the like would have to be designed to be more powerful.
- a sensor arrangement for use in an optical vital sign sensor comprising at least one light source and at least one photodetector.
- the light source for example a photodiode, includes a radiation or light-emitting chip.
- the chip and the photodetector are spaced from each other in a transverse direction. A length of the chip is greater than its width.
- the chip can, for example, have an essentially rectangular shape, each with a length and a width, and accordingly cannot have a square shape, whereas the photodetector can have a square shape.
- the chip can be a semiconductor component, for example. Due to the shape of the chip or of the semiconductor, in some embodiments, a current density of the chips or . of the emitting semiconductor material are kept constant because a cross-sectional area of the chip can be kept constant, with a small width and large length of the chip component. It is therefore possible to provide the same brightness with the same total current.
- the shape of the chip according to the invention allows the chip to be very efficient because the current density can be kept constant and at the same time one dimension in a relevant direction, namely the transverse direction, can be made very small.
- the chip has a shape where its width is very small compared to its length.
- a ratio of the width to the length of a chip can be equal to or greater than 1:1. 5 ; 1 : 2 ; 1 : 2 . be 5 or 1:3.
- a length of the chip can have more than 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15 or 20 times the value of a width of the chip.
- the shape of the chip can make it possible for a radiation field or illumination field to be generated that has a very homogeneous area.
- the photodetector is arranged so that it overlaps with the homogeneous area of the radiation field.
- the width of the chip has a value that lies in a value range having a minimum value of 50 ⁇ m, 100 ⁇ m, 500 ⁇ m, 1 mm, 1.5 mm or 2 mm and/or a maximum value of 2mm, 3mm, 5mm or larger.
- the shape of the chip approximated to a line can result in all beams emitted by the chip having a similarly long path to the photodetector in the transverse direction. The benefit of the effect can be increased, for example, if the photodetector is also only narrow. With a light source that includes a chip or semiconductor as a package, one would not be able to achieve these small dimensions of 50 ⁇ m, for example.
- the chip and the photodetector are spaced apart from each other in the lateral direction by a maximum value corresponding to the width of the chip. This can correspond, for example, to an absolute value of at most 50 ⁇ m.
- the chip and the photodetector can have a minimum distance of 0 in the transverse direction. 5 x the width of the chip. In some embodiments, this can provide an overall light source with a very small width and all rays have a similar path to the detector. In some exemplary embodiments, a good compromise between signal noise and physical size of the vital sign sensor can be achieved as a result.
- the distance can be measured, for example, from a directly adjacent edge of the chip to a directly adjacent edge of the photodetector in the transverse direction, for example an edge that is perpendicular to the transverse direction and parallel to a longitudinal dimension of the chip.
- the distance can also be measured, for example, from a center line of the chip to a center line of the photodetector.
- the longitudinal side of the light source can run at a distance from and in particular parallel to an adjacent side of the photodetector.
- the light source can be arranged at a distance from the photodetector in such a way that a longitudinal side of the light source runs adjacent to one side of the photodetector and in particular runs adjacent and parallel to one side of the photodetector.
- the invention can make it possible to maintain the optimum distance between the emitter, i.e. the chip, and the detector, and thus the relationship between distance and sensitivity mentioned at the outset, at which the signal measured by the detector is still strong enough and the sensitivity is simultaneously sufficiently high .
- the emission surface of Light source enlarged without integrating over a larger distance range, but maintaining a specific, well-defined distance between the light source and the photodetector (emitter and detector).
- an emitting area e.g. B. the active area of an LED, which is constant in the direction perpendicular to a dividing line between light source and photodetector, but can grow linearly in the direction parallel to the dividing line to reach the maximum current density and current.
- the emission surface of the light source is thus enlarged in the longitudinal direction, ie parallel to the dividing line. This is true for all wavelengths, but especially for the red and IR wavelengths, where the sensitivity is more or less a linear function of the distance between the emitter and the detector.
- the length of the light source and thus the length of the chip deviates from a length of the photodetector by a value that is preferably less than 10, 5 or 2 times a width B1 of the chip.
- the dimension in the direction of the dividing line is understood here as length.
- the light source and the photodetector are preferably arranged parallel to one another with respect to a longitudinal axis as a dividing line. In other words, the two components are always at the same distance along their greatest extent.
- the photodetector and the chip are preferably arranged in such a way that the photodetector is arranged so that it completely overlaps the chip in the longitudinal direction.
- the light source and photodetector widths are preferably unequal. In particular, the width of the light source is smaller than the width of the photodetector.
- the dimension in the direction perpendicular to the dividing line is understood here as width.
- the light source and the photodetector are designed as discrete components or as integrated components.
- the light source and the photodetector on one be arranged on a common carrier substrate, or the light source and the photodetector are each arranged on separate carrier substrates.
- the light source comprises at least one light-emitting diode.
- the photodetector comprises at least one photodiode.
- the light source can also include a plurality of light-emitting diodes or, for example, by means of an array, in particular a pixelated array, composed of a plurality of light-emitting diodes.
- the photodetector can include a plurality of photodiodes or, for example, be formed by an array, in particular a pixelated array, of a plurality of photodiodes.
- the light source comprises a green and/or an infrared (TR) and/or a red light-emitting diode.
- TR infrared
- red light-emitting diode Depending on the vital function to be measured (heart rate, oxygen saturation, etc.), different wavelengths of the light used are advantageous.
- the green light-emitting diode preferably has a smaller distance to the photodetector than the red light-emitting diode and the IR light-emitting diode. Since green light is more strongly absorbed in the skin, this measure increases the light yield at the photodiode and allows more precise measurements of the vital functions.
- the light source comprises at least one light-emitting diode that is embedded in a potting material. This protects the light-emitting diode and its contacts from environmental influences.
- the potting material is free of scattering particles. Because the chip already has the required expansion, a casting compound that is free of stray particles can be used. The radiating surface is then determined solely by the shape and dimensions of the chip.
- the light source comprises at least one light-emitting diode which is embedded in a conversion material, or the encapsulation material has converter particles. As a result, a blue light-emitting diode can be used in particular, the light from which is converted into green light or light of a different color, for example.
- the light source has a smaller width than the photodetector.
- the overall size of the sensor arrangement can thus be reduced, particularly in the case of high-intensity light-emitting diodes.
- the chip can be designed to emit green light.
- the chip is additionally or alternatively designed to emit IR radiation.
- the sensor arrangement also has a chip which is designed to emit red light. In this way, all the colors required for different vital functions are arranged in an elongated light source, which helps to further reduce the dimensions of a vital function sensor.
- the chip that is designed to emit green light is arranged at a smaller distance from the photodetector than the chip that is designed to emit red light and/or the chip that is designed to emit IR to emit radiation.
- the chip that is designed to emit IR radiation can also be arranged at a smaller distance from the photodetector than the chip that is designed to emit red light.
- the photodiode can thus be imagined as a package in which a long, narrow red chip is placed very closely next to a long, narrow IR chip. This would mean advantages for a SPO2 measurement, for example, because then practically at the same position and essentially in the same distance the tissue can be illuminated with red and IR light.
- the light source can have a plurality of light-emitting diodes arranged next to one another in the longitudinal direction of the light source instead of an elongated single light-emitting diode.
- the plurality of light-emitting diodes arranged next to one another in the longitudinal direction of the light source can be rectangular or square and, taken together, result in a rectangular light source with a greater length than width.
- the light-emitting diode or light-emitting diodes and/or the photodiode or photodiodes are each arranged on a substrate.
- the substrate preferably has a cavity or a frame forming a cavity, in which the light-emitting diode or light-emitting diodes and/or the photodiode or photodiodes are each arranged.
- the frame can be designed in such a way that it protrudes beyond the light-emitting diode or light-emitting diodes and/or the photodiode or photodiodes in the direction perpendicular to the substrate.
- the cavity or the frame forming the cavity can be filled, for example, with a particularly transparent casting material, in which the light-emitting diode(s) is/are embedded. This protects the light-emitting diode and its contacts from environmental influences.
- the potting material can be free of stray particles, for example.
- the encapsulation material can also include, for example, conversion particles, such as phosphor particles, by means of which the light emitted by a light-emitting diode embedded in the encapsulation material can be converted into light of a different wavelength.
- the frame forming the cavity preferably an opaque material with high diffuse reflectivity for the light used. This can ensure that a direct beam path between the light-emitting diode or the light-emitting diodes and/or the photodiode or the photodiodes is interrupted.
- the chip is in direct contact with a gas that is also in contact with other components of the sensor arrangement. Because the chip is not cast in a casting material in some exemplary embodiments, but is surrounded by the gas at least in sections, it can determine a radiating surface solely through its size and smaller dimensions can be achieved than in variants with a package.
- the other components can be, for example, the light source, the detector, a housing, the vital sign sensor or an interior thereof.
- the gas can be, for example, ambient air, nitrogen or the like. The gas can, for example, be in contact with an environment in which the vital sign sensor is located or be separate from this environment.
- the sensor arrangement can possibly have a protective plate, which is designed and arranged in order to protect the chip, which is free of encapsulation compound, from mechanical damage.
- the protective plate can be arranged, for example, at a distance, filled with the gas, from the surface of the chip that is emitting for the measurement.
- the protective plate can be designed to protect the chip from mechanical damage and transparent to the radiation emitted by the chip.
- the sensor arrangement can have, for example, at least one or a plurality of spacers, which are arranged and designed to fix the protective plate at a distance from the chip.
- the chip is preferably in direct contact with the gas, at least with its surface that emits the radiation for the measurement.
- the chip being in direct contact with the gas may mean that there is no other material or medium between the Semiconductor material of the chip and the gas is arranged.
- This can advantageously be the case for at least part of the surface of the chip, for example for more than 95%, 90%, 80%, 50%, 40% or 30% of a surface of the chip which emits the radiation for the measurement case .
- the surface that emits the radiation for the measurement can be, for example, a surface of the chip that faces a user's skin when it is being worn correctly.
- an optical vital sign sensor configured to measure or determine vital signs of a user, comprising a sensor arrangement according to the invention.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a sensor arrangement of a vital sign sensor
- FIG. 2 shows a schematic representation of a further sensor arrangement of a vital sign sensor
- FIG. 3 shows a basic sketch of a top view of a sensor arrangement according to the prior art as a comparative example
- FIG. 4 shows a basic sketch of a top view of a sensor arrangement according to an exemplary embodiment of the invention
- Figures 5- 6 a schematic representation of a top view and a schematic representation of a transverse Section of a light source as a comparative example
- FIGS. 7-8 show a schematic representation of a plan view and a schematic representation of a cross section of a light source for use in a sensor arrangement according to an embodiment
- FIGS. 9-10 show a schematic representation of a plan view and a schematic representation of a cross section of a light source as a comparative example
- FIG. 11 shows a schematic representation of a top view of a sensor arrangement according to a further exemplary embodiment
- FIG. 12 shows a schematic representation of a plan view of a sensor arrangement according to a further exemplary embodiment according to some aspects of the proposed principle, in which the light source and the photodetector are arranged on a common substrate;
- FIG. 13 shows a schematic representation of a cross section of FIG.
- FIG. 1 schematically shows a sensor arrangement 1 of a vital sign sensor, which comprises a light source 2 and a photodetector 3 .
- the sensor arrangement 1 is placed on the skin 4 of a user.
- the electrical wiring of light source 2 and photodetector 3 and other assemblies or components such as evaluation electronics, power supply, display or communication means are not shown to simplify the illustration, since understanding the invention essentially depends on the sensor arrangement 1 .
- the light 5 emitted by the light source 2 propagates in the skin 4 .
- the skin 4 is shown here in a schematically simplified manner, comprising a second skin layer (dermis) 6 with many blood vessels lying under a first skin layer (epidermis) with few or no blood vessels, as well as further layers 7 lying deeper and also carrying blood.
- the light source 2 and the photodetector 3 are spaced from each other in a transverse direction RQ.
- the light 5 becomes part absorbed by the blood in the blood vessels of the deeper layers 7 , partly backscattered.
- less backscattered light 5 reaches the photodetector 3, which is designed as a photodiode, for example, and the signal generated by the photodiode becomes smaller.
- the photodetector 3 After every heartbeat, a pulse wave occurs in the blood vessels and the amount of blood increases for a short time. At this moment, the photodetector 3 generates a smaller electric signal compared to a time point after the pulse wave. With every heartbeat, the cycle starts all over again.
- the periodic change in the signal output by the photodetector 3 is detected by downstream electronics. From this, the electronics calculate the heart rate, for example.
- the light source 2 designed as an LED can, for example, emit red, green or IR light 5 which is coupled directly into the skin 4 .
- Two possible propagation paths A and B from the light source 2 to the photodetector 3 are shown in FIG.
- Path A is caused by scattering of the light 5 in the upper layers of the skin, which are less than 1 mm deep below the skin surface.
- Path B results from a scattering of the light 5 in deeper skin layers that are at least 1 mm below the skin surface.
- the density of blood vessels in the upper layers of the skin is significantly lower than inside the skin. Therefore, only the light 5 that penetrates deeper into the skin 4 and then reaches the photodetector 3 contains the information about the heart rate. However, the amount of light 5 that contains this information is only a small fraction of the total amount of light falling on the photodetector 3 .
- the position of the sensor arrangement 1 relative to the skin 4 can change when the user moves. The ratios between the light quantities of the two light paths A and B mentioned above change in particular. In addition, a change in position can result in the vital sign sensor 1 being located directly opposite a large blood vessel for a short time, which causes a very strongly modulated signal.
- FIG. 2 shows an alternative exemplary embodiment of a sensor arrangement 1 .
- This comprises a photodetector on which a light source 2 is arranged on both sides spaced apart in a transverse direction RQ.
- the mode of operation corresponds to the sensor arrangement 1 illustrated with reference to the exemplary embodiment in FIG.
- the area of the skin irradiated with light can be enlarged here, so that overall the illuminance can be increased and the measurement accuracy can be reduced by reducing the artefacts shown above.
- FIG. 3 shows a basic sketch of a plan view of a sensor arrangement according to the prior art as a comparative example with a small square light source 2 and a larger square photodetector 3 .
- reference symbols are used as for the description of the solution according to the invention.
- the light scattered back from the skin is scattered like this depending on the distance from the light source 2 that a ring-shaped light field 8 results, in which the illuminance decreases radially outwards.
- different illuminance levels occur on the photodetector 3 at locations Q1, Q2 and Q3 which are at the same distance from the edge of the light source 2 facing the photodiode 3.
- FIG. 4 shows a basic sketch of a sensor arrangement 1 according to the invention in a plan view.
- the sensor arrangement 1 for use in an optical vital sign sensor, comprising at least one light source 2 and at least one photodetector 2 .
- the light source 2 for example a photodiode, comprises a radiation or light-emitting chip as shown in FIG. 4 is denoted by reference numerals 13 , 23 , 24 and 25 .
- the chips 23, 24 and 25 are used for FIGS. 11 described in more detail. In the following, for the chip of FIG. 4 only reference numeral 13 is used for the sake of simplicity.
- the chip 13 and the photodetector 3 are arranged spaced apart from one another in a transverse direction RQ, the chip 13 having a substantially rectangular shape each having a length LI and a width Bl, the length LI of the chip 13 being greater than its width Bl .
- the chip 13 is the semiconductor component of the light source 2 which emits the radiation, for example red light, green light or IR radiation.
- the light source 2 can also include other components, for example components that are designed to be non-emitting. Such components can be, for example, power connections, wire bonds, pads and/or the like, as shown in FIG. 11 and will be described in more detail later on the basis of these.
- a perpendicular distance A to the photodiode 3 is constant along the length LI of the chip.
- the elongated design of the chip 13 in the top view results in an approximately oval light field 9 in which the illuminance also decreases radially outwards, but along a parallel to the side surface of the light source 2 and the chip 13, i.e. along the length LI is essentially constant, so that points P1, P2 and P3, which have the same distance to an edge of the photodiode 3 facing the light source 2, on the photodiode 3 are approximately the same
- Figures 5 and 6 show schematic representations of a comparative example in contrast to an embodiment according to the invention.
- Figure 5 shows a top view of a light source 2 comprising two approximately rectangular or. square light emitting diodes 10 arranged in a cavity of a substrate 12 .
- the cavity or a frame forming the cavity projects beyond the light-emitting diodes 10 in a direction perpendicular to the substrate 12 .
- the light-emitting diodes 10 are embedded in a potting material 11 in the cavity, with the potting material 11 being in particular planar with an upper edge of the cavity or the frame forming the cavity completes.
- the two light-emitting diodes 10 shown in FIGS. 5 and 6 are arranged on a base area with a length L and a width B, the length L being greater than the width B.
- the length of the line and the number of LEDs is chosen so that the entire length of the detector is evenly illuminated.
- the light-emitting diodes 10 are completely encased by the potting material 11 .
- the several small LEDs can also have a different shape, for example a round, oval or polygonal shape.
- a light-emitting diode has the chip 13 which has a rectangular shape with a length L1 and a width B1, the length L being greater than the width B.
- the long side of the light-emitting diode with the chip 13 is designed to be the same as or close to the length of the detector in order to ensure homogeneous illumination of the entire length of the detector.
- the light-emitting diode with the chip 13 is also arranged in a cavity on a substrate 12 in the exemplary embodiment in FIG. 7 and is completely surrounded by potting material 11 .
- the light-emitting diode with the chip 13 can also have an oval or elliptical shape, for example, with the oval or elliptical shape having a greater extent in a longitudinal direction than in a direction perpendicular thereto.
- Non-emitting components of the light-emitting diode with the chip 13 are shown in FIGS. 7 and 8 not shown.
- FIG. 9 shows a light source 2 .
- a light emitting diode 14 has a square shape and is arranged in a cavity on a substrate 12 .
- the light-emitting diode 14 is encapsulated in a transparent potting material 11 which contains scattering particles 15 on the inside.
- the height of the transparent encapsulation and the concentration of the scattering particles 15 are selected in such a way that the entire area of the cavity emits the light homogeneously.
- the emission surface of the light source accordingly has a length L and a width B, the length L being greater than the width B.
- a blue light-emitting diode can also be used and corresponding converter particles can be introduced into the potting material 11 .
- the LED accordingly emits blue light
- a diffuser material in the potting material comprising con- verter particles, causes the blue light to be converted into the green light required for PPG measurement.
- the entire substrate 12 of FIGS. 9 and 10 acts like a large light source 2 with a length L and a width B, the length L being greater than the width B.
- FIG. 11 shows a further exemplary embodiment of the invention as a sketch in a plan view.
- the light source 2 is arranged in the transverse direction RQ to the detector 3 and here comprises a plurality of light-emitting diodes of different colors.
- the light source 2 comprises a green light-emitting diode 16 , an infrared light-emitting diode 17 and a red light-emitting diode 18 .
- the green light-emitting diode 16 which is designed to emit green light, includes a chip 23 as an emitting component.
- the chip 23 has a width B1 ⁇ and a length LI, the length LI being greater than the width B1 ⁇ .
- the green light-emitting diode 16 also has other non-emitting components, namely two pads 26 and 28 . These are each arranged along the length LI outside of the chip 23 and on opposite sides of the chip 23 . In the transverse direction RQ, the pads 26 and 28 are arranged within the width B1A of the chip 23 . Pads 26 and 28 are used to contact chip 23 via connections 27 and 29 . Pads 26 and 28 are gold pads. In other exemplary embodiments, the pads can also be made from a different material.
- the chip 24 has a width B 1 B smaller than a length LI and smaller than a width B 1 ⁇ of the chip 23 designed to emit green light. Similar to the light-emitting diode 16, the light-emitting diode 17 also includes non-emitting components.
- This is one Pad 30 and a connection 31 which is arranged and constructed analogously to the pad 26 and connection 27 .
- the chip 25 has a width Bl c that is smaller than a length LI and smaller than a width B1 ⁇ of the chip 23 designed to emit green light. Similar to the light-emitting diode 17, the light-emitting diode 18 also includes non-emitting components. This involves a pad 33 and a connection 34 which is arranged and constructed analogously to the pad 30 and connection 31 .
- a connection 35 of a different design is arranged on the opposite side of the chip 25 . Contact is made here from behind. Also the terminal 35 is located outside an extension of the chip 25 along its length LI and transversely inside the width Blc of the chip 25 .
- All the light-emitting diodes 16 , 17 and 18 are therefore arranged on a common side of the photodetector 3 in the transverse direction RQ at a distance from it.
- the green light-emitting diode 16 with the chip 23 is arranged closest to the photodetector 3
- the infrared light-emitting diode 17 with the chip 24 is arranged further away than the green light-emitting diode 16
- the red light-emitting diode 18 with the chip 25 is in turn further away from the Photodetector 3 arranged as the infrared light-emitting diode 17 .
- the sensor arrangement then has at least the IR light source and the light source, which is designed to emit red light. If the chips each have a width Bl of 50 pm and are spaced apart by 50 pm in the RQ direction, a very narrow overall width of the combination of 150 pm can be achieved. This results in an advantageous distance to the detector, which can be advantageous above all for SPO2 measurements, for example for determining blood oxygen.
- the illustrated arrangement of the green 16, infrared 17 and red 18 light-emitting diodes is only an example here and can be interchanged depending on the application.
- the light source can additionally include further light-emitting diodes for emitting a different light or the same light.
- the non-emitting components are arranged outside of the dimensions specified for the chip. In other exemplary embodiments that are not shown, non-emitting components can also be arranged within the dimensions specified for the chip.
- the chips can be contacted in a different way and/or the chips can have other widths, for example the chips that are designed to emit red or green light can also have a greater width than the chip which is designed to emit IR radiation.
- the infrared light-emitting diode 17 with the chip 23 and the red light-emitting diode 18 with the chip 25 are arranged in a separate cavity, so that the light they emit does not impair the function of the green-light-emitting light-emitting diode.
- FIGS. 12 and 13 show a basic sketch of an exemplary embodiment of a sensor arrangement 1 according to the invention, in which the light source 2 with the chip 13 and the photodetector 3 are arranged on a common substrate. Instead of Chips 13, one of the chips 23, 24, or 25 can also be installed.
- FIG. 12 shows a top view and FIG. 13 shows a cross section through the sensor arrangement 1 .
- the substrate 19 comprises a substrate base 20 for accommodating and contacting the light source 2 and the photodetector 3 as well as walls 21 running perpendicularly thereto, so that a cup-shaped cavity 22 each results for the light source 2 and the photodetector 3 .
- the cup-shaped cavities 22 are each filled with a casting material 11 that is free of stray particles and/or can include converter particles.
- the length LI of the chip 13 and thus also the length L of the light source 2 is greater than the width Bl of the light source 2 .
- the length 1 of the photodetector 3 is essentially equal to the length L of the light source 2 .
- the width b of the photodetector 13 and thus also the total area of the photodetector 13 is greater than that of the light source 2 .
- the light source (emitter) according to the invention can, as shown for example in FIGS. 5 to 11, be designed as a discrete component in different variants.
- the embodiments are based on LED chips that are placed on a substrate inside a cavity.
- the cavity or a frame forming the cavity consists of an opaque material with a high diffuse reflectivity for the light used. This ensures that the direct optical path between the emitter and the detector is interrupted in order to increase the signal-to-noise ratio of the signal detected by the detector.
- the substrate ensures the electrical contacting of the LED chips with soldering pads for later installation in the optical vital sign sensor.
- the LED is protected from the environment by a transparent encapsulation (encapsulation).
- the light source (emitter) and the detector can also be arranged on a common substrate, and thus an integrated inventive sensor module or form an integrated sensor arrangement according to the invention.
- Each emitter can be implemented according to the exemplary embodiments described above, any combinations of different implementations being possible.
- the LEDs of other wavelengths can be accommodated in the same cavity: the light from e.g. B. R and IR LEDs is not converted, only scattered by the converter particles. This ensures a homogeneous light emission of each wavelength (green, red and IR) over the entire surface of the cavity without additional diffuser particles or separate cavities.
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Abstract
Description
SENSORORANORDNUNG FÜR EINEN OPTISCHEN VITALZEICHENSENSOR SENSOR ARRANGEMENT FOR AN OPTICAL VITAL SIGNS SENSOR
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Verwendung in einem optischen Vitalzeichensensor, umfassend mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Fotodetektor , wobei Lichtquelle und Fotodetektor in einer Querrichtung beab- standet zueinander angeordnet sind sowie einen optischen Vitalzeichensensor mit einer solchen Sensoranordnung . The present invention relates to a sensor arrangement for use in an optical vital sign sensor, comprising at least one light source and at least one photodetector, the light source and photodetector being spaced apart from one another in a transverse direction, and an optical vital sign sensor having such a sensor arrangement.
Vitalzeichensensoren ( englisch : vital sign sensor ) sind Sensoren, die auf die Haut eines Menschen oder Tiers als Benutzer aufgesetzt werden können und gegebenenfalls zusammen mit einer Elektronik Lebens zeichen des betreffenden Menschen oder Tiers messen oder bestimmen . Als Lebenszeichen kann beispielsweise der Herzschlag, die Herzschlagfrequenz oder der Puls des Menschen oder Tiers von dem Vitalzeichensensor gemessen werden . Das grundlegende Messverfahren wird auch als Photoplethysmographie ( PPG ) bezeichnet und beruht darauf , dass blutgefüllte Arterien ein optisches Medium sind, das unterschiedlich viel Lichtintensität absorbiert , transmittiert und reflektiert , j e nach Blutmenge ( -volumen) und Sauerstoff Sättigung . Die Blutmenge schwankt mit j edem Druckstoß , da sich die Arterien aufweiten . Die optischen Eigenschaften des Blutes ändern sich zudem mit der Sauerstoff Sättigung des Hämoglobins , sodass im Ergebnis Puls und Sauerstoff Sättigung optisch gemessen werden können . Vital sign sensors are sensors that can be placed on the skin of a human or animal as the user and optionally together with electronics measure or determine vital signs of the human or animal in question. For example, the heartbeat, the heartbeat frequency or the pulse of the human or animal can be measured by the vital sign sensor as a vital sign. The basic measurement method is also known as photoplethysmography (PPG) and is based on the fact that blood-filled arteries are an optical medium that absorbs, transmits and reflects different amounts of light intensity, depending on the amount (volume) of blood and oxygen saturation. The amount of blood fluctuates with each pressure surge as the arteries dilate. The optical properties of the blood also change with the oxygen saturation of the hemoglobin, so that pulse and oxygen saturation can be measured optically as a result.
Derartige Vitalzeichensensoren umfassen eine Lichtquelle wie eine Leuchtdiode (LED ) , die Licht in die Haut eines Benutzers emittiert . Das emittierte Licht wird in der Haut gestreut und vom Blut zumindest teilweise absorbiert . Ein Teil des Lichts tritt aus der Haut aus und kann von einem Fotodetektor erfasst werden . Die vom Fotodetektor erfasste Lichtmenge kann ein Hinweis auf das Blutvolumen in der Haut eines Benutzers sein . So kann ein Vitalzeichensensor die Durchblutung der Dermis und des Unterhautgewebes der Haut durch eine Absorptionsmessung bei einer bestimmten Wellenlänge überwachen . Verändert sich das Blutvolumen aufgrund des pulsierenden Herzens , ändert sich auch das von der Haut des Benutzers zurückkommende Streulicht . Daher kann durch Überwachung des erfassten Lichtsignals mittels des Fotodetektors ein Puls eines Benutzers in seiner Haut und damit die Herzfrequenz bestimmt werden . Darüber hinaus können Blutbestandteile wie sauerstoffhaltiges oder sauerstoffarmes Hämoglobin sowie die Sauerstoff Sättigung bestimmt werden . Such vital sign sensors include a light source such as a light emitting diode (LED) that emits light into a user's skin. The emitted light is scattered in the skin and at least partially absorbed by the blood. Some of the light exits the skin and can be captured by a photodetector. The amount of light detected by the photodetector can be an indication of the blood volume in a user's skin. For example, a vital sign sensor can measure blood flow in the dermis and subcutaneous tissue of the skin by measuring absorption monitor at a specific wavelength. If the blood volume changes due to the pulsing heart, the scattered light returning from the user's skin also changes. Therefore, a pulse of a user in his skin and thus the heart rate can be determined by monitoring the detected light signal by means of the photodetector. In addition, blood components such as oxygen-containing or oxygen-poor hemoglobin and oxygen saturation can be determined.
Bei Anwendungen zur Überwachung von Vitalparametern beobachtet man eine starke Abhängigkeit der Modulationstiefe oder alternativ des so genannten Perfusionsindexes vom Abstand zwischen Lichtquelle und Fotodetektor . Generell gesagt ist die Messung von Vitalparametern umso empfindlicher, j e größer der Abstand zwischen Emitter und Detektor ist . Ein möglicher Grund liegt in einem geringeren Cross-Talk zwischen Emitter und Detektor, welcher mit größerem Abstand zwischen Emitter und Detektor reduziert ist . Insbesondere gilt dies für rote und infrarote Wellenlängen, die für die Messung der Sauerstof fversorgung des Blutes wichtig sind . Bis zu einem gewissen Grad gilt dies aber auch für grüne Wellenlängen . Gleichzeitig nimmt j edoch die Anzahl der Photonen, die einen Detektor erreichen, exponentiell mit der Entfernung, also dem Abstand zwischen Emitter und Detektor , ab, in etwa nach dem Beer-Lambert-Gesetz . Es besteht also grundsätzlich ein Zielkonflikt zwischen einer ausreichenden großen Empfindlichkeit , die mit der Entfernung zunimmt , und der Signalstärke des von dem Emitter ausgesandten und von dem Detektor detektierten Lichts , die mit der Entfernung abnimmt . Es sollte daher der optimale Abstand zwischen Emitter und Detektor gewählt werden, bei dem das vom Detektor gemessene Signal noch stark genug ist und die Empfindlichkeit gleichzeitig ausreichend groß ist . In applications for monitoring vital parameters, a strong dependence of the modulation depth or alternatively the so-called perfusion index on the distance between the light source and the photodetector is observed. Generally speaking, the measurement of vital parameters is all the more sensitive, the greater the distance between the emitter and the detector. A possible reason lies in a lower cross-talk between emitter and detector, which is reduced with a larger distance between emitter and detector. This is particularly true for red and infrared wavelengths, which are important for measuring blood oxygenation. To a certain extent, however, this also applies to green wavelengths. At the same time, however, the number of photons that reach a detector decreases exponentially with distance, i.e. the distance between emitter and detector, roughly in accordance with the Beer-Lambert law. There is therefore a fundamental conflict of objectives between a sufficiently high sensitivity, which increases with distance, and the signal strength of the light emitted by the emitter and detected by the detector, which decreases with distance. The optimum distance between the emitter and the detector should therefore be selected, at which the signal measured by the detector is still strong enough and the sensitivity is high enough at the same time.
Um diesen Zielkonflikt zu überwinden, könnte die von einer Lichtquelle emittierte Lichtmenge erhöht werden, um die Ver- luste zu kompensieren, die mit der Vergrößerung des Abstands zwischen Emitter und Detektor einhergehen . Dies kann z . B . dadurch geschehen, dass sowohl die Emissionsfläche als auch den absoluten Strom durch eine LED erhöht wird, so dass die Stromdichte , d . h . die Strommenge geteilt durch die aktive Fläche , in etwa konstant bleibt . Dadurch würde aber sowohl die Baugröße der gesamten Anordnung vergrößert als auch deren Stromverbrauch erhöht werden und damit müssten weitere Bauteile wie Stromversorgung, Treiberstufen und dergleichen leistungsstärker ausgelegt werden . To overcome this trade-off, the amount of light emitted by a light source could be increased to to compensate for losses associated with increasing the distance between the emitter and detector. This can e.g. B. done by increasing both the emission area and the absolute current through an LED, so that the current density , i. H . the amount of current divided by the active area remains approximately constant. However, this would increase the overall size of the entire arrangement and increase its power consumption, so that other components such as power supply, driver stages and the like would have to be designed to be more powerful.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sensoranordnung anzugeben, die zumindest einige der oben genannten Nachteile vermeidet . It is therefore an object of the invention to specify a sensor arrangement which avoids at least some of the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung und einen optischen Vitalzeichensensor nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst . Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben . This object is achieved by a sensor arrangement and an optical vital sign sensor according to the independent claims. Preferred embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Die oben genannte Aufgabe wird insbesondere gelöst durch eine Sensoranordnung zur Verwendung in einem optischen Vitalzeichensensor, umfassend mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Fotodetektor . Die Lichtquelle , beispielsweise eine Photodiode , umfasst einen strahlungs- oder lichtemittierenden Chip . Der Chip und der Fotodetektor sind in einer Querrichtung beabstandet zueinander angeordnet . Eine Länge des Chips ist größer ist als dessen Breite . Der Chip kann beispielsweise eine im Wesentlichen rechteckige Form mit j eweils einer Länge und einer Breite aufweisen und kann entsprechend keine quadratische Form aufweisen, wohingegen der Fotodetektor eine quadratische Form aufweisen kann . The above object is achieved in particular by a sensor arrangement for use in an optical vital sign sensor, comprising at least one light source and at least one photodetector. The light source, for example a photodiode, includes a radiation or light-emitting chip. The chip and the photodetector are spaced from each other in a transverse direction. A length of the chip is greater than its width. The chip can, for example, have an essentially rectangular shape, each with a length and a width, and accordingly cannot have a square shape, whereas the photodetector can have a square shape.
Bei dem Chip kann es sich beispielsweise um ein Halbleiterbauteil handeln . Durch die Form des Chips bzw . des Halbleiters kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine Stromdichte des Chips bzw . des emittierenden Halbleitermaterials konstant gehalten werden, weil ein Querschnittsfläche des Chips konstant gehalten werden kann, bei geringer Breite und großer Länge des Chip-Bauteils . Es ist also möglich mit gleichem Gesamtstrom dieselbe Helligkeit bereitzustellen . Mit anderen Worten kann durch die erfindungsgemäße Form des Chips der Chips sehr effizient sein, weil die Stromdichte konstant gehalten werden und gleichzeitig eine Dimension in eine relevante Richtung , nämlich die Querrichtung sehr klein gemacht werden kann . The chip can be a semiconductor component, for example. Due to the shape of the chip or of the semiconductor, in some embodiments, a current density of the chips or . of the emitting semiconductor material are kept constant because a cross-sectional area of the chip can be kept constant, with a small width and large length of the chip component. It is therefore possible to provide the same brightness with the same total current. In other words, the shape of the chip according to the invention allows the chip to be very efficient because the current density can be kept constant and at the same time one dimension in a relevant direction, namely the transverse direction, can be made very small.
Bei manchen Ausführungsbeispielen weist der Chip eine Form auf , bei der seine Breite sehr klein im Vergleich zu seiner Länge ist . Beispielsweise kann ein Verhältnis der Breite zu der Länge eines Chips gleich oder größer 1 : 1 . 5 ; 1 : 2 ; 1 : 2 . 5 oder 1 : 3 sein . Unter Umständen kann eine Länge des Chips mehr als einen 4- , 5 - , 6- , 7- , 8 - , 9- , 10- , 15- oder 20-fachen Wert einer Breite des Chips aufweisen . Bei manchen Ausführungsbeispielen kann durch die Form des Chips eventuell erreicht werden, dass ein Strahlungsfeld oder Beleuchtungsfeld erzeugt werden kann, das einen sehr homogenen Bereich aufweist . Optimalerweise ist überlappend zu dem homogenen Bereich des Strahlungsfeld der Fotodetektor angeordnet . In some embodiments, the chip has a shape where its width is very small compared to its length. For example, a ratio of the width to the length of a chip can be equal to or greater than 1:1. 5 ; 1 : 2 ; 1 : 2 . be 5 or 1:3. Under certain circumstances, a length of the chip can have more than 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15 or 20 times the value of a width of the chip. In some exemplary embodiments, the shape of the chip can make it possible for a radiation field or illumination field to be generated that has a very homogeneous area. Optimally, the photodetector is arranged so that it overlaps with the homogeneous area of the radiation field.
Ergänzend oder alternativ weist die Breite des Chips bei manchen Ausführungsbeispielen einen Wert auf , der in einem Wertebereich liegt , aufweisend einen Minimalwert von 50 pm, 100 pm, 500 pm, 1 mm, 1 , 5 mm oder 2 mm und/oder einen Maximalwert von 2 mm, 3 mm, 5 mm oder größer . Unter Umständen kann, durch die einer Linie angenäherte Form des Chips erreicht werden, dass alle Strahlen, die von dem Chip ausgesandt werden, in Querrichtung einen ähnlich langen Weg zu dem Fotodetektor haben . Der Nutzen des Effekts kann beispielsweise verstärkt werden, wenn auch der Fotodetektor nur eine geringe Breite aufweist . Mit einer Lichtquelle , die einen Chip oder Halbleiter als Package umfasst würde man beispielswiese nicht diese kleinen Größendimensionen von 50 pm erreichen können . Bei manchen Ausführungsbeispielen sind der Chip und der Fotodetektor in der Querrichtung maximal um einen Wert , welcher der Breite des Chips entspricht , voneinander beabstandet angeordnet . Dies kann beispielsweise einem absoluten Wert von maximal 50 pm entsprechen . Ergänzend oder alternativ können der Chip und der Fotodetektor in der Querrichtung einen Mindestabstand von 0 . 5 x der Breite des Chips aufweisen . Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dadurch eine Gesamtlichtquelle mit einer sehr geringen Breite bereitgestellt werden und alle Strahlen haben einen ähnlichen Weg zu dem Detektor . Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dadurch ein guter Kompromiss zwischen Signalrauschen und Baugröße des Vitalzeichensensors erreicht werden . Der Abstand kann beispielsweise von einer direkt benachbarten Kante des Chips zu einer direkt benachbarten Kante des Fotodetektors in Querrichtung, beispielsweise einer Kante , die senkrecht zu der Querrichtung und parallel zu einer Längsausdehnung des Chips angeordnet ist , gemessen werden . Alternativ kann der Abstand beispielswiese auch von einer Mittellinie des Chips zu einer Mittelline des Fotodetektors gemessen werden . Additionally or alternatively, in some exemplary embodiments, the width of the chip has a value that lies in a value range having a minimum value of 50 μm, 100 μm, 500 μm, 1 mm, 1.5 mm or 2 mm and/or a maximum value of 2mm, 3mm, 5mm or larger. Under certain circumstances, the shape of the chip approximated to a line can result in all beams emitted by the chip having a similarly long path to the photodetector in the transverse direction. The benefit of the effect can be increased, for example, if the photodetector is also only narrow. With a light source that includes a chip or semiconductor as a package, one would not be able to achieve these small dimensions of 50 μm, for example. In some embodiments, the chip and the photodetector are spaced apart from each other in the lateral direction by a maximum value corresponding to the width of the chip. This can correspond, for example, to an absolute value of at most 50 μm. In addition or as an alternative, the chip and the photodetector can have a minimum distance of 0 in the transverse direction. 5 x the width of the chip. In some embodiments, this can provide an overall light source with a very small width and all rays have a similar path to the detector. In some exemplary embodiments, a good compromise between signal noise and physical size of the vital sign sensor can be achieved as a result. The distance can be measured, for example, from a directly adjacent edge of the chip to a directly adjacent edge of the photodetector in the transverse direction, for example an edge that is perpendicular to the transverse direction and parallel to a longitudinal dimension of the chip. Alternatively, the distance can also be measured, for example, from a center line of the chip to a center line of the photodetector.
Die Längsseite der Lichtquelle kann beabstandet und insbesondere parallel zu einer benachbarten Seite des Fotodetektors verlaufen . Insbesondere kann die Lichtquelle derart beabstandet zu dem Fotodetektor angeordnet sein, dass eine Längsseite der Lichtquelle benachbart zu einer Seite des Fotodetektors verläuft und insbesondere benachbart und parallel zu einer Seite des Fotodetektors verläuft . The longitudinal side of the light source can run at a distance from and in particular parallel to an adjacent side of the photodetector. In particular, the light source can be arranged at a distance from the photodetector in such a way that a longitudinal side of the light source runs adjacent to one side of the photodetector and in particular runs adjacent and parallel to one side of the photodetector.
Die Erfindung kann es ermöglichen, den optimalen Abstand zwischen Emitter, also dem Chip und Detektor, und dadurch das eingangs genannte Verhältnis von Abstand zu Empfindlichkeit , bei dem das von dem Detektor gemessene Signal noch stark genug ist und die Empfindlichkeit gleichzeitig ausreichend groß ist , einzuhalten . Erfindungsgemäß wird die Emissionsfläche der Lichtquelle vergrößert , ohne über einen größeren Abstandsbereich zu integrieren, sondern es wird ein bestimmter, wohldefinierter Abstand zwischen Lichtquelle und Fotodetektor ( Emitter und Detektor ) beibehalten . Es bleibt also eine emittierende Fläche , z . B . die aktive Fläche einer LED, die in der Richtung senkrecht zu einer Trennungslinie zwischen Lichtquelle und Fotodetektor konstant ist , aber in der Richtung parallel zur Trennungslinie linear wachsen kann, um die maximale Stromdichte und den maximalen Strom zu erreichen . Insbesondere wird die Emissionsfläche der Lichtquelle also in Längsrichtung , also parallel zur Trennungslinie vergrößert . Dies gilt für alle Wellenlängen, insbesondere aber für die roten und die IR- Wellenlängen, wo die Empfindlichkeit mehr oder weniger eine lineare Funktion des Abstands zwischen Emitter und Detektor ist . The invention can make it possible to maintain the optimum distance between the emitter, i.e. the chip, and the detector, and thus the relationship between distance and sensitivity mentioned at the outset, at which the signal measured by the detector is still strong enough and the sensitivity is simultaneously sufficiently high . According to the emission surface of Light source enlarged without integrating over a larger distance range, but maintaining a specific, well-defined distance between the light source and the photodetector (emitter and detector). There remains an emitting area, e.g. B. the active area of an LED, which is constant in the direction perpendicular to a dividing line between light source and photodetector, but can grow linearly in the direction parallel to the dividing line to reach the maximum current density and current. In particular, the emission surface of the light source is thus enlarged in the longitudinal direction, ie parallel to the dividing line. This is true for all wavelengths, but especially for the red and IR wavelengths, where the sensitivity is more or less a linear function of the distance between the emitter and the detector.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weicht die Länge der Lichtquelle und damit die Länge des Chips von einer Länge des Fotodetektors vorzugsweise um einen geringeren Wert als das 10 - , 5 , oder 2-fache einer Breit Bl des Chips ab . Als Länge wird hier die Dimension in Richtung der Trennungslinie verstanden . Die Lichtquelle und der Fotodetektor sind dabei vorzugsweise parallel bezüglich einer Längsachse als Trennungslinie zueinander angeordnet . Mit anderen Worten weisen die beiden Bauteile also entlang ihrer größten Ausdehnung immer denselben Abstand auf . Vorzugsweise sind der Fotodetektor und der Chip derart angeordnet , dass der Fotodetektor in Längsrichtung vollständig überlappend zu dem Chip angeordnet ist . Die Breite von Lichtquelle und Fotodetektor ist vorzugsweise ungleich . Insbesondere ist die Breite der Lichtquelle kleiner als die Breite des Fotodetektors . Als Breite wird hier die Dimension in Richtung senkrecht zur Trennungslinie verstanden . In some exemplary embodiments, the length of the light source and thus the length of the chip deviates from a length of the photodetector by a value that is preferably less than 10, 5 or 2 times a width B1 of the chip. The dimension in the direction of the dividing line is understood here as length. The light source and the photodetector are preferably arranged parallel to one another with respect to a longitudinal axis as a dividing line. In other words, the two components are always at the same distance along their greatest extent. The photodetector and the chip are preferably arranged in such a way that the photodetector is arranged so that it completely overlaps the chip in the longitudinal direction. The light source and photodetector widths are preferably unequal. In particular, the width of the light source is smaller than the width of the photodetector. The dimension in the direction perpendicular to the dividing line is understood here as width.
Die Lichtquelle und der Fotodetektor sind als dis krete Bauelemente oder als integrierte Bauelemente ausgeführt . Beispielsweise können die Lichtquelle und der Fotodetektor auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sein, oder die Lichtquelle und der Fotodetektor sind j eweils auf separaten Trägersubstraten angeordnet . The light source and the photodetector are designed as discrete components or as integrated components. For example, the light source and the photodetector on one be arranged on a common carrier substrate, or the light source and the photodetector are each arranged on separate carrier substrates.
Die Lichtquelle umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Leuchtdiode . Der Fotodetektor umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Fotodiode . Die Lichtquelle kann hingegen auch mehrere Leuchtdioden umfassen oder beispielsweise durch einen Array, insbesondere pixelier- ten Array, aus mehreren Leuchtdioden umfassen . Ebenso kann der Fotodetektor mehrere Fotodioden umfassen, oder beispielsweise durch einen Array, insbesondere pixelierten Array, aus mehreren Fotodioden gebildet sein . In one embodiment of the invention, the light source comprises at least one light-emitting diode. In one embodiment of the invention, the photodetector comprises at least one photodiode. The light source, on the other hand, can also include a plurality of light-emitting diodes or, for example, by means of an array, in particular a pixelated array, composed of a plurality of light-emitting diodes. Likewise, the photodetector can include a plurality of photodiodes or, for example, be formed by an array, in particular a pixelated array, of a plurality of photodiodes.
Die Lichtquelle umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung eine grüne und/oder eine Infrarote ( TR) und/oder eine rote Leuchtdiode . Je nach zu messender Vitalfunktion ( Herzfrequenz , Sauerstoff Sättigung etc . ) sind unterschiedliche Wellenlängen des verwendeten Lichts vorteilhaft . Die grüne Leuchtdiode weist dabei vorzugsweise einen geringeren Abstand zum Fotodetektor auf als die rote Leuchtdiode und die IR Leuchtdiode . Da grünes Licht in der Haut stärker absorbiert wird erhöht diese Maßnahme die Lichtausbeute an der Fotodiode und erlaubt genauere Messungen der Vitalfunktionen . In one embodiment of the invention, the light source comprises a green and/or an infrared (TR) and/or a red light-emitting diode. Depending on the vital function to be measured (heart rate, oxygen saturation, etc.), different wavelengths of the light used are advantageous. The green light-emitting diode preferably has a smaller distance to the photodetector than the red light-emitting diode and the IR light-emitting diode. Since green light is more strongly absorbed in the skin, this measure increases the light yield at the photodiode and allows more precise measurements of the vital functions.
Die Lichtquelle umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Leuchtdiode , die in einem Vergussmaterial eingebettet ist . Dadurch ist die Leuchtdiode und deren Kontaktierung vor Umgebungseinflüssen geschützt . Das Vergussmaterial ist in einer Ausführungsform der Erfindung frei von Streupartikeln . Dadurch, dass der Chip bereits die Ausdehnung auf- weist , die benötigt wird, kann eine streupartikelfreie Vergussmasse verwendet werden . Die Abstrahlende Fläche wird dann allein durch die Form und Anmessung des Chips bestimmt . Die Lichtquelle umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Leuchtdiode , die in einem Konvertierungsmaterial eingebettet ist , oder das Vergussmaterial weist Konverterpartikel auf . Dadurch kann insbesondere eine blaue Leuchtdiode verwendet werden, deren Licht beispielsweise in grünes oder andersfarbiges Licht konvertiert wird . In one embodiment of the invention, the light source comprises at least one light-emitting diode that is embedded in a potting material. This protects the light-emitting diode and its contacts from environmental influences. In one embodiment of the invention, the potting material is free of scattering particles. Because the chip already has the required expansion, a casting compound that is free of stray particles can be used. The radiating surface is then determined solely by the shape and dimensions of the chip. In one embodiment of the invention, the light source comprises at least one light-emitting diode which is embedded in a conversion material, or the encapsulation material has converter particles. As a result, a blue light-emitting diode can be used in particular, the light from which is converted into green light or light of a different color, for example.
Die Lichtquelle weist in einer Ausführungsform der Erfindung eine geringere Breite auf als der Fotodetektor . Insbesondere bei lichtstarken Leuchtdioden kann so die Gesamtgröße der Sensoranordnung verringert werden . In one embodiment of the invention, the light source has a smaller width than the photodetector. The overall size of the sensor arrangement can thus be reduced, particularly in the case of high-intensity light-emitting diodes.
Ergänzend oder alternativ kann der Chip ausgebildet sein, um grünes Licht , zu emittieren . Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Chip ergänzend oder alternativ ausgebildet , um IR Strahlung zu emittieren . Die Sensoranordnung weist bei manchen Ausführungsbeispielen auch einen Chip auf , der ausgebildet ist , um rotes Licht zu emittieren . Auf diese Weise sind in einer länglichen Lichtquelle alle für unterschiedliche Vitalfunktionen notwendigen Farben angeordnet , was die Abmessungen eines Vitalfunktionssensors weiter zu reduzieren hilft . Additionally or alternatively, the chip can be designed to emit green light. In some exemplary embodiments, the chip is additionally or alternatively designed to emit IR radiation. In some exemplary embodiments, the sensor arrangement also has a chip which is designed to emit red light. In this way, all the colors required for different vital functions are arranged in an elongated light source, which helps to further reduce the dimensions of a vital function sensor.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Chip, der ausgebildet ist , um grünes Licht zu emittieren in einem geringeren Abstand zu dem Fotodetektor angeordnet als der Chip , der ausgebildet ist , um rotes Licht zu emittieren und/oder der Chip , der ausgebildet ist , um IR-Strahlung zu emittieren . Beispielsweise kann auch der Chip , welcher ausgebildet ist , um IR- Strahlung zu emittieren, in einem geringeren Abstand zu dem Fotodetektor angeordnet sein, als der Chip , der ausgebildet ist , um rotes Licht zu emittieren . Damit kann man sich die Fotodiode bei manchen Ausführungsbeispielen als ein Package vorstellen, bei dem ein langer schmaler roter Chip sehr nahe neben einem langen schmalen IR Chip platziert ist . Dies würde beispielsweise Vorteile für eine SPO2 Messung bedeuten, weil dann praktisch an der gleichen Position und im Wesentlichen im gleichen Abstand das Gewebe mit rotem und IR Licht beleuchtet werden kann . In some embodiments, the chip that is designed to emit green light is arranged at a smaller distance from the photodetector than the chip that is designed to emit red light and/or the chip that is designed to emit IR to emit radiation. For example, the chip that is designed to emit IR radiation can also be arranged at a smaller distance from the photodetector than the chip that is designed to emit red light. In some exemplary embodiments, the photodiode can thus be imagined as a package in which a long, narrow red chip is placed very closely next to a long, narrow IR chip. This would mean advantages for a SPO2 measurement, for example, because then practically at the same position and essentially in the same distance the tissue can be illuminated with red and IR light.
Die Lichtquelle kann bei Ausführungsformen mehrere in Längsrichtung der Lichtquelle nebeneinander angeordnete Leuchtdioden anstatt einer länglichen einzelnen Leuchtdiode . Die mehreren in Längsrichtung der Lichtquelle nebeneinander angeordneten Leuchtdioden können rechteckige oder quadratisch sei und ergeben zusammen genommen eine rechteckige Lichtquelle mit einer größeren Länge als Breite . In embodiments, the light source can have a plurality of light-emitting diodes arranged next to one another in the longitudinal direction of the light source instead of an elongated single light-emitting diode. The plurality of light-emitting diodes arranged next to one another in the longitudinal direction of the light source can be rectangular or square and, taken together, result in a rectangular light source with a greater length than width.
Die Leuchtiode oder die Leuchtdioden und/oder die Fotodiode oder die Fotodioden sind in bei manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung j eweils auf einem Substrat angeordnet . Das Substrat weist dabei vorzugweise eine Kavität , bzw . einen eine Kavität bildenden Rahmen auf , in dem die Leuchtiode oder Leuchtdioden und/oder die Fotodiode oder Fotodioden j eweils angeordnet sind . Insbesondere kann der Rahmen derart ausgebildet sein, dass er die Leuchtiode oder die Leuchtdioden und/oder die Fotodiode oder die Fotodioden in senkrechte Richtung zu dem Substrat überragt . In some exemplary embodiments of the invention, the light-emitting diode or light-emitting diodes and/or the photodiode or photodiodes are each arranged on a substrate. The substrate preferably has a cavity or a frame forming a cavity, in which the light-emitting diode or light-emitting diodes and/or the photodiode or photodiodes are each arranged. In particular, the frame can be designed in such a way that it protrudes beyond the light-emitting diode or light-emitting diodes and/or the photodiode or photodiodes in the direction perpendicular to the substrate.
Die Kavität bzw . der die Kavität bildende Rahmen kann dabei beispielsweise mit einem insbesondere transparenten Vergussma- terial gefüllt sein, in den die Leuchtdiode/n eingebettet ist/sind . Dadurch ist die Leuchtdiode und deren Kontaktierung vor Umgebungseinflüssen geschützt . Das Vergussmaterial kann beispielsweise Streupartikelfrei sein . Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Vergussmaterial beispielsweise auch Konversionspartikel , wie beispielsweise Phosphorpartikel , umfassen mittels derer das von einer in das Vergussmaterial eingebetteten Leuchtdiode emittierte Licht in Licht einer anderen Wellenlänge konvertiert werden kann . The cavity or the frame forming the cavity can be filled, for example, with a particularly transparent casting material, in which the light-emitting diode(s) is/are embedded. This protects the light-emitting diode and its contacts from environmental influences. The potting material can be free of stray particles, for example. As an alternative or in addition to this, the encapsulation material can also include, for example, conversion particles, such as phosphor particles, by means of which the light emitted by a light-emitting diode embedded in the encapsulation material can be converted into light of a different wavelength.
Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst oder besteht die Kavität bzw . der die Kavität bildende Rahmen vorzugsweise aus einem undurchsichtigen Material mit hohem diffusem Reflexionsvermögen für das verwendete Licht . Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein direkter Strahlengang zwischen der Leuchtiode oder den Leuchtdioden und/oder der Fotodiode oder den Fotodioden unterbrochen ist . In some embodiments includes or consists of the cavity or. the frame forming the cavity preferably an opaque material with high diffuse reflectivity for the light used. This can ensure that a direct beam path between the light-emitting diode or the light-emitting diodes and/or the photodiode or the photodiodes is interrupted.
Bei manchen Ausführungsbeispielen steht der Chip direkt mit einem Gas in Kontakt , welches auch mit anderen Bauteilen der Sensoranordnung in Kontakt steht . Dadurch, dass der Chip bei manchen Ausführungsbeispielen nicht in ein Vergussmaterial eingegossen ist , sondern zumindest abschnittsweise von dem Gas umgeben ist , kann er allein durch seine Baugröße eine abstrahlende Fläche bestimmen und es können kleinere Dimension als bei Varianten mit einem Package erreicht werden . Bei den anderen Bauteilen kann es sich beispielsweise um die Lichtquelle , den Detektor, ein Gehäuse , den Vitalzeichensensor oder einen Innenraum davon handeln . Bei dem Gas kann es sich beispiels- weis um Umgebungsluft , Stickstoff oder dergleichen handeln . Das Gas kann beispielsweise mit einer Umgebung in der sich der Vitalzeichensensor befindet in Kontakt stehen oder von dieser Umgebung getrennt sein . Die Sensoranordnung kann eventuell eine Schutzplatte aufweisen, die ausgebildet und angeordnet ist , um den vergussmassef reien Chip vor mechanischer Beschädigung zu schützen . Die Schutzplatte kann beispielsweise in einem mit dem Gas gefüllten Abstand zu der für die Messung emittierenden Fläche des Chips angeordnet sein . Die Schutzplatte kann ausgebildet sein, um den Chip vor mechanischen Beschädigungen zu schützen und transparent für die von dem Chip emittierte Strahlung . Dazu kann die Sensoranordnung beispielsweise wenigstens einen oder eine Mehrzahl von Abstandshaltern aufweisen, die angeordnet und ausgebildet sind, um die Schutzplatte in einem Abstand von dem Chip zu fixieren . Bevorzugt steht der Chip zumindest mit seiner Fläche , die die Strahlung für die Messung emittiert , direkt mit dem Gas in Kontakt . Dass der Chip direkt mit dem Gas in Kontakt steht , kann beispielsweise bedeuten, dass kein anderes Material oder Medium zwischen dem Halbleitermaterial des Chips und dem Gas angeordnet ist . Vorteilhafterweise kann dies zumindest für einen Teil der Oberfläche des Chips der Fall sein, beispielsweise für mehr als 95% , 90% , 80% , 50% , 40% oder 30% einer Oberfläche des Chips , welche die Strahlung für die Messung emittiert , der Fall sein . Bei der Oberfläche , welche die Strahlung für die Messung emittiert , kann es sich beispielsweise um eine Oberfläche des Chips handeln, die in einer korrekten Tragsituation einer Haut eines Benutzers zugewandt ist . In some exemplary embodiments, the chip is in direct contact with a gas that is also in contact with other components of the sensor arrangement. Because the chip is not cast in a casting material in some exemplary embodiments, but is surrounded by the gas at least in sections, it can determine a radiating surface solely through its size and smaller dimensions can be achieved than in variants with a package. The other components can be, for example, the light source, the detector, a housing, the vital sign sensor or an interior thereof. The gas can be, for example, ambient air, nitrogen or the like. The gas can, for example, be in contact with an environment in which the vital sign sensor is located or be separate from this environment. The sensor arrangement can possibly have a protective plate, which is designed and arranged in order to protect the chip, which is free of encapsulation compound, from mechanical damage. The protective plate can be arranged, for example, at a distance, filled with the gas, from the surface of the chip that is emitting for the measurement. The protective plate can be designed to protect the chip from mechanical damage and transparent to the radiation emitted by the chip. For this purpose, the sensor arrangement can have, for example, at least one or a plurality of spacers, which are arranged and designed to fix the protective plate at a distance from the chip. The chip is preferably in direct contact with the gas, at least with its surface that emits the radiation for the measurement. For example, the chip being in direct contact with the gas may mean that there is no other material or medium between the Semiconductor material of the chip and the gas is arranged. This can advantageously be the case for at least part of the surface of the chip, for example for more than 95%, 90%, 80%, 50%, 40% or 30% of a surface of the chip which emits the radiation for the measurement case . The surface that emits the radiation for the measurement can be, for example, a surface of the chip that faces a user's skin when it is being worn correctly.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch einen optischen Vitalzeichensensor, konfiguriert zum Messen oder Bestimmen von Vitalzeichen eines Benutzers , umfassend eine erfindungsgemäße Sensoranordnung . The problem mentioned at the outset is also solved by an optical vital sign sensor, configured to measure or determine vital signs of a user, comprising a sensor arrangement according to the invention.
Ausf ührungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert . Dabei zeigen schematisch : Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Schematically show:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung eines Vitalzeichensensors ; FIG. 1 shows a schematic representation of a sensor arrangement of a vital sign sensor;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Sensoranordnung eines Vitalzeichensensors ; FIG. 2 shows a schematic representation of a further sensor arrangement of a vital sign sensor;
Figur 3 eine Prinzipskizze einer Draufsicht auf eine Sensoranordnung nach dem Stand der Technik als Vergleichsbeispiel ; FIG. 3 shows a basic sketch of a top view of a sensor arrangement according to the prior art as a comparative example;
Figur 4 eine Prinzipskizze einer Draufsicht auf eine Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; FIG. 4 shows a basic sketch of a top view of a sensor arrangement according to an exemplary embodiment of the invention;
Figuren 5- 6 eine schematische Darstellung einer Draufsicht und eine schematische Darstellung eines Quer- Schnitts einer Lichtquelle als Vergleichsbeispiel ; Figures 5- 6 a schematic representation of a top view and a schematic representation of a transverse Section of a light source as a comparative example;
Figuren 7-8 eine schematische Darstellung einer Draufsicht und eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Lichtquelle zur Verwendung in einer Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel ; FIGS. 7-8 show a schematic representation of a plan view and a schematic representation of a cross section of a light source for use in a sensor arrangement according to an embodiment;
Figuren 9-10 eine schematische Darstellung einer Draufsicht und eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Lichtquelle als Vergleichsbeispiel ; FIGS. 9-10 show a schematic representation of a plan view and a schematic representation of a cross section of a light source as a comparative example;
Figur 11 eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Sensoranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ; FIG. 11 shows a schematic representation of a top view of a sensor arrangement according to a further exemplary embodiment;
Figur 12 eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Sensoranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips , bei dem die Lichtquelle und der Fotodetektor auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind; FIG. 12 shows a schematic representation of a plan view of a sensor arrangement according to a further exemplary embodiment according to some aspects of the proposed principle, in which the light source and the photodetector are arranged on a common substrate;
Figur 13 eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Figur 12 . FIG. 13 shows a schematic representation of a cross section of FIG.
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu . Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben . Es versteht sich von selbst , dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird . Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf . Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne j edoch der erfinderischen Idee zu widersprechen . The following embodiments and examples show various aspects and their combinations according to the proposed principle. The embodiments and examples are not always to scale. Likewise, various elements can be enlarged or reduced in order to emphasize individual aspects. It goes without saying that the individual aspects and features of the embodiments and examples shown in the figures can easily be combined with one another can be, without thereby affecting the principle of the invention. Some aspects exhibit a regular structure or shape. It should be noted that minor deviations from the ideal shape can occur in practice, without however contradicting the inventive idea.
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt , und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein . Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden . Begriffe wie "oben" , "oberhalb" , "unten" , "unterhalb" , "größer" , " kleiner" und dergleichen werden j edoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt . So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten . In addition, the individual figures, features and aspects are not necessarily of the correct size, nor are the proportions between the individual elements necessarily correct. Some aspects and features are highlighted by enlarging them. However, terms such as "above", "above", "below", "below", "greater", "smaller" and the like are correctly represented with respect to the elements in the figures. It is thus possible to derive such relationships between the elements using the illustrations.
Figur 1 zeigt schematisch eine Sensoranordnung 1 eines Vitalzeichensensors , der eine Lichtquelle 2 und einen Fotodetektor 3 umfasst . Die Sensoranordnung 1 ist auf die Haut 4 eines Benutzers aufgesetzt . Die elektrische Beschaltung von Lichtquelle 2 und Fotodetektor 3 sowie weitere Baugruppen oder Bauelemente wie eine Auswerteelektronik, Spannungsversorgung, Anzeige- oder Kommunikationsmittel sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt , da es für das Verständnis der Erfindung im Wesentlichen auf die Sensoranordnung 1 ankommt . FIG. 1 schematically shows a sensor arrangement 1 of a vital sign sensor, which comprises a light source 2 and a photodetector 3 . The sensor arrangement 1 is placed on the skin 4 of a user. The electrical wiring of light source 2 and photodetector 3 and other assemblies or components such as evaluation electronics, power supply, display or communication means are not shown to simplify the illustration, since understanding the invention essentially depends on the sensor arrangement 1 .
Das von der Lichtquelle 2 , beispielsweise einer Licht emittierenden Diode (LED ) , emittierte Licht 5 breitet sich in der Haut 4 aus . Die Haut 4 wird hier schematisch vereinfacht dargestellt umfassend eine unter einer ersten Hautschicht ( Epidermis ) mit wenigen oder keinen Blutgefäßen liegende zweite Hautschicht ( Dermis ) 6 mit vielen Blutgefäßen sowie weitere tiefer liegende und ebenfalls blutführende Schichten 7 . Die Lichtquelle 2 und der Fotodetektor 3 sind in einer Querrichtung RQ voneinander beabstandet . Das Licht 5 wird zum Teil durch das Blut in den Blutgefäßen der tiefer liegenden Schichten 7 absorbiert , zum Teil rückgestreut . Je mehr Blut mit dem Licht 5 interagiert , desto mehr Licht 5 wird absorbiert . Dadurch erreicht weniger rückgestreutes Licht 5 den Fotodetektor 3 , der beispielsweise als Fotodiode ausgestaltet ist , und das von der Fotodiode erzeugte Signal wird kleiner . The light 5 emitted by the light source 2 , for example a light-emitting diode (LED ), propagates in the skin 4 . The skin 4 is shown here in a schematically simplified manner, comprising a second skin layer (dermis) 6 with many blood vessels lying under a first skin layer (epidermis) with few or no blood vessels, as well as further layers 7 lying deeper and also carrying blood. The light source 2 and the photodetector 3 are spaced from each other in a transverse direction RQ. The light 5 becomes part absorbed by the blood in the blood vessels of the deeper layers 7 , partly backscattered. The more blood interacts with the light 5, the more light 5 is absorbed. As a result, less backscattered light 5 reaches the photodetector 3, which is designed as a photodiode, for example, and the signal generated by the photodiode becomes smaller.
Nach j edem Herzschlag kommt es in den Gefäßen zur einer Pulswelle und die Blutmenge steigt kurzfristig an . In diesem Moment erzeugt der Fotodetektor 3 ein kleineres elektrisches Signal im Vergleich zu einem Zeitpunkt nach der Pulswelle . Mit j edem Herzschlag fängt der Zyklus von vorne an . Die periodische Änderung des von dem Fotodetektor 3 ausgegebenen Signals wird durch eine nachfolgende Elektronik detektiert . Die Elektronik berechnet daraus beispielsweise die Herzfrequenz . After every heartbeat, a pulse wave occurs in the blood vessels and the amount of blood increases for a short time. At this moment, the photodetector 3 generates a smaller electric signal compared to a time point after the pulse wave. With every heartbeat, the cycle starts all over again. The periodic change in the signal output by the photodetector 3 is detected by downstream electronics. From this, the electronics calculate the heart rate, for example.
Die als LED ausgestaltete Lichtquelle 2 kann beispielsweise rotes , grünes oder IR Licht 5 emittieren, welches direkt in die Haut 4 eingekoppelt wird . In Figur 1 sind zwei mögliche Ausbreitungspfade A und B von der Lichtquelle 2 zum Fotodetektor 3 dargestellt . Pfad A wird durch eine Streuung des Lichts 5 in den oberen Hautschichten, die weniger als 1 mmm tief unter der Hautoberfläche liegen, bewirkt . Pfad B ergibt sich durch eine Streuung des Lichts 5 in tiefer liegenden Hautschichten, die mindestens 1 mm unter der Hautoberfläche liegen . The light source 2 designed as an LED can, for example, emit red, green or IR light 5 which is coupled directly into the skin 4 . Two possible propagation paths A and B from the light source 2 to the photodetector 3 are shown in FIG. Path A is caused by scattering of the light 5 in the upper layers of the skin, which are less than 1 mm deep below the skin surface. Path B results from a scattering of the light 5 in deeper skin layers that are at least 1 mm below the skin surface.
Die Dichte von Blutgefäßen in den oberen Hautschichten ist wesentlich kleiner als im Inneren der Haut . Daher beinhaltet nur das Licht 5 , das tiefer in die Haut 4 eindringt und anschließend zu dem Fotodetektor 3 gelangt , die Information über die Herzfrequenz . Die Menge an Licht 5 , die diese Information beinhaltet , beträgt dabei j edoch lediglich einen kleinen Bruchteil der Gesamtlichtmenge , die auf den Fotodetektor 3 fällt . Die Position der Sensoranordnung 1 relativ zur Haut 4 kann sich ändern, wenn der Benutzer sich bewegt . Dabei ändern sich insbesondere die Verhältnisse zwischen den Lichtmengen der beiden oben genannten Lichtpfade A und B . Zudem kann eine Positionsänderung dazu führen, dass sich der Vitalzeichensensor 1 kurzfristig direkt gegenüber von einem großen Blutgefäß befindet , welches ein sehr stark moduliertes Signal verursacht . Angenommen, der Vitalzeichensensor 1 bewegt sich kurz darauf , so dass ein Luftspalt zwischen dem Vitalzeichensensor 1 und der Haut 4 entsteht , dann sinkt das modulierte Signal , j edoch erzeugt das von der Hautoberfläche reflektierte Licht ein sehr starkes nicht-moduliertes Signal . Solche durch Bewegung hervorgerufene Artefakte ( englisch : motion artefacts ) stören den Auswertealgorithmus und führen zu einer ungenauen Messung der Herzfrequenz . The density of blood vessels in the upper layers of the skin is significantly lower than inside the skin. Therefore, only the light 5 that penetrates deeper into the skin 4 and then reaches the photodetector 3 contains the information about the heart rate. However, the amount of light 5 that contains this information is only a small fraction of the total amount of light falling on the photodetector 3 . The position of the sensor arrangement 1 relative to the skin 4 can change when the user moves. The ratios between the light quantities of the two light paths A and B mentioned above change in particular. In addition, a change in position can result in the vital sign sensor 1 being located directly opposite a large blood vessel for a short time, which causes a very strongly modulated signal. Assuming that the vital sign sensor 1 moves shortly thereafter creating an air gap between the vital sign sensor 1 and the skin 4 , the modulated signal will decrease , but the light reflected from the skin surface will produce a very strong unmodulated signal . Such artefacts caused by movement (English: motion artefacts) disturb the evaluation algorithm and lead to an inaccurate measurement of the heart rate.
Figur 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 1 . Diese umfasst einen Fotodetektor, an dem beiderseits in einer Querrichtung RQ beabstandet j eweils eine Lichtquelle 2 angeordnet ist . Die Funktionsweise entspricht der anhand des Ausführungsbeispiels der Figur 1 dargestellten Sensoranordnung 1 . Durch Verwendung mehrerer Lichtquellen 2 kann hier j edoch die mit Licht bestrahlte Fläche der Haut vergrößert werden, so dass insgesamt die Beleuchtungsdichte erhöht werden kann und die Messgenauigkeit durch Verringerung von zuvor dargestellten Artefakten verringert werden kann . FIG. 2 shows an alternative exemplary embodiment of a sensor arrangement 1 . This comprises a photodetector on which a light source 2 is arranged on both sides spaced apart in a transverse direction RQ. The mode of operation corresponds to the sensor arrangement 1 illustrated with reference to the exemplary embodiment in FIG. However, by using a plurality of light sources 2, the area of the skin irradiated with light can be enlarged here, so that overall the illuminance can be increased and the measurement accuracy can be reduced by reducing the artefacts shown above.
Anhand der Figuren 3 und 4 wird der Effekt der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 erläutert . Figur 3 zeigt als Prinzipskiz ze einer Draufsicht auf eine Sensoranordnung nach dem Stand der Technik als Vergleichsbeispiel mit einer kleinen quadratischen Lichtquelle 2 und einem größeren quadratischen Fotodetektor 3 . Zum leichteren Verständnis werden Bezugszeichen wie zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung verwendet . Wie zuvor erläutert , wird das von der Haut zurückgestreute Licht abhängig von der Entfernung zur Lichtquelle 2 so gestreut , so dass sich ein ringförmiges Lichtfeld 8 ergibt , bei dem die Beleuchtungsstärke radial nach außen abnimmt . Dies hat zur Folge , dass auf dem Fotodetektor 3 an Stellen Ql , Q2 und Q3 , die den gleichen Abstand zur dem der Fotodiode 3 zugewandten Rand der Lichtquelle 2 aufweisen, unterschiedliche Beleuchtungsstärken auftreten . The effect of the sensor arrangement 1 according to the invention is explained with reference to FIGS. FIG. 3 shows a basic sketch of a plan view of a sensor arrangement according to the prior art as a comparative example with a small square light source 2 and a larger square photodetector 3 . For easier understanding, reference symbols are used as for the description of the solution according to the invention. As previously explained, the light scattered back from the skin is scattered like this depending on the distance from the light source 2 that a ring-shaped light field 8 results, in which the illuminance decreases radially outwards. As a result, different illuminance levels occur on the photodetector 3 at locations Q1, Q2 and Q3 which are at the same distance from the edge of the light source 2 facing the photodiode 3.
Figur 4 zeigt eine Prinzips kizze einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 in der Draufsicht . FIG. 4 shows a basic sketch of a sensor arrangement 1 according to the invention in a plan view.
Die Sensoranordnung 1 zur Verwendung in einem optischen Vitalzeichensensor, umfassend mindestens eine Lichtquelle 2 und mindestens einen Fotodetektor 2 . Die Lichtquelle 2 , beispielsweise eine Photodiode umfasst einen strahlungs- oder lichtemittierenden Chip der in der Fig . 4 mit den Bezugs zeichen 13 , 23 , 24 und 25 bezeichnet ist . Die Chips 23 , 24 und 25 werden für die Fig . 11 noch genauer beschrieben . Im Folgenden wird für den Chip der Fig . 4 der Einfachheit halber nur das Bezugszeichen 13 verwendet . Der Chip 13 und der Fotodetektor 3 sind in einer Querrichtung RQ beabstandet zueinander angeordnet , wobei der Chip 13 , eine im Wesentlichen rechteckige Form mit j eweils einer Länge LI und einer Breite Bl aufweist , wobei die Länge LI des Chips 13 größer ist als dessen Breite Bl . The sensor arrangement 1 for use in an optical vital sign sensor, comprising at least one light source 2 and at least one photodetector 2 . The light source 2, for example a photodiode, comprises a radiation or light-emitting chip as shown in FIG. 4 is denoted by reference numerals 13 , 23 , 24 and 25 . The chips 23, 24 and 25 are used for FIGS. 11 described in more detail. In the following, for the chip of FIG. 4 only reference numeral 13 is used for the sake of simplicity. The chip 13 and the photodetector 3 are arranged spaced apart from one another in a transverse direction RQ, the chip 13 having a substantially rectangular shape each having a length LI and a width Bl, the length LI of the chip 13 being greater than its width Bl .
Bei dem Chip 13 handelt es sich um das Halbleiterbauteil der Lichtquelle 2 , welches die Strahlung emittiert , beispielsweise rotes Licht , grünes Licht oder IR Strahlung . Neben dem Chip 13 kann die Lichtquelle 2 noch weitere Bauteile umfassen, beispielsweise Bauteile , die nicht emittierend ausgebildet sind . Solche Bauteile können beispielsweise Stromanschlüsse , Wirebonds , Pads und/oder dergleichen sein, wie sie beispielsweise in der Fig . 11 gezeigt sind und anhand dieser später noch näher beschrieben werden . Entlang der Länge LI des Chips ist ein senkrechter Abstand A zu der Fotodiode 3 konstant . Durch die in der Draufsicht längliche Ausführung des Chips 13 ergibt sich ein in etwa ovales Lichtfeld 9 , bei dem die Beleuchtungsstärke zwar auch radial nach außen abnimmt , entlang einer Parallelen zur Seitenfläche der Lichtquelle 2 und des Chips 13 , also entlang der Länge LI , aber im Wesentlichen konstant ist , so dass Punkte Pl , P2 und P3 , die den gleichen Abstand zu einem der Lichtquelle 2 zugewandten Rand der Fotodiode 3 aufweisen, auf der Fotodiode 3 eine in etwa eine gleicheThe chip 13 is the semiconductor component of the light source 2 which emits the radiation, for example red light, green light or IR radiation. In addition to the chip 13, the light source 2 can also include other components, for example components that are designed to be non-emitting. Such components can be, for example, power connections, wire bonds, pads and/or the like, as shown in FIG. 11 and will be described in more detail later on the basis of these. A perpendicular distance A to the photodiode 3 is constant along the length LI of the chip. The elongated design of the chip 13 in the top view results in an approximately oval light field 9 in which the illuminance also decreases radially outwards, but along a parallel to the side surface of the light source 2 and the chip 13, i.e. along the length LI is essentially constant, so that points P1, P2 and P3, which have the same distance to an edge of the photodiode 3 facing the light source 2, on the photodiode 3 are approximately the same
Beleuchtungsstärke aufweisen . have illuminance.
Die Figuren 5 und 6 zeigen schematische Darstellungen eines Vergleichsbeispiels im Gegensatz zu einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Figur 5 zeigt in der Draufsicht eine Lichtquelle 2 umfassend zwei in etwa rechteckige bzw . quadratische Leuchtdioden 10 , die in einer Kavität eines Substrats 12 angeordnet sind . Die Kavität , bzw . ein die Kavität bildender Rahmen überragt dabei die Leuchtdioden 10 in eine Richtung senkrecht auf dem Substrat 12 . Zudem sind die Leuchtdioden 10 in einem Vergussmaterial 11 in der Kavität eingebettet , wobei das Vergussmaterial 11 insbesondere plan mit einem oberen Rand der Kavität bzw . dem die Kavität bildenden Rahmen abschließt . Figures 5 and 6 show schematic representations of a comparative example in contrast to an embodiment according to the invention. Figure 5 shows a top view of a light source 2 comprising two approximately rectangular or. square light emitting diodes 10 arranged in a cavity of a substrate 12 . The cavity or a frame forming the cavity projects beyond the light-emitting diodes 10 in a direction perpendicular to the substrate 12 . In addition, the light-emitting diodes 10 are embedded in a potting material 11 in the cavity, with the potting material 11 being in particular planar with an upper edge of the cavity or the frame forming the cavity completes.
Dazu sind mehrere kleine LEDs in einer Reihe angeordnet . Der Abstand zwischen den LEDs ist so gering, dass eine kontinuierliche Lichtverteilung in der Haut gewährleistet ist . Die beiden in den Figuren 5 und 6 dargestellten Leuchtdioden 10 s ind auf einer Grundfläche mit einer Länge L und einer Breite B angeordnet , wobei die Länge L größer als die Breite B ist . Die Länge der Linie und die Anzahl der LEDs wird so gewählt , dass die gesamte Länge des Detektors gleichmäßig beleuchtet wird . Wie aus der Seitenansicht der Figur 6 zu erkennen ist sind die Leuchtdioden 10 von dem Vergussmaterial 11 vollständig umhüllt . Die mehreren kleinen LEDs können auch eine andere Form, beispielsweise eine rund, ovale , oder polygonale Form aufweisen . Die Figuren 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lichtquelle 2 . In diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist eine Leuchtdiode den Chip 13 auf , der eine rechteckige Form mit einer Länge LI und einer Breite Bl aufweist , wobei die Länge L größer als die Breite B ist . Die lange Seite der Leuchtdiode mit dem Chip 13 ist gleich oder nahe der Länge des Detektors ausgebildet , um eine homogene Ausleuchtung der gesamten Länge des Detektors zu gewährleisten . Wie aus der Seitenansicht der Figur 8 zu erkennen ist , ist auch im Ausführungsbeispiel der Figur 7 die Leuchtdiode mit dem Chip 13 in einer Kavität auf einem Substrat 12 angeordnet und vollständig von Vergussmaterial 11 umgeben . Die Leuchtdiode mit dem Chip 13 kann beispielsweise auch eine ovale oder elliptische Form aufweisen, wobei ovale oder elliptische Form in eine Längsrichtung eine größere Ausdehnung aufweist als in eine dazu senkrechte Richtung . Nicht emittierende Bauteile der Leuchtdiode mit dem Chip 13 sind in den Fig . 7 und 8 nicht dargestellt . For this purpose, several small LEDs are arranged in a row. The distance between the LEDs is so small that a continuous light distribution in the skin is guaranteed. The two light-emitting diodes 10 shown in FIGS. 5 and 6 are arranged on a base area with a length L and a width B, the length L being greater than the width B. The length of the line and the number of LEDs is chosen so that the entire length of the detector is evenly illuminated. As can be seen from the side view in FIG. 6, the light-emitting diodes 10 are completely encased by the potting material 11 . The several small LEDs can also have a different shape, for example a round, oval or polygonal shape. FIGS. 7 and 8 show a further exemplary embodiment of a light source 2 according to the invention. In this second exemplary embodiment, a light-emitting diode has the chip 13 which has a rectangular shape with a length L1 and a width B1, the length L being greater than the width B. The long side of the light-emitting diode with the chip 13 is designed to be the same as or close to the length of the detector in order to ensure homogeneous illumination of the entire length of the detector. As can be seen from the side view in FIG. 8, the light-emitting diode with the chip 13 is also arranged in a cavity on a substrate 12 in the exemplary embodiment in FIG. 7 and is completely surrounded by potting material 11 . The light-emitting diode with the chip 13 can also have an oval or elliptical shape, for example, with the oval or elliptical shape having a greater extent in a longitudinal direction than in a direction perpendicular thereto. Non-emitting components of the light-emitting diode with the chip 13 are shown in FIGS. 7 and 8 not shown.
Die Figuren 9 und 10 zeigen schematische Darstellungen eines Vergleichsbeispiels im Gegensatz zu einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Figur 9 zeigt eine Lichtquelle 2 . Eine Leuchtdiode 14 hat eine quadratische Form und ist in einer Kavität auf einem Substrat 12 angeordnet . Zudem ist die Leuchtdiode 14 in ein transparentes Vergussmaterial 11 eingekapselt , welches im Inneren Streupartikel 15 enthält . Die Höhe der transparenten Verkapselung und die Konzentration der Streupartikel 15 sind dabei so gewählt , dass der gesamte Bereich der Kavität das Licht homogen abstrahlt . Die Emissionsfläche der Lichtquelle weist entsprechend eine Länge L und eine Breite B auf , wobei die Länge L größer als die Breite B ist . Alternativ kann auch eine blaue Leuchtdiode verwendet werden und entsprechende Konverterpartikel können in dem Vergussmaterial 11 eingebracht sein . Die LED strahlt entsprechend blaues Licht aus , und ein Diffusormaterial ( im Vergussmaterial ) umfassend Kon- verterpartikel , führt dazu, dass das blaue Licht in das für die PPG-Messung erforderliche grüne Licht umgewandelt wird .Figures 9 and 10 show schematic representations of a comparative example in contrast to an embodiment according to the invention. FIG. 9 shows a light source 2 . A light emitting diode 14 has a square shape and is arranged in a cavity on a substrate 12 . In addition, the light-emitting diode 14 is encapsulated in a transparent potting material 11 which contains scattering particles 15 on the inside. The height of the transparent encapsulation and the concentration of the scattering particles 15 are selected in such a way that the entire area of the cavity emits the light homogeneously. The emission surface of the light source accordingly has a length L and a width B, the length L being greater than the width B. Alternatively, a blue light-emitting diode can also be used and corresponding converter particles can be introduced into the potting material 11 . The LED accordingly emits blue light, and a diffuser material (in the potting material) comprising con- verter particles, causes the blue light to be converted into the green light required for PPG measurement.
Durch die streuenden Partikel 15 wirkt das gesamte Substrat 12 der Figuren 9 und 10 wie eine große Lichtquelle 2 mit einer Länge L und einer Breite B, wobei die Länge L größer als die Breite B ist . Due to the scattering particles 15, the entire substrate 12 of FIGS. 9 and 10 acts like a large light source 2 with a length L and a width B, the length L being greater than the width B.
Figur 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung als Skiz ze in einer Draufsicht . In Querrichtung RQ zu dem Detektor 3 ist die Lichtquelle 2 angeordnet und umfasst hier mehrere Leuchtdioden unterschiedlicher Farben . , Die Lichtquelle 2 umfasst eine grüne Leuchtdiode 16 , eine Infrarot- Leuchtdioden 17 und eine rote Leuchtdiode 18 . FIG. 11 shows a further exemplary embodiment of the invention as a sketch in a plan view. The light source 2 is arranged in the transverse direction RQ to the detector 3 and here comprises a plurality of light-emitting diodes of different colors. , The light source 2 comprises a green light-emitting diode 16 , an infrared light-emitting diode 17 and a red light-emitting diode 18 .
Die grüne Leuchtdiode 16 , die ausgebildet ist , um grünes Licht zu emittieren umfasst einen Chip 23 als emittierendes Bauteil . Der Chip 23 weist eine Breite B1Ä auf und eine Länge LI , wobei die Länge LI größer als die Breite B1Ä ist . Neben dem Chip 23 weist die grüne Leuchtdiode 16 noch weitere , nicht emittierende Bauteile auf nämlich zwei Pads 26 und 28 . Diese sind j eweils entlang der Länge LI außerhalb des Chips 23 und auf entgegensetzten Seiten des Chips 23 angeordnet . In Querrichtung RQ sind die Pads 26 und 28 innerhalb der Breite B1Ä des Chips 23 angeordnet . Die Pads 26 und 28 dienen zur Kontaktierung des Chips 23 über die Anschlüsse 27 und 29 . Bei den Pads 26 und 28 handelt es sich um Goldpads . Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Pads auch aus einem anderen Material hergestellt sein . The green light-emitting diode 16, which is designed to emit green light, includes a chip 23 as an emitting component. The chip 23 has a width B1 λ and a length LI, the length LI being greater than the width B1 λ . In addition to the chip 23 , the green light-emitting diode 16 also has other non-emitting components, namely two pads 26 and 28 . These are each arranged along the length LI outside of the chip 23 and on opposite sides of the chip 23 . In the transverse direction RQ, the pads 26 and 28 are arranged within the width B1A of the chip 23 . Pads 26 and 28 are used to contact chip 23 via connections 27 and 29 . Pads 26 and 28 are gold pads. In other exemplary embodiments, the pads can also be made from a different material.
Die Infrarot-Leuchtdiode 17 , die ausgebildet ist , um IR- Strahlung zu emittieren, umfasst einen Chip 24 als emittierendes Bauteil . Der Chip 24 weist eine Breit B 1B auf , die kleiner ist als eine Länge LI und kleiner als eine Breite B1Ä des Chips 23 , der ausgebildet ist , um grünes Licht zu emittieren . Ähnlich wie die Leuchtdiode 16 umfasst auch die Leuchtdiode 17 nicht emittierende Bauteile . Dabei handelt es sich um einen Pad 30 und einen Anschluss 31 , der analog zu dem Pad 26 und Anschluss 27 angeordnet und aufgebaut ist . Auf der gegenüberliegenden Seite des Chips 24 ist ein Anschluss 32 anderer Bauart angeordnet . Eine Kontaktierung erfolgt hier von hinten . Auch der Anschluss 32 ist außerhalb einer Ausdehnung des Chips 24 entlang seiner Länge LI angeordnet und in Querrichtung innerhalb der Breite B 1B des Chips 24 . The infrared light-emitting diode 17, which is designed to emit IR radiation, includes a chip 24 as the emitting component. The chip 24 has a width B 1 B smaller than a length LI and smaller than a width B 1 λ of the chip 23 designed to emit green light. Similar to the light-emitting diode 16, the light-emitting diode 17 also includes non-emitting components. This is one Pad 30 and a connection 31 which is arranged and constructed analogously to the pad 26 and connection 27 . On the opposite side of the chip 24 there is a connection 32 of a different design. Contact is made here from behind. Terminal 32 is also located outside of an extent of chip 24 along its length LI and transversely within width B 1B of chip 24 .
Die Leuchtdiode 18 , die ausgebildet ist , um rotes Licht zu emittieren, umfasst einen Chip 25 als emittierendes Bauteil . Der Chip 25 weist eine Breit Blc auf , die kleiner ist als eine Länge LI und kleiner als eine Breite B1Ä des Chips 23 , der ausgebildet ist , um grünes Licht zu emittieren . Ähnlich wie die Leuchtdiode 17 umfasst auch die Leuchtdiode 18 nicht emittierende Bauteile . Dabei handelt es sich um einen Pad 33 und einen Anschluss 34 , der analog zu dem Pad 30 und Anschluss 31 angeordnet und auf gebaut ist . Auf der gegenüberliegenden Seite des Chips 25 ist ein Anschluss 35 anderer Bauart angeordnet . Eine Kontaktierung erfolgt hier von hinten . Auch der Anschluss 35 ist außerhalb einer Ausdehnung des Chips 25 entlang seiner Länge LI angeordnet und in Querrichtung innerhalb der Breite Blc des Chips 25 . The light-emitting diode 18, which is designed to emit red light, includes a chip 25 as an emitting component. The chip 25 has a width Bl c that is smaller than a length LI and smaller than a width B1 λ of the chip 23 designed to emit green light. Similar to the light-emitting diode 17, the light-emitting diode 18 also includes non-emitting components. This involves a pad 33 and a connection 34 which is arranged and constructed analogously to the pad 30 and connection 31 . A connection 35 of a different design is arranged on the opposite side of the chip 25 . Contact is made here from behind. Also the terminal 35 is located outside an extension of the chip 25 along its length LI and transversely inside the width Blc of the chip 25 .
Es sind also alle Leuchtdioden 16 , 17 und 18 auf einer gemeinsamen Seite des Fotodetektors 3 in Querrichtung RQ zu diesem beabstandet angeordnet . Dabei ist die grüne Leuchtdiode 16 mit dem Chip 23 dem Fotodetektor 3 am nächsten angeordnet , die Infrarot-Leuchtdioden 17 mit dem Chip 24 ist weiter entfernt als die grüne Leuchtdiode 16 angeordnet und die rote Leuchtdiode 18 mit dem Chip 25 ist wiederum weiter entfernt von dem Fotodetektor 3 als die Infrarot-Leuchtdiode 17 angeordnet . Die Infrarotstrahlung der Infrarot-Leuchtdioden 17 sowie das rote Licht der roten Leuchtdiode 18 weisen in der Haut 4 eine größere Reichweite auf als das grüne Licht der grünen Leuchtdiode 17 , daher die hier gewählte Anordnung . Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Sensoranordnung dann zumindest die IR-Leuchtquelle und die Lichtquelle auf , die ausgebildet ist , um rotes Licht abzustrahlen . Wenn die Chips j eweils eine Breite Bl von 50 pm aufweisen und in RQ Richtung um 50 pm beabstandet sind, kann eine sehr schmale Baubreite der Kombination von 150 pm erreicht werden . Dadurch ergibt sich ein vorteilhafter Abstand zu dem Detektor, was vor allem für SPO2 Messungen, beispielsweise zur Bestimmung des Blutsauerstoff , vorteilhaft sein kann . All the light-emitting diodes 16 , 17 and 18 are therefore arranged on a common side of the photodetector 3 in the transverse direction RQ at a distance from it. The green light-emitting diode 16 with the chip 23 is arranged closest to the photodetector 3, the infrared light-emitting diode 17 with the chip 24 is arranged further away than the green light-emitting diode 16 and the red light-emitting diode 18 with the chip 25 is in turn further away from the Photodetector 3 arranged as the infrared light-emitting diode 17 . The infrared radiation from the infrared light-emitting diodes 17 and the red light from the red light-emitting diode 18 have a greater range in the skin 4 than the green light from the green light-emitting diode 17, hence the arrangement selected here. In one embodiment, the sensor arrangement then has at least the IR light source and the light source, which is designed to emit red light. If the chips each have a width Bl of 50 pm and are spaced apart by 50 pm in the RQ direction, a very narrow overall width of the combination of 150 pm can be achieved. This results in an advantageous distance to the detector, which can be advantageous above all for SPO2 measurements, for example for determining blood oxygen.
Die dargestellte Anordnung der grünen 16 , infraroten 17 und roten 18 Leuchtdiode ist hier j edoch lediglich exemplarisch und kann j e nach Anwendungsfall vertauscht werden . Ebenso kann die Lichtquelle zusätzlich weitere Leuchtdioden zur Emission eines anderen oder desselben Lichts umfassen . Zudem sind bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 11 die nicht emittierenden Bauteile außerhalb der für den Chip angegebenen Abmessungen angeordnet . Bei weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können nicht emittierende Bauteile auch innerhalb der für den Chip angegebenen Abmessungen angeordnet sein . Selbstverständlich können die Chips bei anderen Ausführungsbeispielen auf andere Art und Weise kontaktiert sein und/oder die Chips können andere Breiten aufweisen, beispielsweise können die Chips , die ausgebildet sind, um rotes oder grünes Licht zu emittieren auch eine größere Breite aufweisen, als der Chip , der ausgebildet ist , um IR-Strahlung zu emittieren . However, the illustrated arrangement of the green 16, infrared 17 and red 18 light-emitting diodes is only an example here and can be interchanged depending on the application. Likewise, the light source can additionally include further light-emitting diodes for emitting a different light or the same light. In addition, in the exemplary embodiment in FIG. 11, the non-emitting components are arranged outside of the dimensions specified for the chip. In other exemplary embodiments that are not shown, non-emitting components can also be arranged within the dimensions specified for the chip. Of course, in other exemplary embodiments, the chips can be contacted in a different way and/or the chips can have other widths, for example the chips that are designed to emit red or green light can also have a greater width than the chip which is designed to emit IR radiation.
Die infrarot Leuchtdiode 17 mit dem Chip 23 und die rote 18 Leuchtdiode mit dem Chip 25 sind im dargestellten Fall in einer separaten Kavität angeordnet , sodass deren emittiertes Licht nicht die Funktion der grünes Licht emittierenden Leuchtdiode beeinträchtigt . In the case shown, the infrared light-emitting diode 17 with the chip 23 and the red light-emitting diode 18 with the chip 25 are arranged in a separate cavity, so that the light they emit does not impair the function of the green-light-emitting light-emitting diode.
Die Figuren 12 und 13 zeigen eine Prinzips kizze eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung 1 , bei dem die Lichtquelle 2 mit dem Chip 13 und der Fotodetektor 3 auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind . Statt des Chips 13 , kann auch einer der Chips 23 , 24 , oder 25 verbaut sein . Die Figur 12 zeigt eine Draufsicht und die Figur 13 einen Querschnitt durch die Sensoranordnung 1 . Das Substrat 19 umfasst einen Substratboden 20 zur Aufnahme und Kontaktierung der Lichtquelle 2 und des Fotodetektors 3 sowie dazu senkrecht verlaufende Wände 21 , sodass sich für Lichtquelle 2 und Fotodetektor 3 j eweils eine becherförmige Kavität 22 ergibt . Die becherförmigen Kavitäten 22 sind j eweils mit einem Vergussma- terial 11 ausgefüllt , das streupartikelfrei ist und/oder Konverterpartikel umfassen kann . Wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen ist die Länge LI des Chips 13 und damit auch die Länge L der Lichtquelle 2 größer als die Breite Bl der Lichtquelle 2 . Die Länge 1 des Fotodetektors 3 ist im Wesentlichen gleich der Länge L der Lichtquelle 2 . Die Breite b des Fotodetektors 13 und damit auch die Gesamtfläche des Fotodetektors 13 ist hingegen größer als die der Lichtquelle 2 . FIGS. 12 and 13 show a basic sketch of an exemplary embodiment of a sensor arrangement 1 according to the invention, in which the light source 2 with the chip 13 and the photodetector 3 are arranged on a common substrate. Instead of Chips 13, one of the chips 23, 24, or 25 can also be installed. FIG. 12 shows a top view and FIG. 13 shows a cross section through the sensor arrangement 1 . The substrate 19 comprises a substrate base 20 for accommodating and contacting the light source 2 and the photodetector 3 as well as walls 21 running perpendicularly thereto, so that a cup-shaped cavity 22 each results for the light source 2 and the photodetector 3 . The cup-shaped cavities 22 are each filled with a casting material 11 that is free of stray particles and/or can include converter particles. As in the previous exemplary embodiments, the length LI of the chip 13 and thus also the length L of the light source 2 is greater than the width Bl of the light source 2 . The length 1 of the photodetector 3 is essentially equal to the length L of the light source 2 . In contrast, the width b of the photodetector 13 and thus also the total area of the photodetector 13 is greater than that of the light source 2 .
Die erfindungsgemäße Lichtquelle ( Emitter ) kann, wie beispielsweise in den Figuren 5 bis 11 dargestellt , als diskretes Bauteil in verschiedenen Varianten ausgeführt sein . Die Ausführungsformen basieren dabei auf LED-Chips , die im Inneren einer Kavität auf einem Substrat platziert sind . Die Kavität bzw . ein die Kavität bildender Rahmen besteht dabei aus einem undurchsichtigen Material mit hohem diffusem Reflexionsvermögen für das verwendete Licht . Dadurch wird gewährleistet , dass der direkte optische Pfad zwischen Emitter und Detektor unterbrochen ist , um das Signal-Rausch Verhältnis des von dem Detektor detektierten Signals zu erhöhen . Das Substrat gewährleistet die elektrische Kontaktierung der LED-Chips mit Lötpads für den späteren Einbau in den optischen Vitalzeichensensor . Die LED wird durch eine transparente Verkapselung (Verguss ) vor der Umgebung geschützt . The light source (emitter) according to the invention can, as shown for example in FIGS. 5 to 11, be designed as a discrete component in different variants. The embodiments are based on LED chips that are placed on a substrate inside a cavity. The cavity or a frame forming the cavity consists of an opaque material with a high diffuse reflectivity for the light used. This ensures that the direct optical path between the emitter and the detector is interrupted in order to increase the signal-to-noise ratio of the signal detected by the detector. The substrate ensures the electrical contacting of the LED chips with soldering pads for later installation in the optical vital sign sensor. The LED is protected from the environment by a transparent encapsulation (encapsulation).
Wie in den Figuren 12 und 13 dargestellt können die Lichtquelle ( Emitter ) und der Detektor hingegen auch auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein, und somit ein integriertes er- findungsgemäßes Sensormodul bzw . eine integrierte erfindungsgemäße Sensoranordnung bilden . As shown in Figures 12 and 13, the light source (emitter) and the detector, however, can also be arranged on a common substrate, and thus an integrated inventive sensor module or form an integrated sensor arrangement according to the invention.
Die gleichen geometrischen Anordnungen können für Sensoren verwendet werden, die mit mehreren Wellenlängen arbeiten ( z . B . für Blutsauerstoff- oder Hautfeuchtigkeitsmessungen) . Jeder Strahler kann nach den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen realisiert sein, wobei beliebige Kombinationen verschiedener Realisierungen möglich sind . Es kann eine einzelne Kavität für Emitter einzelner Wellenlängen vorhanden sein oder es können mehrere Emitter mit unterschiedlichen Wellenlängen in einer Kavität kombiniert werden . The same geometric arrangements can be used for sensors that work with multiple wavelengths (e.g. for blood oxygen or skin moisture measurements). Each emitter can be implemented according to the exemplary embodiments described above, any combinations of different implementations being possible. There can be a single cavity for emitters of single wavelengths, or multiple emitters of different wavelengths can be combined in one cavity.
Wenn eine blaue LED und ein Konvertermaterial für die Emission von grünem Licht verwendet werden, können die LEDs anderer Wellenlängen in derselben Kavität untergebracht werden : Das Licht von z . B . R- und IR-LEDs wird nicht umgewandelt , sondern nur von den Konverterpartikeln gestreut . Dies gewährleistet eine homogene Lichtemission j eder Wellenlänge ( grün, rot und IR) über die gesamte Fläche der Kavität ohne zusätzliche Diffusorteilchen oder separate Kavitäten . If a blue LED and a converter material are used for green light emission, the LEDs of other wavelengths can be accommodated in the same cavity: the light from e.g. B. R and IR LEDs is not converted, only scattered by the converter particles. This ensures a homogeneous light emission of each wavelength (green, red and IR) over the entire surface of the cavity without additional diffuser particles or separate cavities.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST
1 Sensoranordnung 1 sensor arrangement
2 Lichtquelle 2 light source
3 Fotodetektor 3 photodetector
4 Haut 4 skin
5 Licht 5 light
6 Dermis 6 dermis
7 tiefer liegende blutführende Hautschichten7 deeper blood-bearing layers of skin
8 ringförmiges Lichtfeld (Vergleichsbeispiel )8 ring-shaped light field (comparative example)
9 Lichtfeld 9 light field
10 Leuchtdiode 10 light emitting diode
11 Vergussmaterial 11 potting material
12 Substrat 12 substrate
13 Chip der Leuchtiode 13 light-emitting diode chip
14 Leuchtdiode 14 LED
15 Streupartikel 15 scatter particles
16 grüne Leuchtdiode 16 green light-emitting diode
17 IR- Leuchtdiode 17 IR LED
18 rote Leuchtdiode 18 red light-emitting diode
19 Substrat 19 substrate
20 Substratboden 20 substrate bottom
21 Wand 21 wall
22 Kavität 22 cavity
23 Chip der Leuchtdiode 23 chip of the light-emitting diode
24 Chip der Leuchtdiode 24 chip of the light-emitting diode
25 Chip der Leuchtdiode 25 chip of the light-emitting diode
26 Goldpad 26 gold pad
27 Stromanschluss 27 power connector
28 Goldpad 28 gold pad
29 Stromanschluss 29 power connector
30 Goldpad 30 gold pad
31 Stromanschluss 31 power connector
32 Anschluss 32 connection
33 Goldpad 33 gold pad
34 Stromanschluss 35 Anschluss 34 power connector 35 connection
L Länge LichtquelleL length light source
B Breite LichtquelleB Wide light source
LI Länge Chip Bl Breite Chip LI length chip Bl width chip
1 Länge Fotodiode b Breite Fotodiode1 Photodiode length b Photodiode width
RQ Querrichtung RQ cross direction
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119384107A (en) * | 2024-10-28 | 2025-01-28 | 东南大学 | A vital sign monitoring sensor module and preparation method thereof |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0527703A1 (en) * | 1991-08-12 | 1993-02-17 | AVL Medical Instruments AG | Device for measuring at least one gaseous concentration level in particular the oxygen concentration level in blood |
| US20160029911A1 (en) * | 2014-07-31 | 2016-02-04 | Salutron, Inc. | Integrated sensor modules |
| US20160089067A1 (en) * | 2013-05-24 | 2016-03-31 | National University Corporation Hamamatsu University School Of Medicine | Near infrared oxygen concentration sensor for palpation |
| US20170020399A1 (en) * | 2015-06-02 | 2017-01-26 | Sportracker Ltd. | Methods Circuits Assemblies Devices Systems and Associated Machine Executable Code for Biological Sensing |
| US20170224236A1 (en) * | 2016-02-05 | 2017-08-10 | Lite-On Opto Technology (Changzhou) Co., Ltd. | Wearable apparatus and photoplenthysmography sensor unit thereof |
| US20180000362A1 (en) * | 2016-07-01 | 2018-01-04 | Seiko Epson Corporation | Biological information measuring module and biological information measuring apparatus |
| WO2020193550A1 (en) * | 2019-03-26 | 2020-10-01 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Vital-sign sensor, and process for manufacturing a vital-sign sensor |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016123846A (en) | 2015-09-18 | 2016-07-11 | セイコーエプソン株式会社 | Biological information measurement sensor, and biological information measurement device |
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-
2022
- 2022-12-09 WO PCT/EP2022/085167 patent/WO2023110668A1/en not_active Ceased
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0527703A1 (en) * | 1991-08-12 | 1993-02-17 | AVL Medical Instruments AG | Device for measuring at least one gaseous concentration level in particular the oxygen concentration level in blood |
| US20160089067A1 (en) * | 2013-05-24 | 2016-03-31 | National University Corporation Hamamatsu University School Of Medicine | Near infrared oxygen concentration sensor for palpation |
| US20160029911A1 (en) * | 2014-07-31 | 2016-02-04 | Salutron, Inc. | Integrated sensor modules |
| US20170020399A1 (en) * | 2015-06-02 | 2017-01-26 | Sportracker Ltd. | Methods Circuits Assemblies Devices Systems and Associated Machine Executable Code for Biological Sensing |
| US20170224236A1 (en) * | 2016-02-05 | 2017-08-10 | Lite-On Opto Technology (Changzhou) Co., Ltd. | Wearable apparatus and photoplenthysmography sensor unit thereof |
| US20180000362A1 (en) * | 2016-07-01 | 2018-01-04 | Seiko Epson Corporation | Biological information measuring module and biological information measuring apparatus |
| WO2020193550A1 (en) * | 2019-03-26 | 2020-10-01 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Vital-sign sensor, and process for manufacturing a vital-sign sensor |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119384107A (en) * | 2024-10-28 | 2025-01-28 | 东南大学 | A vital sign monitoring sensor module and preparation method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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