【技术】浅谈可穿戴设备PPG方案结构及工艺设计
随着可穿戴设备逐渐从运动助手、娱乐工具的产品定位升级到健康伴侣，具备PPG(光电容积脉搏波描记法)测量心率(HR)、血氧饱和度(SpO2)及其他生物计量指标，也成为“刚需”功能。
因此，可穿戴设备面临的挑战：如何在终端应用整体方案的基础上，设计出一款高精度、高可靠，甚至满足临床级的PPG测量方案?
此文将提供多种可穿戴设备的PPG测量方案设计，满足终端客户的设计需求。
PPG的心率、血氧测量原理
通常来说，PPG测量方案由光发射器(发光二极管，LED)、光感应器(光电二极管，PD)、模拟前端(AFE)芯片及加速计构成。PPG检测即通过光发射器将光波照进皮肤内部，再由光感应器接收光强变化，最后通过模拟前端芯片将模拟信号转换成数字信号，进而获取PPG原始信号。其间，加速计可测量人体运动状态，与光信号结合使用，可作为PPG算法输入。
在PPG检测后期，可通过复杂的算法，处理来自模拟前端和加速计的原始信号，从而生成持续的运动容错心率、血氧数据和其他生物计量数据。
PPG的心率检测原理：利用人体的血液容积会随着心脏律动呈搏动性变化，光感应器接收的光强也随之呈搏动性变化。通过PPG模拟前端(AFE)芯片调节，即可将光强变化信号转换为电信号，由此计算心率值。
PPG的血氧饱和度检测原理：利用氧中血红蛋白与脱氧血红蛋白对红光(660nm)和红外光(940nm)的吸收光谱不同，测量氧和血红蛋白的浓度，即可提供可连续的动态血氧监测PPG信号。
PPG光路结构和工艺设计介绍
PPG检测结果的精度与原始信号的质量和稳定性密切相关，而原始信号与PPG光路结构设计密切相关。因此，拥有高品质的PPG光路结构和工艺设计，是可穿戴设备实现高精度PPG检测功能的基础。
PPG光路结构设计，主要包括光学小板布局、光窗设计和相关结构工艺选择等。其中，PD与LED透光光窗的光路传导路径及结构叠层(LED沿手臂方向摆放)，如图1所示：
需要注意的是，为了保证静息、运动不同状态下的心率检测结果，PPG光路结构设计要确保光学窗口与皮肤紧密贴合、尽量减少环境光干扰，以及尽量减少发射光未经检测目标进入PD。
1、光学小板主要布局
通常来说，PPG光路布局中心(通常为凸台中心)与可穿戴设备中心重合。用于测量心率的绿灯中心与PD中心间距(gd)建议3.8～4.5mm，推荐值3.8mm。用于测量血氧的红灯及红外灯中心与PD中心间距(rd)建议5.5～7.5mm，推荐值6.6mm。常见布局如下：
十字形光路布局：光路布局中心位置对称设计两个三合一LED，PD均匀分布在四周，见图2所示。
T字形光路布局：光路布局中心位置附近放置PD，两个绿灯LED沿表带方向关于PD中心对称分布，血氧LED灯设计在两个绿灯LED中心的中垂线上，见图3所示。
一字形光路布局A：以PD中心和血氧灯光学中心的连线中心作为光路布局中心位置，沿表带方向分别设置PD、绿灯、血氧LED灯，见图4所示。
一字形光路布局B：以绿灯光学中心和血氧灯光学中心的连线中心作为光路布局中心位置，绿灯和血氧LED灯沿表带方向设置，PD放在两灯的中间位置，见图5所示。
光窗设计方案
通常来说，光窗设计方案有两种：双色模光窗方案、丝印镜片光窗方案。
双色模光窗方案设计：双色模光窗方案指采用双色注塑工艺，将透明光窗部分与不透光壳体整体注塑成为一体，见图6所示。
双色模光窗方案更能减少窜光，结构也更稳定可靠，但模具成本相对更高。
丝印镜片光窗方案设计：丝印镜片光窗方案，指在壳体上面粘贴一片或多片镜片，在镜片底部把非透光区域丝印一层黑色油墨阻挡光的传递，而光穿过透光区域(光窗)则形成固定的光路。结构示意图如图7所示。
因为光窗材质透明，为减少光线经过LED光窗时直接传导至PD光窗，LED光窗内表面建议做增透处理(如菲涅尔纹)提升光效，PD光窗内表面也可做菲涅尔纹聚光增透处理。
结语
即便有优秀的PPG方案结构和工艺设计，要想系统性能获得最大发挥，仍有赖于高品质的模拟前端芯片的配合。芯海科技CS1262是一款专用于PPG信号采集的模拟前端(AFE)产品。该产品是第一款在技术上适配OpenHarmony生态的“健康测量”传感器芯片。该产品基于OpenHarmony系统环境下，能够为终端品牌产品提供全栈解决方案，可用于心率、血氧、血压等健康指标的采集与分析。
当前，CS1262产品实测的关键性能指标达到业界一流水平，可与主流AFE设计兼容，能够为客户提供高配置、高精度测量、超强抗干扰、低功耗、全肤色支持、高可靠及易用性等七大核心价值。未来还将与公司的BIA、ECG等健康测量产品，共同构建平台型产品建设。
- |
- +1 赞 0
- 收藏
- 评论 0
本文由玉鹤甘茗转载自芯海科技公众号，原文标题为:浅谈可穿戴设备PPG方案结构及工艺设计，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。
相关研发服务和供应服务
相关推荐
解析传感器关键参数——功耗
功耗是传感器芯片的关键参数之一。在移动设备、可穿戴设备和物联网（IoT）设备中，低功耗传感器芯片可以显著延长电池寿命，降低维护需求，同时减少热量产生，提高系统稳定性。理解该参数有助于我们更好地选择和使用传感器，从而提高最终产品的质量和可靠性。本文中科银河芯将以温度传感器为例，对“功耗”进行深入探讨。
一文读懂可穿戴设备的晶振解决方案
可穿戴设备的核心组件包括主控芯片，智能传感器，蓝牙模块，WIFI模块，电源等，通过智能传感器感知运动、心率、血压等生理指标，实时监测各项生理指标，并将数据发送到设备中心处理器。中心处理器负责接收、处理和存储数据，还能够与用户的手机或其他智能设备进行通信，将数据传输到云端进行存储和分析。本文介绍可穿戴设备的晶振解决方案
CS1262数据手册
描述- 本资料介绍了芯海科技的CS1262器件，一款用于光电血管容积图(PPG)信号采集的模拟前端(AFE)。该器件支持多达8个可切换发光二极管(LED)和4个光电二极管(PD)，适用于心率监测(HRM)、SpO2测量等生物传感应用。
型号- CS1262
面向低功耗智能互联设备，灿芯半导体推出音频/语音DSP参考设计平台
该音频/语音DSP参考设计平台基于CEVA-TeakLite-4 DSP核开发，融合了多种传感器技术、信号处理技术和无线互联技术，旨在为手持移动设备、可穿戴设备和智能家居单芯片（SoC）设计提供原型参考，降低设计风险，加快上市时间。
【应用】业界首款单芯片数字紫外线指数传感器IC，用于测量人们的心跳、血压，追踪阳光紫外线强度
Silicon Labs Si1132/Si114x光学传感器是业界首款单芯片数字紫外线指数传感器IC，配合Silicon Labs动态心率检测算法，使可穿戴产品和智能手机具备跟踪紫外线阳光强度、动态心率和血氧测量的功能。
中科银河芯GXT310、GXT311等多款温度传感器IC是可穿戴设备精准测温的解决方案之一
精度是传感器产品技术有效创新的标志，中科银河芯GXT310的典型精度可达±0.1℃（医用体温计规定，电子体温计在35.3℃-41.0℃区间的最大允许误差为±0.2℃，37℃-39℃范围内＜0.1℃），完全符合人体测温产品的医用规定。
暖芯迦引领消费电子领域的健康监测与神经调控革新
从健康监测到神经调控，从可穿戴设备到智能家居，暖芯迦的产品正在逐步改变并优化消费电子产品的功能与应用。
基于芯海科技可穿戴测量PPG AFE芯片CS1262的智能戒指创新应用方案，具有高准确度、超强抗干扰等优势
芯海科技基于可穿戴测量PPG AFE芯片CS1262，推出全新的智能戒指心率、血氧测量方案。该方案充分发挥CS1262高信噪比、低功耗的产品特性，通过优化的光路结构设计、适配指环的心率血氧算法，实现了心率、血氧、HRV、睡眠等人体生理指标的高精度测量。
德聚MEMS传感器芯片用胶，具有优异粘接和电绝缘性能，有效保障传感器系统稳定
德聚致力于成为解决行业痛点的材料应用专家，为客户打造高性能材料应用方案及高品质定制化服务。针对MEMS传感器的芯片，德聚可提供具有优异粘接性能和电绝缘性能的胶粘剂，确保芯片在封装过程中得到有效的固定和保护，从而保障整个传感器系统的稳定。
【IC】灵动佳芯推出最小尺寸的非接触式温感芯片ZT9798，测量精度±0.05℃，低功耗模式下电流仅2.56μA
灵动佳芯推出ZT9798非接触式红外体温传感器芯片，红外与内置温感集成，精准测量物体表面温度，适合IOT、工业、仓储领域温度监控、可穿戴设备的附着和移除检测等应用场景。
基于大数据与深度学习的穿戴式运动心率算法
在运动心率检测方面，芯海科技CS1262作为一款穿戴式健康测量领域的成熟芯片，凭借高配置性、高精度测量、超强抗干扰能力、低功耗操作、全肤色适配、高可靠性和易用性等优势，以及提供完整的软件算法集成方案，显著提升了客户的终端方案开发效率，助力产品快速上市。
【产品】芯海科技新品CS1262高精度全场景低功耗高性能PPG AFE，兼容主流AFE设计
芯海科技高性能PPG AFE CS1262作为关键性能指标赶超业界一流水平，首款适配OpenHarmony的PPG产品，可以与主流AFE设计兼容，能够为用户提供高配置、高精度测量、超强抗干扰、低功耗、全肤色支持、高可靠及易用性等七大核心价值。
Melexis（迈来芯） MLX90251霍尔传感器 数据手册（中文）
描述- MLX90251是一款可编程的线性霍尔效应传感器芯片，具备模拟信号处理能力，支持四边形可转换的霍尔盘、斩波稳定放大器等功能。该芯片具有线性模拟比例输出电压，并提供可编程的静态电压范围、磁性敏感度、低通滤波器等特性。它广泛应用于线性位置传感器、旋转位置传感器、电流传感器等领域。
型号- MLX90251LVA-FAA-100-BU,MLX90251LVA-FAA-300-SP,MLX90251,MLX90251EVA-FAA-100-BU,MLX90251EVA-FAA-300-BU,MLX90251LVA-0,MLX90251EGO-0,MLX90251LVA-1,MLX90251EVA-3,MLX90251EGO-1,MLX90251LVA-2,MLX90251LVA-3,MLX90251EVA-FAA-200-SP,MLX90251EVA-FAA-000-BU,MLX90251LVA-FAA-200-BU,MLX90251EGO-2,MLX90251EGO-3,MLX92251LSE-ABA-000-SP,MLX90251LVA-FAA-300-BU,MLX90251EVA-0,MLX90251LVA-FAA-000-BU,MLX90251EVA-FAA-200-BU,MLX90251EVA-2,MLX90251EVA-1
芯海科技亮相OpenHarmony开发者大会，共探开源鸿蒙互联新标准
2024年5月25日，“OpenHarmony开发者大会2024”在深圳盛大开幕。本次大会以“鸿心聚力 智引未来”为主题，深入交流了OpenHarmony的技术革新和生态进展，汇聚了数百位行业精英，共同绘制智能生态的宏伟蓝图。芯海科技作为OpenAtom OpenHarmony项目群的B类捐赠人受邀出席此次盛会。
电子商城
现货市场
服务
可定制板装式压力传感器支持产品量程从5inch水柱到100 psi气压；数字输出压力传感器压力范围0.5~60inH2O，温度补偿范围-20~85ºС；模拟和数字低压传感器可以直接与微控制器通信，具备多种小型SIP和DIP封装可选择。
提交需求>
可定制温度范围-230℃~1150℃、精度可达±0.1°C；支持NTC传感器、PTC传感器、数字式温度传感器、热电堆温度传感器的额定量程和输出/外形尺寸/工作温度范围等参数定制。
提交需求>
授权代理品牌：集成电路
授权代理品牌：分立元件
授权代理品牌：接插件及结构件
授权代理品牌：部件、组件及配件
授权代理品牌：电源及模块
授权代理品牌：电子材料
授权代理品牌：仪器仪表及测试配组件
授权代理品牌：电工工具及材料
授权代理品牌：机械电子元件
授权代理品牌：加工与定制
我要提问
登录 | 立即注册
提交评论