基于微腔OLED的有机PPG脉搏传感器研究 -- 知识铺

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导 读

在现代社会快节奏生活带来的精神压力下，心血管疾病已成为人类主要致死疾病之一。作为反映心脏工作状态的重要参数，脉搏和血氧饱和度是可穿戴设备中最基本和最重要的监测指标。

当前，光电容积脉搏波描记法（Photoplethysmography, PPG）被广泛应用于这些设备中，利用光学技术测量人体血液容积的动态变化，从而实现对脉搏和血氧饱和度的监测。

主流的可穿戴PPG传感器通常采用传统的无机发光二极管（LED）作为光源，并结合传统的无机光电探测器（PD）以实现可靠的脉动信号采集。然而，由于无机半导体的特性，这种传感器在舒适度、运动伪影和功耗等方面仍存在一定不足。相比之下，有机PPG传感器因其高柔性、低功耗和易加工制造等优势而备受关注。然而，传统OLED发光模式通常遵循朗伯体规律，导致高发射角方向上发光强度较低。在反射式PPG传感器中，这会使大部分光子难以到达有机光电探测器（OPD），导致光能浪费和降低PPG信号质量。因此，采集的信号中存在各种噪声和不断变化的直流漂移，进而影响信噪比和交直流分量比。

针对该问题，近期，吉林大学谢文法教授课题组提出了基于微腔OLED的PPG传感器，旨在开发低功耗、高交直流分量比和高信噪比的脉搏传感系统，以解决集成式有机PPG传感器在可穿戴领域面临的挑战。这一创新思路有望推动未来可穿戴设备低功耗研究，促进OLED技术进步并拓展其应用领域。

该研究成果以“Organic Photoplethysmography Sensor Based on Directional Emission Microcavity Organic Light-Emitting Device”为题在线发表在_Laser & Photonics Reviews_。

本文第一作者为吉林大学电子科学与工程学院硕士生朱浩，通讯作者为吉林大学电子科学与工程学院、集成光电子学国家重点实验室刘士浩副教授、张乐天教授以及谢文法教授。

图1：基于微腔OLED的有机PPG传感器设计

在这项研究中，为了改进OLED光源的角度特性，研究人员提出利用微腔效应调控OLED的光子辐射模式。他们通过增强高发射角辐射强度来提高OLED辐射光子穿过皮肤后到达OPD的概率，从而增加脉搏信号的幅值。同时，通过减小低发射角辐射强度来降低光子经过肌肉、骨骼等不含或少含动脉血的组织后到达OPD的概率，以减少直流分量，从而实现增大AC/DC比，提高信号质量的目的。整体设计思路如图1所示。为了实现这一目标，他们设计并制备了三种不同腔长的微腔OLED，分别实现了低发射角、朗伯体和高发射角三种不同角度发射强度占优的光子辐射模式。

图2：传感电路设计及仿真

为了对PPG传感器的微小信号进行放大、滤波等处理，并验证传感器性能，研究人员设计并制作了专用于该PPG传感器的微小信号传感电路。该电路包括跨阻抗放大器、第一级四阶压控电压源带通滤波器、放大电路、第二级四阶压控电压源带通滤波器、滞回比较器和电平转换器，如图2所示。通过Multisim软件仿真验证了电路各部分的功能和性能。最终，将该电路布局在面积不到24 cm²的6层结构PCB板上，以实现对PPG传感器信号的有效处理和性能检验。

图3：有机PPG传感器光电集成及光学仿真

为了验证高发射角OLED光源对提升PPG传感器性能的有效性，研究人员进行了基于不同角度发射强度占优的微腔OLED光源的有机PPG传感器的版图设计。他们利用SPEOS软件对基于环形OPD环绕圆形OLED布局的有机PPG传感器进行了光学仿真，如图3所示。仿真结果表明，高发射角OLED光源能显著增加出射光子到达OPD的概率，从而提高了PPG信号的质量。随后，研究人员成功制备了该集成式有机PPG传感器，并顺利测得了脉搏频率，如图3所示。

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图4：有机PPG传感系统性能表征与分析

研究人员的进一步实验结果显示，将电路结合所制备的有机集成PPG传感器不仅成功测到了信噪比高达27 dB的脉搏信号，而且具有良好的抗干扰性能，如图4所示。更重要的是，成功实测证明了高发射角OLED不仅能获得更大幅值的脉搏信号（与对比组低发射角OLED相比增幅达到47.66%），还能获得更小的直流分量，从而得到更大AC/DC比的信号。此外，在满足识别精度要求下，所制备的有机集成PPG脉搏传感器具有极低功耗，仅为9.96 μW。最后，将所开发的PPG脉搏传感器与商用PPG传感器（如小米手环6）进行对比。结果显示，在10次测试中，研究人员开发的有机PPG脉搏传感器与商用传感器的检测结果最大误差仅为2.9%，平均误差低至1.36%，表现出较高的准确度。

论文信息

H. Zhu, H. Yu, J. Zhang, Y. Zhang, L. Zhang, S. Liu, W. Xie, Organic Photoplethysmography Sensor Based on Directional Emission Microcavity Organic Light-Emitting Device. Laser Photonics Rev 2024, 2400042. 

https://doi.org/10.1002/lpor.202400042

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