光电二极管零接触测量心脏和呼吸频率

最近，埃因霍温理工大学和霍尔斯特中心TNO的一组研究人员基于类似于具有多个堆叠电池的太阳能电池板的技术制造了光电二极管。结果：光电子产率超过200%。

 

研究人员Riccardo Ollearo展示了光电二极管（右）如何从他的手指检测到他的心脏信号，这些信号记录在屏幕上的心率监测器上（左）。图片由Bart van Overbeeke/TU Eindhoven提供

 

研究人员专注于量子效率，而不是普通的能量效率，旨在提高光电二极管检测弱光信号的能力，从而提高其效率。该团队计划将这项技术用于远程心脏和呼吸监测。

 

光电二极管在PPG中的作用

光电二极管在许多生物医学应用中是必不可少的，包括光电体积描记术（PPG），用于检测血容量和流量的变化。在这种测量心率的方法中，光电二极管检测血管吸收或反射的光量。当血液流过血管时，被吸收或反射的光量发生变化，光电二极管将这些变化检测为光信号强度的波动。

 

埃因霍温大学实验中使用的光电二极管原型。图片由Bart van Overbeeke/TU Eindhoven提供

 

光电二极管的灵敏度决定了它检测光强度变化的能力。更灵敏的光电二极管可以检测光强的微小变化，从而更准确可靠地测量血液流量和体积。灵敏度在PPG等生物医学应用中尤为重要，精确的测量对于诊断和监测心血管疾病等疾病至关重要。

PPG远程评估新生儿和皮肤病患者的心肺活动。这项技术也适用于需要更舒适地监测患者的情况，例如在他们睡觉或休息时。然而，在远程检测的情况下，由于环境光引起的光学损耗和背景噪声，信号较弱且具有较低的完整性。背景噪声会给PPG信号增加随机波动，并改变其基线，即当血容量或流量没有变化时PPG信号的稳态水平。

 

高量子效率的串联方法

理想的光电二极管应该区分背景光和相关的红外光。它还应该最小化在没有光的情况下产生的电流，即所谓的暗电流。将暗电流最小化可使灵敏度最大化。这两种特性在光电二极管中都很难实现。

埃因霍温理工大学和霍尔斯特中心TNO的一组研究人员成功制造出了一个不到10个的光电二极管⁻⁶毫安厘米⁻²暗电流，大于200%的量子效率，以及对其他波长的固有滤波以限制光学噪声。该器件产生超低暗电流，同时对背景光的耐受性高于光学过滤的硅基传感器。

串联光电二极管是一种光电二极管，由两层或多层半导体层堆叠而成。每一层吸收不同部分的入射光，从而可以检测到更宽范围的波长。

 

串联设备体系结构。图片由Science Advances提供

 

堆叠的二极管增加了吸收，同时减少了热噪声的影响，限制了单层光电二极管的量子效率。这些层被设计成具有不同的带隙能量，这有助于将热能分布在宽范围的能级上，从而降低热噪声引起的电子-空穴对产生的可能性。此外，它们通常比单层光电二极管具有更低的暗电流，从而导致更高的信噪比。

该研究的合著者、TU/e教授RenéJanssen和他的博士生Riccardo Ollearo构建了一种将钙钛矿和有机光伏电池相结合的串联光电二极管。使用这两层，它们达到了约70%的量子效率，并且通过额外的绿光，它们将近红外光的效率提高到了200%以上。

 

提高效率的关键：开绿灯？

研究人员不确定这种高灵敏度背后的机制。尽管如此，他们有一个理论可以解释这种影响。他们认为，额外的绿光可能会导致钙钛矿层中高能电子的积聚，当低能量红外光子在有机层中被吸收时，这些电子会作为释放的电荷库。Ollearo认为，每一个突破这一层的红外光子都会转化为一个电子，并接收一个额外的电子，从而达到200%以上的效率。

该团队测试了他们的设备，将其保持在距离手指130厘米的地方，并检测到二极管反射的红外光的微小变化。这表明血压和心率正确。他们还能够通过胸部的轻微运动来测量呼吸速率。

 

测试设备时的重要信号。图片由TU Eindhoven提供

 

该团队进一步计划加快该设备的速度并对其进行临床试验。此外，他们计划与由TU Eindhoven研究人员领导的FORESEE项目合作，开发一种智能相机来观察患者的心率和呼吸频率。