CN110200604A - 一种心率模组以及采集心率的电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种心率模组以及采集心率的电子设备。该心率模组包括基板以及设置在基板上的第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片、第二光学传感器芯片；在基板上还设有将第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片、第二光学传感器芯片隔离开的隔离光栅墙；隔离光栅墙与基板分别围成了容纳第一光波发射单元的第一收容腔，容纳第二光波发射单元的第二收容腔，容纳第一光学传感器芯片的第三收容腔，容纳第二光学传感器芯片的第四收容腔；第一收容腔和第二收容腔的四周内壁均具有拔模斜度，且在第一收容腔和第二收容腔的内壁表面上设置有不导电的反光镀膜。本发明的一个技术效果为能使光波发射单元的出光量增多。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器领域，更具体地，本发明涉及一种心率模组以及采集心率的电子设备。
背景技术
如今，基于工作压力以及饮食结构不合理等多方面的因素，心脑血管疾病例如高血压、冠心病等逐渐成为临床医学上的常见病和多发病。而且，心脑血管疾病已不再是仅存在于中老年人群中，而是逐渐趋向于向年轻化发展，已经引起了社会各界的普遍关注。实际上，心脑血管疾病多属于慢性突发疾病，目前只能进行控制而无法根治，需要病人定期去医院接受检查和长期服食相关的药物。然而，即使是这样也不能完全避免突发状况的发生。为了能尽可能的避免突发状况发生，很有必要实时监测患者的心率变化、血压等参数，以便于及时发现问题，从而能快速采用相应的治疗措施，以避免危险状况的突发。
近些年来，随着人们生活水平的日益提高，很多人开始重视锻炼身体，以通过运动的方式来保持身体健康，预防疾病。但是，在运动时，需要合理控制运动量，即不能运动过量，否则会造成身体损伤。针对这一情况，市面上推出了心率检测设备，通过检测心率从而能确定出合适的运动计划。其中，智能手环、智能手表均属于目前较为常见的便携式心率检测设备，因其具有体积小巧、携带方便，以及在运动中可以正常使用等特点受到了消费者的普遍认可，佩戴后可以实时检测使用者的心率变化情况，使用起来非常的方便。
然而，就现有技术而言，心率检测设备不论是分离方案还是集成模组方案，在LED的出光强度方面大都存在着余量损耗的问题。具体来说：在现有的心率传感器中，LED发射出的光均是向四周散射的，散射到障碍物的光就会被障碍物吸收而被消耗掉，这样会造成入射到人体皮肤或血液里面的用于检测的光减少，这就会影响到最终检测的准确性。由此可见，非常有必要对于现有的心率模组的内部结构和光路进行合理的调整，以使LED的出光强度达到最佳。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种心率模组的新技术方案。
根据本发明的一个方面，提供了一种心率模组，包括基板以及设置在基板上的第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片、第二光学传感器芯片；在所述基板上还设置有将所述第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片、第二光学传感器芯片隔离开的隔离光栅墙；
所述隔离光栅墙与基板分别围成了容纳第一光波发射单元的第一收容腔，容纳第二光波发射单元的第二收容腔，容纳第一光学传感器芯片的第三收容腔，容纳第二光学传感器芯片的第四收容腔；所述第一收容腔和第二收容腔的四周内壁均具有拔模斜度，且在所述第一收容腔和第二收容腔的内壁表面上全部或者局部设置有不导电的反光镀膜。
可选地，所述反光镀膜采用Ti305材料或者SiO2材料或者不导电高铝反光膜。
可选地，所述反光镀膜的厚度不大于1μm。
可选地，所述拔模斜度为≥45°。
可选地，所述第一光学传感器芯片与所述第一光波发射单元之间的距离为6-10mm；
所述第二光学传感器芯片与所述第二光波发射单元之间的距离为2.3-3.2mm。
可选地，所述第一光学传感器芯片与所述第一光波发射单元之间的距离为9mm；所述第二光波发射单元和所述第二光学传感器芯片设置在所述第一光学传感器芯片与所述第一光波发射单元之间，所述第二光波发射单元靠近所述第一光学传感器芯片，所述第二光学传感器芯片靠近所述第一光波发射单元，且所述第二光学传感器芯片与所述第二光波发射单元之间的距离为2.5mm。
可选地，所述第一光波发射单元包括两个红光LED芯片和一个红外光LED芯片，且所述两个红光LED芯片和一个红外光LED芯片分布在同一直线上，所述红外光LED芯片位于两个红光LED芯片之间。
可选地，所述第二光波发射单元包括三个绿光LED芯片，且所述三个绿光LED芯片分布在同一直线上。
可选地，所述隔离光栅墙上还设置有使所述第一收容腔、第二收容腔、第三收容腔、第四收容腔与外界连通的透光窗口。
可选地，所述的心率模组，还包括设置在所述基板上的模拟前端和电源管理单元；所述第一光学传感器芯片、第二光学传感器芯片分别贴装在所述电源管理单元、模拟前端上。
根据本发明的另一个方面，提供了一种采集心率的电子设备，包括如上述任一种所述的心率模组。
本发明实施例提供的心率模组，将各个部件合理的封装在一起，可以减少各个部件占用整机的空间，缩小了心率模组的体积，即实现了心率模组的微型化。而且，通过对模组内结构的合理布置以及光路的调整，可以有效避免LED的出光散射的现象，即可以使LED的出光大量聚集，能使大量的光射到人体的皮肤或血液中，有助于提高检测的准确性。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明实施例提供的心率传感器的结构示意图。
附图标记说明：
1-红光LED芯片，2-红外光LED芯片，3-模拟前端，4-电源管理单元，5-绿光LED芯片，6-隔离光栅墙，7-第一光学传感器芯片，8-第二光学传感器芯片，9-反光镀膜。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1所示，本发明实施例提供了一种心率模组，包括基板(图1中未示出)以及设置在该基板上的第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8。其中，所述的基板可以采用本领域技术人员所熟知的电路板等，且在电路板内可以预先设置有心率模组的电路布图。所述的第一光学传感器芯片7和第二光学传感器芯片8可以采用本领域技术人员熟知的光电二极管PD，可用于将光信号转换为电信号，本发明在此不再具体说明。
参考图1所示，本发明的第一光波发射单元包括两个红光LED芯片1和一个红外光LED芯片2，且两个红光LED芯片1和一个红外光LED芯片2共同分布在同一直线上，红外光LED芯片2位于两个红光LED芯片1之间。也就是说，两个红光LED芯片1和一个红外LED芯片2在基板上呈长条状排列。该第一光波发射单元被配置为用于发射红色光波(两个红光LED芯片1)和红外光波(一个红外光LED芯片2)。本发明的第一光波发射单元发射出的红色光波和红外光波可用于测试血氧饱和度数据以及心率数据等。其中，两个红光LED芯片1和一个红外光LED芯片2可以采用本领域熟知的方式安装在基板上，例如可以通过贴装的方式固定设置在基板上。并且，与传统的采用单个红光LED芯片不同，本发明中采用了两个红光LED芯片，不仅可以使发出的红光强度高，还可以有效的增大检测范围。实际上，采用单个红光LED芯片时，检测范围是比较小的，特别是在运动时，心率模组很容易出现偏移的现象，此时就可能出现没有红色光波反馈或者红色光波反馈量很少的现象，最终会影响到检测结果的准确性。
参考图1所示，本发明的第二光波发射单元包括三个绿光LED芯片5，且这三个绿光LED芯片5共同分布在同一直线上。该第二光波发射单元被配置为可用于发射出绿色光波。本发明的第二光波发射单元发射出的绿色光波也可用于测试心率。具体来说，绿光LED芯片5发出的绿色光波可以与第二光波发射单元配合测量血液在血管中流动时密度发生的改变情况，经进一步的计算后可以测试心率数据。其中，所述的三个绿光LED芯片5可以采用本领域熟知的方式安装在基板上，例如可以通过贴装的方式固定设置在基板上。与传统的单个绿光LED芯片不同，本发明中采用了三个绿光LED芯片5，可以使发射出的绿光强度增强，这样从血液中反射回来的绿光信号也就比较多。本发明中，三个绿光LED芯片呈长条状排列，可以有效的增大检测范围，即使因为运动等原因造成心率模组偏移时，也能有较多的绿光信号反馈，可以有效避免单个绿光LED芯片造成的信号检测不到的情况发生。
本发明的第一光学传感器芯片7被配置为用于接收从皮肤或者血液反射回来的红色光波和红外光波。本发明的第二光学传感器芯片8被配置为用于接收从皮肤或血液反射回来的绿色光波。并且，第一光学传感器芯片7和第二光学传感器芯片8还被配置为可以同时接收不同的光波。具体来说：当第一光波发射单元和第二光波发射单元的出光射到人体皮肤或血液中，分别由第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8接收经皮肤或血液反射回来的光信号，可以根据光线的强弱使第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8发出不同的控制信号。其中，第一光学传感器芯片7和第二光学传感器芯片8均可以采用本领域熟知的方式安装在基板上，例如可以通过贴装的方式固定设置在基板上。而与传统的心率模组或者心率传感器相比，本发明的心率模组采用了两个光学传感器芯片，可以增加对于反射光波接收的检测范围，还可以分别接收从皮肤或血液反射回的红色光波/红外光波和绿色光波，分别测试血氧饱和度数据以及心率数据等，实现实时检测。
本发明的心率模组，在基板上还设置有用于将第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8隔离开来的隔离光栅墙6。其中，该隔离光栅墙6选择采用不透光的材料制作而成，用于将第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8光隔离开来。可以有效防止第一光波发射单元发出的光直接被第一光学传感器芯片7接收，以及第二光波发射单元发出的光直接被第二光学传感器芯片8接收，使得第一光波发射单元与第一光学传感器芯片7之间、第二光波发射单元与第二光学传感器芯片8相互之间不会发生相互的干扰，有助于测试的准确性。
并且，本发明的隔离光栅墙6与基板结合，分别围成了容纳第一光波发射单元的第一收容腔，容纳第二光波发射单元的第二收容腔，容纳第一光学传感器芯片7的第三收容腔，以及容纳第二光学传感器芯片8的第四收容腔。而且，在隔离光栅墙6上还设置有连通第一收容腔、第二收容腔、第三收容腔、第四收容腔与外界的透光窗口。此时，第一光波发射单元和第二光波发射单元发射出的光波可以通过隔离光栅墙6上的透光窗口向外部射出，从而被人体的皮肤或血液所接收，而第一光学传感器芯片7和第二光学传感器芯片8可以分别接收从对应的透光窗口进入的从皮肤或血液反射回来的光波。
需要说明的是，隔离光栅墙6与基板之间可以采用粘接的方式结合在一起，当然，隔离光栅墙6与基板也可以采用超声波焊接的方式结合成一个整体，本发明对此不作限制。
其中，参考图1所示，所述第一收容腔和第二收容腔的四周内壁具有拔模斜度，且所述第一收容腔和第二收容腔的内壁表面上全部或者局部设置有不导电的反光镀膜9。反光镀膜9的面积可以根据实际情况灵活调整，本发明对此不作限制。反光镀膜9可以使第一收容腔和第二收容腔的内壁形成高亮反光面(即聚光面)，当第一光波发射单元和第二光波发射单元发射光波时，可以产生良好的聚光效果。也就是说，通过改变光路设计获得了良好的聚光效果。本发明中，通过拔模斜度和镀膜工艺，可使第一光波发射单元和第二光波发射单元的出光量增多，能减少光的损失，从而能使更多的光射到人体皮肤或者血液中，有利于提高心率检测结果的准确性。
其中，反光镀膜9选择采用不导电的反光材料，例如反光镀膜9可以选择采用Ti305材料或者SiO2材料。当然，反光镀膜9也可以采用本领域技术人员熟知的其他材料，例如不导电高铝反光膜，本发明对此不作限制。
其中，反光镀膜9的厚度应当控制为不大于1μm，即反光镀膜9的厚度应当小于或者等于1μm。反光镀膜9的厚度不易过大，否则会影响与第一收容腔和第二收容腔内壁的结合牢固度，也会增加生产成本。
其中，第一收容腔和第二收容腔的四周内壁均具有拔模斜度，该拔模斜度可以控制为≥45°。拔模斜度可以根据实际的情况灵活调整，以获得良好的聚光效果，例如拔模斜度可以为45°，50°，60°，65°，70°，75°，80°等，可以根据实际情况灵活调整，本发明对此不作限制。另外，若因为尺寸问题无法达到45°，也可以不设特殊要求，有角度即可。
另外，在本发明的基板上还可以固定结合有第一透光胶体、第二透光胶体、第三透光胶体以及第四透光胶体。具体来说：通过第一透光胶体可以将第一光波发射单元(两个红光LED芯片1和一个红外光LED芯片2)固定设置在基板上，通过第二透光胶体可以将第二光波发射单元(三个绿光LED芯片5)固定设置在基板上，通过第三透光胶体可以将第一光学传感器芯片7固定设置在基板上，通过第四透光胶体可以将第二光学传感器芯片8固定设置在基板上。即通过第一透光胶体、第二透光胶体、第三透光胶体、以及第四透光胶体可以分别对第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8进行保护，而且不会影响各个部件的功能，例如向外发射光波，或者接收反射回来的光波，以便于完成测试。需要说明的是，第一透光胶体、第二透光胶体、第三透光胶体以及第四透光胶体分别通过对应的透光窗口注入到第一收容腔、第二收容腔、第三收容腔、第四收容腔内，最后经固化后，即可将第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8固定设置在基板上。
当然，第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8也可以直接固定在基板上，此时可以在第一收容腔、第二收容腔、第三收容腔、第四收容腔各自的透光窗口上分别设置有透光玻璃，也可以实现对第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8的保护，但是由于透光玻璃具有一定的厚度，有可能会影响整个心率模组的尺寸。
本发明的心率模组，其包括两个光学传感器芯片，即第一光学传感器芯片7和第二光学传感器芯片8，在有效的模组尺寸情况下，通过调整第一光波发射单元与第一光学传感器芯片7的距离，以及第二光波发射单元与第二光学传感器芯片8的距离，可以使第一光学传感器芯片7更好的接收到从皮肤或血液反射回来的红色光波和红外光波，使第二光学传感器芯片8更好的接收到从皮肤或血液反射回来的绿色光波。即通过调整两个光学传感器芯片的位置，可以达到较优的光学距离，有助于实现准确的检测。
其中，第一光学传感器芯片7与第一光波发射单元之间的距离应当控制在6-10mm，当接近9mm时红色光波和红外光波的接收效果最佳。第二光学传感器芯片8与第二光波发射单元之间的距离应当控制在2.3mm-3.2mm左右，当为2.5mm时绿色光波接收效果最佳。
在本发明的一个具体实施方式中，参考图1所示，在一个基板上，第一光学传感器芯片7与第一光波发射单元之间的距离控制为9mm，此时，第一光学传感器芯片7与第一光波发射单元之间具有一定空余空间，考虑到缩小整个心率模组的尺寸，可以有效利用这部分的空间来安置第二光波发射单元和第二光学传感器芯片7。而为了不使第一光波发射单元发射的光波与第二光波发射单元发射的光波相互干扰，可以将第二光波发射单元靠近第一光学传感器芯片7设置，将第二光学传感器芯片8靠近第一光波发射单元设置，以使第一光波发射单元和第二光波发射单元隔开，其中需要保证第二光学传感器芯片8与第二光波发射单元之间的距离为2.5mm。采用这一设计，可以在有限的模组尺寸情况下，来调整绿色光波和红色光波/红外光波与对应的光学传感器芯片的距离，达到较优的光学距离，最终实现良好的检测结果。
在本发明的另一个具体实施方式中，在一个基板上，第一光学传感器芯片7与第一光波发射单元之间的距离为9mm(该距离最优接收反射回来的红色光波和红外光波的距离)，将第二光波发射单元和第二光学传感器芯片8设置在第一光学传感器芯片7与第一光波发射单元之间，其中，第二光波发射单元靠近第一光学传感器芯片7设置，第二光学传感器芯片8靠近第一光波发射单元设置，且第二光学传感器芯片8与第二光波发射单元之间的距离为2.5mm，第一光学传感器芯片7与第二光波发射单元之间的距离也为2.5mm。该设计可以使第一光学传感器芯片7既可以接收从皮肤或血液反射回来的红色光波和红外光波，也可以接收到从皮肤或血液反射回来的绿色光波，第二光学传感器芯片8可以接收从皮肤或血液反射回来的绿色光波，经多次计算取平均值，有利于提高检测结果的准确性。
需要说明的是，第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8在基板上的位置不限于上述的两种实施方式，可以根据心率模组的尺寸灵活调整，只要保证能接收到光波即可，本发明对此不作限制。
本发明的心率模组，参考图1所示，还包括设置在基板上的模拟前端3(AFE)和电源管理单元4(BOOST)。其中，模拟前端3和电源管理单元4均贴装在基板上，且与基板内的电路导通。第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8分别贴装在电源管理单元4、模拟前端3上。
通常，本发明的心率模组采用与人体皮肤贴近的方式进行测量，其中，通过电源管理单元4可以控制第一光波发射单元(两个红光LED芯片1和一个红外光LED芯片2)、第二光波发射单元(三个绿光LED芯片5)发光，而由第一光波发射单元和第二光波发射单元发出的光线射向人体的皮肤，一部分会被皮肤软组织吸收，另一部分从皮肤或者血液中反射回来，分别被第一光学传感器芯片7、第二光学传感器芯片8接收到。例如，由于血液中氧含量等的不同会造成对红光、红外光吸收率不同，从而使反射回来的光线存在微弱变化，引起第一光学传感器7输出电流的变化，这个变化经模拟前端(AFE)3转换后送入处理器等部件中进行进一步处理，例如通过对比红光信号和红外光信号强度的差异，计算出血液中的氧含量，即得到血氧值；并且，当心脏跳动时，血液会在皮肤内流动，会造成皮肤中血液含量的变化，通过计算红光信号或者红外光信号的变化与时间的关系，便可以计算出心率。也可以通过绿光LED芯片5与第二光学传感器芯片8配合，测量血液含量的变化，通过计算绿光信号的变化与时间的关系，也可以测试心率数据。
本发明的心率模组，减少了不必要的复杂结构设计，可以将各个部件采用简单的方式封装在一起，能减少各个部件占用整机的空间，缩小了心率模组的体积，即实现了心率模组的微型化。并且，通过电源管理单元4合理分配供电，增大了心率模组内电池的待机时间。同时，还解决了心率模组LED出光的聚光问题，有效克服了现有技术中的缺陷，有助于提高心率检测结果的准确性。
另一方面，本发明实施例还提供了一种采集心率的电子设备，该电子设备包括上述任一种的心率模组。
其中，本发明的采集心率的电子设备可以为智能手环、智能手表、智能手机、以及便携式医疗设备等电子产品，本发明对此不作限制。本发明的采集心率的电子设备可用于进行心率检测，具有检测结果准确的优点。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (11)
1.一种心率模组，其特征在于，包括基板以及设置在基板上的第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片、第二光学传感器芯片；在所述基板上还设置有将所述第一光波发射单元、第二光波发射单元、第一光学传感器芯片、第二光学传感器芯片隔离开的隔离光栅墙；
所述隔离光栅墙与基板分别围成了容纳第一光波发射单元的第一收容腔，容纳第二光波发射单元的第二收容腔，容纳第一光学传感器芯片的第三收容腔，容纳第二光学传感器芯片的第四收容腔；所述第一收容腔和第二收容腔的四周内壁均具有拔模斜度，且在所述第一收容腔和第二收容腔的内壁表面上全部或者局部设置有不导电的反光镀膜。
2.根据权利要求1所述的心率模组，其特征在于，所述反光镀膜采用Ti305材料或者SiO2材料或者不导电高铝反光膜。
3.根据权利要求1所述的心率模组，其特征在于，所述反光镀膜的厚度不大于1μm。
4.根据权利要求1所述的心率模组，其特征在于，所述拔模斜度为≥45°。
5.根据权利要求1所述的心率模组，其特征在于，所述第一光学传感器芯片与所述第一光波发射单元之间的距离为6-10mm；
所述第二光学传感器芯片与所述第二光波发射单元之间的距离为2.3-3.2mm。
6.根据权利要求1所述的心率模组，其特征在于，所述第一光学传感器芯片与所述第一光波发射单元之间的距离为9mm；
所述第二光波发射单元和所述第二光学传感器芯片设置在所述第一光学传感器芯片与所述第一光波发射单元之间，所述第二光波发射单元靠近所述第一光学传感器芯片，所述第二光学传感器芯片靠近所述第一光波发射单元，且所述第二光学传感器芯片与所述第二光波发射单元之间的距离为2.5mm。
7.根据权利要求1所述的心率模组，其特征在于，所述第一光波发射单元包括两个红光LED芯片和一个红外光LED芯片，且所述两个红光LED芯片和一个红外光LED芯片分布在同一直线上，所述红外光LED芯片位于两个红光LED芯片之间。
8.根据权利要求1所述的心率模组，其特征在于，所述第二光波发射单元包括三个绿光LED芯片，且所述三个绿光LED芯片分布在同一直线上。
9.根据权利要求1所述的心率模组，其特征在于，所述隔离光栅墙上还设置有使所述第一收容腔、第二收容腔、第三收容腔、第四收容腔与外界连通的透光窗口。
10.根据权利要求1所述的心率模组，其特征在于，还包括设置在所述基板上的模拟前端和电源管理单元；
所述第一光学传感器芯片、第二光学传感器芯片分别贴装在所述电源管理单元、模拟前端上。
11.一种采集心率的电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的心率模组。
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