TWI743491B

TWI743491B - 可撓式生理感測裝置

Info

Publication number: TWI743491B
Application number: TW108120360A
Authority: TW
Inventors: 趙昌博; 高永樺; 馮清海
Original assignee: 國立陽明交通大學
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2021-10-21
Also published as: TW202045091A

Abstract

一種可撓式生理感測裝置，包含可撓性基材、第一發光元件、以及第一光感測元件。第一發光元件設置於可撓性基材上，配置以發出紅外光照射皮膚組織，紅外光經皮膚組織反射而產生反射光線，其中第一發光元件包括量子點材料。第一光感測元件設置於可撓性基材上，與第一發光元件相鄰，第一光感測元件配置以接收反射光線。

Description

可撓式生理感測裝置

本發明是有關於一種可撓式生理感測裝置。

目前市面上量測人體心跳、脈搏及血壓等生理資訊的儀器多採用光體積變化描記圖法(Photoplethysmography；PPG)。光體積變化描記圖法提供一種非侵入式生理信號量測方式，可分為穿透式或反射式。例如，市面上常見的心率手環即是利用反射式光體積變化描記圖量測。

心率手環配戴於待測者的手腕，利用光發射器發射綠光或紅光，再透過光感測器感測反射自身體的光訊號來分析出心率。然而，心率手環無法完全貼合待測者的皮膚，在使用時容易因手環移動而造成誤判或無法偵測，導致心率資料不正確等問題。因此，需要一種可以貼合皮膚的可撓式生理感測裝置以解決上述問題。

根據本發明之各種實施方式，提供一種可撓式生理感測裝置，包含可撓性基材、第一發光元件、以及第一光感測元件。第一發光元件設置於可撓性基材上，配置以發出紅外光照射皮膚組織，紅外光經皮膚組織反射而產生反射光線，其中第一發光元件包括量子點材料。第一光感測元件設置於可撓性基材上，與第一發光元件相鄰，第一光感測元件配置以接收反射光線。

根據本發明之某些實施方式，可撓性基材具有第一表面及第二表面。第一發光元件包含量子點層以及有機發光二極體，其中，量子點層設置於可撓性基材的第一表面之上，有機發光二極體設置於可撓性基材的第二表面之上。

根據本發明之某些實施方式，第一發光元件包含量子點層、陽極層、電洞傳遞層、發光層、電子傳遞層、以及陰極層。可撓性基材之上依序為量子點層、陽極層、電洞傳遞層、發光層、電子傳遞層、以及陰極層。

根據本發明之某些實施方式，第一發光元件包含陽極層、量子點摻雜電洞傳遞層、發光層、電子傳遞層、以及陰極層。可撓性基材之上依序為陽極層、量子點摻雜電洞傳遞層、發光層、電子傳遞層、以及陰極層。

根據本發明之某些實施方式，第一發光元件包含陽極層、電洞傳遞層、量子點發光層、電子傳遞層、以及陰極層。可撓性基材之上依序為陽極層、電洞傳遞層、量子點發光層、電子傳遞層、以及陰極層。

根據本發明之某些實施方式，量子點材料包含硫化鉛(PbS)量子點或碘鈣鈦礦(Perovskite)量子點。

根據本發明之某些實施方式，可撓式生理感測裝置更包含第二發光元件位於可撓性基材上，且第一光感測元件位於第一發光元件與第二發光元件之間。

根據本發明之某些實施方式，可撓式生理感測裝置更包含第三發光元件、第四發光元件、以及第二光感測元件。第三發光元件設置於可撓性基材上，與第一發光元件相鄰。第四發光元件設置於可撓性基材上，與第二發光元件相鄰。第二光感測元件設置於可撓性基材上，與第一光感測元件相鄰，且位於第三發光元件與第四發光元件之間，其中第一發光元件的表面積及第二發光元件的表面積分別小於第一光感測元件的表面積，且第三發光元件的表面積及第四發光元件的表面積分別小於第二光感測元件的表面積。

根據本發明之某些實施方式，第一光感測元件為有機光偵測器。

根據本發明之某些實施方式，可撓式生理感測裝置更包含固定件，固定件設置於可撓性基材上，配置以將可撓式生理感測裝置固定於皮膚組織。

100‧‧‧可撓式生理感測裝置

110‧‧‧可撓性基材

112‧‧‧第一表面

114‧‧‧第二表面

130、130’、130a、130b、130c、130d‧‧‧發光元件

131‧‧‧量子點層

132‧‧‧有機發光二極體

133‧‧‧封裝層

134‧‧‧陽極層

135‧‧‧電洞傳遞層

135'‧‧‧量子點摻雜電洞傳遞層

136‧‧‧發光層

136'‧‧‧量子點發光層

137‧‧‧電子傳遞層

138‧‧‧陰極層

140、140’‧‧‧發光元件

150、150’‧‧‧光感測元件

151‧‧‧陽極

152‧‧‧施體層

153‧‧‧受體層

154‧‧‧緩衝層

155‧‧‧陰極

160‧‧‧感測電路

200‧‧‧皮膚組織

300‧‧‧電子裝置

L1、L2‧‧‧長度

R1‧‧‧光線

R2‧‧‧紅外光

W1、W2‧‧‧寬度

當讀到隨附的圖式時，從以下詳細的敘述可充分瞭解本揭露的各方面。值得注意的是，根據工業上的標準實務，各種特徵不是按比例繪製。事實上，為了清楚的討論，各種特徵的尺寸可任意增加或減少。

第1圖為根據本發明之各種實施方式繪示的可撓式生理感測裝置的示意圖。

第2圖為根據本發明之各種實施方式繪示的可撓式生理感測裝置的佩戴示意圖。

第3圖為根據本發明之某些實施方式繪示的可撓式生理感測裝置中發光元件部分的剖面示意圖。

第4圖為根據本發明之某些實施方式繪示的可撓式生理感測裝置中發光元件部分的剖面示意圖。

第5圖為根據本發明之某些實施方式繪示的可撓式生理感測裝置中發光元件部分的剖面示意圖。

第6圖為根據本發明之某些實施方式繪示的可撓式生理感測裝置中發光元件部分的剖面示意圖。

第7圖為根據本發明之某些實施方式繪示的光感測元件的剖面示意圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。並且為求清楚說明，元件之大小或厚度可能誇大顯示，並未依照原尺寸作圖。此外，為簡化圖示起見，一些習知慣用的結構與元件在圖示中將以簡單示意的方式繪示之。

在本文中使用空間相對用語，例如「下方」、「之下」、「上方」、「之上」等，這是為了便於敘述一元件或特徵與另一元件或特徵之間的相對關係，如圖中所繪示。這些空間上的相對用語的真實意義包含其他的方位。例如，當圖示上下翻轉180度時，一元件與另一元件之間的關係，可能從「下方」、「之下」變成「上方」、「之上」。此外，本文中所使用的空間上的相對敘述也應作同樣的解釋。

第1圖為根據本發明之各種實施方式繪示的可撓式生理感測裝置100的示意圖。第2圖為根據本發明之各種實施方式繪示的可撓式生理感測裝置100的佩戴示意圖。如第1圖所示，可撓式生理感測裝置100包含可撓性基材110、發光元件130、以及光感測元件150。可撓式生理感測裝置100還可以包含其他元件，將在以下敘述之。

在某些實施方式中，可撓性基材110可以包含括聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚亞醯胺(polyimide，PI)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚丙烯酸酯(polyacrylate，PA)、聚醚碸(polyethersulfone,PES)、聚原冰烯(polynorbornene,PNB)、聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)、聚萘二甲酸乙二醇酯 (polyethylene naphthalate,PEN)或聚醚亞醯胺(polyetherimide，PEI)或其組合，但不限於此。在某些實施方式中，可撓性基材110為透光材料。

請同時參考第1圖及第2圖，發光元件130設置於可撓性基材110上，配置以發出紅外光(未圖示)照射皮膚組織200。發光元件130發出的紅外光經皮膚組織200反射而產生反射光線(未圖示)，其中發光元件130包含一種或多種量子點(Quantum Dot；QD)材料。在某些實施方式中，量子點材料包含硫化鉛(PbS)量子點或碘鈣鈦礦(Perovskite)量子點，但不限於此。在某些實施方式中，量子點可以具有各種形狀，例如球形、橢球形等，但不限於此。在某些實施方式中，紅外光的波長範圍為約800奈米至約1100奈米，例如為約940奈米。在以下敘述中，將搭配第2-6圖說明本發明一些實施例之發光元件130的構造的實例。

第3-6圖分別為根據本發明之一些實施方式繪示的可撓式生理感測裝置100中的發光元件130a、130b、130c、130d部分的剖面示意圖。請先參考第3圖，可撓性基材110具有第一表面112及第二表面114，其中第一表面112朝向皮膚組織200(繪示於第2圖)。

發光元件130a包含量子點層131、以及有機發光二極體132。量子點層131設置於可撓性基材110的第一表面112之上，且有機發光二極體132設置於可撓性基材110的第二表面114之上。在一些實施方式中，量子點層131 包含量子點材料，例如，硫化鉛(PbS)量子點或碘鈣鈦礦(Perovskite)量子點，但不限於此。在某些實施方式中，可以藉由旋轉塗佈(spin coating)或轉印(transfer printing)量子點材料於可撓性基材110的第一表面112之上，進而形成量子點層131。應了解到，雖然第3圖中的量子點層131為單一層的結構，但本發明不限於此。在其他實施方式中，量子點層131也可以為具有多個連續和/或不連續圖案的圖案化(patterned)層。

在一些實施方式中，有機發光二極體132可以為任何合適的有機發光二極體，且有機發光二極體132具有可撓性。如第3圖所示，發光二極體132發出的光線R1照射量子點層131後產生紅外光R2。之後，此紅外光L2再照射到皮膚組織200(繪示於第2圖)。在某些實施方式中，紅外光R2的波長範圍可以為約800奈米至約1100奈米，例如為約940奈米。在某些實施方式中，發光元件130a更包含封裝層133位於第二表面114之上，並且覆蓋有機發光二極體132。

請參考第4圖，發光元件130b包含量子點層131、以及有機發光二極體132。在某些實施方式中，量子點層131的材料及形成方法可以與發光元件130a中的量子點層131相同或相似。例如，利用旋轉塗佈(spin coating)或轉移印刷(transfer printing)等方式，將硫化鉛(PbS)量子點或碘鈣鈦礦(Perovskite)量子點等量子點材料，塗佈於可撓性基材110的第二表面114之上，形成量子點層131。

有機發光二極體132設置於可撓性基材110的第二表面114之上。在某些實施方式中，有機發光二極體132可以與發光元件130a中的有機發光二極體132相同或相似。有機發光二極體132可以為任何合適的有機發光二極體，包含陽極(Anode)層134、電洞傳遞層(hole transporting layer；HTL)135、發光層(light emitting layer；EML)136、電子傳遞層137(electron transporting layer；ETL)、以及陰極(Cathode)層138。在某些實施方式中，發光元件130b更包含封裝層(未繪示)位於第二表面114之上，覆蓋有機發光二極體132及量子點層131。

請參考第5圖，發光元件130c設置於可撓性基材110的第二表面114之上。發光元件130c可以為具有量子點材料的有機發光二極體。詳細的說，發光元件130c包含陽極層134、量子點摻雜(QD doped)電洞傳遞層135’、發光層136、電子傳遞層137、以及陰極層138。

如第5圖所示，陽極層134位於可撓性基材110的第二表面114之上。在某些實施方式中，陽極層134可以包含任何合適的有機發光二極體的陽極材料，例如，氧化銦錫(ITO)，但不限於此。

量子點摻雜電洞傳遞層135’位於陽極層134之上。在某些實施方式中，量子點摻雜電洞傳遞層135’可以摻雜硫化鉛(PbS)量子點或碘鈣鈦礦(Perovskite)量子點等量子點材料，但不限於此。發光層136位於量子點摻雜電洞傳遞層135’之上，且可以包含任何合適的有機發光材料。電子傳遞層137位於發光層136之上，且可以包含任何合適的電子傳遞材料。陰極層138位於電子傳遞層137之上。在某些實施方式中，陰極層138可以包含任何合適的陰極材料，例如鋁(Al)，但不限於此。

在某些實施方式中，發光元件130c更包含封裝層(未繪示)位於第二表面114之上，並且覆蓋上述陽極層134、量子點摻雜(QD doped)電洞傳遞層135’、發光層136、電子傳遞層137、以及陰極層138。

請參考第6圖，發光元件130d設置於可撓性基材110的第二表面114之上。發光元件130d可以為具有量子點材料的有機發光二極體。詳細的說，發光元件130d包含陽極層134、電洞傳遞層135、量子點發光層136’、電子傳遞層137、以及陰極層138。

在某些實施方式中，發光元件130d的陽極層134、電子傳遞層137、以及陰極層138可以與第5圖所示的發光元件130c相同或相似。陽極層134位於可撓性基材110的第二表面114之上。在某些實施方式中，陽極層134可以包含聚二氧乙基噻吩(PEDOT)、摻鋁氧化鋅(AZO)、銀奈米線(Ag nanowire)或其組合，但不限於此。電洞傳遞層135位於陽極層134之上。在某些實施方式中，電洞傳遞層135可以包含二氧化鈦(TiO₂)、氧化銦錫(ITO)或其組合，但不限於此。

量子點發光層136’位於電洞傳遞層135之上。在某些實施方式中，量子點發光層136’可以包含一種或多種量子點材料，例如摻雜硫化鉛(PbS)量子點、碘鈣鈦礦(Perovskite)量子點或其組合，但不限於此。在其他實施方式中，量子點發光層136’中的一種或多種量子點可以具有不同的形狀、不同的結構和/或不同的尺寸。

電子傳遞層137位於量子點發光層136’之上。在某些實施方式中，電子傳遞層137包含三氧化鉬(MoO₃)，但不限於此。陰極層138位於電子傳遞層137之上。在某些實施方式中，陰極層138可以包含任何合適的陰極材料，例如鋁(Al)，但不限於此。

在某些實施例中，也可以省略電洞傳遞層135及電子傳遞層137。具體而言，發光元件130d包含陽極層134、量子點發光層136’、以及陰極層138。在一實施例中，陽極層134可以包含氧化銦錫(ITO)，量子點發光層136’可以包含硫化鉛(PbS)量子點，且陰極層138可以包含氟化鋰(LiF)/鋁(Al)/銀(Ag)之組合。在另一實施例中，陽極層134可以包含二氧化鈦(TiO₂)/氧化銦錫(ITO)之組合，量子點發光層136’可以包含碘鈣鈦礦(Iodide Perovskite)量子點以及聚(9,9-二辛基芴)(poly(9,9-dioctylfluorene)；F8；PFO)，且陰極層138可以包含銀(Ag)/三氧化鉬(MoO₃)之組合。

在某些實施方式中，發光元件130d更包含封裝層(未繪示)位於第二表面114之上，並且覆蓋上述陽極層134、電洞傳遞層135、量子點發光層136’、電子傳遞層137、以及陰極層138。

第7圖為根據本發明之某些實施方式繪示的光感測元件150的剖面示意圖。請同時參考第1圖及第7圖，光感測元件150設置於可撓性基材110之上，與發光元件130相鄰。光感測元件150配置以接收反射光線(未圖示)。具體而言，發光元件130可以發出紅外光(未圖示)照射皮膚組織200(繪示於第2圖)，之後，紅外光經皮膚組織200反射而產生反射光線，而光感測元件150接收此反射光線。在某些實施方式中，光感測元件150可以為任何具有可撓性的光感測元件。在某些實施例中，光感測元件150為有機光偵測器(organic photodetector；OPD)。

如第7圖所示，光感測元件150設置於可撓性基材110的第二表面114之上。光感測元件150可以包含陽極151、施體(Donor)層152、受體(Acceptor)層153、緩衝(Buffer)層154、以及陰極155。在某些實施例中，陽極151為氧化銦錫(ITO)，且陰極155為鋁金屬，但不限於此。

在一些實施方式中，可撓式生理感測裝置100還可以包含發光元件140位於可撓性基材110上，且光感測元件150位於發光元件130與發光元件140之間。發光元件140的構造可以與上述發光元件130(例如，發光元件 130a、130b、130c、130d)相同或相似，故在此不再贅述。在一些實施方式中，發光元件130、發光元件140、以及光感測元件150可以以矩陣方式排列。詳細的說，可撓式生理感測裝置100可以包含多個發光元件130、多個發光元件140、以及多個光感測元件150，其中，每一個光感測元件150的相對兩側為一個發光元件130及一個發光元件140，但本發明不限於此。例如，如第1圖所示，可撓式生理感測裝置100還可以包含發光元件130’、140’、以及光感測元件150’位於可撓性基材110上。發光元件130’與發光元件130相鄰。發光元件140’與發光元件140相鄰。光感測元件150’與光感測元件150相鄰，且位於發光元件130’與發光元件140’之間。發光元件130’、140’的構造可以與上述發光元件130(例如，發光元件130a、130b、130c、130d)相同或相似，且光感測元件150’的構造可以與上述光感測元件150相同或相似。

請繼續參考第1圖。在某些實施方式中，發光元件130的表面積小於光感測元件150的表面積。詳細的說，發光元件130具有長度L1及寬度W1，光感測元件150具有長度L2及寬度W2，且發光元件130的表面積(即L1xW1)小於光感測元件150的表面積(即L2xW2)。在某些實施方式中，發光元件130與光感測元件150之間具有間距，且此間距可視發光元件的發光功率調整。在某些實施例中，發光元件130、140的表面積可以分別小於光感測元件150的表面積，且發光元件130’、140’的表面積可以分別小於光感測元件150’的表面積，以接收反射光線。

在其他實施方式中，光感測元件150任意兩側，或者光感測元件150的四周可以分別設置發光元件130和/或發光元件140。應注意到，本發明的發光元件130、130’、140、140’及光感測元件150、150’的形狀及尺寸不限於第1圖所示。具體而言，可以根據發光元件130、130’、140、140’的數量及功率調整發光元件130、130’、140、140’及光感測元件150、150’的尺寸及數量。在一些實施方式中，可撓式生理感測裝置100更包含感測電路160連接光感測元件150。

請參考第2圖。在一些實施方式中，可撓式生理感測裝置100更包含固定件(未繪示)設置於可撓性基材110上。固定件配置以將可撓式生理感測裝置100固定於皮膚組織200上。具體而言，在某些實施例中，可以在可撓式生理感測裝置100的第一表面112塗佈具有良好生物相容性的透明黏膠，並藉由此透明黏膠將可撓式生理感測裝置100固定在測試者的手腕內側。在某些實施方式中，可撓式生理感測裝置100更包含無線接收發射器，並且可藉由此無線接收發射器連接電子裝置300，而將可撓式生理感測裝置100獲取的訊號傳送至電子裝置300處理，進而獲得待測者的血氧濃度、心率、血壓數值等生理資訊。

如上述實施方式可知，相較於先前技術，本發明的可撓式生理感測裝置具有可撓曲的特性，可以完全貼合於待測者的皮膚組織，與待測者的皮膚組織之間不會產生相對位移。並且，可以將此可撓式生理感測裝置精確地貼合於欲感測部位，例如，手腕脈搏處。因此，可以大幅提升感測效率、靈敏度及準確性。此外，本發明的可撓式生理感測裝置是以紅外光偵測，相較於現有技術中採用可見光的感測裝置，可以避免環境中可見光產生的干擾，因此可提升感測準確性。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧可撓式生理感測裝置

110‧‧‧可撓性基材

130、130’‧‧‧第一發光元件

140、140’‧‧‧第二發光元件

150、150’‧‧‧光感測元件

160‧‧‧感測電路

L1、L2‧‧‧長度

W1、W2‧‧‧寬度

Claims

一種可撓式生理感測裝置，包括：一可撓性基材，具有相對的一第一表面及一第二表面；一第一發光元件，設置於該可撓性基材的該第二表面上，配置以發出一紅外光由該第二表面穿透該可撓性基材照射一皮膚組織，該紅外光經該皮膚組織反射而產生一反射光線由該第一表面穿透該可撓性基材，其中該第一發光元件包括一量子點材料；以及一第一光感測元件，設置於該可撓性基材的該第二表面上，與該第一發光元件相鄰，該第一光感測元件配置以接收該反射光線。
如請求項1所述之可撓式生理感測裝置，其中該第一發光元件包含一量子點層設置於該第一表面之上，以及一有機發光二極體設置於該第二表面之上。
如請求項1所述之可撓式生理感測裝置，其中該第一發光元件包含：一量子點層，位於該可撓性基材之上；一陽極層，位於該量子點層之上；一電洞傳遞層，位於該陽極層之上；一發光層，位於該電洞傳遞層之上；一電子傳遞層，位於該發光層之上；以及一陰極層，位於該電子傳遞層之上。
如請求項1所述之可撓式生理感測裝置，其中該第一發光元件包含：一陽極層，位於該可撓性基材之上；一量子點摻雜電洞傳遞層，位於該陽極層之上；一發光層，位於該量子點摻雜電洞傳遞層之上；一電子傳遞層，位於該發光層之上；以及一陰極層，位於該電子傳遞層之上。
如請求項1所述之可撓式生理感測裝置，其中該第一發光元件包含：一陽極層，位於該可撓性基材之上；一電洞傳遞層，位於該陽極層之上；一量子點發光層，位於該電洞傳遞層之上；一電子傳遞層，位於該量子點發光層之上；以及一陰極層，位於該電子傳遞層之上。
如請求項1所述之可撓式生理感測裝置，其中該量子點材料包含硫化鉛(PbS)量子點或碘鈣鈦礦(Perovskite)量子點。
如請求項1所述之可撓式生理感測裝置，更包含一第二發光元件位於該可撓性基材上，且該第一光感測元件位於該第一發光元件與該第二發光元件之間。
如請求項7所述之可撓式生理感測裝置，更包含：一第三發光元件，設置於該可撓性基材上，與該第一發光元件相鄰；一第四發光元件，設置於該可撓性基材上，與該第二發光元件相鄰；以及一第二光感測元件，設置於該可撓性基材上，與該第一光感測元件相鄰，且位於該第三發光元件與該第四發光元件之間，其中該第一發光元件的一表面積及該第二發光元件的一表面積分別小於該第一光感測元件的一表面積，且該第三發光元件的一表面積及該第四發光元件的一表面積分別小於該第二光感測元件的一表面積。
如請求項1所述之可撓式生理感測裝置，其中該第一光感測元件為有機光偵測器。
如請求項1所述之可撓式生理感測裝置，更包含一固定件設置於該可撓性基材上，配置以將該可撓式生理感測裝置固定於該皮膚組織。