一种内置于耳机和可穿戴设备的差分光谱传感器

：本发明属于光谱探测，涉及一种高集成度的微型光谱探测传感器，用于塞入耳朵内部的耳机产品或者可穿戴设备或者体内探测产品中,检测人体相关的生物信息。

背景技术：

1、耳机产品或者可穿戴设备得到普遍关注和应用，所需要的传感器要求体积微小、低功耗、应用便捷。

2、光谱探测技术是通过目标自身发射的光谱曲线特征、对不同波长光照的反射差异(反射光谱特征)分析其成分、属性(温度、表面结构)等的技术，可以无损地对物质的结构和组分进行定性、定量的分析，是目前科学研究与工业中使用最广泛的无损分析工具之一，已经得到广泛应用，但是相关产品在小型化方面具有诸多困难，尚未有芯片级的专用的光源-差分探测器一体的芯片产品。

3、随着生活水平的提高，越来越多的人们更加注重生活品质和身体健康，如食品新鲜度检测、水果糖度检测、无创血糖检测、室内天然气泄漏检测、家具有害挥发物检测等等，这就导致了对光谱检测需求的快速增长，而传统光谱仪器虽然可以提供超精细的光谱分辨率和宽谱段的光谱范围，但是其存在体积大、功耗高、成本昂贵、环境适应性差、不便于二次开发等诸多使用限制因素，难以满足人们日常生活中对不同场景、轻小便携、快速检测、实时在线等方面的应用需求。如何压缩光谱仪的物理尺寸，降低成本，同时保持获取光谱的稳定性，以及具备较高的光谱分辨率是目前研究的重点以及热点。

技术实现思路

1、发明的目的是实现一种内置于耳机、探头和可穿戴设备中的微型差分光谱传感器，传感器对特定波长的光谱吸收峰进行差分检测，输出与被测量目标某成分有无或者含量相关的信号。

2、内置于耳机和可穿戴设备的亚毫米级差分光谱传感器，通过芯片级的光源1、光电转换探测器2、分光器件4、信号处理器3的整体化设计，形成一个高集成度的微型差分光谱传感器件，每个器件的基本组成结构为光源-探测器组。

3、光源-探测器组的上层为发光面和探测器探测面，一个光源-探测器组包括一个照明微光源和两个或两个以上光电转换探测器单元。照明光源1发射某一波长范围的光线，照射在被探测目标上，反射光或后向散射光返回照射在探测器2单元上，每个探测器单元表面具有可透过不同波长光信号的微腔滤光片4。照明光源1和探测器2之间具有档光板5，避免光源发出的光直接反射照射在探测器单元上。探测器单元通过光电转换得到透过的光信号强度,多个光电探测单元接收不同波长的光信号，输出与相应波长信号强度相关的电信号，全部进入信息处理器3，进行信号处理后通过电路接口6输出差分光谱信号。电路接口6包含输出信号接口和电源接口，通过外壳7封装固定，形成亚毫米级的传感器。

4、光源1和光谱探测器2的有效波长范围都在特定被探测目标的光谱特征峰波长及其波长范围内，并根据特征提取的需要，设计专用的信息处理器3，包括信号转移电路、处理电路和输出电路，其中处理电路具有简单的运算功能，可对不同探测单元输出的信号进行直接运算，例如加权和差分处理，输出包含特征信息的有效信号s，运算的基本公式为：

5、有两个探测器单元的差分运算：s＝(k1·ρ1-k2·ρ2)/(k3·ρ1+k4·ρ2)

6、有三个探测器单元的差分运算：s＝(k1·ρ1-k2·ρ2)/ρref(其中一个为参考信号)

7、式中s为输出信号，其大小和被测量的特征具有强相关，ρ1、ρ2、ρref为光源-探测器组中不同探测单元输出的信号，ρref为参考信号，k、k1、k2、k4为加权值；

8、运算电路可以不经过数字化，直接进行模拟运算、输出模拟信号，也可以数字化后输出数字信号。

9、一个差分光谱传感器器件，可包含两组或者更多组光源-探测器组结构，每组结构的探测波长根据被测目标的光谱特征吸收波长的不同范围而设置，用于多组光谱差分测量，适用于多元光谱特征的综合分析。

10、差分光谱传感器在芯片上实现光源、探测器以及读出和处理电路的整体设计，并通过探测器单元表面处理和刻蚀实现分光器件，最终得到芯片上的差分光谱传感器的微型器件，三维整体尺寸为毫米和亚毫米量级，用于可穿戴设备或者人体内置探头，或其他需抵近或接触测量的差分光谱分析。

11、本发明所述的光谱传感器，可用于水分、生物特征信息、生命或健康参数的测量和监视。传感器输出的信号可通过光谱分析技术，和待检测人体相关的生物信息(包括不限于肌肤水分、血糖、血氧、尿酸、血脂、ph值等)相关联，通过后处理，用于反演特定参数，判断人体健康状况。

12、本发明所述的光谱传感器，其优势一在于传感器的整体尺寸为1毫米或者小于1毫米，适用于耳机、探针、可穿戴设备以及其他对微型尺寸传感器有要求的场合；

13、本发明所述的光谱传感器，其优势二在于直接输出差分光谱信号，可直接根据光谱特征实现物质成分或者生物信息的检测。

技术特征：

1.一种内置于耳机和可穿戴设备的差分光谱传感器，包括在一个芯片上加工实现的光源(1)、光谱探测器(2)和信号处理器(3)，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种内置于耳机和可穿戴设备的差分光谱传感器其特征在于，所述的光源(1)是发光二极管、激光管发光器件，包含一个或者多个发光器件，光源(1)包含被测量的光谱特征峰波长。

3.根据权利要求1所述的一种内置于耳机和可穿戴设备的差分光谱传感器，其特征在于，所述的光谱探测器(2)包含两个或两个以上光电探测单元。

4.根据权利要求1所述的一种内置于耳机和可穿戴设备的差分光谱传感器，其特征在于，所述光谱探测器(2)表面的窄带滤光片(4)是微腔滤光片、超表面结构滤光片，其透过光信号的中心波长分别对应光谱特征峰波长和非吸收峰波长。

5.根据权利要求1所述的一种内置于耳机和可穿戴设备的差分光谱传感器，其特征在于：所述的信号处理电路(3)对光谱探测器(2)不同探测单元的输出信号利用电路进行运算，其基本公式为：

6.一种基于权利要求1所述内置于耳机和可穿戴设备的差分光谱传感器的水分检测传感器，其特征在于：

7.一种基于权利要求1所述内置于耳机和可穿戴设备的差分光谱传感器的无创血糖检测传感器，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种内置于耳机和可穿戴设备的差分光谱传感器,由在一个芯片上加工实现的光源、光谱探测器和信号处理器组成，光源为发光二极管或者激光管等可以在芯片上实现的发光器件，光源和探测器之间具有挡光板，探测器包含两个或者两个以上窄带光谱探测单元，光源发出的光线照射在被测目标上并反射或者后向散射回来，照射在探测器上，窄带光谱探测单元的信号经过信号处理器进行运算，输出差分光谱信号。本发明的优点是整体尺寸可达亚毫米级，直接输出差分光谱信号，适用于耳机产品、微型探头或者可穿戴设备中。

技术研发人员：汪洋,王建宇,舒嵘,马艳华
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14