光学感测模块的制作方法

根据本发明的实施方案的一个或多个方面涉及用于吸收光谱学的感测模块，并且更具体地涉及包括在硅衬底上的光子集成电路(pic)的感测模块。

背景技术：

1、数字健康护理正在改变健康护理行业，伴随着对用于多种目的的各种生物标记物进行实时和按需分析的需求增加。可穿戴装置(“可穿戴物”)现在在健康和保健(包括例如健身跟踪、一般健康监测和医疗状况管理)领域中十分常见。对于诸如这些的装置，希望生物参数的感测和测量是快速、非侵入性的并且具有足够的特异性、灵敏度和准确性。因此，希望提供适用于非侵入式可穿戴装置的部件，这些部件为待测量的生物参数提供必要的技术要求，而且这些部件方便小巧并且可以消费者友好的价格制造。已知非侵入式感测模块可在可穿戴装置市场之外找到用途，例如在机器人或远程感测领域。

2、可穿戴装置应稳健、可靠且易于佩戴，并且可包括皮肤接触贴片、腕表、戒指、耳塞式耳机、头带和眼镜架。

3、目前，手持式装置和可穿戴装置基于所谓的微创技术或基于不充分非侵入性技术。微创技术包括皮下芯片并且使用穿透皮肤的微电极。此类技术可能适用于在医疗指导下被监测的人，但不能用于诸如男性和女性运动员的健康个体。此外，它们被设计用于并仅限于特定测量(例如葡萄糖)。

技术实现思路

1、因此，本发明旨在通过提供适用于气相样品的光学感测模块来解决上述问题，该光学感测模块包括：硅或氮化硅发射器光子集成电路(pic)，该发射器pic包括：一个或多个激光器，该一个或多个激光器中的每个激光器在与其他激光器的波长不同的波长下工作；用于源自一个或多个激光器的光的一个或多个光学输出，该光学输出被布置为使得光与气相样品相互作用；以及一个或多个光电检测器，所述光检测器被配置为在与气相样品相互作用之后检测光。

2、任选地，光学感测模块还包括：光学操纵区域，该光学操纵区域包括以下各项中的一者或多者：光调制器、光学多路复用器(mux)；以及附加光学操纵元件，其中附加光学操纵元件包括以下各项中的一者或多者：功率分接头、透镜、功率分配器、滤波器、镜和偏振旋转器。

3、任选地，一个或多个激光器包括具有iii-v rsoa增益激光芯片或芯片小方块的一个或多个激光器，该激光芯片或芯片小方块混合集成到pic，使得iii-v rsoa或激光波导中的光学模式边缘耦合到pic的一个或多个波导。

4、任选地，光学感测模块还包括用于容纳气相样品的气体小室或气体样品行进穿过的气体路径。在一些实施方案中，诸如风扇的有源机构使气体循环穿过气体小室。在一些实施方案中，可使用无源机构使气体循环穿过小室，诸如对流，从而利用位于移动物体中的小室或利用用户的呼吸。

5、任选地，光学感测模块还包括多个led，这些led在与一个或多个激光器不同的波长下工作，并且每个led在与组成多个led的其他led的波长不同的波长下工作。

6、任选地，光学操纵区域包括镜，以在单个光学输出处将来自所有一个或多个激光器的光耦合出所述光学感测模块。

7、任选地，光学感测模块还包括一个或多个光电检测器并且光电检测器可位于发射器pic上，使得pic是发射器/接收器pic。

8、任选地，一个或多个光电检测器与发射器pic分开定位。

9、任选地，一个或多个光电检测器位于垂直集成并安装在与发射器pic共用的同一衬底上的单独芯片上。

10、任选地，一个或多个光电检测器位于发射器pic旁边的承载件上。

11、任选地，一个或多个光电检测器包括从发射器pic接收光信号以作为相干检测器操作的检测器。

12、任选地，发射器pic的光学输出从通向一个或多个光电检测器的光学输入横向移位。

13、任选地，光学感测模块还包括用于分析在与气相样品相互作用之后检测到的光的处理器。

14、任选地，所执行的分析是以下各项中的一者或多者：吸收光谱学和/或米氏散射。

15、任选地，处理器被配置为对随时间推移获得的测量结果进行积分。

16、任选地，可穿戴装置包括光学感测模块。

17、任选地，光学感测模块包括位于可穿戴装置的外壳内的气体小室。

18、任选地，可穿戴装置还包括可拆卸的嘴口件。

19、任选地，与本文所述的任何pic组合时，个人代谢物监测仪可具有至少2个单独的数据源，这些数据源中的至少一个数据源实际上是连续监测仪。在此类实施方案中，至少2个数据源可包括2种不同的光谱学模式。数据源可以是两种不同类型(一种光谱学的和至少一种其他的)。

20、任选地，数据源是单独的，因为它们不是物理集成的。然而，在一些实施方案中，数据源被集成。

21、任选地，间歇性监测仪监测呼吸丙酮。

22、任选地，间歇性监测仪监测呼吸二氧化碳。

23、任选地，呼吸分析的集成涉及全身输出，诸如代谢率。

24、任选地，非光谱学监测仪是运动传感器，诸如陀螺仪。

25、任选地，非光谱学监测仪监测行进的距离。

26、任选地，数据与医疗数据混在一起。

27、任选地，数据可指示营养的适宜性。

28、任选地，数据可指示运动中的危险偏差或涉及营养的偏差。

29、这样，提供了一种适用于可穿戴装置的改进的光学感测模块。有利地，该感测模块能够提供集成有各种光学部件的紧凑平台。各种部件使得能够使用单个平台根据材料(例如生物组织)进行大范围的不同测量，从而产生能够用于消费者和专业医疗保健两个领域的多种应用(包括各种生物物理和生物化学生物标记物的感测和监测)的单个产品。

30、因此，本发明的光学感测模块可产生至少两个波长的光并将该光引导到待研究的表面。这可对应于生物材料诸如皮肤组织的表面。在典型的可穿戴装置中，光穿透表面并被散射，使得光的一部分返回传感器模块。沿着其穿过生物组织的路径，光可被可对应于生物标记物本身或生物标记物的代理的分析物吸收。测量此类装置中波长上的光的吸收称为漫反射分光光度法。另一种感测形式涉及拉曼(raman)散射。在拉曼光谱学的情况下，散射光与入射光的波长不同。本领域的技术人员将意识到这些技术的许多变型，在此称为光谱学。

31、对于此类光谱学，可使用硅光子(siph)芯片，其上集成有产生和传输光信号以及接收和解释返回光信号所必需的全部或大部分光学功能。发射(tx)部分和接收(rx)部分可位于一个芯片上以形成单个发射器/接收器芯片，或位于多于一个芯片上，诸如单独的tx和rx芯片装置。硅光子芯片可基于其中存在一个掩埋氧化物层的soi结构或基于其中存在两个(或更多个)掩埋氧化物层的双soi结构。

32、诸如吸收光谱学或拉曼光谱学的光谱学的工作原理是向被检查的材料或样品施加询问光并检测和分析从样品接收的光，其可被称为“样品光”。对于本公开的目的，术语“光谱学”的含义可包括诸如心率和血压的生物功能的监测和测量。可直接测量这些功能，或间接估算其属性。对于可穿戴物，被检查的材料可以是可在人的皮肤上或穿过人的皮肤进行监测的生物组织。

33、此外，或作为可穿戴装置的另选方案，可在手持装置中使用感测模块。

34、本发明允许使用一个或多个激光器，这些激光器可以是能够切换的并且能够通过波长扫描以外的方式识别。这样做的优点是不需要像传统实验室分光光度法那样进行扫描。因此可使用波长未知的检测器。检测器可在整个范围内不同地响应(即，对于整个波长范围内的给定光强度，输出可变化)，但这可得到补偿。由于具有多个光源和简单检测器而不是简单光源和复杂检测器更便宜且更容易，因此这具有相当大的商业优势。此外，这种方式可使用更高功率的泵浦源(在给定波长下)，从而改善灵敏度和选择性。

35、现在将阐述本发明的任选特征。这些可单独应用或与本发明的任何方面任意组合应用。

36、任选地，激光器可以是fp激光器、外腔dbr式(rsoa+光栅)或dfb激光器。它们可以是固定波长激光器。

37、有利地，一个或多个激光器包括具有iii-v rsoa增益激光芯片或芯片小方块的一个或多个激光器，该激光芯片或芯片小方块混合集成到pic，使得iii-v rsoa或激光波导中的光学模式边缘耦合到pic的一个或多个波导。这样，rsoa中以及si或sin pic波导中的光保持在同一平面中。

38、任选地，光学多路复用器(mux)可采用中阶梯(echelle)光栅的形式，特别是集成中阶梯光栅，或阵列波导光栅(awg)。

39、光学操纵元件可包括以下各项中的一者或多者：功率分接头、透镜、功率分配器、滤波器、镜和偏振旋转器。

40、硅或氮化硅集成电路可位于硅衬底上。

41、一个或多个激光器可在dbr光栅上结合加热器或其他相位调谐机构并结合波长锁定器控制电路。

42、任选地，一个或多个激光器的波长在400nm至3000nm的范围内。在一些实施方案中，激光器可全部对应于nir波长＝1150nm至2500nm。在一些实施方案中，全部激光波长可落在以下范围中的一者或两者内：1150nm以上(使用si pic)；以及400nm至1150nm(使用sinpic)。

43、任选地，发射器pic包括在30个以上不同nir和/或可见波长下工作的激光器阵列。在一些实施方案中，发射器pic包括在最多200个发射波长下工作的激光器阵列。

44、尽管光学感测模块适用于可穿戴装置，但它是多功能感测模块并且可在其他情况下使用或调整后使用。例如，在机器人中需要类似的传感器。除了分析人体的生物标记物和参数之外，感测模块还可用于其他应用，特别是分析非常接近光学输出的对象的组成材料。

45、任选地，光学感测模块还包括多个led，这些led在与一个或多个激光器不同的波长下工作，并且每个led在与组成多个led的其他led的波长不同的波长下工作。

46、任选地，led可各自具有位于电磁光谱的可见或nir区域内的工作波长。可见波长和nir波长应被理解为在400nm至950nm的范围内。

47、在一些实施方案中，多个led包括在12个或更多可见波长下工作的led。这样，感测模块是能够非侵入式地测量心率(hr)和心率变异性(hrv)、血流(脉冲幅度)、局部体温(lbt)和核心体温(cbt)、无袖带测量血压(bp)、脉搏血氧饱和度(spo2)、呼吸频率(br)、全身水合(tbh)和皮肤水合(sh)、血液酒精(ba)/乙醇(c2h6o)和血乳酸(bl)含量、碳氧血红蛋白(hbc)和高铁血红蛋白(hbmet)以及葡萄糖的单一模块。

48、任选地，光学操纵区域包括镜，以在单个光学输出处将来自所有一个或多个激光器的光耦合出所述光学感测模块。

49、在一些实施方案中，镜是无源镜。无源镜可以是分段的。在一些实施方案中，镜是有源控制的mems镜。在一些实施方案中，镜是抛物面凹面镜。在一些实施方案中，镜在发射器pic的外部并且安装在衬底上，位于pic的光学输出附近。

50、任选地，光学感测模块还包括一个或多个光电检测器。

51、任选地，光电检测器位于发射器pic上，使得pic是发射器/接收器pic。

52、任选地，镜或光栅可集成到pic中以引导激光穿过pic的一个或多个层。

53、任选地，光电检测器与发射器pic分开定位。

54、任选地，硅光子接收器可包括硅平台，使得一个或多个波导由硅制成。在其他实施方案中，硅光子接收器可包括sin平台，使得一个或多个波导由sin制成。

55、一个或多个光电检测器可包括一个或多个基于硅的光电检测器和/或一个或多个基于ingaas的光电检测器。它们还可包括一个或多个锗光电检测器和/或一个或多个雪崩光电二极管。

56、任选地，一个或多个光电检测器位于垂直集成并安装在与发射器pic共用的同一衬底上的单独芯片上。

57、任选地，一个或多个光电检测器位于发射器pic旁边的承载件上。

58、任选地，一个或多个光电检测器包括从发射器pic接收光信号以作为相干检测器操作的检测器。

59、组合器网络通常将来自发射器的光信号耦合到相干检测器，并且可包括以下各项中的一者或多者：交换机、网络混频器和/或直通系统。

60、任选地，发射器pic的光学输出从通向一个或多个光电检测器的光学输入横向移位。这样，发射波导和接收波导间隔一定固定量，例如1mm至8mm，以最大化光电检测器处感兴趣参数的信号质量(参见例如图25)。如图26和图27所示，在使用单独的光电检测器的情况下，光电检测器与发射排放点的间隔有策略地间隔开，同样具有对应于1mm至8mm的可感测间隔值。

61、任选地，单个波导充当发射波导、接收波导。

62、任选地，一个或多个光电检测器包括多个光电检测器，多个光电检测器中的每个光电检测器在不同的波长范围内工作。

63、任选地，基于硅的平台包括氮化硅波导。

64、任选地，光学感测模块还包括以下各项中的一者或多者：激光器驱动器、调制器驱动器、相位控制器、tia、功率管理ic、多路复用器电路、微控制器单元(mcu)、fpga。感测模块还可包括其他模拟前端(afe)功能。

65、任选地，光学感测模块包括硅波导和sin波导两者。这样，单个平台可支持更宽范围的波长。在一些实施方案中，si或sin波导是3μm波导。

66、任选地，将一个或多个激光器通过倒装芯片管芯结合或微转印放置到pic上。微转印(mtp)的详细描述可参见wo 2020/030641a1)。

67、任选地，发射器pic的一个或多个激光器包括一对或多对泵浦激光器和探针激光器，泵浦和探针对中的每一对被配置为与检测器一起工作以形成拉曼光谱仪。检测器可形成同一pic的一部分或者可为分离的。在被配置为作为拉曼光谱仪工作时，泵浦激光器和探针激光器具有被选择成激发待分析材料/物体中的拉曼峰的波长。选择工作波长时的另一个考虑是与pic的波导的材料的兼容性。例如，泵浦激光器可在1250nm至1700nm的波长范围工作，并且探针激光器可在1300nm至1850nm的波长范围工作。在其他实施方案中，探针激光器可在nir波长下工作。

68、任选地，一个或多个激光器包括单个泵浦激光器和多个探针激光器，探针激光器中的每一者具有对应于感兴趣谐振的波长。

69、任选地，一个或多个激光器包括多个探针激光器，其中多个探针激光器中的每一者是固定波长激光器，固定波长对应于感兴趣拉曼谐振。

70、任选地，一个或多个激光器包括可调谐泵浦激光器。

71、任选地，一个或多个激光器包括用于拉曼光谱学的至少一对泵浦探针激光器并且还包括多个未配对激光器。这样，可使用激光器的泵浦探针对来执行拉曼光谱学，并且可通过不成对激光器来执行诸如分光光度法的另一种光谱技术。

72、任选地，光学感测模块包括被配置为随着时间的推移进行记录的光电检测器和被配置为在对应于拉曼反射光谱的波长范围内进行扫描的可调谐探针激光器。这样，如果光电检测器耦合到直接耦合回收集可调谐激光的一部分的分接头的参考臂，则利用从芯片外部收集的探针光形成干涉仪。因此，可进行光频域反射计(ofdr)测量。

73、任选地，可在探针激光器与光电检测器之间的参考臂中结合具有开关的一排螺旋，以实现可调节的测距。

74、任选地，一个或多个光电检测器或led位于一个或多个相应的微透镜下方。

75、任选地，微透镜中的一个或多个包括dbr滤波器的薄膜叠层。该薄膜叠层可由sio2/tio2或sio2/sin层组成。然而，tio2或sin可由其他高折射率膜代替。典型地，中间层偏移四分之一λ以在传输波长处谐振，其中厚度为λ/2的m倍数。在一个示例中，存在21个层，但其他数量的层也是可能的。微透镜用于增加接收器的收集。

76、任选地，光学感测模块包括处理器，该处理器被配置为：将预训练的算法应用于在对应于水吸收峰的波长处获取的反射率数据，以将反射率测量值转换为预测温度。

77、在传感器是可穿戴装置的情况下，被测量的温度可以是核心温度。用sin平台测量温度实现970nm水峰处的小型可穿戴式测量。用si平台测量温度实现1450nm水峰处的小型可穿戴式测量。

78、在一些实施方案中，可提供适合任何流体样品的光学感测模块，其中模块中的任一者的特征如上文结合气相实施方案所述，但作为气相测量的替代或补充，针对液相测量进行了优化。

79、本发明的其他任选特征如下所述。