淺談可穿戴設備PPG方案結構及工藝設計###
隨著可穿戴設備逐漸從運動助手、娛樂工具的產品定位升級到健康伴侶，具備PPG（光電容積脈搏波描記法）測量心率（HR)、血氧飽和度（SpO2）及其他生物計量指標，也成為「剛需」功能。
因此，可穿戴設備面臨的挑戰：如何在終端應用整體方案的基礎上，設計出一款高精度、高可靠，甚至滿足臨床級的PPG測量方案？
此文將提供多種可穿戴設備的PPG測量方案設計，滿足終端客戶的設計需求。
PPG的心率、血氧測量原理
通常來說，PPG測量方案由光發射器（發光二極體，LED）、光感應器（光電二極體，PD）、模擬前端（AFE）晶片及加速計構成。
PPG檢測即通過光發射器將光波照進皮膚內部，再由光感應器接收光強變化，最後通過模擬前端晶片將模擬信號轉換成數位訊號，進而獲取PPG原始信號。其間，加速計可測量人體運動狀態，與光信號結合使用，可作為PPG算法輸入。
在PPG檢測後期，可通過複雜的算法，處理來自模擬前端和加速計的原始信號，從而生成持續的運動容錯心率、血氧數據和其他生物計量數據。
PPG的心率檢測原理：利用人體的血液容積會隨著心臟律動呈搏動性變化，光感應器接收的光強也隨之呈搏動性變化。通過PPG模擬前端（AFE）晶片調節，即可將光強變化信號轉換為電信號，由此計算心率值。
PPG的血氧飽和度檢測原理：利用氧中血紅蛋白與脫氧血紅蛋白對紅光（660nm）和紅外光（940nm）的吸收光譜不同，測量氧和血紅蛋白的濃度，即可提供可連續的動態血氧監測PPG信號。
PPG光路結構和工藝設計介紹
PPG檢測結果的精度與原始信號的質量和穩定性密切相關，而原始信號與PPG光路結構設計密切相關。因此，擁有高品質的PPG光路結構和工藝設計，是可穿戴設備實現高精度PPG檢測功能的基礎。
PPG光路結構設計，主要包括光學小板布局、光窗設計和相關結構工藝選擇等。其中，PD與LED透光光窗的光路傳導路徑及結構疊層（LED沿手臂方向擺放），如圖1所示：
圖1 可穿戴設備的PPG光路方向示意圖
需要注意的是，為了保證靜息、運動不同狀態下的心率檢測結果，PPG光路結構設計要確保光學窗口與皮膚緊密貼合、儘量減少環境光干擾，以及儘量減少發射光未經檢測目標進入PD。
1 光學小板主要布局
通常來說，PPG光路布局中心（通常為凸台中心）與可穿戴設備中心重合。用於測量心率的綠燈中心與PD中心間距（gd）建議3.8～4.5mm，推薦值3.8mm。用於測量血氧的紅燈及紅外燈中心與PD中心間距（rd）建議5.5～7.5mm，推薦值6.6mm。常見布局如下：
十字形光路布局：光路布局中心位置對稱設計兩個三合一LED，PD均勻分布在四周，見圖2所示。
圖2 十字形光路（PD在四周）在產品應用方向示意圖
T字形光路布局：光路布局中心位置附近放置PD，兩個綠燈LED沿錶帶方向關於PD中心對稱分布，血氧LED燈設計在兩個綠燈LED中心的中垂線上，見圖3所示。
圖3 T字形光路（PD在四周）在產品應用方向示意圖
一字形光路布局A：以PD中心和血氧燈光學中心的連線中心作為光路布局中心位置，沿錶帶方向分別設置PD、綠燈、血氧LED燈，見圖4所示。
圖4 一字形光路（PD在邊上）在產品應用方向示意圖
一字形光路布局B：以綠燈光學中心和血氧燈光學中心的連線中心作為光路布局中心位置，綠燈和血氧LED燈沿錶帶方向設置，PD放在兩燈的中間位置，見圖5所示。
圖5 一字形光路（PD在中間）在產品應用方向示意圖
2 光窗設計方案
通常來說，光窗設計方案有兩種：雙色模光窗方案、絲印鏡片光窗方案。
雙色模光窗方案設計：雙色模光窗方案指採用雙色注塑工藝，將透明光窗部分與不透光殼體整體注塑成為一體，見圖6所示。
圖6 雙色模光窗方案示意圖
雙色模光窗方案更能減少竄光，結構也更穩定可靠，但模具成本相對更高。
絲印鏡片光窗方案設計：絲印鏡片光窗方案，指在殼體上面粘貼一片或多片鏡片，在鏡片底部把非透光區域絲印一層黑色油墨阻擋光的傳遞，而光穿過透光區域（光窗）則形成固定的光路。結構示意圖如圖7所示。
圖7 絲印鏡片光窗方案示意圖
因為光窗材質透明，為減少光線經過LED光窗時直接傳導至PD光窗，LED光窗內表面建議做增透處理（如菲涅爾紋）提升光效，PD光窗內表面也可做菲涅爾紋聚光增透處理。
結語
即便有優秀的PPG方案結構和工藝設計，要想系統性能獲得最大發揮，仍有賴於高品質的模擬前端晶片的配合。
芯海科技CS1262是一款專用於PPG信號採集的模擬前端（AFE）產品。該產品是第一款在技術上適配OpenHarmony生態的「健康測量」傳感器晶片。該產品基於OpenHarmony系統環境下，能夠為終端品牌產品提供全棧解決方案，可用於心率、血氧、血壓等健康指標的採集與分析。
當前，CS1262產品實測的關鍵性能指標達到業界一流水平，可與主流 AFE設計兼容，能夠為客戶提供高配置、高精度測量、超強抗干擾、低功耗、全膚色支持、高可靠及易用性等七大核心價值。
未來還將與公司的BIA、ECG等健康測量產品，共同構建平台型產品建設。
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芯海科技（深圳）股份有限公司（股票代碼：688595）成立於2003年9月，是一家集感知、計算、控制、連接於一體的全信號鏈集成電路設計企業，專注於高精度ADC、高可靠性MCU、測量算法以及物聯網一站式解決方案的研發設計。產品和方案廣泛應用於工業測量與工業控制、通信與計算機、鋰電管理、消費電子、汽車電子、智慧家居、智能儀表、智慧健康等領域。
芯海科技總部位於深圳，在合肥、西安、成都、上海設立子公司，是國家級高新技術企業，累計七次獲得國家工信部「中國芯」獎項，被廣東省科技廳認定為「廣東省物聯網晶片開發與應用工程技術研究中心」，獲得國家級專精特新「小巨人」企業稱號。
芯海科技作為同時擁有模擬信號鏈和MCU雙平台驅動的集成電路設計企業，也是少數擁有物聯網整體解決方案的集成電路設計企業之一，與客戶A、客戶B、榮耀、vivo、OPPO、小米、華米、麥克韋爾、飛科、匯川、漢威、四方光電、南方電網、南京德朔、美的、香山衡器、樂心醫療、鋰電某龍頭公司等知名企業保持緊密合作。
截止到2022年年底，芯海科技累計擁有全球專利申請近900件，累計擁有已授權專利近400件（含美國專利），擁有專利數量在科創板晶片設計上市公司中名列前茅。