CN113397586A - 一种超级听诊器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超级听诊器，超级听诊器的结构为贴片式结构，贴片式结构包括柔性基材；柔性基材的下表面设有多个用于吸附人体皮肤的吸盘；设置于吸盘内的声传感器，用于采集心跳声或心动状态；设置于吸盘内的电传感器，用于测量心律、温度和湿度，以及测量汗液中电解质浓度；设置于吸盘内的光传感器，用于氧饱和量、血压和心脉，以及测量体温；设置于柔性基材上表面的机械传感器，用于测量运动状态；设置于柔性基材上表面的信息处理器，信息处理器的输入端与声传感器、电传感器、机械传感器以及光传感器的输出端连接，获取声传感器、电传感器、机械传感器以及光传感器的采集数据，并将采集数据发送AI终端。

Description

一种超级听诊器

技术领域

本发明涉及智能电子听诊器，具体地，涉及一种超级听诊器。

背景技术

听诊器是最早、应用最广泛的体检仪表之一，现已成为医生看病的必备品，它具有结构简单、价格低廉使用方便的优点，但随着微电子技术的突飞猛进，和5G时代的来临，现有的听诊器已无法满足人们需求，普通的听诊器将逐渐将被现有的无线智能电子听诊器所替代。目前国内市场上供应的电子听诊器品种较多，但是大多数都是功能单一的听诊器，而且基本无法长时间连续的无线实时监测，对婴幼儿和重症病人的使用极为不便。因此，开发在网络环境下的智能电子听诊器具有跨时代的意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超级听诊器。

根据本发明提供一种超级听诊器，包括：

具有高生物兼容性的片状的柔性基材，所述柔性基材下表面设有用于吸附人体皮肤的吸盘；

设置于所述吸盘上的声传感器，所述声传感器用于采集心跳声或心动状态，为测量心律和血压提供依据；

设置于所述吸盘上的电传感器，所述电传感器用于测量心律、温度和湿度以及测量汗液中电解质浓度；

设置于所述吸盘上的光传感器，所述光传感器用于采集氧饱和量、血压、心脉以及体温，以辅助所述声传感器，提高测量心律和血压的准确性；

设置于所述柔性基材上的机械传感器，所述机械传感器用于测量运动状态；

设置于所述柔性基材上的控制器，所述控制器获取所述声传感器、所述电传感器、所述光传感器以及所述机械传感器所采集数据信号，并将采集的信号发送AI终端，实现对人体的生命体征参数监控及预警。

优选地，所述柔性基材的上表面设有柔性触控屏，所述柔性触控屏通过控制电路与所述声传感器、所述电传感器、所述光传感器、所述机械传感器和所述控制器电连，用于控制操作听诊器工作模式，以及显示人机交互的信息数据。

优选地，所述柔性基材的上表面设有天线，所述天线用于供电用无线射频能的吸收和信号的双向交互传输。

优选地，所述天线呈环形分布于所述柔性触控屏的***。

优选地，所述吸盘的外表面设有用于防电、磁、波、光的干扰的金属薄膜，且所述金属薄膜位于所述声传感器、所述电传感器、所述光传感器以及所述机械传感器的外侧。

优选地，所述声传感器包括MEMS声电转换阵列芯片和多普勒芯片，其中，所述MEMS声电转换阵列芯片用于采集心跳的声音，所述多普勒芯片用于监测心跳的状态。

优选地，所述多普勒芯片采用阵列式定向定位的多普勒芯片，用以捕捉心脏的运动状态，以提供精准测量心律和血压的依据，同时为心脏病患者提供有效的病理依据。

优选地，所述光传感器包括被动式光电检测传感芯片和主动式光电检测传感芯片，且所述被动式光电检测传感芯片与所述主动式光电检测传感芯片之间设有隔离屏，所述隔离屏用于阻挡外界和所述主动式光电检测传感芯片发出的不同频段的光源，以避免产生检测误差,其中，所述被动式光电检测传感芯片通过吸收人体发出的红外波长以检测人体的体温；所述主动式光电检测传感芯片通过发射不同波长的光谱射入人体表皮后光谱的变化来检测人体的体征变化，用于监测人体的血压、心率、氧饱和量、血糖生命体征的变化。

优选地，所述被动式光电检测传感芯片采用MEMS红外能谱捕捉器；所述主动式光电检测传感芯片采用光电转换传感器芯片。

优选地，一种超级听诊器包括：能量采集及存储模块，其中，所述能量采集及存储模块用于吸收环境中的太阳能、温度差能、呼吸能及射频能量并将所采集的能量转换为电能进行存储，为所述控制器及其他部件提供电源，实现所述超级听诊器的无线自主供电功能。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述听诊器，基于MEMS集成的柔性无线智能听诊器不仅采用了多种类感知器和多原理检测，相互匹配、互补，使检测的准确率大幅度提升，规避了单一的检测缺陷，而且具备信息存储、储能、人机交互、无线供电、连续实时监控及实时预警等功能，在网络环境下可通过AI终端(人工智能服务终端)进行智能管理的无线智能电子听诊器。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的超级听诊器的工作原理示意图；

图2是本发明一优选实施例的超级听诊器的正视图；

图3是本发明一优选实施例的超级听诊器的俯视图；

图4是本发明一优选实施例的超级听诊器的侧向剖视图；

图5是本发明一优选实施例的光电转换传感器芯片的结构示意图；

图中标记分别表示为：1-12为小吸盘、14为光传感器、15为大吸盘、16为柔性触控屏、17为天线、18为连接线、19为控制电路、20为能量采集及存储模块、21光电二极管、22为绿光频扫LED、23为黄光频扫LED、24为红光频扫LED、25为蓝光频扫LED、26为光隔离带。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一优选实施例的超级听诊器的工作原理示意图，超级听诊器包括：柔性基材、声传感器、电传感器、光传感器、机械传感器和控制器。

其中，柔性基材为具有高生物兼容性的片状结构的柔性基材，柔性基材下表面设有用于吸附人体皮肤的吸盘。

声传感器设置于吸盘上，声传感器用于采集心跳声或心动状态，为测量心律和血压提供依据。

电传感器设置于吸盘上，电传感器用于测量心律、温度和湿度以及测量汗液中电解质浓度。

光传感器设置于吸盘上，光传感器用于采集氧饱和量、血压、心脉以及体温，以辅助声传感器，提高测量心律和血压的准确性。

机械传感器设置于柔性基材上，机械传感器用于测量运动状态。

由声传感器、电传感器、光传感器和机械传感器构成智能传感网络。上述通过光传感器、电传感器均可测温，其中，利用光传感器的测温无需热传导，依托的是辐射的原理；电传感器主要利用热电阻和热电偶测温，电传感器测温时需要与皮肤接触。以光传感器、电传感器双传感器工作模式可实现互补型检测，不仅可以加权平均，而且由于信息采集的方式不同，可以更精准的反应某一生理现象。上述超级听诊器可采用MEMS晶圆级集成制造方法制备得到，即使采用双传感器工作模式测温，其超级听诊器的体积也不会发生明显变化。

参照图1所示，控制器设置于柔性基材上，控制器获取声传感器、电传感器、光传感器以及机械传感器所采集数据信号，并将采集的信号通过多功能信息交互平台发送AI终端(人工智能服务终端)，实现对人体的生命体征参数监控及预警。作为一优选方式，控制器利用MCU进行信息处理，利用IC存储芯片进行信息存储；利用蓝牙芯片进行信息无线传输。

通过声传感器、电传感器、光传感器及机械传感器所采集的数据信号，实现了非接触式生理检测，并通过AI终端对上述采集的数据信号进行处理，以判断人体的生理活动状态是否正常。上述测量心律是为了通过检测心脏电生理的工作状态来判断心脏的工作状态，其要比心率检测更精准有效，心率只是检测心脏动和不动，心律则能获取心脏是如何动；采集温度是为了间接的反应心脏的运动状况，在身体受到感染、剧烈运动等，心脏会加速跳动，以提供更多的血液维持工作需要，心脏高速跳动时体温会明显上升，另外，体温可以预警高烧、血沸等现象。测量湿度是因为人体75％是水，除排尿外，汗液是另一个排液途径，如果人体中的水分大量流失，不仅会产生多种病理现象而且会引起人体的电解质混乱，人体的汗液中含有大量的电解质如K、Na等元素，一旦流失人体诸多脏器将无法正常工作。

上述实施的超级听诊器是基于MEMS多元集成的无线智能电子听诊器是将声、光、机、电技术集为一体，依托柔性电子制造技术将声、光、机、电感应器进行微***集成，采用声、光、机、电四类感知单元信息共享，协同工作，互为补偿，极大的提高了检测精度。超级听诊器具有侦测人体肺部异常杂音、电解质、血氧饱和量、心律、心电、血压、体温及汗量的功能。此外还配备人机交互模块、信息处理器、无线智能供电等模块，具备远程无线供电、远程信息交互、连续实时监控、AI终端数据人工智能分析的能力。超级听诊器的电生理检测，主要是由MEMS电极功能异形电极阵列组成，多组异形电极由不同功能材料组成，具有测量心律、测温、测量湿度及测量汗液中电解质浓度的能力，并可将采集的数据信号输送至AI终端；同时MCU在采集数据后，进行数据比对，当比对超出人体的生命体征参数模型的允许范围值时，MCU就会启动预警程序，提醒本人，并通过无线传输呼救远程AI终端报警。超级听诊器的整体结构为贴片式，其体积仅有火柴盒大小。

在其他部分优选实施例中，柔性基材的上表面设有柔性触控屏，柔性触控屏通过控制电路与声传感器、电传感器、光传感器、机械传感器和控制器电连，用于对听诊器工作模式的选择、人机交互和信息数据的显示。

在其他部分优选实施例中，柔性基材的上表面设有天线，天线用于供电用无线射频能的吸收和信号的双向交互传输。天线呈环形分布于柔性触控屏的***。天线包括多个外径依次增大的同心环向天线。

在其他部分优选实施例中，吸盘的外表面设有用于防电、磁、波、光干扰的金属薄膜，且金属薄膜位于声传感器、电传感器、光传感器以及机械传感器的外侧。

在其他部分优选实施例中，柔性薄膜天线层的上方设有柔性触控屏，用于对听诊器工作模型的选择、人机交互和信息数据的显示。

在其他部分优选实施例中，声传感器包括MEMS声电转换阵列芯片和多普勒芯片。MEMS声电转换阵列芯片能实现超宽频音频采集，能更好的采集肺部更细微的异常杂音，同时采用多普勒原理对心脏动态运动状态进行捕捉，音频阵列还配备二次回声采集***。不同于普通听诊器机械式声采集和传送的工作原理，无线智能电子听诊器采用MEMS声电转换阵列芯片，不仅可以拓宽采集频率，采集普通听诊器采集不到的高频声波和低频声波，而且还采用了阵列定向定位的多普勒芯片，精准的捕捉心脏的运动状态，以提供精准测量心律和血压的依据，同时可为心脏病患者提供有效的病理依据。

光传感器包括被动式光电检测传感芯片和主动式光电检测传感芯片，且被动式光电检测传感芯片与主动式光电检测传感芯片之间设有隔离屏，隔离屏用于阻挡外界(指环境中的不同波长的光源)和主动式光电检测传感芯片发出的不同频段(波长)的光源，以避免产生检测误差。其中，被动式光电检测传感芯片采用MEMS红外能谱捕捉器；被动式光电检测传感芯片通过吸收人体发出的红外波长以检测人体的体温；所述主动式光电检测传感芯片采用光电转换传感器芯片。主动式光电检测传感芯片通过发射不同波长的光谱射入人体表皮后光谱的变化来检测人体的体征变化，用于监测人体的血压、心率、氧饱和量、血糖生命体征的变化，作为声测法的辅助参考，以提高血压和心率的准确性。

在其他部分优选实施例中，光电转换传感器芯片包括红、黄、蓝、绿四种发光二极管和光电二极管；每种发光二极管均具备发射50nm-980nm不同的波长，红、黄、蓝、绿四种发光二极管呈环形分布光电二极管的***。

四种发光二极管分别为50nm-980nm绿光频扫LED、50nm-980nm黄光频扫LED、50nm-980nm红光频扫LED、50nm-980nm蓝光频扫LED，在光电二极管光的层设有环形的隔离带。

光传感器的工作原理：高灵敏度光电二极管和红、黄、蓝、绿四种LED频扫发光二极管(具备发射50-980nm不同的波长)。通过不透明的光学挡板将其与发射器之间进行光学隔离。其工作原理是用光照射到皮肤内，血液和周围组织将分别吸收不同量的光，未被吸收的光则被反射回检测器。使用在不同波长下测得的吸收量测量值，即可确定脉率和血氧饱和度等生理特征参数。例如：血氧饱和度是根据血液对红光(660nm)和红外光(940nm)的不同吸收率计算得出。测量质量很大程度上取决于可实现的信噪比和光电检测器的线性度。

光传感器由光电转换传感器芯片(类SFH7060)承担，通过不同频率、不同波长的能谱(如：红光、黄光、蓝光、绿光)对人体频扫(波长50～980nm)后的透射和反射率依据相关定律建模来演算血氧饱和量、心率、血压，同时作为声测法提供辅助参考以提高血压和心率的准确性。红外测温是采用MEMS红外能谱捕捉器，普通的测温是热电阻或热电偶的方式，测温时需要有一层良好的导热介质材料进行热传导，测温后的传感器热平衡需要几至几十分钟的平衡时间，如果接触不好还将导致测温不准，而本发明采用的红外能谱感知器，能有效的感知人体发出的远红外、中红外和近红外能谱，有效的提高了测温精度，同时配合MEMS电子陀螺对人体运动的感知，可以对生命体征作出智能的综合评估。采用红外能谱频扫扑捉方式，扑捉人体分子的热运动能级来判断人体测量体温，因此，无需热传导介质，无需热平衡过程，具有快速有效的特质，由于本部分采用的是热电转换，所以测量速度极快，极大提高了测量效率。

在其他部分优选实施例中，电传感器包括MEMS电极功能异形电极阵列，MEMS电极功能异形电极阵列由不同功能材料的多组异形电极呈阵列排布，具有测量心律、测温、测量湿度，测量汗液中电解质浓度的能力。

在其他部分优选实施例中，机械传感器采用MEMS电子陀螺芯片，主要是侦测人体的运动状态。

在其他部分优选实施例中，超级听诊器还包括能量采集及存储模块，其中，能量采集及存储模块用于采集环境中的太阳能、温度差能、呼吸能及射频能量并存储；能量采集及存储模块的输出端与信息处理器的输入端连接，为信息处理器提供电能。使超级听诊器实现无线自供能。

超级听诊器采用无线双向交互方式与手机、AI终端进行互动，无线智能电子听诊器的热敏传感器、低功耗一体集成的智能分析处理(MCU)+蓝牙(BLE)模块、供能模块，无线供电能量接收能量采集与储能模块、信息交互等模块，均通过非硅微纳集成的柔性电子制造技术集成于高生物兼容性的柔性基材上。

上述超级听诊器可以采用MEMS+IC晶圆级三维集成制造方法制备，包括：

1、IC设计，MEMS设计，MEMS、IC工艺流片，晶圆级MEMS+IC***三维集成，芯片级一体化***总成，器件柔性封装。

2、软件开发调试。

3、产品检验。

晶圆级三维集成制造的工艺流程如下：

首先在完成制作工艺并测试好的器件晶圆上用干法刻蚀(DRIE)工艺制备出直径为1μm-3μm的芯片内部通孔，对通孔进行钝化处理，然后制作多级介质层，随后完成深硅挖槽刻蚀。实现横向通孔隔离采用高保角CVD淀积O₃/TEOS-氧化物层，芯片内部通孔的金属化要采用MOCVD淀积钨金属层(MOCVD-TiN用作势垒层)，金属插塞的形成是对背面进行刻蚀处理。钨填充芯片内部通孔与器件最上面金属层的横向电连接是采用标准的铝金属化工艺形成。

完成上述这些工艺步骤之后，对器件进行晶圆级测试和选择。在标准厚度的最上层晶圆上完成的最后一步工序是全掩膜铜电镀。然后将最上层的晶圆暂时粘接到处理晶圆上，再用高精度研磨、湿法化学旋涂刻蚀和最终的化学机械平面化处理工艺对其进行高度均匀的减薄处理，直至从后面暴露出钨填充通孔。为了淀积出用于电隔离的介质层并能与钨填充芯片内部通孔相连，采用渗透抗蚀剂掩模的铜/锡电镀技术。因而其表面完全由焊接金属材料覆盖，采用隔离沟槽在铜/锡层中形成电接触，其余的不用作电连接的区域即可用作未来堆叠机械平衡的模拟区。最后还要采用铜作焊料金属***的配料材料对最下面的晶圆进行穿透抗蚀剂掩膜电镀处理。

分片之后，将选出的合格芯片与正在处理的衬底进行匹配，使用高效率和高对准精度(10μm)的芯片-晶圆粘接设备将其置于最下面的晶圆上。转移芯片的机械粘接和电接触都采用固体-液体互扩散(SLID)的粘接技术在一步工艺中实现。

在粘接工艺过程中，当温度达到300℃时开始施加压力，液体锡就会与铜产生互扩散，最终形成金属间化合物(IMC)Cu3Sn。所形成的ε相为热动态稳定状态，其熔点在600℃以上。采用适当的膜厚度，锡就会消耗掉，在几分钟内就会完全固化，两边的铜就留了下来。

利用铝布线将钨填充ICV与最上面器件的金属化层互连，并使CuSn金属***与最下面器件的金属化层互连，通过上述工艺步骤的实施，最终在晶圆上实现各类子芯片(即得到设置于柔性基材上的声传感器、电传感器、光传感器、机械传感器和控制器)的平面和3D的集成，从而完成母芯片的晶圆级三维制造。

采用晶圆级三维集成技术可以将MEMS和CMOS等采用不同基础工艺制备的子芯片在芯片内部再次进行模块化集成，形成一块多功能的母芯片，从而实现采用专项不同基础工艺的芯片最佳的有机结合，也就是说，声传感器、电传感器、光传感器、机械传感器和控制器可以在多条IC工艺线上同时并行流片，随后将流出来的子芯片(裸芯片)，通过晶圆级三维集成制造工艺技术集成起来，成为一块具有上述各种功能的合成母芯片。母芯片功能器件的设计与布局，是根据功能子芯片的具体性能所决定的，整体的设计和布线依旧遵循IC设计的基本理念。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种超级听诊器，其特征在于，包括：

具有高生物兼容性的片状的柔性基材，所述柔性基材下表面设有用于吸附人体皮肤的吸盘；

设置于所述吸盘上的声传感器，所述声传感器用于采集心跳声或心动状态，为测量心律和血压提供依据；

设置于所述吸盘上的电传感器，所述电传感器用于测量心律、温度和湿度以及测量汗液中电解质浓度；

设置于所述吸盘上的光传感器，所述光传感器用于采集氧饱和量、血压、心脉以及体温，以辅助所述声传感器，提高测量心律和血压的准确性；

设置于所述柔性基材上的机械传感器，所述机械传感器用于测量运动状态；

设置于所述柔性基材上的控制器，所述控制器获取所述声传感器、所述电传感器、所述光传感器以及所述机械传感器所采集数据信号，并将采集的信号发送AI终端，实现对人体的生命体征参数监控及预警。

2.根据权利要求1所述的一种超级听诊器，其特征在于，所述柔性基材的上表面设有柔性触控屏，所述柔性触控屏通过控制电路与所述声传感器、所述电传感器、所述光传感器、所述机械传感器和所述控制器电连，用于控制操作听诊器工作模式，以及显示人机交互的信息数据。

3.根据权利要求1所述的一种超级听诊器，其特征在于，所述柔性基材的上表面设有天线，所述天线用于供电用无线射频能的吸收和信号的双向交互传输。

4.根据权利要求2所述的一种超级听诊器，其特征在于，所述天线呈环形分布于所述柔性触控屏的***。

5.根据权利要求1所述的一种超级听诊器，其特征在于，所述吸盘的外表面设有用于防电、磁、波、光干扰的金属薄膜，且所述金属薄膜位于所述声传感器、所述电传感器、所述光传感器以及所述机械传感器的外侧。

6.根据权利要求1所述的一种超级听诊器，其特征在于，所述声传感器包括MEMS声电转换阵列芯片和多普勒芯片，其中，所述MEMS声电转换阵列芯片用于采集心跳的声音，所述多普勒芯片用于监测心跳的状态。

7.根据权利要求6所述的一种超级听诊器，其特征在于，所述多普勒芯片采用阵列式定向定位的多普勒芯片，用以捕捉心脏的运动状态，以提供精准测量心律和血压的依据，同时为心脏病患者提供有效的病理依据。

8.根据权利要求1所述的一种超级听诊器，其特征在于，所述光传感器包括被动式光电检测传感芯片和主动式光电检测传感芯片，且所述被动式光电检测传感芯片与所述主动式光电检测传感芯片之间设有隔离屏，所述隔离屏用于阻挡外界和所述主动式光电检测传感芯片发出的不同频段的光源，以避免产生检测误差,其中，所述被动式光电检测传感芯片通过吸收人体发出的红外波长以检测人体的体温；所述主动式光电检测传感芯片通过发射不同波长的光谱射入人体表皮后光谱的变化来检测人体的体征变化，用于监测人体的血压、心率、氧饱和量、血糖生命体征的变化。

9.根据权利要求8所述的一种超级听诊器，其特征在于，所述被动式光电检测传感芯片采用MEMS红外能谱捕捉器；所述主动式光电检测传感芯片采用光电转换传感器芯片。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种超级听诊器，其特征在于，还包括：能量采集及存储模块，其中，所述能量采集及存储模块用于吸收环境中的太阳能、温度差能、呼吸能及射频能量并将所采集的能量转换为电能进行存储，为所述控制器及其他部件提供电源，实现所述超级听诊器的无线自主供电功能。

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