TWI587836B - 生理訊號感測晶片及其生理訊號感測方法 - Google Patents

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TWI587836B
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Description

生理訊號感測晶片及其生理訊號感測方法
本發明係有關於感測多種生理訊號之感測裝置，特別是有關於使用單晶片感測多種生理訊號。
目前市售電子裝置所採用的指紋感測技術大多使用電容式感測方式，而電子裝置所採用的血氧感測技術或心跳感測技術則大多使用光學感測方式。由於半導體技術的迅速發展，相關電子產品朝著整合多種應用功能的方向發展。有鑑於此，本發明提出一種多重生理訊號感測晶片及對應之生理訊號感測方法。
本發明之一實施例提供一種生理訊號感測晶片。該生理訊號感測晶片包括一基板、至少一第一發光二極體、至少一第二發光二極體、一感測陣列和一處理單元。該基板包括一接觸面以與一手指相接觸。該至少一第一發光二極體發出紅色光至該手指。該至少一第二發光二極體發出紅外光至該手指。該感測陣列依據一第一感測週期感測反射自或折射自該手指之該紅色光或該紅外光得到複數第一生理感測訊號，或是依據一第二感測週期感測反射自或折射自該手指之該紅色光和該紅外光得到複數第二 生理感測訊號，其中該第一感測週期小於該第二感測週期。該處理單元連接至該至少一第一發光二極體、該至少一第二發光二極體和該感測陣列。該處理單元依據該第一感測週期和該第二感測週期運作該至少一第一發光二極體、該至少一第二發光二極體和該感測陣列。該處理單元處理該等第一生理感測訊號得到該手指對應之空間資訊，以及處理該等第二生理感測訊號得到該手指對應之能量資訊。
本發明之一實施例提供一種生理訊號感測方法，包括以一基板之一接觸面與一手指相接觸；發出紅色光至該手指；發出紅外光至該手指；依據一第一感測週期感測反射自或折射自該手指之該紅色光或該紅外光得到複數第一生理感測訊號；依據一第二感測週期感測反射自或折射自該手指之該紅色光和該紅外光得到複數第二生理感測訊號，其中該第一感測週期小於該第二感測週期；處理該等第一生理感測訊號得到該手指對應之空間資訊；以及處理該等第二生理感測訊號得到該手指對應之能量資訊。
10‧‧‧生理訊號感測晶片
11‧‧‧手指
12‧‧‧基板
121‧‧‧接觸面
131‧‧‧第一發光二極體
132‧‧‧第二發光二極體
133‧‧‧第三發光二極體
14‧‧‧影像感測器
140‧‧‧感測陣列
141、144‧‧‧感光二極體
142‧‧‧訊號讀出電路
143‧‧‧體溫感測器
15‧‧‧處理單元
151‧‧‧指紋影像處理單元
152‧‧‧血氧訊號處理單元
16‧‧‧二極體驅動電路
TA、TB、TC‧‧‧第一感測週期、第二感測週期、第三感測週期
第1A圖和第1B圖係依據本發明之一第一實施例舉例說明生理訊號感測晶片10之區塊圖。
第2圖係依據本發明之一第二實施例舉例說明感測陣列140之示意圖。
第3圖係依據本發明之一第三實施例舉例說明感測陣列140之示意圖。
第4圖係依據本發明之一第四實施例舉例說明本發明之生理訊號感測方法之一流程圖。
本揭露所附圖示之實施例或例子將如以下說明。本揭露之範疇並非以此為限。習知技藝者應能知悉在不脫離本揭露的精神和架構的前提下，當可作些許更動、替換和置換。在本揭露之實施例中，元件符號可能被重複地使用，本揭露之數種實施例可能共用相同的元件符號，但為一實施例所使用的特徵元件不必然為另一實施例所使用。
本發明採用光學感測方式，提出一種整合多種生理訊號感測功能之感測晶片(例如，整合指紋感測功能和血氧感測功能之感測晶片)。
第1A圖和第1B圖係依據本發明之一第一實施例舉例說明生理訊號感測晶片10之區塊圖。如第1A圖和第1B圖所示，在本發明第一實施例中，生理訊號感測晶片10包括一基板12、至少一第一發光二極體131、至少一第二發光二極體132、一影像感測器14、一處理單元15和一二極體驅動電路16。基板12包括一接觸面121以與一手指11相接觸。至少一第一發光二極體131用以發出紅色光至手指11。至少一第二發光二極體132用以發出紅外光至手指11。影像感測器14包括一感測陣列140和一體溫感測器143。一訊號讀出電路142分別連接至感測陣列140和體溫感測器143。感測陣列140係由複數感光二極體141(未圖示)和訊號讀出電路142所組成，而體溫感測器143則由一第三發光二極體133和對應之一感光二極體144(未圖示)所組成，其中第三發光二極體133用以 發出較長波長之紅外光至手指11，感光二極體144用以感測反射自或折射自手指11之較長波長之該紅外光。處理單元15包括一指紋影像處理單元151和一血氧訊號處理單元152，其中指紋影像處理單元151和血氧訊號處理單元152分別連接至感測陣列140之訊號讀出電路142。處理單元15連接並控制影像感測器14。處理單元15連接並控制二極體驅動電路16，以驅動至少一第一發光二極體131和至少一第二發光二極體132。
在本發明第一實施例中，感測陣列140之感光二極體141依據一第一感測週期TA感測反射自或折射自手指11之該紅色光，並藉由感測陣列140之訊號讀出電路142讀出對應之複數第一生理感測訊號。感測陣列140之感光二極體141亦依據一第二感測週期TB感測反射自或折射自手指11之該紅色光和該紅外光，並藉由感測陣列140之訊號讀出電路142讀出對應之複數第二生理感測訊號。值得注意的是，在本發明第一實施例中，第一感測週期TA小於第二感測週期TB。處理單元15依據第一感測週期TA和第二感測週期TB而運作感測陣列140之該等感光二極體141和訊號讀出電路142。
在本發明第一實施例中，當感測陣列140以第一感測週期TA進行運作時，由於第一感測週期TA很短，感光二極體141所感測到反射光(或折射光)的能量資訊與時間變化無關。同時，處理單元15亦依據第一感測週期TA控制第一發光二極體131之發光時間。此時，感測陣列140之訊號讀出電路142依據第一感測週期TA以決定分別讀取每一感光二極體141所感測到反射光(或折射光)的能量資訊。
當手指11接觸於基板12之接觸面121上時，手指11之指紋波峰111會直接接觸於接觸面121，而手指11之指紋波谷112會包含空氣而未接觸於接觸面121。光源(紅外光或紅色光)經過指紋波峰111會直接進入生理訊號感測晶片10之接觸面121，使得接觸面121下方之該等感光二極體141感測到光訊號。但當光源(紅外光或紅色光)經過手指11之指紋波谷112時，光源被手指11之指紋波谷112所包含的空氣散射掉，使接觸面121下方之該等感光二極體141則感測不到光訊號。
由於手指11表面之指紋波峰111和指紋波谷112對應之反射光(或折射光)能量大小不同，感測陣列140之中不同位置之感光二極體141所感測到反射光(或折射光)的能量大小隨之不同。每一感光二極體141所感測到反射光(或折射光)的能量資訊因而具有空間性的差異。
因此，在本發明第一實施例中，處理單元15調整第一感測週期TA，使感測陣列140之該等感光二極體141所感測之該等第一生理感測訊號為彼此之間具有空間關聯性之複數非時變訊號。例如，感測陣列140之該等感光二極體141感測來自手指11之一瞬間的反射光或折射光。此時，感測陣列140之訊號讀出電路142即可自該等感光二極體141讀出該等第一生理感測訊號。
在本發明第一實施例中，處理單元15之指紋影像處理單元151具有增益放大器、類比數位轉換電路和數位訊號處理電路。因此，指紋影像處理單元151得以處理訊號讀出電路142所讀出之複數取樣訊號(亦即該等第一生理感測訊號)得到手指11對應之空間資訊，其中該空間資訊包括指紋波峰111之複數位置和指 紋波谷112之複數位置，亦即該空間資訊包括手指11之一指紋圖樣。
在本發明第一實施例中，處理單元15調整第二感測週期TB，使感測陣列140之該等感光二極體141所感測之該等第二生理感測訊號為複數時變訊號。同時，處理單元15亦依據第二感測週期TB控制第一發光二極體131之發光時間和第二發光二極體132之發光時間。
由於訊號讀出電路142所讀取出之第二生理感測訊號需為時變訊號，而不是非時變訊號，第二感測週期TB需遠大於第一感測週期TA。例如，感測陣列140之該等感光二極體141感測來自手指11之一段時間內的反射光或折射光。此時，感測陣列140之訊號讀出電路142依據第二感測週期TB以決定讀取所有感光二極體141所感測到反射光(或折射光)的能量加總資訊，其中該能量加總資訊係隨著時間不同而變化之一連續訊號，且與空間(感光二極體141位於感測陣列140之中的位置)無關。因此，感測陣列140之訊號讀出電路142即可自該等感光二極體141讀出由該連續訊號所表示之該第二生理感測訊號。例如，紅外光和紅色光各自對應之兩個第二生理感測訊號。
在本發明第一實施例中，處理單元15之血氧訊號處理單元152具有增益放大器、類比數位轉換電路和數位訊號處理電路。因此，血氧訊號處理單元152得以處理訊號讀出電路142所讀出之兩連續取樣訊號(亦即紅外光和紅色光各自對應之兩個第二生理感測訊號)得到手指11對應之能量資訊，其中該能量資訊包括手指11之血氧資訊和手指11之心跳資訊。
在本發明第一實施例中，處理單元15之血氧訊號處理單元152更依據一第三感測週期TC運作影像感測器14之體溫感測器143，其中第三感測週期TC大於第一感測週期TA。例如，影像感測器14之體溫感測器143在一段時間內感測反射自或折射自手指11之紅外光，訊號讀出電路142即可依據第三感測週期TC自體溫感測器143讀出由連續訊號所表示之一第三生理感測訊號。接著，血氧訊號處理單元152得以處理訊號讀出電路142所讀出之複數取樣訊號(亦即該第三生理感測訊號)得到手指11對應之體溫資訊。在本發明第一實施例中，相似於上述第二生理感測訊號，該第三生理感測訊號係包含能量加總資訊之一時變訊號。
在本發明第一實施例中，至少一第一發光二極體131、至少一第二發光二極體132、感測陣列140和處理單元15能夠被整合在以平面式方式實現之單一矽晶片之中。因此，本發明之生理訊號感測晶片10能夠在僅使用到單一晶片之感測陣列的情形之下，以光學感測的方式得到手指11對應之指紋圖樣、血氧資訊和心跳資訊。
此外，值得注意的是，生理訊號感測晶片10只有在需要獲取血氧資訊時，才需使用到兩個以上的不同波長光源(亦即才需開啟第一發光二極體131和第二發光二極體132)。換句話說，在本發明之其他實施例中，生理訊號感測晶片10能夠在僅依靠單一波長的光源(例如，僅開啟第一發光二極體131進行取樣，或是僅開啟第二發光二極體132進行取樣)之情形下，取得手指11對應之指紋圖樣、體溫資訊、或心跳資訊。
在本發明之其他實施例中，生理訊號感測晶片10並 不限定於採用紅色光光源和紅外光光源。例如，生理訊號感測晶片10亦可採用發出其他波長光線的發光二極體，並進而得到手指11之生理資訊(例如，指紋圖樣、體溫資訊、血氧資訊、或心跳資訊)。
由於體溫感測器143所需紅外光波長較長的關係，體溫感測器143之中的第三發光二極體133和感光二極體144大多採用三五族半導體實現。由三五族半導體實現之體溫感測器143再透過封裝的方式整合於生理訊號感測晶片10之中。
此外值得注意的是，若體溫感測器143係採用多晶矽實現，則體溫感測器143亦可被實現於同一矽晶片之中(或是實現於同一感測陣列140之中)。此時，本發明之生理訊號感測晶片10能夠在僅使用到單一矽晶片之感測陣列的情形之下，以光學感測的方式得到手指11對應之指紋圖樣、血氧資訊、心跳資訊和體溫資訊。
在本發明之一第二實施例中，處理單元15控制感測陣列140以第一感測週期TA進行運作，感測陣列140之訊號讀出電路142讀出對應之所有第一生理感測訊號。此時，指紋影像處理單元151處理所有第一生理感測訊號得到手指11對應之空間資訊(例如手指11之指紋圖樣)，而處理單元15之血氧訊號處理單元152則處理所有第一生理感測訊號得到對應之一第一生理感測平均訊號，其中該第一生理感測平均訊號代表感測陣列140之該等感光二極體141在第一感測週期TA之中所感測到之一平均值。由於第一感測週期TA之週期長度很短(例如，5毫秒)，該第一生理感測平均訊號同樣為非時變訊號。此外該第一生理感測平均訊號之大小 與感測陣列140進行感測的時間點有關。
透過相同的方式，處理單元15在不同的感測時間點之下控制感測陣列140和二極體驅動電路16，使血氧訊號處理單元152分別處理得到該第一生理感測平均訊號。例如，處理單元15控制感測陣列140每隔100毫秒以第一感測週期TA進行運作，使血氧訊號處理單元152在100秒之中依序處理得到1000個第一生理感測平均訊號。此時，由於每一第一生理感測平均訊號之感測時間點皆不相同，該1000個第一生理感測平均訊號可視為單一時變訊號，亦即由1000個離散數值形成之單一時變訊號。血氧訊號處理單元152即可藉由處理紅色光所對應之該時變訊號(該1000個第一生理感測平均訊號)和紅外光所對應之該時變訊號(該1000個第一生理感測平均訊號)，而得到手指11對應之血氧資訊以及心跳資訊。
因此，在本發明第二實施例中，生理訊號感測晶片10之影像感測器14使用相同的感測週期(例如，第一感測週期TA)進行感測，進而得到手指11對應之指紋圖樣、血氧資訊以及心跳資訊。
第2圖係依據本發明之一第二實施例舉例說明感測陣列140之示意圖。在本發明第二實施例中，為了使紅外光/紅色光更均勻反射/折射至感測陣列140，六個第一發光二極體131和六個第二發光二極體132被均勻設置於感測陣列140之周圍。
第3圖係依據本發明之一第三實施例舉例說明感測陣列140之示意圖。在本發明第三實施例中，為了減少生理訊號感測晶片10之設計面積，第一發光二極體131和第二發光二極體132 被整合至感測陣列140之中。此時，由於感測陣列140的面積足夠大，上述配置方式(整合至感測陣列140之中)所損失的畫素並不足以對指紋辨識產生影響。
第4圖係依據本發明之一第四實施例舉例說明本發明之生理訊號感測方法之一流程圖。在步驟S401中，一基板之接觸面121與手指11相接觸。在步驟S402中，發出紅色光通過手指11。在步驟S403中，發出紅外光至手指11。在步驟S404中，依據一第一感測週期TA感測反射自或折射自手指11之該紅色光得到複數第一生理感測訊號。在步驟S405中，依據一第二感測週期TB感測反射自或折射自手指11之該紅色光和該紅外光得到複數第二生理感測訊號，其中第一感測週期TA小於第二感測週期TB。在步驟S406中，處理該等第一生理感測訊號得到手指11對應之空間資訊。在步驟S407中，處理該等第二生理感測訊號得到手指11對應之能量資訊。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，使得本領域具有通常知識者能夠更清楚地理解本發明的內容。然而，本領域具有通常知識者應理解到他們可輕易地以本發明做為基礎，設計或修改流程以及使用生理訊號感測晶片及其生理訊號感測方法進行相同的目的和/或達到這裡介紹的實施例的相同優點。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。
10‧‧‧生理訊號感測晶片
131‧‧‧第一發光二極體
132‧‧‧第二發光二極體
14‧‧‧影像感測器
140‧‧‧感測陣列
142‧‧‧訊號讀出電路
143‧‧‧體溫感測器
15‧‧‧處理單元
151‧‧‧指紋影像處理單元
152‧‧‧血氧訊號處理單元
16‧‧‧二極體驅動電路

Claims (12)

  1. 一種生理訊號感測晶片，包括：一基板，包括一接觸面以與一手指相接觸；至少一第一發光二極體，發出紅色光至該手指；至少一第二發光二極體，發出紅外光至該手指；一感測陣列，依據一第一感測週期感測反射自或折射自該手指之該紅色光或該紅外光得到複數第一生理感測訊號，或是依據一第二感測週期感測反射自或折射自該手指之該紅色光和該紅外光得到複數第二生理感測訊號，其中該第一感測週期小於該第二感測週期；以及一處理單元，連接該至少一第一發光二極體、該至少一第二發光二極體和該感測陣列，其中該處理單元依據該第一感測週期和該第二感測週期運作該至少一第一發光二極體、該至少一第二發光二極體和該感測陣列；以及其中該處理單元處理該等第一生理感測訊號得到該手指對應之空間資訊，以及處理該等第二生理感測訊號得到該手指對應之能量資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號感測晶片，其中該處理單元調整該第一感測週期使該感測陣列所感測之該等第一生理感測訊號為非時變訊號；以及其中該處理單元調整該第二感測週期使該感測陣列所感測之該等第二生理感測訊號為時變訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之生理訊號感測晶片，其中該處理單元更處理該等第一生理感測訊號得到對應之一第一生理感測平均訊號；其中該處理單元在複數時間點運作該感測陣列，以得到每一該時間點對應之該第一生理感測平均訊號；以及其中該處理單元處理該等第一生理感測平均訊號得到該手指之血氧資訊和該手指之心跳資訊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號感測晶片，其中該空間資訊係該手指之一指紋圖樣；以及其中該能量資訊包括該手指之血氧資訊和該手指之心跳資訊。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號感測晶片，更包括：一體溫感測器，連接至該處理單元，其中該處理單元依據一第三感測週期運作該體溫感測器，且該第三感測週期大於該第一感測週期；以及其中該體溫感測器依據該第三感測週期感測反射自該手指之該紅外光得到複數第三生理感測訊號，使該處理單元處理該等第三生理感測訊號得到該手指對應之體溫資訊。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號感測晶片，其中該至少一第一發光二極體和該至少一第二發光二極體圍繞於該感測陣列之周圍。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號感測晶片，其中該至少一第一發光二極體和該至少一第二發光二極體設置於該感測陣列之中。
  8. 一種生理訊號感測方法，包括：一基板之一接觸面與一手指相接觸；發出紅色光至該手指；發出紅外光至該手指；依據一第一感測週期感測反射自或折射自該手指之該紅色光或該紅外光得到複數第一生理感測訊號；依據一第二感測週期感測反射自或折射自該手指之該紅色光和該紅外光得到複數第二生理感測訊號，其中該第一感測週期小於該第二感測週期；處理該等第一生理感測訊號得到該手指對應之空間資訊；以及處理該等第二生理感測訊號得到該手指對應之能量資訊。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之生理訊號感測方法，更包括：調整該第一感測週期使感測之該等第一生理感測訊號為非時變訊號；以及調整該第二感測週期使感測之該等第二生理感測訊號為時變訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之生理訊號感測方法，更包括： 處理該等第一生理感測訊號得到對應之一第一生理感測平均訊號；在複數時間點進行感測，以得到每一該時間點對應之該第一生理感測平均訊號；以及處理該等第一生理感測平均訊號得到該手指之血氧資訊和該手指之心跳資訊。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之生理訊號感測方法，其中該空間資訊係該手指之一指紋圖樣；以及其中該能量資訊包括該手指之血氧資訊和該手指之心跳資訊。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之生理訊號感測方法，更包括：依據一第三感測週期感測反射自該手指之該紅外光得到複數第三生理感測訊號，其中該第三感測週期大於該第一感測週期；以及處理該等第三生理感測訊號得到該手指對應之體溫資訊。
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