传感器的集成化 吉大团队开发有机光电容积描记法传感器，功耗仅为同类器件的40%
吉大团队开发有机光电容积描记法传感器，功耗仅为同类器件的40%
在当今社会，随着生活节奏的加快和工作压力的增大，心血管疾病已成为威胁人类健康的头号杀手。
根据世界卫生组织的数据，心血管疾病每年导致全球约 1790 万人死亡，占总死亡人数的 31%。
这一严峻的现实促使科研人员和医疗专家寻求更为有效的方法来监测和预防心脏病。
现有的可穿戴医疗设备，尤其是那些用于监测心率和血氧饱和度的光电容积描记法传感器，虽然在一定程度上满足了人们对于健康监测的需求，但仍存在一些显著的问题。
首先，这些设备通常采用刚性的无机发光二极管和光电探测器，与人体皮肤的柔软性和可变形性不匹配，导致在佩戴过程中容易产生运动伪影和噪声，影响监测数据的准确性。
其次，现有设备的功耗较高，对于长时间连续监测造成了限制，尤其是在电池供电的移动设备上，这一问题尤为突出。
为了解决这些问题，吉林大学刘士浩副教授所在团队开发了一种新型有机光电容积描记法传感器。
图 | 刘士浩（来源：刘士浩）
该传感器不仅能够提供更准确、更稳定的生理信号监测，同时还能显著降低功耗，提高设备的佩戴舒适性。
本次研究的核心在于：利用微腔有机发光二极管和环形有机光电探测器的组合，通过调整微腔有机发光二极管的光学微腔，来实现光线的角度定向发射。
从而优化光线在人体皮肤和组织中的传播路径，增强从动脉血管反射回来的光信号，提高交流信号的强度，并通过这一方式来提升信号的质量和准确性。
同时，通过优化器件结构和电路设计，课题组将传感器的功耗降低到了 9.96 微瓦，这是目前报道的同类器件功耗的 40% 左右，为可穿戴医疗设备的发展提供了新的可能性。
（来源：Laser & Photonics Reviews）
日前，相关论文以《基于定向发射微腔有机发光器件的有机光辐射传感器》（Organic Photoplethysmography Sensor Based on Directional Emission Microcavity Organic Light-Emitting Device）为题发在 Laser & Photonics Reviews[1]。
吉林大学硕士生朱浩是第一作者，吉林大学刘士浩副教授、张乐天教授、谢文法教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Laser & Photonics Reviews）
审稿人认为通过微腔有机发光二极管实现的定向角发射技术，显著提高了传感器对脉搏信号的捕捉能力，同时大幅降低了功耗。
这一技术不仅简化了传感器识别过程，而且实现了前所未有的低功耗水平，这对于电池驱动的可穿戴设备来说是一个巨大的突破。
审稿人还赞扬了研究团队在提高交流信号、减少基线漂移和改善交流/直流比率方面的努力，认为这将为未来的可穿戴健康监测技术提供重要的技术支持。
在未来几年内，本次成果具可能在以下几个方面产生深远影响：
其一，个人健康管理。
随着人们健康意识的增强，对于能够实时监测健康状况的便携式医疗设备的需求日益增长。
本次开发的有机光电容积描记法传感器可以集成到智能手表、健康监测手环等可穿戴设备中，为用户提供实时的心率监测和健康评估，帮助人们更好地了解自己的健康状况，并采取适当的健康干预措施。
其二，远程医疗监测。
在全球范围内，随着医疗资源的不均和老龄化社会的到来，远程医疗监测成为了一个重要的解决方案。
而本次成果可用于远程医疗系统中，通过长时间的连续监测，帮助医生及时了解患者的健康状况。
尤其是在家庭护理和慢性病管理方面，这一技术将发挥重要作用。
其三，运动和军事领域。
在运动训练和军事行动中，对个体的生理状态进行实时监测至关重要。
光电容积描记法传感器可以应用于运动员的训练监测和士兵的战场生存系统中，通过精确监测心率和其他生命体征，提高训练效果和作战效能。
其四，智能医疗设备。
随着医疗技术的发展，越来越多的医疗设备需要集成高精度的生理信号监测功能。
光电容积描记法传感器可以作为核心组件，应用于各种智能医疗设备中，如智能血压计、心电图机等，提高这些设备的监测精度和用户体验。
其五，人工智能和大数据。
随着人工智能和大数据技术的发展，未来的医疗健康领域将更加依赖于数据驱动的决策。
光电容积描记法传感器可以与这些技术相结合，通过收集和分析大量的生理数据，为个性化医疗和疾病预防提供支持。
基于当前的研究成果，研究团队已经制定了后续的研究计划。
首先，课题组将继续对有机光电容积描记法传感器的性能进行优化，包括进一步提高信号的采集效率和稳定性、以及降低功耗。
具体来说，他们计划通过改进器件的材料和结构设计，以及采用先进的制造技术来实现这些目标。
其次，该团队计划探索将传感器与其他生物传感技术相结合，开发集成化的健康管理平台。
此外，还将研究如何将 AI 技术应用于光电容积描记法数据的分析和解释中，以提供更深入的健康洞察。
最后，课题组希望通过与医疗保健行业的合作，将这项技术转化为实际的产品和服务，造福更广泛的用户群体。
参考资料：
1.Zhu, H., Yu, H., Zhang, J., Zhang, Y., Zhang, L., Liu, S., & Xie, W. (2024). Organic Photoplethysmography Sensor Based on Directional Emission Microcavity Organic Light‐Emitting Device.Laser & Photonics Reviews, 2400042.
运营/排版：何晨龙
写给小白的芯片半导体科普：传感器为什么不是集成电路？
我们在日常工作和生活中，经常会使用到各种各样的电子或电器产品，例如电脑、手机、电视、冰箱、洗衣机等。
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这些产品，如果我们把它拆开，都会看到类似下面这样的一块绿色板子。
有时候是蓝色或黑色的
大家都知道，这个绿色板子，叫做电路板。更官方一点的名称，叫印制电路板，也就是PCB（Printed Circuit Board，国外有时候也叫PWB，Printed Wire Board）。
在PCB上，焊接了很多的电子元器件，例如电容、电阻、电感等。
我们还可以看到，有一些黑色的方形元件。
没错，这个元件，很可能就是一块芯片（英文名叫做chip）。
█ 芯片的定义
芯片，其实是一个比较笼统的叫法。
对于电子设备来说，它藏在内部，又非常重要，相当于汽车的发动机、人的心脏，所以叫“芯”。从形态来看，它是一片一片的，所以叫“片”。合起来，就是“芯片”。
通常来说，芯片就是集成电路（integrated circuit）。两者之间可以划等号，互相换用。
集成电路是比较容易定义的。通过特定技术，将晶体管、电阻、电容、二极管等电子元件集成在单一基板上，形成一种微型电路，就叫集成电路。
如果这个基板，采用的是半导体材料（例如硅），或者说，集成电路由半导体材料晶圆制造而来，就属于半导体集成电路。
我们传统意义上说的集成电路，基本上都是指半导体集成电路。所有，有时候半导体、芯片、集成电路三个词，也经常混用。
如果细抠的话，芯片和集成电路也还是有一些区别的。
部分行业观点认为：
集成电路是电路，是基础单元，主要强调实现某一功能，例如某一逻辑运算。在电路设计等场景，会更多用到这个叫法。
而芯片，是一个更宏观、更产品化的概念。经过设计、制造、封装和测试后，形成的可直接使用的产品形态，被认为是芯片。在强调用途的时候，人们会更多采用“芯片”的叫法，例如CPU芯片、AI芯片、基带芯片等。
也有人将芯片定义为：“包含了一个或多个集成电路的、能够实现某种特定功能的通用半导体元件产品”。或者说，芯片是半导体元件产品的统称。
相比之下，半导体和集成电路的区别，更清晰一些：
半导体包括：集成电路+分立器件+光电子器件+传感器。
集成电路和另外三个的主要区别，在于集成度。集成电路的晶体管数量，远远大于分立器件、光电子器件和传感器。另外，衬底材料一般也不一样。
目前，光电子器件，分立器件和传感器的市场规模加在一起，也仅占到全部半导体市场规模的10%左右。
所以，我们可以说：集成电路是半导体的最重要组成部分。
█ 芯片的分类
芯片是一套实现特定功能的电路。它具有模块化的特点，可以方便厂商快速地进行产品设计和研发，降低开发难度，缩短开发周期。
几十年来，半导体工艺在摩尔定律的指引下飞速发展，芯片的尺寸越来越小，里面容纳的电路越来越多，使得电子产品的体积、成本以及功耗大幅下降。
它不仅改善了我们的生活品质，也引领了信息技术革命，推动了整个人类文明的进步。
有了芯片，才有了手机。
如今，芯片形成了非常广泛的应用，也衍生出了很多类别。
世界半导体贸易统计组织（World Semiconductor Trade Statistics，WSTS）的分类方式较为权威、官方。他们将所有集成电路类别，分为：模拟（Analog）、微型（Micro）、逻辑（Logic）和存储器（Memory）。
非官方层面，分类就比较随意。
按照功能，我们经常将芯片分为：计算芯片、存储芯片、通信芯片、感知芯片、能源芯片、接口芯片。
我们比较熟悉的芯片类型，有以下几种：
按照等级，芯片又可以分为消费级、工业级、汽车级、军工级和航天级等。按照设计理念，还可以分为通用芯片（CPU、GPU等）、专用芯片（AISC）。
我们还可以按照工艺制程来分，例如大家经常听说的28nm、14nm、7nm、5nm。或者，按照半导体材料来分，例如硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等。这些我们在后面讲芯片制造流程时，都会再介绍。
事实上，现在我们除了电芯片之外，还发展出了光芯片（例如硅光技术），用光来代替电流来传递信号。
站在集成电路的角度，还有很多种分类。
按制作工艺，集成电路可以分为半导体集成电路和膜集成电路（膜集成电路用的是金属和陶瓷等）。膜集成电路又分为厚膜（thick-film）集成电路和薄膜（thin-film）集成电路。
按照电路属性，我们还可以分为数字集成电路、模拟集成电路和混合信号集成电路。
数字集成电路，顾名思义，处理的都是数字信号。它在我们身边出现得最多，例如微处理器（CPU、GPU等）、数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）等，都是数字集成电路。
模拟集成电路，较多用于传感器、电源芯片、运放等，主要用于模拟信号的放大、滤波、解调、混频等功能。
混合信号集成电路，是模拟和数字电路集成在一个芯片上。大家应该能猜到，模数（ADC）和数模（DAC）转换芯片，就属于这类。
按照芯片上所集成的微电子器件的数量（规模），集成电路可以分为以下几类：
更专业一点，按导电类型，集成电路还可以分为双极型集成电路和单极型集成电路。
双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、 ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。
单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等。
上面这些名词，后续小枣君在介绍芯片的工作原理时，都会详细解释。
█ 芯片的内部构造
前面我们提到，芯片看上去都是黑色方片状。
有时候，它还会有银色的金属盖板（加强保护，也利于散热）。例如我们的CPU：
CPU盖板
CPU外观
芯片是经过封装（芯片制造流程的一道工序）之后，才变成了这样。
我们把“壳”拿掉，才能真正看到芯片的内部核心。用显微镜放大来看，是这样的：
外围一圈，是引脚（针脚）。细细的线，是引线。中间方形的部分，才是芯片真正的电路。
如果继续放大来看，是这样的：
换成3D效果，是这样的：
没错，都是立体的，有很多很多层，密密麻麻，就像一个超级迷宫，也像一座未来城市。
图上，一根一根的，都是连线。而它们连接的对象，就是晶体管。
芯片中晶体管的数量，通常代表了这个芯片的能力。晶体管越多，电路就越多，功能和算力就更强。现在很多厂商发布芯片，总是会强调芯片里面拥有多少多少晶体管，就是这个意思。
英伟达的H100 GPU，拥有800亿晶体管
芯片有简单的（相对来说），也有复杂的。一些复杂的芯片，还会分为各个不同的功能模块。这些模块共同组成一个系统，就变成了SoC（System on Chip，片上系统，系统级芯片）。
我们的手机主芯片，例如高通骁龙、联发科天玑、华为麒麟，都是典型的SoC芯片。芯片上包括了CPU、GPU、APU、ISP、基带、射频，等等。
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