生物傳感器的制造方法

生物傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種能改善被受光元件所接收并由放大器進行放大的檢測信號的S/N比的生物傳感器。生物傳感器(1)包括：生成脈沖狀的驅動信號的驅動信號生成部(57)；根據所生成的驅動信號來進行發光的發光元件(10)；輸出與所接收到的光的強度相對應的檢測信號的受光元件(20)；包含對所輸出的檢測信號進行放大的第一、第二運算放大器(31、40)的放大部(30)；生成使放大檢測信號時的第一運算放大器(31)的基準電位發生偏移的脈沖狀的偏移電壓并將其施加于該第一運算放大器(31)的偏移信號生成部(58)和分壓電阻組(32)；以及對經放大部(30)放大后的檢測信號進行處理以獲取生物信息的運算部(56)。
【專利說明】生物傳感器

【技術領域】
[0001]本發明涉及檢測生物信息的生物傳感器。

【背景技術】
[0002]以往，已知有以下光電脈搏計或脈搏血氧計，該光電脈搏計或脈搏血氧計利用血液中的血紅蛋白吸收可見光?紅外光的特性，來獲取透過手指等生物體、或被生物體所反射的光的強度變化，以作為光電脈搏波信號(例如，參照專利文獻I)。
[0003]這里，專利文獻I的脈搏血氧計包括:第一及第二發光二極管，該第一及第二發光二極管由振蕩電路所輸出的脈沖信號來交替驅動，以向生物組織照射紅色光和紅外光；以及光電二極管，該光電二極管對被生物組織所吸收后的光輸出進行檢測。在利用放大器對光電二極管的受光輸出進行放大后，利用多路復用器以與振蕩電路輸出同步的方式對其進行分配并輸入運算器。在運算器中，根據由光電二極管的受光輸出所獲得的各波長的直流分量和脈動分量，來計算因動脈血流而形成的吸光度的脈動分量之比Φ，根據該吸光度之比Φ來計算動脈血的氧飽和度。
現有技術文獻專利文獻
[0004]專利文獻1:日本專利第3116252號公報


【發明內容】

發明所要解決的技術問題
[0005]然而，有時會有來自發光二極管(發光元件)以外的外來光(例如太陽、熒光燈的光等)進入光電二極管(受光元件)。因此，本來想要檢測的光即透過生物體的光或被生物體反射的光有可能會與外來光疊加，從而導致檢測信號的S/N比降低。
[0006]這里，在專利文獻I的脈搏血氧計中，在有外來光疊加并射入受光元件的情況下，若該外來光分量(噪聲分量)過大，則放大器的輸出會發生飽和，從而無法高精度地提取出脈動分量(信號分量)。另一方面，若為了防止輸出發生飽和而減小放大器的放大率，則脈動分量的振幅也會減小，從而有可能導致氧飽和度的檢測精度降低。另外，在包含外來噪聲分量來進行編碼的情況下，由于需要使A/D轉換器等相對于脈動分量具有足夠的分辨率，因此，會導致成本上升。因此，希望獲得能改善被受光元件所接收并由放大器進行放大的檢測信號的S/N比的技術。
[0007]本發明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于，提供一種能改善被受光元件所接收并由放大器進行放大的檢測信號的S/N比的生物傳感器。
解決技術問題所采用的技術方案
[0008]本發明所涉及的生物傳感器的特征在于，包括:驅動信號生成單元，該驅動信號生成單元生成驅動信號；發光元件，該發光元件根據由驅動信號生成單元所生成的驅動信號來進行發光；受光元件，該受光元件輸出與所接收到的光的強度相對應的檢測信號；放大單元，該放大單元包含放大器，所述放大器對從受光元件輸出的檢測信號進行放大；偏移單元，該偏移單元生成偏移電壓并將其施加于放大器，所述偏移電壓使放大檢測信號時的放大器的基準電位發生偏移；以及運算單元，該運算單元對經放大單元放大后的檢測信號進行處理，以獲取生物信息。
[0009]根據本發明所涉及的生物傳感器，使放大檢測信號時的放大器的基準電位發生偏移。這里，由于外來光等噪聲分量會作為直流分量與檢測信號疊加，因此，通過使放大器的基準電位發生偏移，能去除該噪聲分量。由此，能改善被受光元件所接收并由放大器(放大單元)進行放大的檢測信號的S/N比。
[0010]在本發明所涉及的生物傳感器中，優選為驅動信號生成單元生成脈沖狀的驅動信號，偏移單元生成并施加與由驅動信號生成單元所生成的脈沖狀的驅動信號同步的脈沖狀的偏移電壓。
[0011]在這種情況下，由于利用脈沖狀的驅動信號來對發光元件進行閃爍驅動，因此，與始終點亮的情況相比，能降低功耗。另外，由于對運算放大器施加與脈沖狀的驅動信號同步的脈沖狀的偏移電壓，因此，在點亮發光元件時能從受光元件所獲取的檢測信號中去除噪聲分量。
[0012]在本發明所涉及的生物傳感器中，優選為偏移單元包括:偏移信號生成單元，該偏移信號生成單元生成偏移信號；以及分壓單元，該分壓單元包含多個電阻器，對由偏移信號生成單元所生成的偏移信號進行分壓以生成偏移電壓。
[0013]在這種情況下，通過將偏移信號生成單元與分壓單元進行組合來使用，能提高施加于放大器的偏移電壓的精度。由此，能高精度地去除噪聲分量。
[0014]優選為本發明所涉及的生物傳感器還包括可變單元，該可變單元基于經放大單元放大后的檢測信號的交流分量的振幅，使放大單元的放大率可變。
[0015]由此，能基于檢測信號的交流分量即信號分量的振幅，使放大單元的放大率可變(來調節放大單元的放大率)。由此，能與去除噪聲分量的程度(S/N比被改善的程度)相對應地提高放大單元(放大器)的放大率。因此，能擴大信號分量的振幅。
[0016]優選為本發明所涉及的生物傳感器還包括發光元件，該發光元件輸出波長與上述發光元件不同的光，驅動信號生成單元分別對多個發光元件生成具有互不相同的定時的脈沖狀的驅動信號，偏移單元以分別與在互不相同的定時所輸出的脈沖狀的驅動信號同步的方式，來生成并施加互相獨立的脈沖狀的偏移電壓。
[0017]由此，能用單一的受光元件來接收從多個發光元件輸出的脈沖光。另外，能對分別從多個發光元件輸出的波長互不相同的每種光去除噪聲分量。由此，能對從多個發光元件輸出的每種脈沖光改善S/N比。
[0018]在本發明所涉及的生物傳感器中，優選為放大單元包含進行多級級聯的多個放大器，偏移單元將偏移電壓施加于第二級之后的放大器。
[0019]在這種情況下，由于將在前級被放大的檢測信號輸入第二級之后的放大器，因此，為了去除噪聲分量而施加于該放大器的偏移電壓變大。由此，例如能使用分辨率更低的D/A轉換器或精度更低的電阻器等來作為偏移單元，從而能降低成本。
[0020]另外，在本發明所涉及的生物傳感器中，優選為偏移信號生成單元基于經放大單元放大后的檢測信號的直流分量的電壓值來使偏移信號可變。
[0021]在這種情況下，基于檢測信號的直流分量來使偏移信號可變。即，能根據噪聲分量的大小來使去除該噪聲分量的偏移電壓可變(調節偏移電壓)。由此，能有效地去除噪聲分量，從而進一步改善S/N比。
發明效果
[0022]根據本發明，能改善被受光元件所接收并由放大器進行放大的檢測信號的S/N比。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是表示實施方式I所涉及的生物傳感器的結構的框圖。
圖2是構成實施方式I所涉及的生物傳感器的輸入部的電路圖。
圖3是表示實施方式I所涉及的生物傳感器的放大部所輸出的輸出電壓等的仿真結果的圖。
圖4是表示現有技術(比較例)所涉及的生物傳感器的結構的框圖。
圖5是表示現有技術(比較例)所涉及的生物傳感器的放大部所輸出的輸出電壓的仿真結果的圖。
圖6是表示實施方式I所涉及的生物傳感器的放大部、及現有技術(比較例)所涉及的生物傳感器的放大部各自所輸出的輸出電壓的實測例的圖。
圖7是表示實施方式2所涉及的生物傳感器的結構的框圖。
圖8是表示實施方式3所涉及的生物傳感器的結構的框圖。
圖9是表示實施方式4所涉及的生物傳感器的結構的框圖。

【具體實施方式】
[0024]下面，參照附圖對本發明的優選實施方式進行詳細說明。另外，在圖中，對相同或相應的部分使用相同標號。另外，在各圖中，對相同要素標注相同的標號，并省略重復說明。
[0025](實施方式I)
首先，同時參照圖1、圖2，對實施方式I所涉及的生物傳感器I的結構進行說明。這里，圖1是表示生物傳感器I的結構的框圖。另外，圖2是構成生物傳感器I的輸入部的電路圖。
[0026]生物傳感器I是一種傳感器，該傳感器利用血液中血紅蛋白的吸光特性來對光電脈搏波信號進行光學性檢測，例如測量脈搏等生物信息。為此，生物傳感器I構成為主要包括發光元件10、受光元件20、放大部30、以及微控制器50等。
[0027]發光元件10根據從微控制器50的輸出端口 54所輸出的脈沖狀的驅動信號來進行發光。作為發光元件10，可以使用例如LED、VCSEL(Vertical Cavity Surface EmittingLASER:垂直腔面發射激光器)、或諧振器型LED等。此外，在本實施方式中，使用600Hz的脈沖信號來作為驅動信號。
[0028]受光元件20輸出檢測信號，所述檢測信號與從發光元件10射出并透過例如指尖等人體100或被人體100所反射而射入的光的強度相對應。作為受光元件20，優選使用例如光電二極管或光電晶體管等。在本實施方式中，使用光電二極管來作為受光元件20。受光元件(光電二極管)20與放大部30相連接，由受光元件(光電二極管)20所獲得的檢測信號(光電脈搏波信號)輸出至放大部30。
[0029]放大部30具有多級級聯(在本實施方式中為2級)的2個運算放大器(運放)31、40，對從受光元件(光電二極管)20所輸出的檢測信號(光電脈搏波信號)進行放大。
[0030]更具體而言，發光二極管20的陰極電極與前級(第I級)的運算放大器(以下稱為“第一運算放大器”)31的反相輸入(一)端子相連接。另一方面，光電二極管20的陽極端子與第一運算放大器31的非反相輸入(+)端子相連接。另外，光電二極管20的陽極端子與分壓電阻組(相當于權利要求中的分壓單元)32相連接，所述分壓電阻組32對從微控制器50的D/A轉換器53所輸出的模擬信號進行分壓，并將其施加于運算放大器31的非反相輸入(+)端子。
[0031]更詳細而言，分壓電阻組32包括:第一電阻器33，該第一電阻器33的一端與光電二極管20的陽極端子及第一運算放大器31的非反相輸入(+)端子相連接，另一端與接地相連接；以及第二電阻器34，該第二電阻器34的一端與第一電阻器33的一端相連接，另一端與D/A轉換器53的輸出端子相連接。由此，在第一電阻器33與第二電阻器34之間的連接點(即，光電二極管20的陽極端子及第一運算放大器31的非反相輸入(+)端子)上，會出現根據第一電阻器33的電阻值與第二電阻器34的電阻值之間的比率來對從D/A轉換器53所輸出的模擬信號進行分壓后所得的電壓(偏移電壓)。因此，使得放大檢測信號時的第一運算放大器31的基準電位(動作點)偏移該偏移電壓。
[0032]這里，對偏移電壓(校正電壓)的設定方法進行說明。例如，從放大部30的輸出端來看，在將直流分量(噪聲分量)校正(去除)IV的情況下，假設將放大部30的放大率(即運算放大器31的放大率與運算放大器40的放大率的乘積值)設為100倍，則只要施加1/100(V) =0.01(V)的偏移電壓即可。即，在這種情況下，對第一電阻器33和第二電阻器34各自的電阻值、以及D/A轉換器53的輸出電壓進行設定/調節，使得偏移電壓成為0.0l(V)。
[0033]第一運算放大器31的輸出端子經由電容器35與第二運算放大器40的輸入端子(非反相輸入(+)端子)相連接(即交流耦合)。在利用電容器35來去除經第一運算放大器31放大后的檢測信號的直流分量后，利用后級(第2級)的運算放大器(以下稱為“第二運算放大器”)40來再次進行放大。第二運算放大器40的輸出端與微控制器50相連接，放大后的檢測信號(光電脈搏波信號)輸出至微控制器50。
[0034]微控制器50對光電二極管20所檢測出并經放大部30放大后的檢測信號(光電脈搏波信號)進行處理，以獲取用戶的脈搏等生物信息。另外，微控制器50對發光元件10輸出驅動信號，并對分壓電阻組32輸出偏移信號。因此，微控制器50構成為包括:作為輸入接口的多路復用器51和A/D轉換器52 ;對經由A/D轉換器52輸入的檢測信號進行運算處理的CPU55 ;對用于使該CPU執行各處理的程序、數據進行存儲的ROM ;對運算結果等各種數據暫時進行存儲的RAM;輸出偏移信號(模擬信號)的D/A轉換器53 ;以及輸出驅動信號的輸出端口 54等。
[0035]另外，在微控制器50中，利用CPU55來執行存儲于ROM的程序，從而實現運算部
56、驅動信號生成部57、偏移信號生成部58的功能。此外，A/D轉換器52、D/A轉換器54、CPU55、ROM、RAM等也可以分別由獨立的芯片構成。
[0036]多路復用器51選擇并切換進行A/D轉換的輸入端口。多路復用器51基于來自CPU的控制信號來對輸入端口進行切換。來自多路復用器51所選擇的輸入端口的檢測信號(光電脈搏波信號)傳送至A/D轉換器52。
[0037]A/D轉換器52以規定的采樣周期將來自多路復用器51所選擇的輸入端口的檢測信號(光電脈搏波信號)轉換成數字數據。經數字轉換后的檢測信號輸出至運算部56。
[0038]運算部56對所讀取的檢測信號(光電脈搏波信號)進行處理，以獲取例如脈搏等生物信息。即，運算部56起到作為權利要求所記載的運算單元的功能。另外，所獲取到的脈搏等生物信息輸出至外部，或者存儲于上述RAM等。
[0039]驅動信號生成部57生成驅動發光元件10的脈沖狀的驅動信號，并將其經由輸出端口 54輸出。即，驅動信號生成部57起到作為權利要求所記載的驅動信號生成單元的功能。在本實施方式中，驅動信號生成部57設定為生成頻率為600Hz的脈沖波來作為驅動信號。
[0040]偏移信號生成部58考慮根據第一電阻器33和第二電阻器34各自的電阻值來決定的分壓比，來生成與驅動信號生成部57所輸出的脈沖狀的驅動信號同步的脈沖狀的偏移信號(數字數據)。這里，例如在設為將0.01 (V)的偏移電壓施加于第一運算放大器31的情況下，若將分壓電阻組32的分壓比設為例如1/5，則生成偏移信號(數字數據)，以使得從D/A轉換器53輸出0.05 (V)。
[0041]在利用D/A轉換器53將由偏移信號生成部58所生成的偏移信號(數字數據)轉換成模擬信號之后，將其輸出至分壓電阻組32。即，偏移信號生成部58、D/A轉換器53、以及分壓電阻組32起到作為權利要求所記載的偏移單元的功能。
[0042]由于具有上述結構，因此，在本實施方式所涉及的生物傳感器I中，首先，利用微控制器50的驅動信號生成部57來生成例如頻率為600Hz的脈沖信號，并將其從輸出端口54輸出。施加有脈沖信號的發光元件10根據該脈沖信號來照射規定波長的脈沖光。照射自發光元件10并透過例如指尖等人體100或被人體100所反射的脈沖光射入受光元件20，并被該受光元件20轉換成電信號(檢測信號)。
[0043]另一方面，在微控制器50的偏移信號生成部58中，生成與上述脈沖信號(驅動信號)同步的脈沖狀的偏移信號(數字數據)。利用D/A轉換器53將該偏移信號轉換成模擬電壓，并將其施加于分壓電阻組32。由此，將根據構成分壓電阻組32的第一電阻器33的電阻值與第二電阻器34的電阻值之間的比率來進行分壓而得的電壓(偏移電壓)施加于受光元件(光電二極管)20的陽極端子與構成放大部30的第一運算放大器31的非反相輸入端子之間的連接點。
[0044]利用放大部30來對由受光元件20進行轉換后的檢測信號進行放大。此時，第一運算放大器31的基準電位(動作點)因上述偏移電壓而偏移。因此，能去除作為直流分量疊加于檢測信號的外來光等噪聲分量。其結果是，能改善檢測信號的S/N比。
[0045]利用下一級的第二運算放大器40對經第一運算放大器31放大后的檢測信號進一步進行放大，然后，將其輸入微控制器50。輸入微控制器50的檢測信號經由多路復用器51、A/D轉換器52而被讀入運算部56。然后，在運算部56中，對檢測信號進行處理，以獲取例如脈搏等生物信息。
[0046]如上所述，根據本實施方式，使得放大檢測信號時的第一運算放大器31的基準電位(動作點)發生偏移。因此，能去除作為直流分量疊加于檢測信號的外來光等噪聲分量。由此，能改善被受光元件10所接收并由放大部30 (第一運算放大器31)進行放大的檢測信號的S/N比。其結果是，例如能減小因測試對象個人的差異而引起的無法檢測脈搏的范圍。即，能改善檢測率。另外，由于能放寬放大部30的低噪聲條件，因此，能力圖降低構成放大部30的電路元器件的成本。進而，能降低A/D轉換器52的分辨率，從而能進一步力圖降低成本。
[0047]另外，根據本實施方式，由于利用脈沖狀的驅動信號來對發光元件10進行閃爍驅動，因此，與始終點亮的情況相比，能降低功耗。另外，由于對第一運算放大器31施加與脈沖狀的驅動信號同步的脈沖狀的偏移電壓，因此，在點亮發光元件10時能從受光元件20所獲取的檢測信號中去除噪聲分量。
[0048]另外，根據本實施方式，即使在例如只有D/A轉換器53的分辨率不足的情況下，也能通過組合使用D/A轉換器53與分壓電阻組32，來高精度地生成并施加偏移電壓。由此，能高精度地去除噪聲分量。
[0049]這里，為了確認通過向第一運算放大器31施加偏移電壓來改善S/N比的改善效果，分別在向第一運算放大器31施加偏移電壓的情況(本實施方式)下、以及未施加偏移電壓的情況(現有電路:比較例)下，通過仿真和實測來求出放大部30所輸出的模擬輸出電壓。因此，參照圖3?6，對通過向第一運算放大器31施加偏移電壓來改善S/N比的改善效果進行說明。
[0050]這里，圖3是表示本實施方式所涉及的生物傳感器I的放大部30所輸出的檢測信號的仿真結果的圖。圖4是表示作為比較例來使用的現有技術所涉及的生物傳感器的結構的框圖。另外，圖5是表示圖4所示的現有技術(比較例)所涉及的生物傳感器的放大部30’所輸出的輸出電壓的仿真結果的圖。圖6是表示本實施方式所涉及的生物傳感器I的放大部30、及現有技術(比較例)所涉及的生物傳感器的放大部30’各自所輸出的輸出電壓的實測例的圖。
[0051]首先，參照圖3，對本實施方式所涉及的生物傳感器I的放大部30所輸出的輸出電壓的仿真結果進行說明。在圖3中，從上段起依次示出了將受光元件10的受光電流進行時間放大來表示的波形(nA)、將偏移電壓進行時間放大來表示的波形(V)、偏移電壓(V)、以及放大部30的模擬輸出電壓(V)。此外，圖3的橫軸為時間(ms)。
[0052]在對第I段所示的受光電流進行1-V轉換并進行放大時，如第2、3段所示，有約0.06V(由于進行了反相，因此在以3V為基準時為-0.06V)的脈沖狀的偏移電壓施加到第一運算放大器31，在這種情況下，如第4部分的實線所示，模擬輸出電壓的振幅(P-P)約為0.8V。此時，檢測信號(脈搏波信號)的振幅約為0.5V。由此，S/N比為0.5/0.8 =約72.5%，從而可以確認相對于后述的現有電路S/N比能得以改善。
[0053]另外，圖3的第4段用虛線示出了將放大部30的放大率設為2倍時的波形。在這種情況下，如第4段用虛線所示出的那樣，可以確認能將脈搏波信號的振幅設為2倍而不會導致脈搏波信號(檢測信號)發生劣化，且不會導致脈搏波信號發生飽和。
[0054]接著，同時參照圖4和圖5，對從現有電路(比較例)所涉及的生物傳感器30’所輸出的輸出電壓(脈搏波信號)的仿真結果進行說明。如上所述，圖4是表示作為比較例來使用的現有電路所使用的生物傳感器的結構的框圖。如圖4所示，該生物傳感器不包括偏移信號生成部58、D/A轉換器53、分壓電阻組32。由此，構成放大部30’的第一運算放大器31上未施加有使動作點偏移的偏移電壓。
[0055]另外，圖5示出了從圖4所示的現有電路(比較例)所涉及的生物傳感器的放大部30’所輸出的輸出電壓的仿真結果。在圖5中，從上段起依次示出了將受光元件10的受光電流進行時間放大來表示的波形(nA)、將偏移電壓進行時間放大來表示的波形(V)、偏移電壓(V)、以及放大部30’的模擬輸出電壓(V)。此外，圖4的橫軸為時間(ms)。
[0056]在對第I段所示的受光電流進行1-V轉換并進行放大時，如第2、3段所示，偏移電壓為0(由于被反相，因此為3V)，即未施加有偏移電壓，在這種情況下，如第4段所示，模擬輸出電壓的振幅(P-P)約為1.8V。此時，檢測信號(脈搏波)的振幅約為0.5V。由此，S/N 比為 0.5/1.8 =約 28%.
[0057]由以上結果可以確認，根據本實施方式所涉及的生物傳感器1，能將S/N比從約28%改善為約72.5%.
[0058]接著，參照圖6，示出關于本實施方式所涉及的生物傳感器I的S/N比改善效果的確認結果的實測例來進行說明。這里，在圖6中，示出了本實施方式所涉及的生物傳感器I的放大部30、及圖4所示的現有電路(比較例)所涉及的生物傳感器的放大部30’各自所輸出的輸出電壓(模擬輸出)的實測例。此外，圖6的橫軸是時間(sec)，縱軸是放大部30(或放大部30’)的模擬輸出電壓(V)。另外，在圖6中，用實線來表示本實施方式的測定結果，用虛線來表示現有電路(參照圖4)的測定結果。
[0059]如圖6所示，可以確認與使用現有電路的情況相比，根據本實施方式，來自放大部30的模擬輸出整體偏移(降低)了約1.1V左右，而其振幅未發生變化。即，可以確認能將受光電壓范圍約減半(改善S/N比)而不會導致脈搏振幅發生劣化。
[0060](實施方式2)
接著，利用圖7，對實施方式2所涉及的生物傳感器2的結構進行說明。這里，對于與上述實施方式I所涉及的生物傳感器I相同/同樣的結構簡化或省略其說明，主要說明其不同點。圖7是表示實施方式2所涉及的生物傳感器2的結構的框圖。另外，圖7中對與實施方式I相同或同等的構成要素標注了相同的標號。
[0061]生物傳感器2包括兩個發光元件11、12，這一點與上述生物傳感器I不同。為了獲得表示血液中氧飽和度的氧化血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的存在比，兩個發光元件11、12分別射出不同波長的光。例如，一個發光元件11射出氧化血紅蛋白的吸光系數較高的紅外光附近的光(例如940nm)。另一個發光元件12射出脫氧血紅蛋白的吸光系數較高的紅外線附近的光(例如660nm)。
[0062]構成微控制器50A的驅動信號生成部57A對兩個發光元件11、12生成頻率相同(例如600Hz)而定時互不相同的脈沖狀的驅動信號(脈沖信號)。所生成的、定時互不相同的脈沖信號分別經由輸出端口 54A輸出至發光元件11和發光元件12。
[0063]另一方面，偏移信號生成部58A以與上述驅動信號(脈沖信號)同步的方式生成電壓值可互相獨立地進行調節的脈沖狀的偏移信號(數字數據)。利用D/A轉換器53將所生成的偏移信號(數字數據)轉換成模擬信號，并利用分壓電阻組32對其進行分壓，而后將其施加于第一運算放大器31的非反相輸入端子。
[0064]運算部56A根據各波長的檢測信號來計算氧化血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的存在比(吸光度比)，求得氧飽和度。其它結構與生物傳感器I相同或同樣，因此這里省略詳細說明。
[0065]在本實施方式所涉及的生物傳感器2中，利用驅動信號生成部57A來生成并輸出定時互不相同的脈沖狀的驅動信號(脈沖信號)。然后，以改變定時的方式分別從兩個發光元件11、12輸出波長不同的脈沖光。照射自發光元件11、12并透過例如指尖等人體100或被人體100所反射的脈沖光被受光元件20所接收，并被轉換成電信號(檢測信號)。
[0066]另一方面，在偏移信號生成部58A中，以與兩個驅動信號(脈沖信號)同步的方式生成并輸出電壓值可互相獨立地進行調節的脈沖狀的偏移電壓(數字數據)。利用D/A轉換器53將該偏移電壓轉換成模擬電壓，并將其施加于分壓電阻組32。由此，將根據構成分壓電阻組32的第一電阻器33的電阻值與第二電阻器34的電阻值之間的比率來進行分壓而得的電壓(偏移電壓)施加于受光元件(光電二極管)20的陽極端子與構成放大部30的第一運算放大器31的非反相輸入端子之間的連接點。
[0067]利用放大部30來對由受光元件20進行轉換后的檢測信號進行放大。此時，第一運算放大器31的基準電位(動作點)因上述偏移電壓而發生偏移。因此，能去除作為直流分量疊加于檢測信號的外來光等噪聲分量。其結果是，能對從兩個發光元件11、12輸出的波長不同的脈沖光的每個脈沖光改善檢測信號的S/N比。
[0068]利用下一級的第二運算放大器40對經第一運算放大器31放大后的檢測信號進一步進行放大，然后，將其輸入微控制器50A。輸入微控制器50A的檢測信號經由多路復用器51、A/D轉換器52而被讀入運算部56A。然后，在運算部56中，對各波長的檢測信號進行處理，例如根據各波長的吸光度比來獲取氧飽和度等生物信息。
[0069]根據本實施方式，能以單個受光元件20來接收從兩個發光元件11、12所輸出的脈沖光。而且，能對從兩個發光元件11、12所輸出的波長互不相同的每種脈沖光去除噪聲分量。由此，能對從兩個發光元件11、12所輸出的每種脈沖光改善S/N比。其結果是，例如能更正確地測定各波長的吸光度比，從而能更高精度地檢測氧飽和度。
[0070](實施方式3)
接著，參照圖8，對實施方式3所涉及的生物傳感器3的結構進行說明。這里，對于與上述實施方式I所涉及的生物傳感器I相同/同樣的結構簡化或省略其說明，主要說明其不同點。圖8是表示實施方式3所涉及的生物傳感器3的結構的框圖。另外，圖8中對與實施方式I相同或同等的構成要素標注了相同的標號。
[0071]在上述生物傳感器I中，將偏移電壓施加于第一運算放大器31的非反相輸入，但在生物傳感器2中，是將偏移電壓施加于第二運算放大器40的反相輸入端子，這一點與生物傳感器I不同。在這種情況下，第二運算放大器40作為將該偏移電壓設為偏置電壓的差動放大電路來工作。此外，例如能使用與上述分壓電阻組32相同的電路來作為圖8的偏移施加電路41。其它結構與生物傳感器I相同或同樣，因此這里省略詳細說明。
[0072]在本實施方式中，偏移信號生成部58B僅考慮第二運算放大器40的放大率來生成偏移信號。由此，在將偏移施加電路41的分壓比設得與實施方式I相同的情況下，將第一運算放大器31的放大率乘以實施方式I中所設定的偏移電壓所得的電壓施加于第二運算放大器40。
[0073]根據本實施方式，由于經前級(第一運算放大器31)放大后的檢測信號輸入后級的第二運算放大器40，因此，為了去除噪聲分量而施加于第二運算放大器40的偏移電壓(偏置電壓)會變大。由此，例如能使用分辨率更低的D/A轉換器或精度更低的電阻器來用于設定/調節偏移電壓。因此，能進一步降低傳感器的成本。
[0074]此外，在本實施方式中，偏移信號生成部58B也可采用以下結構:基于經放大部30放大后的檢測信號的直流分量的電壓值(噪聲的電位)，來使施加于第二運算放大器40的偏移電壓可變。在這種情況下，能根據噪聲分量的大小(電位)來使用于去除該噪聲分量的偏移電壓可變或對其進行調節，因此，能更有效地去除噪聲分量，從而進一步改善S/N比。
[0075](實施方式4)
接著，參照圖9，對實施方式4所涉及的生物傳感器4的結構進行說明。這里，對于與上述實施方式I所涉及的生物傳感器I相同/同樣的結構簡化或省略其說明，主要說明其不同點。圖9是表示實施方式4所涉及的生物傳感器4的結構的框圖。另外，圖9中對與實施方式I相同或同等的構成要素標注了相同的標號。
[0076]生物傳感器4還包括放大率可變部(相當于權利要求中所記載的可變單元)59，該放大率可變部59基于經放大部30C放大后的檢測信號的交流分量的振幅(即脈搏波分量的振幅)，來使例如構成放大部30C的第二運算放大器40C的放大率可變，這點與上述生物傳感器I不同。其它結構與生物傳感器I相同或同樣，因此這里省略詳細說明。
[0077]在這種情況下，例如利用D/A轉換器(省略圖示)將由放大率可變部59所生成的可變信號轉換成模擬信號并輸出至第二運算放大器40C。第二運算放大器40C使放大率基于該模擬信號而變化。
[0078]根據本實施方式，能基于檢測信號的交流分量即信號分量(脈搏波分量)的振幅來使放大部30C(第二運算放大器40C)的放大率可變/對其進行調節。由此，能與去除噪聲分量的程度(改善S/N比的程度)相對應地提高放大器30C的放大率。因此，能擴大信號分量(脈搏波分量)的振幅。另外，能進一步減小因測試對象個人的差異而引起的無法檢測脈搏的范圍。即，能進一步改善檢測率。
[0079]以上，對本發明的實施方式進行了說明，但本發明并不限于上述實施方式，可以進行各種變形。例如，在上述實施方式中，用2級的運算放大器31、40來構成放大部30(30B、30C)，但也可以用I級或3級以上的運算放大器來構成。
[0080]另外，在上述實施方式中，生成脈沖狀的驅動信號并將其輸入發光元件10(11、12)，并且，將脈沖狀的偏移電壓施加于第一運算放大器31或第二運算放大器40，但也可以采用以下結構:將第一運算放大器31與后級的第二運算放大器40進行DC耦合，生成一定的驅動信號并將其輸入發光元件10 (I1、12)，并且，將一定的偏移電壓施加于第一運算放大器31或第二運算放大器40。
標號說明
[0081]1、2、3、4生物傳感器 10、11、12發光元件
20受光元件 30、30B、30C 放大部 31第一運算放大器 40、40C第二運算放大器 32分壓電阻組50、50A、50B、50C 微控制器53 D/A轉換器
54、54A輸出端口
55、55A、55B、55CCPU
56、56A運算部
57、57A驅動信號生成部
58、58A、58B、58C偏移信號生成部59放大率可變部
【權利要求】
1.一種生物傳感器，其特征在于，包括: 驅動信號生成單元，該驅動信號生成單元生成驅動信號； 發光元件，該發光元件根據由所述驅動信號生成單元所生成的驅動信號來進行發光； 受光元件，該受光元件輸出與所接收到的光的強度相對應的檢測信號； 放大單元，該放大單元包含放大器，所述放大器對從所述受光元件輸出的檢測信號進行放大； 偏移單元，該偏移單元生成偏移電壓并將其施加于所述放大器，所述偏移電壓用于使放大所述檢測信號時的所述放大器的基準電位發生偏移；以及 運算單元，該運算單元對經所述放大單元放大后的檢測信號進行處理，以獲取生物信息。
2.如權利要求1所述的生物傳感器，其特征在于， 所述驅動信號生成單元生成脈沖狀的驅動信號， 所述偏移單元生成并施加與由所述驅動信號生成單元所生成的脈沖狀的驅動信號同步的脈沖狀的偏移電壓。
3.如權利要求1或2所述的生物傳感器，其特征在于， 所述偏移單元包括: 偏移信號生成單元，該偏移信號生成單元生成偏移信號；以及分壓單元，該分壓單元包含多個電阻器，對由所述偏移信號生成單元所生成的偏移信號進行分壓從而生成所述偏移電壓。
4.如權利要求1至3的任一項所述的生物傳感器，其特征在于，還包括: 可變單元，該可變單元基于經所述放大單元放大后的檢測信號的交流分量的振幅，來使所述放大單元的放大率可變。
5.如權利要求1至4的任一項所述的生物傳感器，其特征在于， 所述生物傳感器還包括輸出波長與所述發光元件不同的光的發光元件， 所述驅動信號生成單元分別對多個發光元件生成具有互不相同的定時的脈沖狀的驅動信號， 所述偏移單元以分別與在互不相同的定時所輸出的所述脈沖狀的驅動信號同步的方式，來生成并施加互相獨立的脈沖狀的偏移電壓。
6.如權利要求1至5的任一項所述的生物傳感器，其特征在于， 所述放大單元包含多級級聯的多個放大器， 所述偏移單元將所述偏移電壓施加于第二級之后的放大器。
7.如權利要求1至6的任一項所述的生物傳感器，其特征在于， 所述偏移信號生成單元基于經所述放大單元放大后的檢測信號的直流分量的電壓值來使所述偏移信號可變。
【文檔編號】A61B5/1455GK104486990SQ201380038697
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年6月10日 優先權日:2012年7月20日
【發明者】土基博史, 中路博行 申請人:株式會社村田制作所