Smart Sensor zur Puls- und Blutsauerstoffsättigunsmessung · LED + Photodiode + ADC Charakteristik. ADC Auflösung: 18 Bit (2. 18 = 262144) Typische Count-Raten mit internen LEDs

Physik und Sensorik

www.tu-chemnitz.de/physik/EXSEChemnitz ∙ 8. Oktober 2017 ∙ Prof. Dr. Uli Schwarz

Smart Sensor zur Puls- und Blutsauerstoffsättigunsmessung

MAX30101 von Maxim Integrated

Physik und Sensorik

www.tu-chemnitz.de/physik/EXSE2Chemnitz ∙ 8. Oktober 2017 ∙ Prof. Dr. Uli Schwarz

High-Sensitivity Pulse Oximeter (SpO2) andHeart-Rate (HR) Sensor for Wearable Health

Quelle: Maxim Integrated, Datenblatt zu MAX30101, 19-8453; Rev 0; 3/16 https://www.maximintegrated.com/en/products/analog/sensors-and-sensor-interface/MAX30101.html

Physik und Sensorik


High-Sensitivity Pulse Oximeter (SpO2) andHeart-Rate (HR) Sensor for Wearable Health

MAX30101 – Chip-Foto

Rote LED660 nm

Grüne LED537 nm

IR LED880 nm

Photodiode

Application SpecificIntegrated CirtuitASIC

5.6mm x 3.3mm x 1.55mm 14-Pin Optical ModuleDeckglas

Physik und Sensorik


Wesentliche EigenschaftenGepulste, sequentielle Ansteuerung von bis zu drei LEDs

Gründe, Rote, IR-LED auf dem Chip oder extern

Unterschiedliche Kombinationen G-R-IR

Photodiode und Vorverstärker mit hohem Dynamik-Bereich

18 Bit ADC

Subtraktion des Hintergrundlichts

Physik und Sensorik


High-Sensitivity Pulse Oximeter andHeart-Rate Sensor for Wearable Health

0 V

5 V

InterruptI²C

externeLEDs

LED 0 V„power“ GND

= Not Connected

1.8 V

Physik und Sensorik


Funktionsdiagramm

Physik und Sensorik


Spektren der drei internen LEDs

Rot ~ 660 nmGrün ~ 530 nm IR ~ 880 nm

Physik und Sensorik


Starke Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der roten und IR LED Δ𝜆𝜆𝐼𝐼𝐼𝐼

Δ𝑇𝑇 ≈3 nm10 K

Δ𝜆𝜆𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟Δ𝑇𝑇 ≈

1.5 nm10 K

Die Wellenlängenverschiebung der roten LED muss bei SpO2 Bestimmung berücksichtig werden. Eingebauter Temperatursensor mit 1°C Genauigkeit.

Physik und Sensorik


Starke Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge der roten und IR LED

Die Temperatur (und damit die Wellenlänge) der roten (und IR) LED hängt auch vom Strom und Zeit-Verhältnis An/Aus („duty cycle“) ab:

Physik und Sensorik


Grüne LED verschiebt Wellenlänge mit Stromstärke

Die Wellenlängenverschiebung der grünen LED muss je nach Anwendung auch berücksichtig werden.

Intensität der grünen LED ist nicht proportional zum Strom („droop“)

Phsikalische Ursache ist die Abschirmung der piezoelektrischen Felder und der „quantum confined Stark effect“

Physik und Sensorik


Niedrige Leistungsaufnahme, optimiert für Wearables, Fitness Tracker,…Pulsraten-Monitor mit Leistungsaufnahme < 1mW realisierbar

Ruhezustand (Shutdown) mit sehr geringer Stromaufnahme von 0.7μA

Spannungsversorgung 1.8 V (1.7 V bis 2.0 V) für Elektronik

Spannungsversorgung 3.1 V bis 5.25 V für LEDs

Vergleich: Knopfzelle CR2320 (23 mm Durchmesser, 2 mm hoch)Spannung 3 V, Kapazität 130 mAh

260 h bei 0.5 mA2 Jahre bei 0.7 µA

Physik und Sensorik


Spannungsversorgung der LEDs

Spannungsversorgung 3.1 V bis 5.25 V für LEDs

Strom: 10 mA bis 50 mA

Kurze Pulse 69 µs bis 411 µs

Physik und Sensorik



Energie eines Photons: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 = ℎ 𝜈𝜈 =ℎ 𝑐𝑐𝜆𝜆

Plancksches Wirkungsquantum ℎ = 6.626 � 10−34 JsLichtgeschwindigkeit 𝑐𝑐 = 3.00 � 108 m

sElementarladung (eines Elektrons) 𝑒𝑒 = 1.6 � 10−19 𝐴𝐴𝐴𝐴

IR-LED: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐

880 𝑛𝑛𝑛𝑛= 2.26 � 10−19 J = 2.26 � 10−19 VAs = 1.41 eV

Die Energie eines Photons bei 880 nm entspricht der Energie eines Elektrons bei 1.41 V (bezogen auf 0 V).Damit eine LED Photonen mit 880 nm generieren kann, muss die Spannung mindestens 1.41 V (entsprechend der Bandlücke des Halbleiters).

Physik und Sensorik



Energie eines Photons: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 = ℎ 𝜈𝜈 =ℎ 𝑐𝑐𝜆𝜆

IR-LED: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐

880 𝑛𝑛𝑛𝑛= 2.26 � 10−19 J = 2.26 � 10−19 VAs = 1.41 eV

Rote LED: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐

660 𝑛𝑛𝑛𝑛 = 3.01 � 10−19 J = 3.01 � 10−19 VAs = 1.88 eV

Grüne LED: 𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐

530 𝑛𝑛𝑛𝑛 = 3.75 � 10−19 J = 3.75 � 10−19 VAs = 2.34 eV

Physik und Sensorik


Spannungsversorgung der LEDsSpannungsversorgung 3.1 V bis 5.25 V für LEDs

𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐

880 𝑛𝑛𝑛𝑛= 1.41 eV𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝 =

ℎ 𝑐𝑐660 𝑛𝑛𝑛𝑛

= 1.88 eV𝐸𝐸𝑝𝑝𝑝 =ℎ 𝑐𝑐

530 𝑛𝑛𝑛𝑛= 2.34 eV

Physik und Sensorik



Zusätzlicher Spannungsabfall an der LED-Ansteuerelektronik Eine Spannungsversorgung von etwa 3 V ist notwendig für Betrieb von

roter und IR LED mindestens 3.5 V für grüne LED

Physik und Sensorik


LED + Photodiode + ADC Charakteristik

ADC Auflösung: 18 Bit (218 = 262144)

Typische Count-Raten mit internen LEDs und weißer Karte zur Rückkopplung in 0 mm bis 20 mm Abstand:

Signal-Rausch-Abstand:IR LED: 89 dBRote LED: 89 dBGrüne LED: 80 dB

Dunkelzählrate: 30 CountsUmgebungslicht: 2 Counts

(100 kLux, Finger auf Detektor)

89 dB = 20 Log10(28.000)80 dB = 20 Log10(10.000)

Physik und Sensorik


Quanteneffizenz der Silizium-Photodiode

Sehr gute Quanteneffizienz für rote und IR LED Besserer Signal-Rausch-Abstand

Physik und Sensorik


LED + Photodiode + ADC CharakteristikRote LED:76700 counts / 28000 = 2.7 countsDunkelzählrate: 30 CountsUmgebungslicht: 2 Counts

89 dB = 20 Log10(28.000)

Physik und Sensorik


LED PulssequenzenDie LEDs werden sequentielle ein-geschalten.ADC Integration während der Einschalt-Zeit der jeweiligen LED.Als Referenz zur Raumlicht-Unterdrückung wird das Signal zwischen den Pulsen verwendet.

Beispiel: SpO2 Bestimmung mit roter und IR LED und 1 kHz Messrate

Physik und Sensorik


LED PulssequenzenADC Integrationszeiten: 69 µs, 118 µs, 215 µs oder 411 µs

Zeiten zwischen den Einschaltflanken der drei LEDs: 427 µs, 525 µs, 720 µs oder 1107 µs

Taktraten: 50 Hz, 100 Hz, … 1000 Hz, 3200 Hz

SpO2 Modus Puls (HR) Modus

Physik und Sensorik


Umgebungslicht Unterdrückung

… hängt von der Frequenz des Umgebungslichts ab.

Licht konstanter Intensität wird optimal unterdrückt.

Umgebungslicht, das mit der Frequenz der LEDs moduliert wird, wird nicht unterdrückt.

Verhalten entspricht einem Bandpass-Filter im Frequenz-Raum.

Physik und Sensorik


Proximity Funktion

Abstands-Sensor / Automatik

IR LED ist eingeschaltet (niedriger Strom)

Wenn Photodioden-Signal eine vorgegebene Schwelle überschreitet, wechselt der Baustein in den SpO2 oder HR Modes (je nach Voreinstellung).

Physik und Sensorik


Externe Beschaltung1.8 V, 5 V Spannungsversorgung, zwei Block-Kondensatoren zur Spannungsstabilisierung, drei Pull-Up-Widerstände.

Physik und Sensorik


Kommunikation über I²C und Register

Physik und Sensorik



Schreibzyklus für ein Daten-Byte: Drei Bytes werden gesendet:

1. Adresse des Bausteins (sieben Bit 0b1010111) + R/W-Bit = 02. Adresse des Registers, in das geschrieben werden soll3. Daten Byte, das in das Register geschrieben werden soll

Es können in einem Befehl mehrere Daten-Bytes geschickt werden, die dann in aufeinanderfolgende Register geschrieben werden.

Physik und Sensorik



Lesezyklus für ein Daten-Byte: Drei Bytes werden gesendet, eines gelesen:

1. Adresse des Bausteins (sieben Bit 0b1010111) + R/W-Bit = 02. Adresse des Registers, aus dem gelesen werden soll3. Adresse des Bausteins (sieben Bit 0b1010111) + R/W-Bit = 14. Lesen eines Daten Bytes aus dem Register

Es können in einem Befehl mehrere Daten-Bytes gelesen werden, die dann aus aufeinanderfolgende Register gelesen werden.

Schreib-ZyklusLese-Zyklus

Physik und Sensorik


Kommunikation über I²C und RegisterBeispiel LED Puls Amplituden: Register 0x0C bis 0x10

Physik und Sensorik


Kommunikation über I²C und RegisterBeispiel LED Puls Amplituden: Register 0x0C bis 0x10

Definition der Stromstärken

Physik und Sensorik


Kommunikation über I²C und RegisterBeispiel:1. LED 25.4 mA (0x7F)2. LED 25.4 mA (0x7F)3. LED 0 mA (0x00)4. Proximity Mode Strom 0.4 mA (0x02)

Byte-Sequenz zum Schreiben auf den I²C Bus:

0xAE – Adresse Baustein + „write“0x0C – Adresse erstes zu beschreibendes Register0x7F – Strom 1. LED0x7F – Strom 2. LED0x00 – Strom 3. LED0x00 – reserviertes Register – Wert egal0x02 – Strom IR LED im Proximity Modus

Physik und Sensorik


Schreiben einer Reihe von Registern#include <Wire.h> // I2C Bibliothek#define max30101 0xAE // I2C Adresse des Sensors

void setup() {Wire.begin();}

void loop() {Wire.beginTransmission(max30101); // Übertragung an Sensor

// vorbereitenWire.write(0x0C); // Adresse des 1. zu beschreibenden RegistersWire.write(0x7F); // Strom 1. LEDWire.write(0x0F); // Strom 2. LEDWire.write(0x00); // Strom 3. LEDWire.write(0x00); // reserviertes Register – Wert egalWire.write(0x02); // Strom IR LED im Proximity ModusWire.endTransmission(); // Übertragung starten

Physik und Sensorik


Lesen einer Reihe von RegisternBeispiel:

Lesen der drei Register 0x04 bis 0x06

Physik und Sensorik


Lesen einer Reihe von Registern#include <Wire.h> // I2C Bibliothek#define max30101 0xAE // I2C Adresse des Sensors

unsigned int fifo_wr_pt;unsigned int ovf_counter;unsigned int fif_rd_pt;

void loop() {Wire.beginTransmission(max30101); // Übertragung an Sensor

// vorbereitenWire.write(0x04); // Adresse des 1. zu lesenden RegistersWire.endTransmission(); // Übertragung starten

Wire.requestFrom(max30101, 3, true); // 3 Bytes vom Sensor lessen

fifo_wr_pt = Wire.read(); // Bytes in der richtigen Reihenfolgeovf_counter = Wire.read(); // aus Buffer lessen und in Variablenfifo_rd_pt = Wire.read(); // schreiben

}

Physik und Sensorik


Daten in FIFO Register

FIFO: First In First Out

„Ring-Buffer“ für Daten

Ein „Sample“ für 3 LEDs besteht aus drei Kanälen mit jeweils 3 Bytes für die 18 Bit Intensität pro Kanal

Bis zu 32 Samples haben im FIFO Platz

Physik und Sensorik




„Ring-Buffer“ für Daten

Ein „Sample“ für 2 LEDs besteht aus zwei Kanälen mit jeweils 3 Bytes für die 18 Bit Intensität pro Kanal

Physik und Sensorik




…

Ein Sample

Lese-Zeiger

Schreib-Zeiger

Startsituation

Physik und Sensorik




1 …

Ein Sample

Lese-Zeiger

Schreib-Zeiger

1. Datensatz wird gemessen und in den FIFO geschrieben

Physik und Sensorik




1 2 …

Ein Sample

Lese-ZeigerSchreib-Zeiger


Physik und Sensorik




1 2 3 4 5 6 7 …

Ein Sample



Physik und Sensorik




2 3 4 5 6 7 …

Ein Sample


1. Datensatz wird gelesen

Physik und Sensorik




3 4 5 6 7 …

Ein Sample

Lese-Zeiger

Schreib-Zeiger


Physik und Sensorik




4 5 6 7 …

Ein Sample



Physik und Sensorik




4 5 6 7 …

Ein Sample


Lesen und Schreiben erfolgt unabhängig voneinander.Vor dem Lesen muss kontrolliert werden, ob Daten zum Lesen vorhanden sind.Beide Zeiger springen vom Ende zum Anfang des Buffers (Ring-Buffer).Daten müssen gelesen werden, bevor der Buffer voll ist.

Physik und Sensorik



Register zum Lesen des FIFO Buffers:

Daten werden aus dem Register FIFO_DATA (0x07) gelesen.Aus diesem Register können mehrere Daten Bytes sequentiell mit einem Read-Befehl gelesen werden, ohne das die Register-Adresse erhöht wird.

Anzahl der Daten, die zum Lesen Bereitstehen errechnet sich aus der Differenz von Schreib- und Lese-Zeiger (in Register 0x04 und 0x06).

Physik und Sensorik



Der Baustein kann einen Interrupt auslösen, wenn der FIFO fast voll ist.

FIFO fast voll

Neue Daten

im FIFO

Zu viel Umgebungslicht

PromixmityLevel

erreicht

Temperatur-Messung

fertig

Power-Upfertig

Physik und Sensorik


Evaluation Board

Test-Umgebung für Chips

Vom Hersteller für die Evaluation neuer Sensoren, ICs,…

Oft mit Auswertesoftware, Software-Bibliothek,…

Seminar-Vortrag zum Evaluatons-Board von Lu Song

Seminar-Vortrag zum MAX30101 von Natalia Habermann

Datenblätter auf https://www.tu-chemnitz.de/physik/EXSE/ForPhySe.html

https://www.tu-chemnitz.de/physik/EXSE/ForPhySe.html

Physik und Sensorik


Sparkfun Libary

//Setup to sense up to 18 inches, max LED brightnessbyte ledBrightness = 0xFF; //Options: 0=Off to 255=50mAbyte sampleAverage = 4; //Options: 1, 2, 4, 8, 16, 32byte ledMode = 2; //Options: 1 = Red only, 2 = Red + IR, 3 = Red + IR + Greenbyte sampleRate = 400; //Options: 50, 100, 200, 400, 800, 1000, 1600, 3200int pulseWidth = 411; //Options: 69, 118, 215, 411int adcRange = 2048; //Options: 2048, 4096, 8192, 16384

//Configure sensor with these settingsparticleSensor.setup(ledBrightness, sampleAverage, ledMode, sampleRate, pulseWidth, adcRange);

Leider gibt es auch schon eine Library dafür:

https://learn.sparkfun.com/tutorials/max30105-particle-and-pulse-ox-sensor-hookup-guide

Documents

Smart Sensor zur Puls- und Blutsauerstoffsättigunsmessung · LED + Photodiode + ADC Charakteristik. ADC Auflösung: 18 Bit (2. 18 = 262144) Typische Count-Raten mit internen LEDs