[发明专利]用于测量分析物的浓度的系统和方法

说明书

说明了用于与光子传感器片上系统(SoC)(1)组合地获取并处理数据，以提供分析物(例如，生物物质内的组成分子)的实时校准浓度水平的技术。传感器芯片(1)通过漫反射或透射收集要分析的原始信号(1300)。分析物浓度的判定部分基于Beer‑Lambert原理，并通过在分解和分析原始信号之前，对原始信号(1300)应用(2240)散射校正来便利分析物浓度的判定。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年12月6日提交的题为“Systems and Methods for MeasuringConcentration of an Analyte”的美国临时专利申请No.62/944,644的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用包含在本文中。

技术领域

本发明的实施例涉及一种通过目标物质与III-V/IV半导体光子传感器之间的光通信，从目标生物物质获取数据的方法，以及一种撷取该物质内的目标分子的绝对浓度水平的数据处理方法。这适用于(但不限于)借助于可调谐波长吸收光谱感测的血糖、尿素、乳酸、肌酐、乙醇及其他组成分子的经皮感测和监测。所述技术在制造技术及尺寸、重量、功率和成本要求方面与消费电子技术平台兼容，并在可穿戴式医疗设备技术的实用性方面提供关键的优势。本技术可由患有目前还没有无创感测解决方案的慢性疾病，比如糖尿病的患者利用。此外，提供一种用于无创地连续监测重要生理标志的新颖方法，而目前只存在护理点解决方案。

背景技术

用于分析物的光谱学、非侵入性测量的许多技术(比如使用近红外光谱法的血糖的测量)采用诸如卤素灯之类的宽带光源。从这样的光源发出的电磁辐射(EMR)，以及从待分析的介质接收(例如，由介质漫反射或透射通过介质)的EMR具有多个波长的分量。来自从介质接收的EMR的分量通常使用光栅技术来分离，以获得光谱。具有宽带光源和光栅机构的光谱仪通常是大型、复杂的结构，对于现场或家庭使用来说可能笨重或不实用。

光子片上系统(P-SoC)提供为诸如消费电子产品市场、汽车、家用医疗设备等的大批量应用所必需的最终尺寸减小潜力。P-SoC概念组合一般光子系统的全部或大部分功能，并且使这些功能能够在单一芯片组合件内实现。通常，这可以实现为基于III-V半导体或者III-V半导体和IV族半导体的组合的单片光子集成电路(PIC)。第一种方法允许在同一晶片内实现所有有源和无源光学组件，从而允许完全单片的设备。这是理想的，因为所有光源和检测器都固有地与波导对准，并且不需要任何组装步骤。然而，固有的III-V材料性质(比如波导中更高的吸收和更低的光约束，从而波导弯曲半径更大以减少弯曲损耗)，连同需要多次处延生长的复杂技术一起限制了向诸如消费电子产品之类非常大的市场扩展的潜力，因为市场要求每个芯片的成本非常低。作为折衷，混合III-V/IVP-SoC提供一种解决方案，其中在III-V半导体芯片内实现光产生功能，在IV族半导体芯片内实现光路由、滤波和其他功能。取决于EMR的波长的光检测可以在III-V族或IV族半导体芯片内实现。混合方法被证明对大批量市场是有益的，因为诸如CMOS之类的IV族半导体制造技术提供无与伦比的扩展潜力。然而，使用P-SoC进行分析物测量的技术通常不为人知。

发明内容

III-V半导体芯片与IV族半导体光子集成电路的混合集成提供组合两个领域的最好方面的潜力，其中考虑到最终效率、效能、成本和成品率，在直接能带隙III-V半导体内实现光检测和光产生功能，而诸如滤光、路由、锁定、反馈控制之类的无源功能在IV族半导体(例如绝缘体上硅，或氮化硅上硅，或氮化硅上硅或绝缘体上硅)内的光子集成电路(PIC)内实现。在各个实施例中，部署具有集成发射波长调谐(扫描)以及波长偏移追踪和绝对波长校准功能的芯片上基于波长扫描激光器的光子系统，用于从诸如活体之类的生物物体远程获取相关数据。在不同的实施例中，然后处理获取的数据以提供特定于生物分子的绝对值，比如浓度水平和/或随时间变化的浓度水平(趋势)。混合III-V/IV半导体平台和用于在芯片上处理所获取数据的技术的组合为可穿戴式设备平台，比如例如用于实时监测重要生理参数的智能手表提供了新的机遇。