Monitoring of heart- and respiration rate by MEMS with organic optoelectronic readout

Abstract

In dieser Diplomarbeit wird ein positionsempfindlicher Sensor, bestehend aus einem MEMS Chip (micro-electro-mechanical-system) mit organischen optoelektronischen Komponenten dazu verwendet, um Puls und Atmungsfrequenz am Menschen zu messen. Der MEMS-Sensors beruht auf der Auslenkung eines kleinen Silizium-Oszillators, welche durch eine externe mechanische Anregung hervorgerufen wird. Das Auslesen der Auslenkung funktioniert optisch, mittels der Modulation des Lichtstroms durch den Sensor aufgrund des Oszillators. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die bisher benutzten anorganischen Halbleiter (LED und PD) durch organische (OLED und OPD) ersetzt. Dadurch sollte der Sensor kompakter und die Lichtverteilung homogener werden. Eine weitere Aufgabe war die Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) der Auswerteschaltung. Durch die Anpassung elektronischer Komponenten an die niedrigen Ströme von Photodioden, konnte eine Verbesserung um 20 dB erreicht werden. Mehrere MEMS Chips wurden bezüglich ihrer Sensitivität und Resonanzfrequenz charakterisiert, um die anorganische Konfiguration des Sensors mit der organischen zu vergleichen. Der organische Aufbau zeigte für alle Messungen eine niedrigere Sensitivität. Diese kann unter anderem durch schlechte räumliche Ausrichtung zwischen OLED, MEMS und OPD erklärt werden. Zusätzlich wurde ein langsamer Abbau des OLED Materials beobachtet, was zu einer stetig abnehmenden Sensitivität führte. Schließlich wurden Puls- und Atemfrequenz-Messungen mit dem anorganischen und organischen Aufbau durchgeführt. Durch Messungen am Hals konnten Herz- und Atemrate bestimmt werden. Zwei Typen von MEMS Chips, die sich in ihrer Resonanzfrequenz unterscheiden, wurden auf ihre Erfassungsfähigkeit untersucht. MEMS Chips mit niedriger Resonanzfrequenz (f_r = 250 Hz) lieferten gute Ergebnisse, während MEMS mit hoher Resonanzfrequenz (f_r = 620 Hz) schlecht abschnitten. Für diese Strukturen lag die Sensitivität im Bereich von Puls und Atmung (f <= 2 Hz) zu niedrig. Analog zu den Charakterisierungen der Chips, zeigte der organische Aufbau eine niedrigere Sensitivität, was zu einer schlechteren Signalqualität im Vergleich zum anorganischen Fall führte. Die Ergebnisse zeigten dennoch, dass die Messung von Puls und Atemfrequenz mit solchen Sensoren möglich und vielversprechend für weitere Entwicklungen ist.

In this diploma thesis a displacement-sensitive sensor comprising a micro-electro-mechanical-system (MEMS) chip with organic optoelectronic components is utilised to measure the pulse and respiration rate on humans. The MEMS sensor relies on the deflection of a small silicon oscillator, which is induced by an external mechanical actuation. The readout of the deflection is optical and works via modulation of the light flux passing through the MEMS by the oscillator. Within the scope of this work, the hitherto used inorganic semiconductors (LED and PD) were replaced with organic ones (OLED and OPD). This should increase the compactness of the sensor and lead to a more homogeneous light distribution. Another task was to improve the SNR of the readout electronics. An increase of 20 dB could be achieved by adapting electronic components to the low currents produced by PDs. Several MEMS chips were characterised regarding their sensitivity and resonance frequency in order to compare the inorganic to the organic configuration. The organic setup showed a lower sensitivity for all measurements. Amongst other reasons, this can be explained by spatial misalignment between the OLED, MEMS and OPD. In addition, a slow decay of the OLED material was noticed, leading to a steadily degrading sensitivity. Finally, heart- and respiration rate measurements were conducted with the inorganic and the organic setup. By measurements on the neck, pulse and respiration rate could be determined. Two types of MEMS chips differing in their resonance frequency were investigated for their detection capability. The MEMS chips with lower resonance frequency (f_r=250 Hz) showed good results, whereas the MEMS with higher resonance frequency (f_r=620 Hz) did not. The sensitivity in the respective region of pulse and respiration (f <= 2 Hz) was too low for these structures. Analogously to the characterisation of the chips, the organic setup showed a lower sensitivity, and therefore, the signal quality was worse compared to the inorganic case. Nevertheless, the results show that it is possible to monitor pulse and respiration rate with such a sensor, which is promising for further developments.