1.   引　言

脉搏是人体最重要的生命特征之一，与人的心脏密切联系。通过对脉搏的测量，人们能对自身健康水平有初步的评估，更能由此提前预防动脉硬化、高血压、心力衰竭等心血管疾病^[1-2]。传统的脉搏测量方法如有创测量、袖带测量等，这些检测方式不仅需要在特定环境下进行，还会对患者身体造成短期的、持续的伤害^[3]。由于传统脉搏检测方法存在一系列问题，因此无创式、便携式脉搏检测系统逐步发展起来。人体手指端具有血管丰富、动脉成分含量高的优点，通过手指指端可以轻松获取血流信息。因此，检测指端的便携式脉搏测试系统近些年来备受关注。其中，大多为基于指压式透射式的脉搏检测系统^[4-7]。但是指压式和透射式脉搏检测作为传统的脉搏测量方法，需要配备特定形状的支架且其重塑性低而逐渐被诸如智能手表等便携式智能系统淘汰。如今，反射式脉搏检测系统因具有可塑性高、占用空间小等优点而被用于便携式智能系统。

便携式脉搏测量系统的性能取决于系统光源的选择和高性能传感器。首先，光源的选择对精确测量脉搏来说尤为重要。目前反射式脉搏检测系统大多都选择近红外光作为光源。通过实际测量发现，采用近红外光测量有以下不足^[8-10]：（1）近红外光比较容易被皮肤的黑色素吸收，影响测量结果；（2）人体组织内的红细胞对近红外光的吸收度不高；（3）受人体环境的影响，近红外光的反射幅值比较低。因此，虽然近红外光在脉搏检测中表现良好，但仍不是最优的选择，我们需要寻找更为合适的光源作为脉搏测试系统的光源。相较于近红外光，绿光受皮肤、骨骼等干扰较小，且接收端信噪比更低^[11]。研究发现，在波长为400~800 nm的光照射时，手指端的透射比为零。分析血液的透射比曲线与手指端的透射比曲线，发现二者的斜率变化极其相似，并且透射比曲线在415 nm、542 nm和578 nm时有3个吸收峰，其中415 nm和542 nm处波谷十分明显。考虑到415 nm属于蓝紫光范围，黑色素等物质对光的吸收会导致反射出的光强极其微弱，不便于信号采集。人体血液透射比曲线大约在515~560 nm处存在吸收峰，且542 nm处于吸收波谷底端，测试光源波长越靠近542 nm，人体对其的透射比曲线越低，反射效果越好^[12]。

实现精确的脉搏检测除了要有合适的光源外，性能优秀的光电探测器也极为重要。目前用于脉搏检测的光电探测器，材料多是基于传统的无机半导体，如硅等，其响应度(R)约为 25.11 mA/W，探测率(D*)约为1.03×10¹⁰ Jones^[13]。由于晶硅是间接带隙半导体，受到晶格周期势场的作用，电子的能量动量关系比较复杂，这限制了其光学性能。相较于传统的半导体材料，量子点（quantum dots，QDs）作为一种具有独特光电性质的新型半导体纳米晶材料，因其吸收光谱宽、吸收系数高、溶液加工性好、制造成本低、尺寸可调等优点而受到广泛关注^[14-16]。近些年基于量子点光电探测器的研究也取得了丰硕成果。Tang等^[17]人采用CsPbBr₃ QDs和ZnO纳米线(nanowires, NWs)构筑了双层结构的光电探测器，得益于高密度和均匀性的表面形态，CsPbBr₃ QDs改善了ZnO纳米线的暗电流，使探测器在520 nm光照射下的探测率达到了1.75×10¹³ Jones；Tetsuk^[18]制备了以氮化硼纳米片（BN-NSs）为缓冲层的石墨烯/氮功能化石墨烯量子点（NGQD）混合宽带的光电探测器，氮化硼纳米片作为缓冲层防止光激发载流子在与石墨烯/氮功能化石墨烯量子点层的界面处复合，并促进光生电子从氮功能化石墨烯量子点层到石墨烯的传输，提高了探测器的光电性能，结果显示其在532 nm波长光下的探测率达到了7×10¹³ Jones；Dong等^[19]制备了一种PbS: 聚3-己基噻吩:苯基-C₆₁-丁酸甲酯:ZnO结构的光电探测器，器件在 500 nm处的响应度和探测率分别为1.01 A/W和1.01×10¹² Jones；许俊峰等^[20]制备了PbS-四丁基碘化铵(TBAI)旋涂层数为6层的器件，其在500 nm激光照射下探测率达到1.38×10¹¹ Jones。诸多研究表明，基于量子点的光电探测器在可见光下具备优异的光学性能。但是，利用量子点光电探测器检测脉搏的研究还未见报道。

PbS量子点相较于其他量子点材料更易制备。另外，由于其具有带隙可调、可溶液加工、吸收系数高、低成本合成、多衬底兼容等优异特性，能满足下一代光电探测器的低成本、高性能、常温工作等需求^[21-22]，是制备光电探测器的优异材料。本文创新性地基于PbS量子点光电探测器件，研制了数据可视化的脉搏检测系统。采用热注射法得到尺寸为3 nm的PbS量子点，通过旋涂法制备了PbS量子点光电探测器。运用扫描电子显微镜和半导体参数分析仪对器件形貌和性能进行分析。完成与器件匹配的前端电路，研制出数据可视化的脉搏检测系统，并将制备完成的器件运用在脉搏检测系统中，测量不同测试者同一运动状态和同一测试者不同运动状态下的脉搏。研究发现基于PbS量子点光电探测器的脉搏检测系统在灵敏度、稳定性以及可靠性均满足脉搏检测要求。这为量子点的应用拓宽了方向。

2.   实验部分

2.1   器件构筑

在四英寸的SiO/Si晶圆上利用设计好的叉指电极的掩模版进行紫外曝光，利用电子束蒸发蒸镀200 nm的金电极，制备出所需的叉指电极。其中沟道长度为10 μm，电极对数为10对，器件的有效面积为0.0032 cm²。本研究采用具有低成本优势的热注射法^[23]得到尺寸为3 nm的PbS量子点，通过旋涂法在金叉指电极上制备PbS量子点光电探测器。制备步骤如下：首先取50 mg PbS量子点放于1 mL氯仿中，将其配置成50 mg/ml的溶液，将溶液超声30~45 min后在4 °C下保存。然后，将制备好金叉指电极的硅片放置在旋涂机中，设置旋涂机的参数为前5秒1000转，后30秒3000转。随后旋涂机进行吸片，用移液枪取8 μL配置好的PbS溶液竖直滴在电极上，开启旋涂机。待上步结束后，吸片用移液枪取四丁基碘化铵(TBAI)甲醇溶液10 μL竖直滴在电极上，等待30秒让其与PbS量子点进行配体交换后旋涂机再次进行吸片。吸片后用移液枪取10 μL甲醇溶液竖直滴在电极上，开启旋涂机，将多余配体清洗掉。重复以上步骤3次。随后将器件放置真空干燥箱设置60 °C烘干60分钟，制备成PbS量子点光电探测器。

2.2   可视化脉搏检测系统研制

可视化脉搏检测系统包括光源、前端电路、电压比较器、STM32最小系统板和电子显示屏。由于542 nm波长的LED灯需要定制，成本过高，考虑到532 nm处于515 nm~560 nm波长范围底部，且532 nm波长LED成本更低，所以本文使用532 nm波长的LED作为探测光源。其中前端电路设计如图1所示。通过调研得知人体运动后脉搏最高跳动次数约为240次/分钟，即最高频率为4 Hz，基于此，设计低通滤波放大器，其中C2、C3、R2、R3决定转折频率，R2、R1决定放大倍数。根据二阶低通滤波器的传递函数算出转折频率为7.7 Hz，符合脉搏检测需求。将PbS量子点光电探测器焊接在电路中，绿光光源信号经过血管后反射到器件上，器件接收到的光信号经过滤波、运放等处理后通过电压比较器传入STM32单片机，处理器经模数转换后对接收到的数字信号进行判定，计算出脉搏的跳变频率和次数。通过串行外设接口协议（serial peripheral interface, SPI），将此数值传输显示到电子显示屏上。

图  1  可视化脉搏检测系统前端电路原理图

Figure  1.  Schematic diagram of the front-end circuit of the visual pulse detection system

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2.3   测试与表征

使用扫描电子显微镜(SEM)(Zeiss Ultra Plus)对PbS量子点光电探测器表面形貌进行表征。利用半导体参数分析仪(KEYTHLEY 2450 SourceMeter)在室温下对器件的光电性能进行评价。利用功率可调的532 nm波长的单色激光二极管作为光信号源进行照射，测量器件的电流-电压(I-V)曲线和电流-时间(I-T)曲线。运用基于PbS量子点光电探测器的脉搏检测系统测量同一测试者不同运动状态以及不同测试者同一运动状态的脉搏变化。

3.   分析与讨论

3.1   器件性能分析

图2(a) 为所制备的材料的XRD图，将测得曲线与标准PDF卡片做对比，特征峰分别对应PbS的晶面(111、200、220、311、222、400、420)，由此说明本文成功制备了PbS量子点。PbS量子点的TEM图如图2(b) 所示，从图中能够明显看出PbS量子点的大小较为均匀。通过对图中PbS量子点的直径进行随机选取测量，并进行数据统计，计算出所制备的PbS量子点直径均值为3.1 nm，如图2(b) 插图所示。图2(c) 为PbS量子点光电探测器的STM图。图2(d) 为PbS量子点光电探测器的SEM-EDS图。通过对S、Pb两种元素排布均匀度进行检测，表明PbS量子点均匀旋涂在电极上，这为其光学性能实现提供了良好的基础。

图  2  PbS光电探测器的各项测试结果。(a) 所制备材料的XRD数据图；(b) PbS量子点的TEM图，插图为PbS量子点的直径大小分布直方图；(c) PbS光电探测器的SEM图；(d) PbS光电探测器的SEM-EDS图

Figure  2.  Performance test results of photodetector. (a) XRD data of PbS quantum dots; (b) TEM of PbS quantum dots, the illustration is a histogram showing the distribution of diameter sizes of PbS quantum dots, (c) SEM of PbS photodetectors, (d) SEM-EDS of PbS photodetector

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在−3 V偏压下，PbS量子点光电探测器在532 nm光照下不同光强的I-V曲线如图3(a)(彩图见期刊电子版)所示。当照射光功率密度为80 μW·cm⁻²时，光电流为11.45 nA，当照射光功率密度增加至9390 μW·cm⁻²时，光电流变大为242.44 nA。根据测试结果知，照射光功率密度越高，光电流强度就越大，二者呈单调递增关系。这是因为照射光功率越大，PbS量子点光电探测器产生的电流就越高，器件表面就会生成越多的电子-空穴对。由此可知，在532 nm光照下，PbS光电探测器件的光功率密度越大，电流就越大。在−3 V偏压、不同光功率密度下，PbS量子点光电探测器在532 nm光照射下的I-T曲线如图3(b)(彩图见期刊电子版)所示。根据测试结果知，PbS量子点光电探测器在绿光处呈现良好的周期性，不同光功率密度的光照射下PbS量子点光电探测器的暗电流没有明显变化为0.085 nA。图3(c)(彩图见期刊电子版)为PbS量子点光电探测器在9390 μW·cm⁻²光功率密度下的响应时间图，器件从未接收到光的状态转变到接收光后的响应状态之间共耗费31.13 ms，数据表明PbS量子点光电探测器对光的敏感度和响应速度都比较出色。

图  3  (a) PbS量子点光电探测器在不同光功率密度下的电流-电压（I-V）图；(b) −3 V偏压下PbS量子点光电探测器在不同光功率密度下的电流-时间(I-T)图；(c) PbS量子点光电探测器在9390 μW·cm⁻²光强下的响应时间图；(d) PbS光电探测器件在不同光功率密度下的响应度曲线图和比探测率曲线图

Figure  3.  (a) Current-voltage (I-V) diagram of PbS quantum dot photodetector at different optical power densities; (b) current-time (I-T) diagram of PbS quantum dot photodetector at different optical power densities when bias is −3 V; (c) response time of PbS quantum dot photodetector at 9390 μW·cm⁻² light intensity, (d) responsivity curve and specific detection rate curve of PbS photodetector at different optical power densities

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响应度（R）和探测率（D*）作为评估光电探测器的性能的重要参数，能直接反应光电探测器的好坏。响应度（R）和探测率（D*）^[24]的计算公式如下：

式中，I_ph为光电流与暗电流的差值，P_in是入射光功率密度，式(2)中A是器件的有效照射面积，e为元电荷，值为1.6×10⁻¹⁹库伦。通过上述两式可计算出PbS量子点光电探测器在532 nm光照下，不同光功率密度下的响应度和探测率，将二者绘制成图3(d)(彩图见期刊电子版)。从图中可以可出，在光功率密度为15.2 μW·cm⁻²的情况下，R和D^*在−3 V偏压下分别达到了0.3275 A/W和1.3332×10¹² Jones。

3.2   器件在脉搏检测系统中的测试结果及分析

基于PbS量子点光电探测器的可视化脉搏检测系统如图4(a)所示。其中，从左至右依次为前端电路模块、电子显示屏、STM32单片机和比较器。图4(b)为实测时电子显示屏显示图，上半部分为所测脉搏波形。下半部分为经过比较器和处理器处理计算后得出的每分钟脉搏数值。本系统所用光源的发光强度为700 mcd(毫坎德拉)，光电探测器施加的偏压为3.3 V。

图  4  (a) 基于PbS量子点光电探测器的可视化脉搏检测系统实物图；(b) 系统实测时电子显示屏显示图

Figure  4.  (a) The physical image of the visual pulse detection system based on the PbS quantum dot photodetector; (b) the display diagram of the electronic display screen during the actual measurement of the system

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用图4(a)所示检测系统检测同一测试者不同运动状态时的脉搏，检测结果如图5(彩图见期刊电子版)所示。可见，处于平静状态时，测试者的脉搏波形较为平坦且单次脉搏跳动周期比较长，每次脉搏峰值较低，而测试者剧烈运动后的脉搏幅值变化则十分明显，单次脉搏跳动周期比较紧凑，每次脉搏峰值较高。由上述结果可以得出，当测试者处于不同运动状态时，可视化脉搏检测系统可以明显地检测出测试者所处运动状态下脉搏的幅值变化及跳动快慢，并且能够实时在图像上显示出来。

图  5  同一测试者不同运动状态时的脉搏变化图

Figure  5.  Pulse changes of the same test subject at different motor states

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对不同测试者同一运动状态的脉搏进行检测，检测结果如图6(a)所示。可见，3位测试者在平静状态下的单次脉搏周期都比较长，3位测试者的脉搏幅值都各不相同，单次脉搏所用的时间及不同测试者脉搏跳动幅度大小也各不相同。通过上述结果发现可视化脉搏检测系统可以显示出不同测试者的脉搏波形。测试结果表明可视化脉搏检测系统的灵敏度满足脉搏检测要求。相隔5周，用所研制的系统再次对同一测试者进行脉搏检测，检测结果如图6(b)所示。系统测得每分钟脉搏数有2−3次误差，考虑到不同时间测试者的身体状态不同，所以检测结果仍能客观反映测试者脉搏是否正常，表明本系统的稳定性较好，满足脉搏检测要求。

图  6  (a) 不同测试者同一运动状态的脉搏变化图；(b) 同一测试者不同测试时间的脉搏变化图

Figure  6.  (a) Pulse change plot of different testers at the same exercise state; (b) pulse change plot of the same tester at different test times

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作为对比实验，使用gladstone YK-83B2指夹式脉搏血氧仪对测试者左手拇指同时进行多次检测，图7为同一测试者在自研系统和gladstone YK-83B2指夹式脉搏血氧仪下的电压示意图。表1为两个测试系统脉搏测试结果统计表。

图  7  同一测试者不同检测系统的电压示意图

Figure  7.  Voltage diagram of the same tester tested by different test systems

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表  1  两种系统脉搏检测结果统计表

Table  1.  Statistical table of pulse test results of the two systems (Unit: times/minute)

名称	第一次测试	第二次测试	第三次测试
PbS量子点光电探测器	63	73	68
gladstone	64	70	73

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由图7和表1可知，本系统测得的脉搏电压幅值变化虽然比gladstone系统低，但其幅值变化已经足以让系统处理器识别和进行模数转换。通过多次测量得知脉搏测得的结果有1-5次的误差。这是由于两个测试系统中的传感器所测量的手指指端位置并不完全相同，导致在极少数脉搏跳动幅度较小时，系统没有识别该次脉搏而造成误差，虽然此类误差的存在导致两个测试系统的测试结果略有区别，但将多次测得的脉搏数与人体正常脉搏范围进行比较发现本系统测得的脉搏数一直处在人体正常脉搏范围内，由此说明本系统检测结果仍能客观反映测试者的脉搏测量结果。

4.   结　论

本文基于PbS量子点光电探测器件研制了数据可视化的脉搏检测系统。利用热注射法将合成得到的PbS量子点旋涂在金叉指电极表面，构筑成PbS量子点光电探测器，并将其运用在可视化脉搏检测系统中。运用光电容积脉搏波描记法，对不同测试者同一运动状态以及对同一测试者不同运动状态下的脉搏进行检测，分析系统的可靠性和灵敏度。在5周后利用该系统对同一测试者再次进行脉搏测量，分析系统稳定性。器件测试结果显示，PbS量子点光电探测器在532 nm激光照射下的响应度(R)和探测率(D*)分别为0.33 A/W和1.33×10¹² Jones。将其用于测量脉搏电路中，结果显示该系统能够有效接收并测得人体脉搏信号，表明基于PbS量子点光电探测器的可视化脉搏检测系统在灵敏度、稳定性以及可靠性均满足脉搏检测要求，为量子点的应用拓宽了方向。