CN103969428B - 带呼吸分析器的便携电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种呼吸分析器，所述呼吸分析器具有至少一个对呼气样本中的成分的浓度敏感的化学传感器（12，22），所述呼吸分析器包括补偿器（24），在化学传感器被集成到便携电子设备的情况下，特别是化学传感器位于空气通道（11，21）内的情况下，所述补偿器用于补偿在使用者和化学传感器位置之间的呼气数量的变化的影响，所述空气通道具有通往分析器的壳体外侧的开口（106，206），开口的总面积小到足以有效地限制外侧和传感器之间的质量传送，和/或其中补偿包括对传感器不同响应的补偿。

Description

带呼吸分析器的便携电子设备

技术领域

本发明涉及一种呼吸分析设备。

背景技术

最开始是指移动电话或电子助理的便携式或移动式设备变得越来越普遍。由于它们的内置处理器的处理能力的增加，以及用于与远程或固定处理器通信的带宽的增加，所述便携设备承担了越来越多的消费者和专家用户可利用的多目的工具的角色。

已经认识到，对便携设备有益的是存在着能对与设备接触或在设备附近的物质进行化学分析的传感器。尽管传感器有很多可能的应用，但是它足以用于例如分析便携设备周围的空气。所述分析能够用于多种目的，比如危险气体的测试、一般医疗目的或驾驶健身的呼吸分析等等。

用于检测呼气中酒精的特制便携设备是已知的，并被执法部门普遍地用作血液酒精浓度（BAC）的主要测试工具。一种测量某人BAC的常规方法是要求此人完全呼气到吹嘴中，该吹嘴被联接到一种利用燃料电池传感器测量在吹气结束附近出现的呼气中酒精蒸汽浓度的装置。

但是，某些人觉得这样做并不愉快，并且通常吹嘴在本发明的移动设备中不是可接受的，本发明的移动设备通常被设计为具有多种目的，而不是必然地被仅局限于呼吸分析。测量BAC的其他常规方法和设备不要求某人对着吹嘴呼气，而是通常通过阀门来输送不含呼气或不含酒精气体的第二空气源作为确定酒精气体浓度的基准。其他方法依赖于对来自酒精气体探测器和二氧化碳气体探测器的波形进行比较的复杂信号分析技术。

已经提出在汽车上装备血液酒精浓度（BAC）传感器，以基于某个试图驾驶车辆的人的呼气中的酒精气体浓度来评估此人的BAC。所述方案例如在美国专利5531225A、8183527B、已公开的美国专利申请US2010/0188232和其他文献中均有描述。所述设备通常被设计成专门用于分析呼气中的酒精含量，并形成安装了这些设备的汽车上的一种永久固定装置。

还认识到，接收呼气和周围空气混合物的设备需要对周围空气引起的稀释进行补偿。如前面所引用的文献所述，能利用例如—与所述设备并列的—湿度测量、其他化学测量（例如CO2、O2浓度）或温度测量来进行所述补偿。

例如在已公开的美国专利申请US2012/231841中描述了用于移动场合的湿度传感器，例如在已公开的国际专利申请WO2012/100362A1中描述了作为带CMOS线路和电路的MEMS设备的小型传感器的制造方法。例如在国际专利申请WO95/19563中描述了带有集成加热器的金属氧化物传感器。

对于通用目的的便携设备而言，传感器接收呼出空气样本所通过的一个开口或多个开口的尺寸导致要做出准确的测量和对稀释影响的补偿变得复杂。因此，本发明的目标是利用多目的便携电子设备提高呼气样本中酒精浓度或其他成分的测量的准确性。

发明内容

因此，根据本发明的第一方案，提供一种呼吸分析器，所述呼吸分析器具有至少一个对呼气样本中的成分（诸如酒精）的浓度敏感的化学传感器，所述呼吸分析器包括补偿器，在化学传感器被集成到便携电子设备的情况下，所述补偿器用于补偿在使用者和化学传感器位置之间的呼气数量的变化的影响，所述便携电子设备优选地具有允许通过私人或公共网络进行数据和/或声音通信的远程通信能力。

在特别优选的实施例中，化学传感器被包封在便携电子设备的壳体中且位于空气通道内，所述空气通道具有通往壳体外侧的开口，开口的总面积小到足以起到限制扩散的作用。

任何阻碍在开口前后瞬时或几乎瞬时地建立空气平衡的开口都能被认为是扩散限制。因此，空气成分上的任何变化传播到壳体内的都存在迟滞。在典型移动设备的正常工作状态下，这种迟滞超过了空气在设备周围流动和交换的时间或者用户接收测量结果的可接受时间极限。因此，不对测量做补偿的话，测量将会得到比真实值低得多的值。

所述开口本身是一种仅将化学传感器与外部连通的专用开口。但是，在便携电子设备的制造商努力使壳体保持良好的防潮防水性能的前提下，使所述开口与便携设备的需要与外部相似连接的至少一个其他部件（比如扩音器、麦克风或摄像头）共享是有利的。所述开口还能用格栅或隔膜进行保护，以防止较大的颗粒物或不希望的空气成分进入或阻塞通道。因此，所述开口的面积最好被限制在100平方毫米或以下，优选低于25平方毫米，甚至更优选低于10平方毫米。所述通道作为壳体内侧的空气的限界，并采用管道或沟渠的形状，所述管道或沟渠形成为壳体的一部分、或形成为连接到壳体中的开口的单独部件。它是独立的笔直或弯曲通道。

在本发明的优选实施例中，补偿器被连接到对开口后方的空间内的状态敏感的至少一个额外传感器（比如针对湿度、温度的传感器，或者例如对二氧化碳或氧气浓度敏感的额外的化学传感器）的输出，从而修正由开口外侧处的环境空气所造成的呼气稀释。

在本发明的优选实施例中，所述补偿器包括对两个或更多个传感器的不同特性（比如响应时间）的补偿，例如通过时移一个或多个传感器的测量、或者通过使用对一个或多个传感器的单独（脉冲）响应建模的过滤器。本发明的这种方案能被用于例如缩短测量所需的时间。它还能被独立地用于前述补偿器，例如，为了处理来自具有不同响应的不同化学传感器的阵列的化学测量。

在本发明的更优选实施例中，补偿器确定表示湿度变化的信号和表示成分浓度变化的信号的比值，以修正由开口外侧处的环境空气所造成的呼气稀释。

在本发明的更优选实施例中，补偿器确定表示露点的值，以修正由开口外侧处的环境空气所造成的呼气稀释。

所述补偿器还包括从呼气采样之前或之后进行的环境空气的测量推导出值，从而确定补偿。

在本发明的更优选实施例中，补偿器利用表示开口和/或通道的几何形状的静态或动态因数来修正表示由化学传感器所测得的初始或中间值或者成分浓度的信号。

为了增加测量准确性，前述用于补偿稀释和所述开口和/或通道的几何形状的设备最好被组合并一起用在一种测量上。

还能通过使所述补偿器设备补偿单独传感器的特性（比如响应时间）来进一步提高所述准确性，如之前所述。

在更优选的实施例中，所述补偿器接收来自距离所述化学传感器小于5mm的湿度传感器或其他传感器的信号，并且两种传感器都距离所述开口小于10mm。

在更优选实施例中，所述补偿器是一种特制的电路、或被编程以执行所述补偿器功能的一种通用目的处理单元。

所述便携设备能是智能手机、掌上电脑、手提式电脑、电子阅读器、平板电脑、游戏控制器、定点设备、照相机或摄像机、数码音乐播放器、腕表、存储器、头戴式耳机或计算机***设备。它的壳体通常是金属、玻璃、或塑料材质的壳，并且以单件结构被装配或由多个部件装配而成。通常被包封在壳体内的是处理器、用于部件比如屏幕、天线、镜头、麦克风和扬声器的驱动器、以及给设备及其部件供电的电池。屏幕通常作为壳体的一部分被布置，或被安装在透明窗口的后方。

所述化学传感器可以被理解为用于探测一种或多种分析物的一个或多个特性的传感器设备。它优选是基于下面的测量原理之一：

所述传感器基于化学机械原理，其中化学反应被转换成例如重量增加、表面声波、或悬臂谐振。替换地，可以应用热感应原理，例如通过使用载体催化传感器（pellistor），所述载体催化传感器作为能在燃烧期间产生热量的催化热传感器。替换地，所述化学传感器可以依赖光学探测，比如以显微分光计或者NDIR传感器的形式，或者可以利用电化学反应，比如通过固态电解质结合伏安测量原理、电位测量原理、或电导测量原理来实现。也可以使用化学电阻器，比如优选在低温环境下是含碳的导电聚合物，或者更优选地在高温环境下使用的金属氧化物传感器，比如氧化锡、氧化钨、氧化镓、氧化铟、氧化锌。也可以使用ISFET（离子选择FET）和化学电容器，其中优选采用聚合物作为活性物质。

所述传感器包括优选呈层（也称为接收器层）的形式传感器材料，分析物可以附着在接收器上从而改变传感器材料的电特性（比如导电率，该原理优选被用于金属氧化物化学传感器），或光学特性（比如透射率）。所述传感器还可以包括多个不同的传感器或相似传感器的阵列。在所述传感器阵列中，每个传感器单元可以提供展现出不同吸收特性的材料层，从而传感器阵列的每个单元可以专门对一种不同的分析物敏感，并且因此所述便携电子设备能探测所述分析物的存在与否或浓度。

本发明的上述和其他方案连同本发明的其他有利实施例和应用被更详细地描述在后面的文字和附图中。

附图说明

图1A是便携电子设备的透视图；

图1B是图1A的设备的壳体的局部内侧示意图；

图2是截过带有化学传感器的通道的截面示意图；

图3示出了对环境空气稀释的修正；

图4示出了利用露点确定对环境空气稀释进行修正；

图5示出了位于化学传感器之前的小开口对化学传感器的测量的影响；

图6示出了用于修正测量的对传感器不同响应的补偿。

具体实施方式

图1A的设备是一种便携电子设备，比如移动电话。移动电话的壳体10的正面具有屏幕101和类似于按键102这样的元件，以使用户与电话互动。在正面上还示出了用于扩音器的开口103。在壳体10的下侧壁上有其他的开口104，105。已知的是将类似于麦克风和扩音器这样的部件安装在所述开口后方。

另一个开口106位于下侧壁上。如图1B所示，开口106与从壳体内部穿过的管状通道11关联。化学传感器12和湿度传感器13沿着该通道11进行安装，从而两个传感器的敏感区域被主要暴露给通过开口106进入所述通道的相同组分的空气。通道11的实际大小和形状取决于化学传感器12和湿度传感器13的可用体积和特性（所述可用体积和特性是可变的），但是在便携移动设备有物理约束条件的情况下，开口的直径通常在小于2mm的范围内，在本示例中实际上大约是1mm。

在示例中，所述化学传感器是采用设置在CMOS基片上并与CMOS基片集成的金属氧化物层的气体传感器。所用的金属氧化物能够是氧化锡、氧化钨、氧化镓、氧化铟、或氧化锌。对于在后面被更详细描述的特定实施例来说，所述传感器还能包括被集成在该传感器内的微机电***或MEMS型热源。所述传感器与其自身的CMOS电路集成，以用于控制和读出。包括CMOS回路和MEMS传感器的板的物理尺寸小于5mm×5mm。

所述化学传感器12和湿度传感器13能按照例如参考文献WO2012/100362中所描述的那样进行制造。湿度传感器最好与温度传感器组合。所述传感器能在市场上买到，例如来自SensirionTM的商品SHTCl。所述SHTCl传感器尺寸是2mm×2mm×0.8mm。两种传感器例如能被安装在通道11内彼此靠近。湿度还能通过其他类型的传感器来测量。为了设备的更好集成，有利的是例如为所述测量采用基于金属氧化物的第二强湿度传感器，由此所述第二金属氧化物传感器甚至能像化学传感器12那样被集成在相同的CMOS基片上。在图2中示出带传感器的通道的放大示意截面图。

图2的截面图示出了壳体中的开口206和带化学传感器22和湿度传感器23的通道21。两个传感器的输出柱被连接到补偿器24（其在后面详细描述）。气体样本用团状黑点表示。改变传感器电阻的反应用实心点到白点的转变表示。

二氧化碳传感器（例如基于热导率测量的CO2传感器或固态电化学传感器）能被安装在通道21内，以取代湿度传感器23，或在湿度传感器23之外额外设置。

典型的采样场景在图3中示出。假设呼气包括具有一定浓度Co的分析物，例如酒精、丙酮、NO、H2、或NH3。呼气后，所呼出的气体体积与环境空气混合，所述环境空气具有不同浓度的相同分析物，例如假设在环境空气中不含酒精的情况下，该浓度是零。呼气和环境空气的混合导致在带有传感器的通道21的小开口206外侧产生了混合后的浓度Cm，该浓度低于初始浓度Co。混合物的比例取决于很多因素，比如呼气的体积、呼气的流量以及脸和移动设备之间的距离，还有所述开口关于呼气流动方向的定向。

这些效果引起测量的第一失真。第二失真通过通道21的开口206被引入测量过程。在下文假设所述开口具有使通道21内的空气与外侧空气达成平衡所需的时间增加的效果。换句话说，开口206外侧的浓度Cm的瞬时变化将仅通过通道21内的浓度Ci的逐渐变化来反映。如之前所述，开口206所引入的迟滞使得准确测量设备周围的空气中的瞬时浓度变化非常困难。在日常情况下，经常没有足够的时间来等待通道21内外侧的浓度达到平衡。因此所述测量必须尽可能地接近瞬时测量，以避免例如空气在环境中流动的影响。在实践中，还应当考虑到用户希望在提供样本后小于2分钟或者更短时间内，甚至1分钟或者更短时间内，甚至在30秒内得到测量响应。所有这些约束条件限制了测量可用的时间。

本发明的补偿器能够在这些限制下提高测量的准确性。根据所需要的准确性程度，所述补偿器能被配置成补偿初始浓度Co到混合后浓度Cm的变化，或者从Cm到通道21内浓度Ci的浓度变化，或者两种浓度变化都补偿，也就是从Co到Ci的浓度变化。所述补偿器提供不同浓度之间的转换，从而通过化学传感器所测得的浓度Ci能转换成Cm或Co。

在测量酒精的情况下，能利用工业标准方法或者由执法部门规定的转换方法将呼气中酒精浓度Co的准确值容易地转换成BAC值。

根据该示例，补偿器被设计成补偿前述穿过障碍的呼气数量的两种变化的影响。但是值得注意的是，在两种影响中的一个被认为不明显的情况下，所述补偿器能容易地改装以仅补偿所述影响中的另一个。

例如为了补偿酒精（EtOH）浓度从Co到Cm的变化，所述补偿器根据等式[1]实施修正：

[1]Pm（EtOH）=Po（EtOH）*（Pm（H2O）-Pa（H2O））/（Po（H2O）-Pa（H2O））。

在等式[1]中，分压力P被用作浓度的度量。如上所述，下标m表示混合样本的值，下标o表示初始值，而下标a是在样本测量之前或之后在没有呼气存在的情况下测得的环境值。湿度或水分浓度的值用H2O表示。

如所示，比值（Pm（H2O）-Pa（H2O））/（Po（H2O）-Pa（H2O））的倒数及其任何等同物能被用于修正测量值Pm（EtOH），从而推导出真实值Po（EtOH）。水分的分压力由湿度传感器测得。假设环境湿度在实际采样前后的一段时间内恒定。已知呼气中水分的分压力Po（H2O）是可重现的并且对应于水在34℃时的蒸汽压力。从等式[1]推导出的补偿因数也能被用作拒绝测量的阈值，例如在该因数超出了一定值且超越所述一定值就视为测量不准确的情况下。

可以利用空气中所含的水分之外的其他分子来实施前述对稀释影响的补偿。因此，基本上可以使用呼气的在呼气和环境空气中浓度已知（无论浓度是否恒定）的任意成分来修正从Co到Cm的浓度变化。具体地，已知的是呼气中二氧化碳及其对应的氧气的浓度基本上是恒定的。在所述湿度传感器被对其他成分敏感的传感器所取代的情况下，能通过例如以等式[1A]取代等式[1]而以类似的方式实施前述的补偿：

[1A]Po（EtOH）=Pm（EtOH）*Pm（CO2）/Po（CO2），

其中Pm（CO2）是所测得的二氧化碳浓度，Po（CO2）是已知的呼气中CO2浓度。

在上述补偿的一种变型方案中，所述补偿器包括露点计算器。露点计算器的运行在图4中示出。露点计算器利用湿度测量和温度，并且将所述测量转换成露点值。已知人类呼气的露点是可重现的并且对应于34摄氏度。

如图4所示，假设呼气的一种成分的浓度Cm位于连接环境空气（例如15摄氏度，所述成分为零浓度）的露点、以及34摄氏度和未知浓度Co的露点的直线上。通过将15摄氏度和零浓度以及Cm测量值（图4中表示为“x”）之间的直线延伸到34摄氏度，可以确定所述成分的初始浓度值Co。在示例中，所述浓度直接表示为BAC。

补偿器能基于例如较低的露点阈值（表示过稀的样本）（例如20摄氏度）拒绝测量，或者在测量产生一条具有高于或低于可接受水平的梯度的延伸线时拒绝测量。拒绝测量的其他情形与湿度测量的稳定性或可重现性相关。

除了如前述那样补偿环境所造成的稀释，本发明的补偿器还被配置成补偿小开口的影响，所述小开口限制了使用者的嘴或鼻与化学传感器的位置之间的扩散。所述扩散影响由图5示出。

图5示出了在不设开口（虚曲线）和设有开口（实曲线）的情况下，响应于每千BAC0.5（0.5permilleBAC）的空气脉冲的化学传感器测量的曲线，其中所述传感器在所述开口后方并位于有限的容积内。在没有开口且不限容积的情况下，所述测量值非常准确地显示出所述样本（虚曲线），且阻抗快速下落到代表样本酒精浓度的值。但是，当传感器位于开口后方并位于有限的容积内时，气体浓度变化慢得多，并且所述阻抗下降到自由传感器的阻抗之上的一个值。

利用几何测试和指数拟合，到达最终值的时间增加了大约50-100倍，而最终值相差大约百分之百。

为了补偿测量过程中的这些失真，补偿器根据等式[2]-[4]进行修正，其中

[2]Ci=γCm f(t)

其中第一函数γ表示被测成分到化学传感器的扩散和由于该成分在传感器处的反应导致该成分的减少或消耗之间的平衡，f（t）是表示几何形状约束的与时间有关的函数，在长时间间隔下接近于1。这些函数能从例如质量平衡等式和扩散模型中推导得出。基于所述推导，所述函数例如能表示为：

[3]Ci=Cm（1/（1+Lk/SD））（1-exp（-t/τ））以及

[4]τ=LV/（SD+Lk）=LV/SD*（1/1（1+Lk/SD））。

再参见图2，对于该实施例而言，假设开口206具有大约1mm的直径S，壳体的壁具有2mm的厚度L，由此限定了空气到达化学传感器22所必须经过的喉部。在传感器周围的通道21的容积是V。在化学传感器表面处的分析物的反应速率用k表示，并且为一种传感器处反应有多快的度量，D是空气中所述成分的扩散系数。

通过这些已知的变量，补偿器24能在任何时刻将在通道内测得的浓度Ci修正为通道外侧的值Cm，而不用等待平衡状态。

在根据本发明的呼吸分析器中，所述修正是非常重要的，因为环境空气可能在比通过所述开口206建立Cm和Ci之间的平衡所需的时间更短的时间内改变浓度Cm。

以上的模型忽略了通过所述开口的强制空气流动的影响，并且因此最好用于没有风扇（即没有通风设备）的通道。所述通风设备产生在上述模型中没有被考虑到的对流。

所述补偿器24还能够被设计成补偿单独传感器的特性。这被视为一种有用的元素，原因在于前述补偿方法采用了由不同传感器执行的两种测量值的使用。但是所述补偿原则上能被用于集成在便携设备上的任意两种不同的传感器，所述两种传感器的输出需要通过处理步骤进行组合。

在图6中，示出在对不同响应时间进行补偿前后两种传感器的响应。在图6A中，示出了两种传感器被暴露给相同样本时如何反应。曲线的实线部分表示在5秒的时间窗口内进行的测量，而虚线部分表示在所述测量持续一段较长时间的情况下后续的测量信号。两种传感器都在5秒时间窗口以外达到渐进的准确值，其中上侧曲线所代表的第一传感器早于下侧曲线所代表的第二传感器。

为了使两种测量可比较从而适合于共同的处理，在第一个5秒内进行的测量与传感器的已知响应相组合，从而产生在相同的但被缩短的时间标度上的测量的图像。所以，图6B的曲线表示在共同时间标度上的测量，且在任意指定时刻对每种测量的幅度都进行了修正。还另外地选择所述时间标度以及使用的过滤或转换，以使得在被分配给所述测量的时间内达到所述渐进的准确值。在所示的示例中，测量时间从大约20秒缩短到大约5秒。能使用在已公开的美国专利申请US2011/307208中所描述的方法，以对传感器响应进行建模以及处理所加入的测量。

虽然已经展示并描述了本发明的优选实施例，但是应当明白本发明并不限于此，而是可以在后面权利要求的范围内被多样地实施和实践。例如，等式[1]-[4]所表示的用于补偿的函数和因数仅被用于更详细地描述本发明一种实施方式，并且在实践中能被储值表或其他适合于电子设备的实施方式替代。在所述基础补偿足以满足所需的测量准确性的情况下，它们接近恒定值。

Claims (12)

1.一种便携电子设备，所述便携电子设备包括呼吸分析器，所述呼吸分析器具有：

至少一个化学传感器(12，22)，所述化学传感器被包封在便携电子设备的壳体(10)中且位于空气通道(11，21)内，所述空气通道具有通往壳体(10)外侧的开口(106，206)，化学传感器对用户的呼气样本中的成分在空气通道(21)内的浓度敏感，开口(106，206)的总面积小到足以限制呼气扩散到空气通道内的化学传感器(12，22)的位置，以及

补偿器(24)，所述补偿器连接到化学传感器的输出部，以从化学传感器接收信号，所述信号表示化学传感器的测量值，补偿器被构造成针对用户的呼气样本中的所述成分的原始浓度和所述在空气通道(21)内的浓度之间的变化而补偿所述测量值，所述变化包括由于所述开口(106,206)所导致的所述成分的浓度的变化。

2.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中，补偿器(24)被连接到对开口后方的空气通道(11，21)内的状态敏感的至少一个额外传感器(13，23)的输出部，从而补偿器被进一步构造成针对开口(106，206)外侧处的环境空气所造成的呼气稀释来修正所述测量值。

3.根据权利要求2所述的便携电子设备，其中，额外传感器(13，23)被构造成确定湿度水平、二氧化碳或氧气浓度、温度或空气流量。

4.根据前述权利要求之一所述的便携电子设备，其中，补偿器(24)被进一步构造成对从传感器接收的信号中的不同传感器(12，22，13，23)的不同时间响应进行补偿。

5.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中，补偿器(24)被构造成确定表示露点的值，以针对开口(106，206)外侧处的环境空气所造成的呼气稀释来修正所述测量值。

6.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中，补偿器(24)被构造成从呼气采样之前或之后由传感器进行的环境空气的测量推导出值，从而确定补偿。

7.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中，补偿器(24)被构造成针对开口(106，206)和空气通道容积(11，21)引起的到达稳态的迟滞和/或由传感器进行的所述测量值的幅度进行修正。

8.根据权利要求6或7所述的便携电子设备，其中，补偿器(24)被构造成利用表示开口(106，206)和/或空气通道(11，21)的几何形状的静态或动态因数来修正表示所测得的成分浓度的信号。

9.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中，成分是酒精、丙酮、氢、甲烷、NO、CO、异戊二烯、或者氨。

10.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中，化学传感器(12，22)包括金属氧化物感应材料。

11.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中，化学传感器(12，22)包括被安装在含有CMOS电路的基片上并与该基片电连接的金属氧化物感应材料。

12.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中，便携电子设备选自包括以下的组：

移动电话，

掌上电脑，

电子阅读器，

平板电脑，

游戏控制器，

定点设备，

照相机或摄像机，

数码音乐播放器，

腕表，

存储器，

头戴式耳机，以及

计算机***设备。