CN103969298B - 具有改进的化学取样的便携电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有改进的化学取样的便携电子设备。描述了一种便携电子设备和相关方法，其使用连接至化学传感器处理单元(211，23，25)并对空气样品中的成份的浓度敏感的集成的化学传感器(12，21)，和不包括化学、温度和湿度传感器(13，24)的一个或多个情境传感器(271，272，273)，其中来自情境传感器(271，272，273)的输出被连接至本地的或远程的解释处理器(29)以生成被转移至所述化学传感器处理单元(211，23，25)的约束条件或相关性集，用于确定所述化学传感器(12，21)执行的化学测量的结果。

Description

具有改进的化学取样的便携电子设备

技术领域

本发明涉及具有集成化学传感器的便携电子设备，例如移动电话、平板及类似物，所述传感器位于所述设备的外壳或壳体中。

背景技术

便携或移动设备最初作为移动电话或电子记事簿引入，变得越来越普遍。随着它们的内部处理器处理能力增长以及同样地静态处理器的通信带宽增加，这类便携设备越来越多地承担起了消费者和专家用户等可用的多用途工具的角色。

便携设备能够从可以提供与设备接触的或临近的材料的化学分析的传感器的存在中获益已经得到公认。同时这些传感器有多种可能的应用，它足以考虑例如对便携设备周围的空气的分析。这样的分析能够用于多种用途，例如测试危险气体，用于普通医疗用途或驾驶适应性的呼吸分析，等等。

然而，对空气样品的化学分析被公认为是非常困难的问题。这个问题因便携设备的有限尺寸而更严峻，所述尺寸又限制了设备内能够容纳的传感器的尺寸和数量。此外，如果所述设备是设计为通用设备的，则提取的不同样品的可能数量和进行取样的条件变得实际上是没有限制的。

对于该问题的一个可能的解决方式可见于使用几个传感器的组合测量物理参数，已知其与取样或测试有相关性。例如，化学传感器可由几个化学传感器或具有不同的(即正交的)敏感度的传感器的阵列组成，其能够被用于改进传感器区分不同化合物的能力。其他物理传感器有温度和湿度传感器，其在一定条件下，能够被用于改进化学测量。

然而，如上所述，多个物理传感器的组装在便携设备提供给传感器的经常受限的空间内是难以实现的。进一步的限制来自于这些多个传感器的能量消耗，在通用便携设备中，其必须与其他经常被认为是更基础的功能(如电信、成像、视频和音乐捕捉和复制)竞争有限量的电池动力。

基于上述问题，提供用于增加由位于其壳体内的传感器进行的化学感测过程的精确性的便携设备和相关方法，被视为本发明的一个目标。

发明内容

因此，根据本发明的第一方面，提供一种便携电子设备，优选具有电信能力以允许数据和/或声音通过私密或公共网络通信，在壳体内优选封装有空气管道，具有通向壳体外部的开口和连接至化学传感器控制器和从情境传感器接收进一步输入的处理单元的至少一个化学传感器。

情境(contextual)传感设备被理解为排除其他化学传感器、温度和湿度传感器。排除的传感器可被看作物理传感器，其与化学感测过程直接相关，而不在本发明的范围内。进而，情境传感器被理解为生成输出的传感器，该输出与化学感测过程的相关性并不直接并且经常需要进一步的转换或解释以提供对化学感测过程有用的参数。

本发明意义内的情境传感器可选自包括图片或视频相机、IR传感器、声麦克风、位置传感器(GPS)、亮度传感器、超声传感器、接近性传感器、加速度传感器、蓝牙接收器、电磁波天线和方向传感器的组，这些传感器优选集成进与化学传感器或者替代或另外的能够例如通过公共服务器与便携设备直接或非直接通信的传感器相同的壳体中。当集成进相同的壳体中时，所述情境传感器可位于容纳所述化学传感器的管道的外部。根据本发明的这一方面，可视为一个目的的是以一种新的方式使用经常已经被包括进便携电子设备用于其他目的的传感器，以从它们的测量提取数据，其又可被用于限制由化学传感器(包括任何关联的其他物理传感器)进行的测量的可能解释。

然而，情境传感器不太可能生成能够被直接用于改进化学测量的测量。所述情境传感器的直接输出在提供可用输入至所述化学传感器的识别处理器前通常需要通过中间解释处理器的处理。所述解释处理器可包括图像识别处理器、语音或声音识别处理器、动作或方向识别处理器或常规场景或事件解释处理器，用于提供由所述化学传感器取样的对象和/或进行化学取样的条件的额外解释。

由于移动设备中的处理器目前的处理能力通常不够强大以提供复杂解释以将来自情境传感器的信号转换成至所述化学传感器的识别处理器的输入，解释处理器的部分或全部可实现在远程计算机或服务器上。在这种情况下，情境传感器的测量结果，例如代表图像的信号，被使用所述设备的电信能力发送，继而在解释结果被发送回至请求的便携设备之前在远程计算机、服务器或服务器或计算机集群上被处理。

然而，随着便携设备内处理能力增加，可以预见更多这种远程处理将在本地进行，例如使用便携设备自身的资源和计算能力。所述解释处理器和／或识别处理器的处理操作的本地化或远程化程度，是可用处理能力、电池电量和通信带宽的问题并因而与便携信号和数据处理技术的一般进展一致变化。

所述解释处理器优选访问连接至通过情境传感器或具有化学解释的传感器提供的已被解释的测量的数据库，其转而作为化学识别处理器的输入被提供。化学识别处理器将改变来源于接收自化学传感器信号的结果，以匹配由来自解释处理器并因而还有来自情境传感器的输出的输入所施加的约束条件和相关性。

所述化学识别处理器可进一步包括精度单元。所述精度单元被编程为监控用于化学传感器的本地处理单元的结果的初步输出。该初步输出是基于所述化学传感器单独的或与所述便携设备的其他物理传感器结合的测量的结果。基于初步结果和与之相关联的可信度，所述精度单元进行测试，以决定是否从情境传感器请求输入。所述精度单元或所述解释处理器的一部分可以访问保存在所述设备的来自情境传感器的任意测量和数值，或者，如果根据测试结果认为有必要，则启动情境传感器的激活以进行额外情境测量。

优选的化学传感器包括一种传感器材料，其优选以层的形式，也表示为接受器层，分析物可结合到层上，并且这样修改所述传感器材料的电特性，如它的电导率，例如金属氧化物化学传感器。它也可以包括多个不同传感器或类似传感器的阵列。在这样的传感器阵列中，每个传感器单元可以提供表现不同吸收特性的材料层，从而使得所述传感器阵列的每个单元可以特定地对不同的分析物敏感，并且这样可以使所述便携电子设备检测这种分析物存在或不存在或浓度。

优选的传感器与至少一部分它的控制器和读出电路组合至单个半导体衬底上。在优选的变形中，该电路是CMOS电路。

所述便携设备可以是智能电话、手持计算机、膝上型计算机、电子阅读器、平板计算机、游戏控制器、定点设备、相机或摄影机、数字音乐播放器、电子手表、耳机或计算机外围设备。它的壳体通常是金属、玻璃或塑料材料的壳，并且可以组装为一体或从不同部分组装。封闭在壳体内的通常是处理器、例如屏幕、天线、相机、麦克风和扬声器的部件的驱动器以及为所述设备及其部件提供电力的电池。屏幕通常设置为壳体的一部分或安置在壳体的透明窗后。

所述管道起限制壳体内的空气的作用，并且可以取形成为壳体的一部分或者作为连接至壳体内的开口的独立的一部分的管或通道的形状。它可以是单个的直的或弯曲的管道。

开口本身可以是专用开口，这样仅连接所述化学传感器至外部。然而，考虑到便携电子设备的生产厂商努力保持壳体良好的防湿和防水，开口被与所述便携设备的需要通向外部的类似连接的至少一个其他组件(例如扬声器、麦克风或相机)共用被视为是有利的。所述开口壳进一步被格栅或膜保护以防止空气中的较大颗粒或不希望的成份进入或阻塞所述管道。

本发明的另一方面是关于一种改进便携设备内的化学传感器的测量结果的方法，使用如上所述的情境传感器的输出以提高化学测量的精确性。

在以下说明和附图中进一步详细描述本发明以上和其他方面以及本发明的进一步的有利实施例和应用。

附图说明

图1A是便携电子设备的透视图；

图1B是图1A的设备的壳体的一部分的示意图；

图2是根据本发明的示例的便携设备的组件的框图；

图3图示根据本发明的示例的处理步骤。

具体实施方式

图1A的设备是一种便携电子设备，例如移动电话。所述移动电话的壳体10包括具有屏幕101和如按钮102的使用户与电话交互的组件的前侧。在前侧也显示有用于扬声器的开口103。其他开口104、105位于壳体10的下侧壁。将例如麦克风和扬声器的组件安装在这类开口后面是众所周知的。所述电话以熟知的形式包括一个或两个相机106以及例如位置传感器或GPS和加速度和方向传感器的内部其他传感器(未显示)。

另一开口107位于下侧壁。如图1B所示，开口107连接至穿过所述壳体内侧的管状管道11。化学传感器12和湿度传感器13都沿所述管道11设置，这样两个传感器的敏感区域都基本上暴露于相同组成成份的通过开口107进入管道的空气。管道11的实际尺寸和形状根据可用体积和化学传感器12和湿度传感器13的特性可以不同，但是考虑到便携移动设备的物理约束条件，所述开口的面积通常在小于10平方毫米的范围内，而在本示例中，实际大约小于3.1平方毫米。

图2显示所述便携设备的最重要组件的框图。优选地，所述设备包括化学传感器21，其集成为CMOS衬底211的一部分，CMOS衬底具有CMOS电路以控制所述传感器的基本功能和基本读出。所述CMOS电路可以包括例如转换所述传感器及其加热器开或关的驱动器以及A／D转换器和放大器和I2C总线控制器以交换在I2C总线22上的数据。所述I2C总线通过传感器集线器23与传感器连接。另一湿度和温度传感器24也连接至I2C总线22。所述化学传感器21可以是例如单个传感器，例如金属氧化物类型传感器，或者是几个传感器的阵列或集合。所述化学传感器可以是相同类型的金属氧化物传感器但具有不同的感测材料，或，替代地或此外，是基于不同感测原理的传感器。

传感器集线器23提供控制和处理单元用于基于分别发送至或提取自片上CMOS电路的信号的化学传感器21的更复杂的控制和读出功能。

进一步的控制和读出功能也可以由所述便携设备的中央处理器(CPU)25执行，其进而读写访问内存26，所述内存可以包括本领域已知的静态存储器或非永久存储器或者两者都有。所述内存26通常存储所述设备的操作系统，并且也可以用于存储针对所述便携设备的传感器的操作的程序。

除了上述特定传感器外，所述CPU也连接至一个或多个传感器271、272、273，其通常独立于化学传感器的操作而操作。这些传感器提供所述便携设备的其他功能和能力，从而创建所述便携设备的独立可用的输出，而与所述化学传感器21没有直接联系。这些情境传感器之一是例如相机271或麦克风272，也显示为图1的相机106和麦克风104。其他示例如位置、加速度和方向传感器。所述情境传感器271、272、273分别使用它们自己的接口单元274、275或通过传感器集线器23与CPU通信，其通常完全独立于化学传感器21操作。

所述设备还包括众所周知的输入/输出单元281，例如触敏显示器、虚拟或物理键盘和手势跟踪设备等。所示的便携设备具有如本领域熟知的电信电路282，包括天线、驱动器电路和编码和解码单元。使用这样的电信电路和网络接口单元NIU282，所述设备能够如所示地连接至远程数据处理和存储设施29。

以下进一步参考图3的流程步骤描述上述设备的示例操作模式。

根据本发明的示例的测量包括通过所述化学传感器执行的测量31。对于金属氧化物传感器，所述传感器例如使用内部加热元件加热至其操作温度以准备所述测量。在测量31过程中，作为空气的一部分并且通过所述管道进入所述壳体的分析物，在传感器表面上反应，引起感测材料的电阻变化。这种变化被测量、放大并过滤和传达作为第一信号集，为了本说明的目的其被称为原始数据，通过所述I2C总线至所述传感器集线器的处理单元。

在所述处理单元，所述原始数据在另一步骤32中被处理，以提取第一处理数据集，这里被称为化学特征向量。在这一信号处理水平上，所述化学特征向量代表例如可以用作包括例如数学传感器模型的化学处理单元33的输入。所述化学处理单元33提供作为输出34的所述分析物的浓度值或成分谱。所述传感器模型可以是传感器集线器23或CPU25(见图2)的一部分。对于温度或湿度对例如所述化学传感器21性能的影响而言，所述传感器模型可以从温度和湿度传感器24取得输入以进一步表征进行化学测量31的条件。

所述处理单元也接收来自解释处理步骤36的输入，例如相关或约束条件35，其转而使用来自一个或多个所述情境传感器测量37的输入。为执行情境传感器测量37，本身众所周知的是需要所有的部件和处理步骤38来操作情境传感器271、272、273。不认为它们在所述便携设备的操作内的独立功能与本实施例操作的目的相关。然而，所述解释处理器有权使用情境传感器的输出，利用其(独立的)组件和功能。

对于相机271，所述输出可以是代表图像或图像序列的信号。对于麦克风，所述输出可以是代表噪音和讲话的信号。对于GPS单元，所述输出可以代表所述便携设备的地理位置或一系列位置。对于加速计等，所述输出可以包括代表所述设备目前或以前的方向或移动的信号。

解释处理步骤36的目的是将由一个或多个情境传感器提供的输入转换为与所述化学传感器连接的处理单元相适应的输入，例如相关性或约束条件。这种转换可以是使用相当大的数据存储系统和强大的计算单元的复杂过程。尽管至少就特殊或简化的情况而言将这些单元作为便携设备的部分是可行的，但是一种如本示例所示的更通用的实施方式，是使用设备的电信能力282并从而使用如图2所示的远程数据处理和存储设施29。

参考情境传感器的特定示例应用，进一步详细描述导出约束条件的过程。

对于相机，图像数据可被用于提取关于所述化学传感器取样的对象和/或取样发生的环境的信息。所述提取可以使用任意可用的已知图像识别方法，例如Google公司的美国专利号8254699中描述的。图像识别处理的输出是图像内容的高级描述。

所述图像内容的高级描述可以被用作存储在数字库或使用一系列预定步骤联机生成的约束向量或一组约束向量的地址。例如在取样位置拍摄的图像中分辨特定水果(例如香蕉)的图像可以生成代表所述化学传感器在乙烯存在的情况下的响应或签名的约束向量。所述已知签名可以转而被用作所述化学传感器的测量的分析中的约束条件，以限制待确定的变量。或者，所述化学传感器在乙烯存在时的响应或签名可被用于设计过滤器，其被应用于所述化学传感器的测量。

两种方法都是信号处理方面的完善方法。它们可以包括任意已知用于复杂数据分析的例程，包括但不限于主成分分析、线性判别分析等、或基于神经网络的工具，如自组织图、反向传播、模式识别例程等。本身已知的这些或类似方法可被用于提高用于预期结果的过滤器的灵敏性，在本实施例中是预期的乙烯的存在，或用于去除预期信号，以增加识别其他组份的精确性。

考虑到充足的处理能力，上述步骤可以扩展到两个或更多个由图像处理单元识别的对象，并关联至一系列约束条件。

以同样的方式，所述图像也可被用于识别对象的状态。例如，一种水果可被识别为具有某一颜色，指示它的成熟过程进行了多长。该信息又可以关联至这种水果的化学释放模式，以及所述化学传感器对其的预期响应。在另一示例中，在对流体化学取样的过程中，图像识别可以显示气泡的形成。该图像识别状态可以关联至所述流体上方空气中二氧化碳的存在。

麦克风可通过类似方式应用，使用本地处理单元，例如所述便携设备中存在的处理器，或者远程处理器。为了识别用户所讲的或从所述便携设备附近发出的语音随机注册的话语，已知语音识别可被用于识别一个或多个对象，其贡献于所述化学传感器所测量的样品。现在已有的更先进的便携设备已经具有语音识别功能，其可被用于该目的，例如如所公开的那样使用它们的应用编程接口(API)。

特征化噪音(例如汽车引擎噪音等)的存在可以被识别和处理，用于使用例如频谱分析和任意上述的统计例程的噪音识别。识别的任意声音可以关联至汽车引擎的典型化学排放分布，作为所述化学感测信号的处理的约束条件

由内部位置传感器提供的一般位置信息，例如广泛应用的GP传感器，也可以创建代表针对可能遇到的化学排放物典型的化学响应的约束条件。这类例如在繁忙的路上或附近遇到的位置特定排放物是汽车尾气的典型成分，如NOx、CO以及其他。在一个位置识别到的相关植物或香料等的信息也同样可以被用于生成约束条件。

所述情境传感器也可以应用于提供关于取样过程的信息。例如，动作、方向或惯性传感器可以被评估，并与化学测量时间相关，这使用例如由所述便携设备的内部时钟提供的两个测量共用的内部时钟信号完成。这种相关可以被用于从所述化学测量的结果中去除不确定或错误的测量。例如，所述便携设备的动作传感器可以指示其在取样时间段内在两个不同的位置之间的移动。接着所述解释处理器可以识别该动作并发出约束条件或相关性。为了解释所述测量，所述化学处理单元可以处理这个约束条件或相关性，以将所述化学测量分为两个集，每个集代表不同的测量。没有这样的相关，所述两个不同的测量将被解释为单个测量，并且例如被平均，得到非精确结果。

所述情境传感器(包括IR或接近性传感器)也可以被用于获得关于取样过程的情境信息，例如到样品的距离或容纳有所述化学传感器的管道相对于样品的方位。这些信息可被用于化学取样过程的模型中，以估计取样时主要的特定条件引入的失真和稀释效应。

向所述化学测量添加所述情境传感器和所述解释处理器可以是任选的，使用例如可由用户选择的设置。或者，该步骤39可以基于例如化学测量31的精确性或不确定性而被自动化。为此，所述化学传感器处理器可以被设计为与实际结果一起生成例如使用所述结果和其他近似匹配所测信号的结果的统计分析的概率表。采用阈值测试或通过使用其他预定条件，所述处理单元可以发出请求391用于添加情境传感器测量至实际化学测量。自动化处理39、391具有只在需要时情境传感器271、272、273才被激活的优势，因此，与化学传感器21一旦启动就立即激活情境传感器的系统相比，保存了电池电量。

上述步骤以及尤其是自动添加情境传感器可以通过以预捕获模式使用情境传感器271、272、273而进一步改进。所述模式可以通过自动化激活一个或多个情境传感器并将情境传感器的输出暂时保存在所述设备上的合适存储器而关联至所述化学传感器的启动。所述存储器可以是用于以其各自的正常操作方式存储所述情境传感器的输出的内存。如果化学测量需要这些情境传感器协助的评估，则预捕获信号可用于上述步骤。使用这种预捕获，保证了情境传感器测量在实际化学测量之前是可用的。

虽然已显示和描述了本发明的目前优选实施例，应当理解本发明并非被限定于此，而是在如下权利要求的范围内可变化地实施和实践。例如，可以使用便携设备外部的传感器作为情境传感器。这类外部传感器可以是所述便携设备附近的第二便携设备的情境传感器，或者更普遍地，在所述便携设备的时空周围的任意传感器，其输出可以连接至所述解释处理器。

Claims (10)

1.一种便携电子设备，包括：

壳体(10)，

化学传感器(12，21)，所述化学传感器(12，21)集成在壳体(10)内并对空气样品中的成份的浓度敏感，所述化学传感器(12，21)被构造为并适于执行化学测量以提供指示浓度值的结果，

化学传感器处理单元(211，23，25)，其中所述化学传感器(12，21)被连接至所述化学传感器处理单元(211，23，25)，

至少一个情境传感器(271，272，273)，所述至少一个情境传感器(271，272，273)在壳体(10)内并选自包括图像捕获设备(271)、声音捕获设备(272)、电磁波天线、红外传感器、接近性传感器、位置敏感设备、方向敏感设备和动作敏感设备(273)的组，

其中，所述便携电子设备被构造为并适于：将来自所述至少一个情境传感器(271，272，273)的输出连接至本地和/或远程解释处理器(29)，该解释处理器被构造为并适于生成约束条件或相关性集，以及将所述约束条件或相关性集转移至所述化学传感器处理单元(211，23，25)用于限制化学测量结果的解释，

其中，所述便携电子设备被构造为并适于使用所述约束条件或相关性集以便确定该化学测量的结果，并且

其特征在于：所述化学传感器处理单元适于使用化学测量结果并且使用所述约束条件或相关性集以限制该化学测量结果的解释来确定所述成份的浓度值，

其中通过以下中的一个或多个来限制该化学测量结果的解释：改变化学测量的结果以与来自解释处理器的输入所施加的约束条件或相关性集匹配，或者从化学测量的结果中去除不确定或错误的测量。

2.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中所述本地和/或远程解释处理器(29)包括从所述情境传感器的输出提取代表在化学测量时所述便携设备附近的抽象对象或事件的信号的处理器。

3.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中所述本地和/或远程解释处理器(29)包括用于图像、声音/语音、地理位置、动作、接近性、方向或事件识别的处理器。

4.根据权利要求2或3所述的便携电子设备，其中所述本地和/或远程解释处理器包括远离所述便携电子设备定位并通过电信链路(282)与所述便携电子设备连接的处理器(29)。

5.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中所述至少一个情境传感器(271，272，273)被连接至预捕获系统，用于在执行化学测量前启动信号捕获和存储。

6.根据权利要求1所述的便携电子设备，进一步包括精度单元，用于从情境传感器测量请求约束条件或相关性集。

7.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中所述化学传感器包括金属氧化物感测材料。

8.根据权利要求1所述的便携电子设备，其中所述化学传感器集成在包括CMOS电路的公共衬底上。

9.根据权利要求1所述的便携电子设备，选自由以下项组成的组：

移动电话，

手持计算机，

电子阅读器，

平板计算机，

游戏控制器，

定点设备，

相机或摄影机，

数字音乐播放器，

电于腕表，

耳机，和

计算机外围设备。

10.一种操作便携电子设备的方法，所述便携电子设备包括

壳体(10)，

化学传感器(12，21)，所述化学传感器(12，21)集成在壳体(10)内并对空气样品中的成份的浓度敏感，

化学传感器处理单元(211，23，25)，其中所述化学传感器(12，21)被连接至所述化学传感器处理单元(211，23，25)，

至少一个情境传感器(271，272，273)，所述至少一个情境传感器(271，272，273)在壳体(10)内并选自包括图像捕获设备(271)、声音捕获设备(272)、电磁波天线、红外传感器、接近性传感器、位置敏感设备、方向敏感设备和动作敏感设备(273)的组，

所述方法包括步骤：

借由所述化学传感器(12，21)执行化学测量以提供指示所述成份的浓度值的结果，

借由所述至少一个情境传感器(271，272，273)执行测量，及连接来自所述至少一个情境传感器(271，272，273)的输出至本地和/或远程解释处理器(29)，该解释处理器被构造为并适于生成约束条件或相关性集用于限制化学测量结果的解释，

将所述约束条件或相关性集转移至所述化学传感器处理单元(211，23，25)，

使用所述约束条件或相关性集确定由所述化学传感器(12，21)执行的化学测量的结果，

其特征在于所述方法还包括：使用化学测量结果并且使用所述约束条件或相关性集以限制该化学测量结果的解释来确定所述成份的浓度值，

其中通过以下中的一个或多个来限制该化学测量结果的解释：改变化学测量的结果以与来自解释处理器的输入所施加的约束条件或相关性集匹配，或者从化学测量的结果中去除不确定或错误的测量。