CN104237456B

CN104237456B - 利用移动设备的浓度测量

Info

Publication number: CN104237456B
Application number: CN201410276235.3A
Authority: CN
Inventors: 卢卡斯·比尔吉; 塞缪尔·韦尔勒; 费利克斯·迈尔
Original assignee: Sensirion AG
Current assignee: Sensirion AG
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2017-11-07
Anticipated expiration: 2034-06-19
Also published as: CN104237456A; US10241107B2; US20140377877A1; EP2816352B1; EP2816352A1

Abstract

本发明涉及利用移动设备的浓度测量。根据本发明的便携式电子设备包括：化学传感器，其对化学分析物的浓度敏感；以及至少两个辅助传感器，其对不同于化学分析物的浓度的参数敏感。该便携式电子设备包括控制设备，该控制设备在测量周期之上分布的多个时间点处，接收来自化学传感器和来自辅助传感器的信号，并且将这些信号的时间依赖性相关联，以获得第一化学传感器的校正的读数。该便携式电子设备可以用于呼气分析。

Description

利用移动设备的浓度测量

技术领域

本发明涉及一种包括至少一种化学传感器的便携式电子设备，以及操作便携式电子设备的方法。

背景技术

便携式电子设备如移动电话或平板电脑通常配备有多个传感器，如麦克风、触摸屏、一个或多个陀螺仪、一个或多个加速度传感器、磁场传感器、接近传感器和一个或多个摄像机。US2012/0231841公开了一种配备有湿度传感器的移动电话。WO2012/097460A1提议提供具有温度传感器和湿度传感器的移动电话。

将对一种或多种化学分析物敏感的传感器集成到便携式电子设备中也是可能的。对一种或多种化学分析物敏感的传感器将在下文被称为“化学传感器”。

US8280436公开了一种在移动电话中的呼吸分析传感器，以确定电话的用户的血液酒精水平的计量。

US5376555公开了一种用于确定由受试者呼出到红外线感测设备的呼气样本中的肺泡酒精的浓度的方法。通过以下来检测口腔酒精：利用传感设备监视酒精和二氧化碳，随着时间的推移而集成标准化的酒精含量和二氧化碳含量之间的差，以及将集成的差与阈值进行比较。酒精信号和二氧化碳信号在DE19941586、US5971937和US3830630中也相关。酒精信号与二氧化碳、湿度或温度信号的相关性在US2010/0063409中公开。

然而，与现有技术中使用的光学传感器相比，这些公开没有适当地考虑到使传感器小型化，特别地，适合于在便携式电子设备如移动电话中使用的小型化的化学传感器通常具有较低的准确性和专一性。因此，需要对包括化学传感器的便携式电子设备进行改进。由于用户可以基于呼气分析的结果做出重要决定，所以当便携式电子设备用于呼气分析时这尤其重要。例如，用户可以基于呼气分析的结果决定是否要驾驶汽车，这取决于由呼气分析确定的表观血液酒精含量。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种便携式电子设备，包括：

第一化学传感器，其对至少一个第一化学分析物的浓度敏感；

第一辅助传感器，其对与第一化学分析物的浓度不同的至少一个第一参数敏感；

至少一个第二辅助传感器，其对与第一化学分析物的浓度不同并且与第一参数不同的至少一个第二参数敏感；以及

控制设备。

控制设备被配置成执行以下任务：

在测量周期之上分布的多个时间点处，接收第一化学传感器的信号；

在测量周期之上分布的多个时间点处，接收第一辅助传感器的信号；

在测量周期之上分布的多个时间点处，接收第二辅助传感器的信号；以及

将第一化学传感器的信号的时间依赖性、第一辅助传感器的信号的时间依赖性和第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以获得第一化学传感器的校正的读数。

换句话说，化学传感器以及至少两个辅助传感器的瞬态(时间依赖的)行为被考虑，以改善利用化学传感器进行的测量。当然，可以应用多于两个的辅助传感器，例如三个、四个、五个、六个或更多个辅助传感器，并且它们的信号的时间依赖性可以与第一化学传感器的信号的时间依赖性相关联，以获得第一化学传感器的校正的读数。

如果第一化学传感器是具有加热膜的半导体传感器，特别地，是具有在其上布置有至少一种金属氧化物(MOX)层的加热膜的半导体传感器，且该MOX层的导电性改变至少一种化学分析物的存在，本发明是尤其有用的。这样的传感器将在下文中称为MOX传感器。这样的传感器通常具有有限的特异性(亦即它们可以具有对与第一化学分析物不同的各种分析物的交叉敏感性)，并且可以具有取决于环境参数如湿度、温度或质量流量对第一化学分析物的响应。金属氧化物可以是如氧化锡、氧化钨、氧化镓、氧化铟或氧化锌。第一传感器可以包括集成在传感器内的热源。如例如在WO2012/100362中所描述的传感器可以被制造。第一化学传感器可以在芯片如CMOS芯片上实施。在相同的芯片上，可以实施至少一个模-数转换器，以将模拟传感器信号转换成数字传感器信号。其它数字电路可以在相同芯片上实施，如至少一个微处理器，其用于对数字化的信号进行至少一个预处理操作如基线校正、缩放、集成、采样等。其它可能的测量原理是化学机械原理，其中，基于吸收的质量变化被转换成例如表面声波或转换成悬臂共振。

两个或更多个传感器可以集成在单个元件中，形成两个或更多个传感器元件(“单元”)，其对选定的分析物或参数具有不同的敏感性。在本发明的上下文中，每个这样的传感器单元将被认为表示单独的传感器。传感器单元可以以一维或二维阵列布置。所有或选定的传感器单元可以提供呈现对分析物敏感的材料敏感层，其中各个传感器单元对该分析物是敏感的。例如，传感器阵列的每个单元可以具体主要对不同的分析物敏感，并且因此可以使便携式电子设备来检测这样的分析物的存在、不存在或浓度。在此上下文中，“主要”应指传感器单元对受试分析物比其它分析物更为敏感。然而，这样的传感器阵列的传感器单元不仅可以呈现对其主要分析物敏感，还可以呈现对主要分析物以外的分析物交叉敏感。在这种情况下，优选的是，不同的传感器单元具有用于各种分析物的不同的敏感性特征，其中传感器单元对这些分析物敏感以便能够分离这些分析物的作用。

第一化学传感器对其敏感的化学分析物可以包括化学元素和化合物。特别地，第一化学传感器可以对以下中的一种或多种敏感：醇类如乙醇、酮类如丙酮、醛类如甲醛、一氧化碳、臭氧、氨、甲烷、苯和苯衍生物如二甲苯、硫醇类，特别地，烷基硫醇如甲硫醇(甲硫醇)、氮氧化物(NOx)。分析物通常存在于流体介质中，特别地是在气体中，更特别地是在空气中。

在广义上，第一化学传感器对其敏感的化学分析物可以是空气中的水蒸气，并且在这个意义上，术语“化学传感器”包括湿度传感器。然而，在下文中，术语“化学传感器”通常被理解为除湿度传感器之外，并且在更狭窄的意义上，化学传感器将被理解成对除水以外的至少一种化学分析物敏感的传感器。空气的湿度相应地理解成结合温度、压力等表示环境参数。

第一和第二辅助传感器可以是任一类型的传感器，包括但不限于：麦克风、光传感器(其可以对色彩敏感，提供基本上仅用于一个特定波长范围的信号，或者提供用于在不同波长区域中的光的多个信号，以便在不同色彩之间进行区分)、图像传感器尤其是摄像机、惯性传感器(加速度传感器)、陀螺仪(转速传感器)、磁力计、位置传感器尤其是GPS模块、接近传感器、触摸屏、操纵杆、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、流量传感器、导热率传感器、特定加热传感器、气体浓度传感器、气体粘度传感器、或对化学分析物具有不同敏感性的非第一传感器的其它化学传感器。在与第一化学传感器相同的芯片上对第一和/或第二辅助传感器的集成是可能的，特别地，如果第一和/或第二辅助传感器是以下类型之一：压力传感器、温度传感器、湿度传感器、流量传感器、导热率传感器、特定加热传感器、气体浓度传感器、气体粘度传感器或其它化学传感器。

在优选实施方式中，辅助传感器中的至少一个是第二化学传感器，其对与第一化学分析物不同的至少一个第二化学分析物的浓度敏感。第一化学传感器和第一辅助传感器中的每个可以是具有加热膜的半导体传感器。优选地，第一化学传感器和第一和第二辅助传感器(以及可能的其它辅助传感器)中的每个是具有加热膜的半导体传感器。在这些情况下，在单个半导体芯片上，将第一化学传感器和第一和/或第二辅助传感器集成是尤其有用的。

如果第一化学传感器具有对第二化学分析物的交叉敏感性，则控制设备可以被配置成将第一化学传感器和第一和/或第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以校正所述交叉敏感性。如果第一化学传感器取决于第二化学分析物的浓度提供输出信号，则对第二化学分析物的交叉敏感性存在。例如，如果第一化学传感器主要对乙醇敏感，但具有对烷硫基(硫醇)的交叉敏感性，则第一辅助传感器可以被选择成主要对烷基硫醇的浓度敏感的传感器(在下文中被称为“烷基硫醇传感器”)。从烷基硫醇传感器的时间依赖的信号，测量烷基硫醇在测量周期期间的何时、是否以及在何种程度上存在是可能的。基于这些测量，控制单元可以例如确定测量周期期间的子周期，在此期间，烷基硫醇的浓度是小的，并且仅在此时间周期期间第一化学传感器的信号用于测量乙醇浓度。在其它实施方式中，控制单元可以使用第一和/或第二辅助传感器的时间依赖的信号来定量地校正针对其它化学分析物的作用的第一化学传感器的信号，其中该第一化学传感器具有对其它化学分析物的交叉敏感性。

在更通常的术语中，第一辅助传感器可以被用于确定测量周期的子周期，并且在此期间而非在其它子周期期间，第一化学传感器的信号更可能是“无效的”，亦即可能表示所关注的参数。下面提供了在呼气分析的情况下的示例，其中所关注的参数是在肺泡气或上呼吸道气的一个中的分析物的浓度。

然后，第二辅助传感器可以用于额外地限制子周期，在此期间，第一化学传感器的信号可能表示所关注的参数，或者用于其它的校正目的，包括定量的校正。例如控制设备可以被配置成将第一和第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以确定测量周期的子周期，在此期间，第一化学传感器的信号可能表示所关注的参数。

在其它的实施方式中，第二辅助传感器的时间依赖的信号可以用于针对环境参数的第一化学传感器的信号的已知依赖性的校正，其中第二辅助传感器对该环境参数是敏感的。例如如果第二辅助传感器是湿度、温度或压力传感器，则这个传感器的时间依赖的信号可以用于第一化学传感器的信号的已知湿度、温度或的压力依赖性的校正。

重要的应用是呼气分析。在呼气分析中，取决于用户的生理状况和/或先前行为，针对存在于用户的呼气中的一种或多种分析物的浓度，用户的呼气被分析。可以进行呼气分析，例如用于确定呼气酒精含量为血液中酒精含量的计量；用于确定呼气丙酮含量为生理活动如“脂肪燃烧”的指标；或者用于识别不需要的呼气异味(“口腔异味”)。为此，第一化学传感器可以对如乙醇、酮如丙酮或硫醇如烷基硫醇，尤其是甲硫醇的浓度敏感。在呼气分析测量中，重要的是在上呼吸道气(“口信号”)和深肺部空气(肺泡气，“肺信号”)之间进行区分。例如，当测量乙醇浓度时，仅肺信号表示用户的血液酒精含量，而口信号可以被仅在最近摄入的酒精强烈影响。另一方面，当用户的呼气异味是所关注的异味(“口腔异味”)，口信号可以是决定性的。上呼吸道气和肺泡气可以基于第一和/或第二辅助传感器的信号进行区分。在优选的实施方式中，由于肺泡气二氧化碳浓度通常大于上呼吸道气二氧化碳浓度，所以第一辅助传感器对二氧化碳的浓度敏感。特别地，第一辅助传感器可以是具有加热膜的半导体传感器，该传感器被配置成热导性传感器。空气的导热率与空气的二氧化碳含量密切相关。通过监测第一辅助传感器的瞬态信号，可以实现上呼吸道气和肺泡气之间的区分。

然后，第二辅助传感器优选对以下环境参数中的至少一个敏感：湿度、温度、质量流量、噪声、便携式电子设备的移动和便携式电子设备的用户的接近。所有这些参数都有助于确定便携式电子设备是否以及在测量周期的什么部分期间已被正确地处理，亦即是否以及在什么时间期间用户已经向设备呼出足够的强度(如通过湿度、温度、质量流量和/或呼气噪声来测量)；是否以及在什么时间期间用户已经保持设备处于静止状态(如通过惯性传感器和/或陀螺仪来测量)；以及是否以及在什么时间期间用户已经保持设备足够接近他/她的脸部(如通过接近传感器来确定)。

例如，如果第一化学传感器是主要对乙醇敏感的传感器，如果第一辅助传感器是对二氧化碳浓度敏感的传感器，并且如果第二辅助传感器是湿度(或温度、压力、质量流量等)传感器，则第一和第二辅助传感器可以被用于确定测量周期的子周期，在此期间，二氧化碳和湿度(或温度、压力、质量流量等)足够高，以指示该设备可能正在接收肺泡气。

第二辅助传感器可以额外用于对第一化学传感器的信号的已知湿度(或温度、压力、质量流量等)依赖性的校正。更通常地，控制设备可以被配置成应用第二辅助传感器的信号的时间依赖性来校正第一化学传感器和/或第一辅助传感器对参数的交叉敏感性，其中第二辅助传感器对该参数敏感。

现将更详细地讨论针对第二辅助传感器的不同可能类型的示例。

(a)例如，如果第二辅助传感器是湿度传感器，则控制设备可以被配置成确定由湿度传感器测量的湿度是否以及在测量周期期间的什么时间指示用户以期望的方式呼出肺泡气，并且配置成可以校正降低的湿度值。在呼出肺泡气中的相对湿度正常接近100％。特别地，控制设备可以被配置成检测作为时间的函数的湿度值。例如如果湿度值指示针对一定的时间周期相对湿度上升到高于一定阈值的值(如在80％-95％的范围内)，则这将指示控制设备该用户正在正确地处理便携式电子设备，特别地，该用户正在以所要求的强度和所需的时间周期以正确的方向呼气。如果检测到湿度没有上升，或者如果检测到上升但不足够强(如，如果没有在一定时间周期内达到阈值)，或者如果上升太慢，则这将指示用户正在不正确地处理便携式电子设备，亦即用户正在没有以所要求的方式呼出空气，并且因此，第一传感器可能不提供有意义的结果。更复杂的标准可以从作为时间的函数的湿度值来获得。这样的标准可以包括数值积分和/或差分以及其它数值过程。

(b)同样地，如果第二辅助传感器是温度传感器，则控制设备可以被配置成确定由温度传感器测量的温度瞬态是否以及在什么时间指示用户在以预定的方式呼出空气。呼出的空气的温度正常接近37℃。与对湿度传感器类似的考虑也适用于温度传感器。特别地，控制设备可以被配置成监测作为时间的函数的温度值。例如如果温度值指示在一定的时间周期内温度上升到高于一定阈值的值(如在33-35℃的范围内)，则这将指示控制设备该用户正在正确地处理便携式电子设备。如果检测到温度没有上升，或者如果检测到上升但不足够强(如如果没有在一定的时间周期内达到阈值)，或者如果上升太慢，则这将指示用户正在不正确地处理便携式电子设备。

(c)同样地，如果第二辅助传感器是流量传感器，则控制设备可以被配置成确定由流量传感器测量的流率是否以及在什么时间指示用户以预定的方式呼出空气。再次，与对湿度或温度传感器类似的考虑也适用于流量传感器。特别地，控制设备可以被配置成检测作为时间的函数的流率值。例如如果流率针对一定的时间周期保持高于一定的阈值，则这将指示控制设备该用户正在正确地处理便携式电子设备。如果检测到没有空气流量，或者如果检测到空气流量不足够强(例如如果没有达到阈值)，则这将指示用户正在不正确地处理便携式电子设备。

(d)如果第二辅助传感器是麦克风，则控制设备可以被配置成确定由麦克风所记录的声音信号是否指示用户以预定的方式呼出空气。空气的呼出通过麦克风将导致可以区别于其它噪声模式的特定噪声模式。精确的噪声模式将取决于几个因素，包括在移动设备的壳体中麦克风的类型和位置、通向麦克风的通道的几何形状、呼出空气相对麦克风表面的流动方向等。如果在一定的时间周期期间检测到特征噪声模式，则这将指示控制设备该用户正在该时间周期期间正确地处理便携式电子设备。如果没有检测到这样的噪声模式，或者如果检测到噪声模式但在阈值以下，则这将指示用户正在不正确地处理便携式电子设备。

(e)如果第二辅助传感器是接近传感器，则控制设备可以被配置成确定由接近传感器测量的距离数据是否指示用户在距用户的面部预定的距离范围内持握便携式电子设备。

(f)如果第二传感器是惯性传感器或陀螺仪，则控制设备可以被配置成确定测量的便携式电子设备的加速度和/或方位是否指示用户以预定方式持握便携式电子设备。例如如果惯性传感器和/或陀螺仪指示移动设备的快速线性和/或旋转移动，或者如果加速度传感器指示传感器点在不期望的方向上(如便携式电子设备被定向为其传感器面朝下)，则这将指示用户正在不正确地处理便携式电子设备。

(g)如果第二传感器是图像传感器(尤其是摄像机)，则控制设备可以被配置成确定由图像传感器所记录的图像数据是否指示用户正在以预定的方式持握便携式电子设备。特别地，控制设备可以被配置成执行模式识别算法，以确定图像传感器是否以及什么时候在记录人脸。这样的面部识别算法是本领域公知的。如果没有人脸被记录，则这将指示用户正在不正确地处理便携式电子设备。

在一个应用中，设备可以被配置成执行针对呼气酒精确定的呼气分析。在这种情况下，第一化学传感器可以是主要对乙醇敏感，而第一辅助传感器可以是对二氧化碳的浓度敏感。然后，控制设备可以被配置成将第一化学传感器和第一辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以确定所述测量周期的子周期，在此期间，第一化学传感器的信号表示肺泡气。

在一个具体的示例中，第一化学传感器可以主要是对乙醇敏感，并且可以具有对酮如丙酮和/或硫醇如烷基硫醇尤其是甲硫醇的交叉敏感性，第一辅助传感器可以是对二氧化碳的浓度敏感，而第二辅助传感器可以是对酮和/或硫醇敏感。然后，第一辅助传感器的信号的时间依赖性可以用于确定所述测量周期的子期间，在此期间，第一化学传感器的信号表示肺泡气，如上所述，同时可以应用第二辅助传感器的信号的时间的依赖性，以对第一化学传感器对酮和/或硫醇的交叉敏感性校正。

在另一个应用中，便携式电子设备可以被配置成执行呼气分析，以便确定用户呼气的异味(“口腔异味”)。然后，第一化学传感器可以是对硫醇的浓度敏感，而第一辅助传感器可以是对二氧化碳的浓度敏感。然后，控制设备可以被配置成将第一化学传感器和第一辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以确定所述测量周期的子周期，在此期间，第一化学传感器的信号表示上呼吸道的呼气。可以应用第二辅助传感器的信号的时间依赖性，如以对第一化学传感器对其它分析物如包括乙醇的醇类和包括丙酮的酮类的交叉敏感性校正。

本发明的便携式电子设备可以是下列中任一种：移动电话，尤其是智能电话、掌上电脑、电子阅读器、平板电脑、游戏控制器、指示设备、照片或视频摄像机、数字音乐播放器、电子手表、头戴式耳机或计算机外围设备。这个列项被理解成非限制性的。这样的便携式电子设备可以主要地被设计用于在IT领域中的计算和/或电信和/或其它任务，并且可以通过提供化学信息的功能得到增强。便携式电子设备通常包括独立的能量源如电池，以使便携式电子设备能够运作而不将便携式电子设备连接到电力网络。

本发明的控制设备可以包括至少一个微处理器，并且可以被配置成运行计算机程序元件(其可以是如应用程序、操作系统或专用“化学引擎”的一部分)。计算机程序元件可以被存储在便携式电子设备的存储器中。控制设备可以包括在相同芯片上实施成第一化学传感器的微处理器，和/或其可以包括便携式电子设备的一个或多个其它微处理器。控制设备不需要在单一的硬件中实施；相反地，不同的任务可以通过属于控制设备的不同的硬件元件来执行。

控制设备可以被配置成与远程服务器进行通信。为此，便携式电子设备可以包括用于通过数字通信信道与远程服务器(或“云”)进行数据交换的通信模块。该通信模块可以是用于通过无线通信信道进行通信的无线通信模块。通常，便携式电子设备将包括多个这样的通信模块。这样的模块可以包括用于将便携式电子设备连接到无线语音通信网络的至少一个模块，如GPRS模块、UMTS模块或LTE模块，或者其可以包括Wi-Fi模块、蓝牙模块、近场通信模块等，或允许进行数据交换，特别地，经由数据网络(包括互联网)的数据交换的任何其它模块。无线通信模块可以包括天线。然后，控制设备可以被配置成将传感器数据经由无线通信模块发送到远程服务器，并且作为响应接收基于发送传感器数据的结果数据。传感器数据可以包括来自第一化学传感器、来自第一辅助传感器和/或来自第二辅助传感器的数据。换句话说，用于确定第一化学传感器的校正的读数的算法的所有或部分可以在远程服务器上执行(“云计算”)。然而，所有算法完全都在便携式电子设备本地执行也是可能的。

结果(如第一化学传感器的校正的读数或由其衍生的任意数据)可以通过输出设备输出，其可以是如显示器、扬声器、振动器、闪存、投影仪、LED或激光。可以应用多于一个输出设备。

在另一个方面，本发明提供了一种利用便携式电子设备对流体样本进行分析的方法，便携式电子设备包括：第一化学传感器，其对至少一个第一化学分析物的浓度敏感；第一辅助传感器，其对与第一化学分析物的浓度不同的至少一个第一参数敏感，；以及至少一个第二辅助传感器，其对与第一化学分析物的浓度不同并且与第一参数不同的至少一个第二参数敏感。该方法包括：

在所述测量周期之上分布的多个时间点处，接收第一辅助传感器的信号；

在所述测量周期之上分布的多个时间点处，接收第二辅助传感器的信号；以及

将化学传感器的信号的时间依赖性、第一辅助传感器的信号的时间依赖性以及第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以获得第一化学传感器的校正的读数。

本文中结合本发明的便携式电子设备所讨论的所有考虑同样适用于本发明的方法。

特别地，如果第一化学传感器具有对第二化学分析物的交叉敏感性，则该方法可以包括：

将第一化学传感器和第一和/或第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以对所述交叉敏感性校正。

在一些实施方式中，该方法可以包括：

将第一化学传感器和第一和第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以确定所述测量周期的子期间，在此期间，第一化学传感器的信号表示代表所关注的参数的信号。

在一些实施方式中，可以应用第二辅助传感器的信号的时间依赖性，以对第一化学传感器和/或第一辅助传感器对环境参数的交叉敏感性校正，其中第二辅助传感器对该环境参数敏感。

该方法可以用于呼气分析。在这种情况下，第一化学传感器可以对乙醇、酮或硫醇的浓度敏感，第一辅助传感器可以对二氧化碳的浓度敏感，而第二辅助传感器可以对下列参数中的至少一个敏感：湿度、温度、质量流量、噪声、便携式电子设备的移动，以及便携式电子设备的用户的接近。

该方法可以完全是计算机实施的。如上所述，本发明的方法的步骤可以由便携式电子设备的控制设备执行，并且控制设备可以包括微处理器。如上所述，该方法可以包括将传感器数据经由无线通信模块发送到远程服务器，并且作为响应，基于该发送到远程服务器的传感器数据，经由无线通信模块接收来自所述远程服务器的结果数据。

在又一个方面中，本发明提供一种计算机程序元件，其包括计算机程序代码，当该计算机程序代码在便携式电子设备的控制设备中执行时，执行本发明的方法。该计算机程序元件可以以包括源代码或目标代码的任何合适的形式提供。特别地，其可以被存储在计算机可读介质上或嵌入在数据流中。该数据流可以是通过网络如Internet可访问的。

本文中结合本发明的便携式电子设备和方法所讨论的所有考虑同样适用于本发明的计算机程序元件。

附图说明

下面，参照附图对本发明的优选实施方式进行描述，所述附图是为了说明本发明优选实施方式的目的，而非为了限制本发明的目的。在附图中，

图1是便携式电子设备的透视图；

图2是示出便携式电子设备中的各种部件的高度示意性视图；

图3是示出操作便携式电子设备的方法的流程图；

图4是示意性示出在示例性呼气分析测量中不同传感器的读数的视图；

图5是示出在二氧化碳浓度c(CO₂)和导热率k之间的关联性的视图；以及

图6是示出在人的几个呼气循环期间随着时间的推移而由导热率测量确定的二氧化碳浓度的测量变化(以任意度量，不考虑偏移量)的视图。

具体实施方式

图1示出移动电话形式的便携式电子设备1。移动电话的壳体10包括具有触摸屏显示器101、开关按钮102和用于第一扬声器的开口103的前侧。在壳体10的下侧壁区域提供其它开口104、105和106。在这些开口的后面，设置有组件如麦克风、其它扬声器和连接件。此外，在这些开口的任一个的后面，可以布置有传感器如湿度传感器、温度传感器和用于检测至少一种化学分析物的一个或多个传感器(亦即一个或多个化学传感器)。

在图2中，示意性地示出可以存在于便携式电子设备中的各个部件。控制设备201(其通常包括微处理器和存储器)与如以下所述的多个输入/输出设备和其它模块进行交互。可以存在例如以下的输入设备：

·麦克风211；

·前置摄像头212；

·后置摄像头213；

·三个正交惯性传感器(线性加速度传感器)214；

·三个正交陀螺仪(旋转传感器)215；

·磁力计216；

·GPS模块217；

·接近传感器218；

·光强度传感器219；

·压力传感器220；

·温度传感器221；

·湿度传感器222；

·流量传感器223；

·用于测量周围气体的热导率的传感器224；这样的传感器可以用于测量气体中的CO₂含量；

·用于测量周围气体的比热的传感器225；以及

·一个或多个化学传感器226，其每一个对除水以外的至少一种化学分析物敏感。

可以存在如下的输出设备：

·针对电话的前置扬声器231；

·用于免提操作的至少一个底部扬声器232；

·振动器233；

·闪光灯234；

·状态LED235；

·播放器236。

此外，可以存在触摸屏显示器230形式的组合输入/输出设备。

此外，便携式电子设备可以包括用于通过无线数据连接件251与远程服务器250进行数据交换的一个或多个无线通信模块，如GPRS模块240、UMTS模块241、WLAN模块242以及蓝牙模块243。当然，可以提供多个这样的模块。

在控制设备201的存储器中，应用程序(app)和/或操作系统和/或专用程序(“化学引擎”)的例程可以被存储以用于进行利用化学传感器226的测量。

便携式电子设备可以用于各种类型的测量，包括呼气分析。图3示意性地示出针对用于呼气分析目的典型的测量的流程图。

在第一步骤301中，初始化便携式电子设备。为此，测量所需的参数如各种传感器的操作参数从远程服务器(从“云”)下载，或者从便携式电子设备的存储器读取。然后，化学传感器226和需要加热的其它传感器被加热至它们的操作温度。当传感器准备开始测量时，控制设备201可以使显示器230或扬声器232将相应的消息输出给用户，以指示用户开始测量。

在第二步骤302中，执行测量操作。为此，多个传感器被操作以从这些传感器获得读数。被操作的传感器包括至少一个化学传感器，其对用户的呼气中的关注的特定物质如乙醇、丙酮或硫醇敏感。为了简便，所选择的(一个或多个)传感器将在下文中统称为“主要化学传感器”。被操作的传感器还包括对其它参量敏感的至少两个其它传感器，例如流量传感器、湿度传感器、温度传感器、CO₂传感器、热容量传感器、作为噪声水平传感器操作的麦克风、惯性传感器、对与所选择的单元不同的物质敏感的其他化学传感器等。这些传感器将在下文中被称为“辅助传感器”。在不同的时间点，针对主要化学传感器和辅助传感器获取多个读数，以便对所有传感器信号的时间依赖性进行采样。所有传感器读数由控制设备记录。

在第三步骤303中，由控制设备对获得的传感器读数进行分析。分析可以使用存储在便携式电子设备中的算法完全在控制设备内发生，或者控制设备可以利用无线通信模块240-243中的至少一个的辅助，将原始或预处理的传感器数据发送到远程服务器250(发送到“云”)。远程服务器250可以执行分析的至少一部分，并且将表示分析的结果的结果数据发送回便携式电子设备1。然后，便携式电子设备可以通过无线通信模块240-243中的一个接收这些数据。在第四步骤304中，分析的结果被输出(如显示)给用户，和/或它们被提供给另一应用，其接收这些结果作为输入变量。

该分析不仅在一个特定时间点上涉及主要化学传感器的读数与辅助传感器的读数的相关性，该分析还进一步考虑到这些读数的时间依赖性。考虑到时间依赖性进一步提高了测量结果的可靠性和正确性。

结合图4给出假设示例。这个图示出了六个视图，示意性地示出了在假设的呼气事件期间对乙醇敏感的第一化学传感器的信号(任意单位的表观乙醇浓度c(EtOH)，曲线401)、主要对甲硫醇敏感的第二化学传感器的信号(甲硫醇；任意单位的甲硫醇浓度c(Merc.)，曲线402)、二氧化碳传感器的信号(任意单位的二氧化碳浓度c(CO2)，曲线403)、温度传感器的信号(任意单位的表观温度T，曲线404)、湿度传感器的信号(任意单位的表观相对湿度RH，曲线405)，以及流量传感器的信号(任意单位的质量流率Q，曲线406)。以规则间隔对这些信号进行采样(在曲线401指示了一些示例性的采样点)。

在t₀时间点呼气开始。从用户的口和肺呼出的暖湿气体到达各个传感器的表面。最初，这个气体将主要源自用户的口(上呼吸道气体)；只是后来气体主要源自肺(肺泡气体)。传感器对这种刺激将具有不同的响应时间。在本示例中，质量流量传感器呈现最快的响应(曲线406)，并且质量流量信号在t₀之后开始短暂上升，并且在t₁时刻达到平稳。温度传感器(曲线404)和湿度传感器(曲线405)呈现较慢的响应，因此，仅分别在较晚的t₃和t₄时刻达到平稳。二氧化碳传感器(曲线403)和甲硫醇传感器(曲线402)的信号不仅通过它们的响应函数来调整，而且还通过在来自用户的口的上呼吸道气体(“口信号”)和来自用户的肺的肺泡气体(“肺信号”)之间二氧化碳浓度和甲硫醇浓度的变化的事实来调整。相比源自用户口的气体，源自用户肺的气体通常具有更高的二氧化碳浓度。这导致了二氧化碳传感器对用户的呼气响应延迟，在t₇时间，二氧化碳信号超过例如1vol-％的初始阈值，并且仅在t₅时间达到平稳。另一方面，由于在口腔中硫醇的生产菌的存在，相比源自肺的气体，源自用户口的气体通常具有较高的硫醇含量(“口腔异味”)。因此，硫醇信号完全在二氧化碳信号的平稳之前，已经在t₆时刻可以具有峰值。乙醇传感器的信号(曲线401)被来自口和来自肺的气体影响(尽管在不同的程度上)。正常地，肺信号比口信号强非常多，然而，如果在测量不久之前用户已经饮用酒精饮料，则口信号可能更强。

仅肺信号表示用户的血液酒精含量。因此，期望在口信号和肺信号之间进行区分。这可以通过将多个传感器的时间依赖性关联来实现。在本示例中，二氧化碳信号(曲线403)、硫醇信号(曲线402)和流量信号(曲线406)可以用来确定在此期间乙醇信号最好地表示肺信号的时间周期。例如，处理算法可以确定如果以下标准渐增地达成，则仅存在肺信号：(a)质量流量信号高于一定的阈值，并且已经达到平稳；(b)二氧化碳信号高于一定的阈值，并且已经达到平稳；(c)硫醇信号已经超过峰值，并且再次下降，或者在整个呼气事件期间，硫醇信号保持低于一定的阈值；以及(d)乙醇信号已经达到平稳。在本示例中，这些标准在从t₅(其中CO₂信号已经达到平稳期的时间)持续到t₂(当质量流量信号开始下降时的时间)的时间间隔Δt_A期间达成。这个时间间隔可以被视为针对肺信号的存在的最佳估计，并且乙醇传感器的读数仅在这个时间周期被进一步处理。

应当指出，测量的变量f(t)是否已经达到平稳的标准需要进行变量的时间依赖性的分析。例如，可以定义：如果(离散和可能时间平均的)一阶时间导数df(t)/dt(即斜率)已为正数且正在零周围的一定的窄带中，并且如果(离散和可能时间平均的)二阶时间导数d²f(t)/d²t(即曲率)已首先为正数然后过零，然后为负数，然后再次接近零，那么已经达到平稳。当然，其它的定义是可能的，但所有这样的定义都涉及变量的时间依赖性的确定。如果是要确定变量是否已达到峰值则同样成立。

考虑更多的参数当然是可能的。例如，其它参数可以是:由便携式电子设备的麦克风来确定的典型的呼吸声的强度，其指示用户已经实际吹入便携式电子设备；接近传感器的输出的量值，其指示用户已经将便携式电子设备靠近身体的一部分，等等。

这样的参数的确定不仅能够使在口信号和肺信号之间进行区别，还能够检测“欺骗”设备的意图。例如，如果用户使用风扇，以创造质量流量而不是吹在设备上，则将导致CO₂信号的不同的时间依赖性。

此外，各种传感器的读数可以用来校正所关注的时间间隔期间的乙醇读数。例如，在肺泡气体中的CO₂浓度是已知的典型在4vol-％和5vol-％之间、相对湿度是已知的接近100％，而温度是已知的接近37℃。如果其它传感器指示显著较低的CO₂浓度、显著较低的湿度和/或显著较低的温度，则这可能指示由周围的空气对呼出气体的稀释，并且乙醇传感器的读数可以被相应地校正。同样地，如果乙醇传感器的信号是已知的具有一定的湿度依赖性，则这个湿度的依赖性可以基于湿度传感器的信号被补偿。如果乙醇传感器是已知的具有对甲硫醇的交叉敏度，则这可以基于硫醇传感器的信号被补偿。

在前面的示例中，所有的标准以二元的方式被应用。具体地，表示肺信号的时间间隔基于多个标准是否被达到以开/关的方式被确定。在更复杂的实施方式中，时间依赖的“肺信号指示符”可以根据各种测量参数的时间依赖性来计算，并且所测量的乙醇信号可以加权到取决于“肺信号指示符”的值的不同程度。

在另一方面，如果需要确定“口腔异味”，则主要关注的可以在口信号中，并且还需要再次在口信号和肺信号之间进行区分。这可以如以上所述的相似方式结合乙醇测量来完成。例如，处理算法可以确定如果以下标准渐增地达成，则仅存在口信号：(a)质量流量信号高于一定的阈值，并且已经达到平稳；(b)二氧化碳信号低于一定的阈值；以及(c)硫醇信号接近峰值。当然，定义多个这样的标准是可能的。在本示例中，这些标准在从t₁持续到t₇的时间间隔Δt_B期间达成。这个时间间隔可以被视为针对口信号的存在的最佳估计，并且硫醇传感器的读数仅在这个时间周期被进一步处理。

以类似的方式，可以执行其它种呼吸分析的测量，如在用户的呼吸中丙酮浓度的测量。

图5示出了在空气中二氧化碳的浓度c(CO₂)可以通过测量导热率k来确定的方式。导热率k在所描述的0-20mol-％范围内随着增加CO₂浓度而基本上线性地减小。通过测量导热率k，空气中的CO₂浓度可以精确地确定。导热性传感器以各种形式存在，包括基于半导体的导热性传感器。这样的传感器可以应用以恒定功率被加热的膜。然后，膜的温度取决于周围的气体的导热率。可选地，膜可以被加热到恒定温度，并且加热功率可以被确定。这样的传感器的反应时间可以远低于2秒，以使得它们适用于此处讨论的测量类型。

图6示出二氧化碳传感器对几个人类呼吸循环的反应。男性(65kg，22岁)通过布置传感器的封闭空间在正常地呼吸的同时吸入和呼出。传感器信号被记录为60秒。二氧化碳传感器是基于如结合图5所描述的导热率的测量。该图示出了可以获得具有高的信噪比的响应信号，导致具有高程度可靠性和重现性的测量。

Claims

1.一种便携式电子设备，包括：

第一辅助传感器，其对与所述第一化学分析物的浓度不同的至少一个第一参数敏感；

至少一个第二辅助传感器，其对与所述第一化学分析物的浓度不同并且与所述第一参数不同的至少一个第二参数敏感；以及

控制设备，其配置成执行以下步骤：

在测量周期之上分布的多个时间点处，接收所述第一化学传感器的信号；

在所述测量周期之上分布的多个时间点处，接收所述第一辅助传感器的信号；

在所述测量周期之上分布的多个时间点处，接收所述第二辅助传感器的信号；以及

将所述第一化学传感器的信号的时间依赖性、所述第一辅助传感器的信号的时间依赖性以及所述第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以获得所述第一化学传感器的校正的读数。

2.根据权利要求1所述的便携式电子设备，其中，所述第一化学传感器是具有加热膜的半导体传感器。

3.根据权利要求1或2所述的便携式电子设备，其中，所述第一辅助传感器是第二化学传感器，其对与所述第一化学分析物不同的至少一个第二化学分析物的浓度敏感。

4.根据权利要求3所述的便携式电子设备，其中，所述第一化学传感器和所述第一辅助传感器中的每一个是具有加热膜的半导体传感器。

5.根据权利要求1或2所述的便携式电子设备，其中，所述第一化学传感器具有对第二化学分析物的交叉敏感性，并且其中所述控制设备被配置成将所述第一化学传感器的信号的时间依赖性和所述第一和/或第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以校正所述交叉敏感性。

6.根据权利要求1或2所述的便携式电子设备，其中，所述控制设备被配置成应用所述第二辅助传感器的信号的时间依赖性，以校正所述第一化学传感器和/或所述第一辅助传感器对环境参数的交叉敏感性，所述第二辅助传感器对所述环境参数敏感。

7.根据权利要求1或2所述的便携式电子设备，其中，所述控制设备被配置成将所述第一化学传感器的信号的时间依赖性和所述第一和/或第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以确定所述测量周期的子周期，在所述子周期期间，所述第一化学传感器的信号表示代表所关注的参数的信号。

8.根据权利要求1或2所述的便携式电子设备，其中，所述便携式电子设备被配置成执行呼气分析，其中所述第一化学传感器对乙醇、酮或硫醇的浓度敏感，其中所述第一辅助传感器对二氧化碳的浓度敏感，并且其中所述第二辅助传感器对下列参数中的至少一个敏感：

湿度；

温度；

质量流量；

噪声；

所述便携式电子设备的移动，其中，所述第二辅助传感器是惯性传感器或陀螺仪；以及

所述便携式电子设备的用户的接近，其中，所述第二辅助传感器是接近传感器。

9.根据权利要求1或2所述的便携式电子设备，其中，所述便携式电子设备被配置成执行呼气分析以便测量乙醇在用户的呼气中的存在，其中所述第一化学传感器对乙醇的浓度敏感，其中所述第一辅助传感器对二氧化碳的浓度敏感，并且其中所述控制设备被配置成将所述第一化学传感器的信号的时间依赖性和所述第一辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以确定所述测量周期的子周期，在所述子周期期间，所述第一化学传感器的信号表示肺泡气。

10.根据权利要求1或2所述的便携式电子设备，其中所述便携式电子设备被配置成执行呼气分析以便确定用户的呼气中的呼气异味，其中所述第一化学传感器对硫醇的浓度敏感，其中所述第一辅助传感器对二氧化碳的浓度敏感，并且其中所述控制设备被配置成将所述第一化学传感器的信号的时间依赖性和所述第一辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以确定所述测量周期的子周期，在所述子周期期间，所述第一化学传感器的信号表示上呼吸道气。

11.根据权利要求1所述的便携式电子设备，其中，所述便携式电子设备被配置成执行呼气分析以便(i)测量乙醇在用户的呼气中的存在；或者(ii)确定用户的呼气中的呼气异味，

其中，所述第一化学传感器对至少一个第一化学分析物的浓度敏感，所述第一化学分析物(i)在测量乙醇的存在的情况下是乙醇；或者(ii)在确定呼气异味的情况下是硫醇，所述第一化学传感器是具有加热膜的半导体传感器，

其中，所述第一辅助传感器对二氧化碳的浓度敏感，

其中，所述控制设备被配置成将所述第一化学传感器的信号的时间依赖性和所述第一辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以确定所述测量周期的子周期，在所述子周期期间，所述第一化学传感器的信号(i)在测量乙醇的存在的情况下表示肺泡气；或者(ii)在确定呼气异味的情况下表示上呼吸道气，

其中，所述第一化学传感器具有对第二化学分析物或者对环境参数的交叉敏感性，所述第二辅助传感器对所述环境参数敏感，并且

其中，所述控制设备被配置成将所述第一化学传感器的信号的时间依赖性和所述第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以获得所述第一化学传感器的校正的读数，以便校正所述交叉敏感性。

12.一种利用便携式电子设备分析流体样本的方法，所述便携式电子设备包括：第一化学传感器，其对至少一个第一化学分析物的浓度敏感；第一辅助传感器，其对与所述第一化学分析物的浓度不同的至少一个第一参数敏感；以及至少一个第二辅助传感器，其对与所述第一化学分析物的浓度不同并且与所述第一参数不同的至少一个第二参数敏感，所述方法包括：

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一化学传感器具有对第二化学分析物的交叉敏感性，并且其中所述第一化学传感器的信号的时间依赖性和所述第一和/或第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以校正所述交叉敏感性。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，应用所述第二辅助传感器的信号的时间依赖性，以校正所述第一化学传感器和/或所述第一辅助传感器对环境参数的交叉敏感性，所述第二辅助传感器对所述环境参数敏感。

15.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述第一化学传感器的信号的时间依赖性和所述第一和第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以确定所述测量周期的子周期，在所述子周期期间，所述第一化学传感器的信号表示代表所关注的参数的信号。

16.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述方法是用于呼气分析的方法，其中所述第一化学传感器对乙醇、酮或硫醇的浓度敏感，其中所述第一辅助传感器对二氧化碳的浓度敏感，并且其中所述第二辅助传感器对下列参数中的至少一个敏感：

湿度；

温度；

质量流量；以及

噪声。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一化学分析物是乙醇或者硫醇，

其中，所述第一化学传感器是具有加热膜的半导体传感器，

其中，所述第一辅助传感器对二氧化碳的浓度敏感，

其中，所述方法包括：将所述第一化学传感器的信号的时间依赖性和所述第一辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以确定所述测量周期的子周期，在所述子周期期间，所述第一化学传感器的信号(i)在测量乙醇的存在的情况下表示肺泡气；或者(ii)在确定呼气异味的情况下表示上呼吸道气，

其中，将所述第一化学传感器的信号的时间依赖性和所述第二辅助传感器的信号的时间依赖性相关联，以校正所述交叉敏感性。

18.一种包括计算机程序代码的计算机程序元件，所述计算机程序代码使得便携式电子设备执行权利要求12至17中任一项所述的方法。