CN107072598B - 使用受抑全内反射的光学出汗传感器 - Google Patents

使用受抑全内反射的光学出汗传感器 Download PDF

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Abstract

系统和方法可以规定从耦合到第一波导的第一光电检测器接收电测量信号并且基于电测量信号来确定第一波导中反射光的总强度水平。另外，可以基于第一波导中反射光的总强度水平来确定与第一波导接触的皮肤的出汗水平。在一个示例中，从耦合到与皮肤物理地隔离的第二波导的第二光电检测器接收电控制信号，其中还基于电控制信号来确定第一波导中反射光的总强度水平。

Description

使用受抑全内反射的光学出汗传感器
对相关申请的交叉引用
本申请对2014年6月27日提交的申请号为14/318,548的美国非临时专利申请要求优先权的权益。
技术领域
实施例一般地涉及出汗传感器。更具体地，实施例涉及使用受抑全内反射（fTIR）来检测出汗的光学传感器。
背景技术
心跳传感器、血压传感器、血液O2传感器等等可以被集成到便携式电子设备中以促进在移动环境中的健康监控。另一方面，常规的出汗传感器通常可能使用工程织物（engineered fabric）来吸收并且分析来自皮肤的汗。这样的途径对于便携式电子设备而言可能并不实际。
附图说明
通过阅读随后的说明书和所附权利要求并且通过参考随后的附图，实施例的各种优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见，在所述附图中：
图1是根据实施例的光学出汗感测途径的示例的图示；
图2是根据实施例的多波导检测配置的示例的框图；
图3是根据实施例的检测出汗的方法的示例的流程图；
图4是根据实施例的逻辑架构的示例的框图；
图5是根据实施例的计算系统的示例的框图；以及
图6A-6C是根据实施例的具有以可穿戴形状因数的外壳的计算系统的示例的图示。
具体实施方式
现在转到图1，示出了光学出汗（例如汗）感测途径，其中波导12的表面10暴露于用户/个体的皮肤14的接触。皮肤14可以是具有能够发生出汗（例如由于锻炼、紧张等等）的外分泌汗腺的身体的任何部位上。例如，在时间t0处，皮肤14可能相对干燥，并且在所图示的时间t1处，皮肤14由于出汗16而相对润湿。光源18可以用于照射波导12使得光将在波导12内被内反射并且由光学地耦合到波导12的光电检测器20检测。
通常，如果波导12的折射率大于周围介质的折射率，则在波导12中发生全内反射（TIR）。因而，由于空气的较低折射率，在皮肤14和波导12的表面10之间的空气间隙（例如由于指纹中的脊和谷所致）可以导致在波导12中行进的光的TIR。相比之下，在皮肤14和波导12的表面10之间的接触点（例如在时间t0处）可以导致消逝场，所述消逝场使得一些光学能量22能够逃逸出波导12。这样的现象可以被称为受抑全内反射（fTIR），其中逃逸的光学能量22可以被皮肤14散射和/或吸收。
另外，空气间隙内的出汗16的存在（例如在时间t1处）可以导致甚至更多的光学能量24逃逸出波导12。特别注意的是，波导12中的反射光的总强度水平（例如，没有逃逸的光学能量）可以取决于接触波导12的表面10的皮肤14上的出汗16的量而变化。结果，反射光的总强度水平的量化结果26可以使得例如时间t1处的皮肤14的润湿状态能够自动区别于时间t0处的皮肤14的干燥状态。除了在干燥状态和润湿状态之间进行区分之外，所图示的途径可以在润湿状态的水平（例如出汗水平）之间进行区分。另外，出汗水平还可以用于量化锻炼强度、情绪状态等等。
图2展示了平衡的检测装置28可以使得能够通过使用另一“控制”光电检测器30（例如第二光电检测器）来检测与用户的皮肤14物理隔离的控制波导32（例如第二波导）中的反射光的总强度水平而从强度水平测量中移除噪声。因而，从主光电检测器20所生成的电测量信号中减去控制光电检测器30所生成的电控制信号可以大幅改进准确性。
现在转到图3，示出了检测出汗的方法34。方法34可以以被存储在机器或计算机可读存储介质（诸如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、固件、闪速存储器等等）中的逻辑指令集、以可配置逻辑（诸如例如可编程逻辑阵列（PLA）、现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑设备（CPLD））、以使用电路技术（诸如例如专用集成电路（ASIC）、互补金属氧化物半导体（CMOS）、或晶体管-晶体管逻辑（TTL）技术）的固定功能性硬件逻辑、或其任何组合而被实现为一个或多个模块。
所图示的处理块36使用光源来照射第一波导和可选地第二波导，其中在块38处可以从耦合到第一波导的第一光电检测器接收电测量信号。块38还可以涉及如果第二波导与用户的皮肤物理地隔离并且使用诸如平衡的检测装置28（图2）之类的平衡的检测途径，则从耦合到第二波导的第二光电检测器接收电控制信号。所图示的块40基于电测量信号和可选地电控制信号而确定第一波导中反射光的总强度水平。如果接收到电控制信号，则块40还可以包括从电测量信号中减去电控制信号。在块42处可以基于第一波导中反射光的总强度水平而确定与第一波导接触的皮肤的出汗水平，其中所图示的块44基于出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个。
现在转到图4，示出了使用fTIR来检测出汗的逻辑架构46（46a-46f）。逻辑架构46一般可以以逻辑指令、可配置逻辑、固定功能性硬件逻辑等等、或其任何组合来被实现，并且可以进行已经讨论过的方法34（图3）的一个或多个方面。在所图示的示例中，测量级46a从耦合到第一波导的第一光电检测器接收电测量信号，其中强度量化器46b可以耦合到测量级46a。强度量化器46b可以基于电测量信号来确定第一波导中反射光的总强度水平。另外，出汗量化器46c可以耦合到强度量化器46b，其中出汗量化器46c被配置成基于反射光的总强度水平来确定与第一波导接触的皮肤的出汗水平。
在一个示例中，逻辑架构46还包括耦合到强度量化器46b的控制级46d。控制级46d可以从耦合到第二波导的第二光电检测器接收电控制信号，其中还可以基于电控制信号来确定第一波导中反射光的总强度水平。如已经指出的，第二波导可以与用户的皮肤物理地隔离。在这样的情况中，强度量化器46b可以包括噪声移除单元48以从电测量信号中减去电控制信号。逻辑架构46可以包括源驱动器46e以使用光源来照射第一波导和可选地第二波导。另外，所图示的逻辑架构46包括耦合到出汗量化器46c的状态分析器46f，其中状态分析器46f可以基于出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个。因而，取决于个体，较高水平的出汗可以指示较大量的锻炼强度和/或压力。
图5示出了可以用于光学地检测出汗的可穿戴计算系统50。在所图示的示例中，系统50包括第一波导12、控制波导32、向系统50供给功率的电池52以及容纳系统50的外壳54。外壳54可以具有可穿戴形状因数（例如头饰、眼镜、珠宝、足饰（footwear）等等形状因数）以及对暴露第一波导12的表面10的孔（aperture）进行限定的一个或多个表面。另一方面，控制波导32可以与接触第一波导12的表面10的皮肤物理地隔离。第一光电检测器20可以耦合到第一波导12并且逻辑架构46可以包括测量级、强度量化器和出汗量化器，如已经讨论的那样。
控制光电检测器30可以耦合到控制波导32，其中逻辑架构46还可以包括从控制光电检测器30接收电控制信号的控制级以及噪声移除单元，如已经讨论的那样。光源18可以用于照射第一波导12和控制波导32。
现在转到图6A-6C，示出了各种可穿戴形状因数。更具体地，图6A展示了可穿戴计算系统56可以具有眼镜形状因数，其中第一波导12的表面暴露于佩戴者的耳朵后面的皮肤，图6B展示了可穿戴计算系统58可以具有环形状因数，其中第一波导12的表面暴露于佩戴者的手指上的皮肤，图6C展示了可穿戴计算系统60可以具有头带形状因数，其中第一波导12的表面暴露于佩戴者的前额上的皮肤，等等。其它形状因数、诸如例如足饰（例如短袜）、手镯、手表、耳机、项链等等也可以包含如本文中所述的使用fTIR来检测出汗的光学传感器。
附加的注解和示例：
示例1可以包括一种可穿戴计算系统，其包括向所述系统供给功率的电池以及容纳所述系统的外壳，所述外壳具有可穿戴形状因数和限定孔的表面。所述系统还可以包括：第一波导，其中外壳的孔暴露第一波导的至少一个表面；耦合到第一波导的第一光电检测器；从第一光电检测器接收电测量信号的测量级；以及耦合到测量级的强度量化器，所述强度量化器基于电测量信号来确定第一波导中反射光的总强度水平。所述系统还可以包括耦合到强度量化器的出汗量化器，所述出汗量化器基于反射光的总强度水平来确定与第一波导接触的皮肤的出汗水平。
示例2可以包括示例1的系统，还包括：第二波导；耦合到第二波导的第二光电检测器；以及耦合到第二光电检测器和强度量化器的控制级，所述控制级从第二光电检测器接收电控制信号，其中还将基于电控制信号来确定第一波导中的反射光的总强度水平。
示例3可以包括示例2的系统，其中所述强度量化器还包括从电测量信号中减去电控制信号的噪声移除单元。
示例4可以包括示例2的系统，还包括耦合到第一波导和第二波导的光源；以及耦合到光源的源驱动器，所述源驱动器使用光源来照射第一波导和第二波导。
示例5可以包括示例2的系统，其中第二波导被定位在将与皮肤物理地隔离的外壳内。
示例6可以包括示例1至5中任一项的系统，还包括耦合到出汗量化器的状态分析器，所述状态分析器基于出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个。
示例7可以包括一种使用受抑全内反射来检测出汗的方法，包括：从耦合到第一波导的第一光电检测器接收电测量信号；基于电测量信号来确定第一波导中反射光的总强度水平；以及基于反射光的总强度水平来确定与第一波导接触的皮肤的出汗水平。
示例8可以包括示例7的方法，还包括从耦合到第二波导的第二光电检测器接收电控制信号，其中还基于电控制信号来确定第一波导中反射光的总强度水平。
示例9可以包括示例8的方法，还包括从电测量信号中减去电控制信号。
示例10可以包括示例8的方法，还包括使用光源来照射第一波导和第二波导。
示例11可以包括示例8的方法，其中第二波导与皮肤物理地隔离。
示例12可以包括示例7至11中任一项的方法，还包括基于出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个。
示例13可以包括至少一个包括指令集的计算机可读存储介质，所述指令在由计算系统执行时使得计算系统从耦合到第一波导的第一光电检测器接收电测量信号，基于电测量信号来确定第一波导中反射光的总强度水平，以及基于反射光的总强度水平来确定与第一波导接触的皮肤的出汗水平。
示例14可以包括示例13的所述至少一个计算机可读存储介质，其中所述指令在被执行时使得计算系统从耦合到第二波导的第二光电检测器接收电控制信号，其中还将基于电控制信号来确定第一波导中反射光的总强度水平。
示例15可以包括示例14的所述至少一个计算机可读存储介质，其中所述指令在被执行时使得计算系统从电测量信号中减去电控制信号。
示例16可以包括示例14的所述至少一个计算机可读存储介质，其中所述指令在被执行时使得计算系统使用光源来照射第一波导和第二波导。
示例17可以包括示例14的所述至少一个计算机可读存储介质，其中第二波导将与皮肤物理地隔离。
示例18可以包括示例13至17中任一项的所述至少一个计算机可读存储介质，其中所述指令在被执行时使得计算系统基于出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个。
示例19可以包括一种使用受抑全内反射来检测出汗的装置，包括：从耦合到第一波导的第一光电检测器接收电测量信号的测量级；耦合到测量级的强度量化器，所述强度量化器基于电测量信号来确定第一波导中反射光的总强度水平；以及耦合到强度量化器的出汗量化器，所述出汗量化器基于反射光的总强度水平来确定与第一波导接触的皮肤的出汗水平。
示例20可以包括示例19的装置，还包括耦合到强度量化器的控制级，所述控制级从耦合到第二波导的第二光电检测器接收电控制信号，其中还将基于电控制信号来确定第一波导中反射光的总强度水平。
示例21可以包括示例20的装置，其中所述强度量化器还包括从电测量信号中减去电控制信号的噪声移除单元。
示例22可以包括示例20的装置，还包括源驱动器，其使用光源来照射第一波导和第二波导。
示例23可以包括示例20的装置，其中第二波导将与皮肤物理地隔离。
示例24可以包括示例19至23中任一项的装置，还包括耦合到出汗量化器的状态分析器，所述状态分析器基于出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个。
示例25可以包括一种使用受抑全内反射来检测出汗的装置，其包括用于执行示例7至12中任一项的方法的构件。
因而，技术可以提供对检测出汗的干燥和紧密解决方案，其不需要捕获液体或使电子组件暴露于水分。因此，传感器可以鲁棒地被实现到紧密、便携的电子器件中。因此，技术可以容易地与其它健康监控器（例如心率传感器、血压传感器、O2饱和传感器）一起被集成到具有光传感器的设备中，这进而可以降低功耗并且使得能够实现更小的形状因数。此外，将光用作检测介质可以使得能够实现瞬时测量和实时操作。
实施例可适用于供所有类型的半导体集成电路（“IC”）芯片使用。这些IC芯片的示例包括但不限于处理器、控制器、芯片组组件、可编程逻辑阵列（PLA）、存储器芯片、网络芯片、芯片上系统（SoC）、SSD/NAND控制器ASIC等等。另外，在一些附图中，用线来表示信号导体线。某些可以是不同的以指示多个组成信号路径，具有数字标签以指示数个组成信号路径，和/或在一端或多端具有箭头以指示主要信息流方向。然而，这不应以限制性方式来被解释。相反，这样添加的细节可以结合一个或多个示例性实施例来被使用以促进对电路的更容易的理解。任何所表示的信号线，无论是否具有附加信息，可以实际包括一个或多个信号，所述一个或多个信号可以在多个方向上行进并且可以利用任何合适类型的信号方案来被实现，例如，利用差分对实现的数字或模拟线、光纤线和/或单端线。
可能已经给出了示例性的尺寸/模型/值/范围，但是实施例不限于所述内容。当制造技术（例如光刻）随着时间而成熟时，预期可以制造更小尺寸的设备。另外，到IC芯片和其它组件的众所周知的功率/接地连接可以或可以不被示出在图内，以用于图示和讨论的简单，并且以便不使实施例的某些方面模糊不清。此外，可以以框图形式来示出布置，以便避免使实施例模糊不清，并且还鉴于以下事实：即关于这样的框图布置的实现方式的细节高度取决于实施例将被实现在其内的平台，即，这样的细节应当很好地在本领域技术人员的眼界范围内。在其中阐明了具体细节（例如电路）以便描述示例性实施例的情况下，对于本领域技术人员而言应当显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或在这些具体细节的变型的情况下实践实施例。描述因而要被视为说明性的而不是限制性的。
术语“耦合的”可以在本文中用于指代所讨论的组件之间的任何类型的关系（直接的或间接的），并且可以适用于电学、机械、流体、光学、电磁、机电或其它连接。另外，术语“第一”、“第二”等等可以在本文中仅仅用于促进讨论，并且不承载任何特定的时间或时序意义，除非以其它方式指示。
如在本申请中和权利要求中所使用的，通过术语“其中的一个或多个”所连接的项目列表可以意指所列举项的任何组合。例如，短语“A、B或C中的一个或多个”可以意指A、B、C；A和B；A和C；B和C；或A、B和C。
本领域技术人员将从前述描述中领会到，可以以各种形式来实现实施例的广泛技术。因此，虽然实施例已经结合其特定示例被描述，但是实施例的真实范围不应被这样限制，因为在研习了附图、说明书和随后的权利要求时，其它修改对于技术从业者将变得显而易见。

Claims (25)

1.一种可穿戴计算系统，其包括：
向所述系统供给功率的电池；
容纳所述系统的外壳，所述外壳具有可穿戴形状因数和限定孔的表面；
第一波导，其中所述外壳的所述孔暴露所述第一波导的至少一个表面；
耦合到所述第一波导的第一光电检测器；
从所述第一光电检测器接收电测量信号的测量级；
第二波导；
耦合到所述第二波导的第二光电检测器；
耦合到所述第二光电检测器的控制级，所述控制级从所述第二光电检测器接收电控制信号；
耦合到所述测量级和所述控制级的强度量化器，所述强度量化器基于所述电测量信号和所述电控制信号来确定所述第一波导中反射光的总强度水平；以及
耦合到所述强度量化器的出汗量化器，所述出汗量化器基于所述反射光的所述总强度水平来确定与所述第一波导接触的皮肤的出汗水平。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述强度量化器还包括从所述电测量信号中减去所述电控制信号的噪声移除单元。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括：
耦合到所述第一波导和所述第二波导的光源；以及
耦合到所述光源的源驱动器，所述源驱动器使用所述光源来照射所述第一波导和所述第二波导。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二波导被定位在将与所述皮肤物理地隔离的所述外壳内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括耦合到所述出汗量化器的状态分析器，所述状态分析器基于所述出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个。
6.一种使用受抑全内反射来检测出汗的方法，包括：
从耦合到第一波导的第一光电检测器接收电测量信号以及从耦合到第二波导的第二光电检测器接收电控制信号；
基于所述电测量信号和所述电控制信号来确定所述第一波导中反射光的总强度水平；以及
基于所述反射光的所述总强度水平来确定与所述第一波导接触的皮肤的出汗水平。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括从所述电测量信号中减去所述电控制信号。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括使用光源来照射所述第一波导和所述第二波导。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述第二波导与所述皮肤物理地隔离。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，还包括基于所述出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个。
11.一种使用受抑全内反射来检测出汗的装置，包括：
从耦合到第一波导的第一光电检测器接收电测量信号的测量级；
从耦合到第二波导的第二光电检测器接收电控制信号的控制级；
耦合到所述测量级和所述控制级的强度量化器，所述强度量化器基于所述电测量信号和所述电控制信号来确定所述第一波导中反射光的总强度水平；以及
耦合到所述强度量化器的出汗量化器，所述出汗量化器基于所述反射光的所述总强度水平来确定与所述第一波导接触的皮肤的出汗水平。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述强度量化器还包括从所述电测量信号中减去所述电控制信号的噪声移除单元。
13.根据权利要求11所述的装置，还包括源驱动器，其使用光源来照射所述第一波导和所述第二波导。
14.根据权利要求11所述的装置，其中所述第二波导将与所述皮肤物理地隔离。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的装置，还包括耦合到所述出汗量化器的状态分析器，所述状态分析器基于所述出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个。
16.一种使用受抑全内反射来检测出汗的装置，包括：
用于从耦合到第一波导的第一光电检测器接收电测量信号以及从耦合到第二波导的第二光电检测器接收电控制信号的构件；
用于基于所述电测量信号和所述电控制信号来确定所述第一波导中反射光的总强度水平的构件；以及
用于基于所述反射光的所述总强度水平来确定与所述第一波导接触的皮肤的出汗水平的构件。
17.根据权利要求16所述的装置，还包括用于从所述电测量信号中减去所述电控制信号的构件。
18.根据权利要求16所述的装置，还包括用于使用光源来照射所述第一波导和所述第二波导的构件。
19.根据权利要求16所述的装置，其中所述第二波导将与所述皮肤物理地隔离。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的装置，还包括用于基于所述出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个的构件。
21.至少一个包括指令集的计算机可读存储介质，所述指令在由计算系统执行时使得计算系统：
从耦合到第一波导的第一光电检测器接收电测量信号以及从耦合到第二波导的第二光电检测器接收电控制信号；
基于所述电测量信号和所述电控制信号来确定所述第一波导中反射光的总强度水平；以及
基于所述反射光的所述总强度水平来确定与所述第一波导接触的皮肤的出汗水平。
22.根据权利要求21的所述至少一个计算机可读存储介质，其中所述指令在被执行时使得计算系统从所述电测量信号中减去所述电控制信号。
23.根据权利要求21的所述至少一个计算机可读存储介质，其中所述指令在被执行时使得计算系统使用光源来照射所述第一波导和所述第二波导。
24.根据权利要求21的所述至少一个计算机可读存储介质，其中所述第二波导将与所述皮肤物理地隔离。
25.根据权利要求21至24中任一项的所述至少一个计算机可读存储介质，其中所述指令在被执行时使得计算系统基于所述出汗水平来量化用户的锻炼强度或情绪状态中的一个或多个。
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