CN108593744B - Σ-δ模数转换器 - Google Patents

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Abstract

一种恒电势器包括电压调节器、电流镜、电容器、比较器、电流源和计数器。电压调节器保持电化学传感器的工作电极上的电压。电流镜产生与来自工作电极的输入电流成镜像的镜像电流。电容器交替地被镜像电流充电从而使得电容器电压以与电流的大小相关的速率增加以及被控制电流放电从而使得电容器电压减小。比较器基于电容器电压的变化输出包括向上转变和向下转变的波形。电流源基于波形产生控制电流。计数器对在预定采样时段期间在波形中的向上转变或向下转变的数量进行计数以产生数字输出。所述数字输出代表输入电流的大小。

Description

Σ-Δ模数转换器
本申请是申请日(国际申请日)为2014年12月15日，申请号为201480071729.6(国际申请号为PCT/US2014/070367)，发明名称为“Σ-Δ模数转换器”的发明专利申请的分案申请。
背景技术
除非本文另外指出，否则本部分中描述的材料并不是本申请中的权利要求的现有技术，并且并不因为被包括在本部分中就被承认为是现有技术。
电化学安培传感器可以通过经由工作电极测量由与分析物相关的电化学氧化或还原反应生成的电流来测量分析物的浓度。还原反应发生在电子被从电极转移时，而氧化反应发生在电子被转移到电极时。电子转移的方向取决于施加到工作电极的电压。至少一个另外的电极(例如，对电极、参比电极)可以使电路完整。当工作电极被适当地偏置时，输出电流可与反应速率成比例，这可提供对工作电极周围的分析物的浓度的度量。
恒电势器可被配置为相对于参比电极将电压施加到工作电极，并测量通过工作电极的电流，以使得电流与分析物的浓度相关。在一些示例中，恒电势器可包括提供代表通过工作电极的电流的数字输出的模数转换器(analog-to-digital，ADC)。在传统方案中，有源积分器对输入电流进行积分以提供斜坡电压。然而，电极在电化学传感器中的布置可在有源积分器的输入处产生相对高的电容。操作具有这样的高输入电容的有源积分器可导致有源组件的高电力消耗。
发明内容
在一个方面中，本公开提供了一种系统。该系统包括电化学传感器的工作工作电极，电流镜，电压调节器，电流源，电容器，比较器以及计数器。工作工作电极被配置为产生输入电流。电流镜耦合到工作工作电极并被配置为产生与输入电流成镜像的镜像电流。电压调节器耦合到工作工作电极和电流镜，并被配置为基于参比电压保持工作工作电极上的电压。电流源被配置为产生控制电流。电容器耦合到电流镜和电流源，并被配置为响应于至少镜像电流和控制电流产生电容器电压。比较器耦合到电容器并被配置为基于电容器电压相对于比较电压的变化来输出波形。计数器耦合到比较器。计数器被配置为检测从比较器输出的波形中的特定特征并被配置为基于在预定采样时段期间在波形中的特定特征出现的次数提供数字输出。
在另一方面中，本公开提供了一种方法。由电流镜接收来自电化学传感器的工作电极的输入电流。由电流镜产生与输入电流成镜像的镜像电流。由电流源基于波形提供控制电流。由电容器响应于至少镜像电流和控制电流产生电容器电压。由比较器基于电容器电压相对于比较电压的变化来生成波形。由计数器基于在预定采样时段期间在波形中的特定特征出现的次数提供数字输出。
在另一方面中，本公开提供了一种系统，该系统包括：(1)用于产生与来自电化学传感器的工作电极的输入电流成镜像的镜像电流的装置；(2)用于基于波形提供控制电流的装置；(3)用于响应于至少镜像电流和控制电流产生电容器电压的装置；(4)用于基于电容器电压相对于比较电压的变化来生成波形的装置；以及(5)用于基于在预定采样时段期间在波形中的特定特征出现的次数提供数字输出的装置。
在另一方面中，本公开提供了一种用于模数转换的系统。该系统包括：传感器的工作电极，其中，工作电极被配置为产生输入电流；电流镜，耦合到工作电极，其中，电流镜被配置为产生与输入电流成镜像的镜像电流；电压调节器，耦合到工作电极和电流镜，其中，电压调节器被配置为基于参比电压保持工作电极上的电压；电流源，被配置为提供控制电流；电容器，耦合到电流镜和电流源，其中，电容器被配置为响应于镜像电流和控制电流产生电容器电压；比较器，耦合到电容器，其中，比较器被配置为基于电容器电压相对于比较电压的变化来输出波形；以及计数器，耦合到比较器，其中，计数器被配置为检测从比较器输出的波形中的一个特征并基于在预定采样时段期间波形中的特征出现的次数提供数字输出。在该系统中，电流镜包括：在电压供应源和工作电极之间的第一电流路径；在电压供应源和电容器之间的第二电流路径；在第一电流路径中串联的第一晶体管和第二晶体管；以及在第二电流路径中串联的第三晶体管和第四晶体管，其中，电压调节器包括差分放大器，差分放大器具有连接到参比电压的反相输入、连接到工作电极的非反相输入和连接到第一晶体管的栅极和第三晶体管的栅极的输出。
在另一方面中，本公开提供了一种用于模数转换的方法。该方法包括：由电流镜接收来自传感器的工作电极的输入电流；由电流镜产生与输入电流成镜像的镜像电流；由电压调节器基于参比电压保持工作电极上的电压；由电流源基于波形提供控制电流；由电容器响应于镜像电流和控制电流产生电容器电压；由比较器基于电容器电压相对于比较电压的变化来生成波形；以及由计数器基于在预定采样时段期间波形中的一个特征出现的次数提供数字输出。该方法中使用的电流镜包括：在电压供应源和工作电极之间的第一电流路径；在电压供应源和电容器之间的第二电流路径；在第一电流路径中串联的第一晶体管和第二晶体管；以及在第二电流路径中串联的第三晶体管和第四晶体管，其中，电压调节器包括差分放大器，差分放大器具有连接到参比电压的反相输入、连接到工作电极的非反相输入和连接到第一晶体管的栅极和第三晶体管的栅极的输出。
通过酌情参考附图阅读以下详细描述，本领域普通技术人员将清楚这些以及其它方面、优点和替换方案。
附图说明
图1是根据示例实施例的包括与外部读取器进行无线通信的可眼戴设备的示例系统的框图。
图2A是根据示例实施例的示例可眼戴设备的底视图。
图2B是根据示例实施例的图2A中所示的示例可眼戴设备的侧视图。
图2C是图2A和2B中所示的示例可眼戴设备在安装到眼睛的角膜表面时的侧截面图。
图2D是根据示例实施例的被增强来示出当如图2C中所示安装示例可眼戴设备时围绕该示例可眼戴设备的表面的泪膜层的侧截面图。
图3是根据示例实施例的用于以电化学方式测量泪膜分析物浓度的示例系统的功能框图。
图4是根据示例实施例的恒电势器的原理图。
图5示出了根据示例实施例的电容器电压、比较器输出的波形和控制电流作为时间的函数的变化。
图6是根据示例实施例的示例方法的流程图。
具体实施方式
I.概述
电化学传感器可用于通过测量与流体中的分析物或者涉及所述分析物的反应的产物的氧化或还原相关的电流来检测所述分析物。电化学传感器可以包括工作电极和对电极。氧化或还原反应可发生在适当的电压被相对于参比电极施加到工作电极时。可以通过工作电极测量与氧化或还原相关的电流。在一些示例中，测量的电流可以与流体中的分析物的浓度相关。
恒电势器可用于将适当的电压施加到工作电极并测量通过工作电极的电流。在示例中，通过工作电极的电流(输入电流)流经电流镜，并且电流镜产生与输入电流成镜像(例如，复制输入电流)的镜像电流。在这样的示例中，可以测量镜像电流而不是直接测量输入电流，从而有利地避免与工作电极关联的电容。
为了测量镜像电流，可以使用在Σ-ΔADC的控制之下的无源积分器(例如，电容器)。例如，Σ-ΔADC中的电流源可以调制控制电流，以使得电容器交替地：(i)被镜像电流充电，从而产生以与镜像电流的大小相关的速率增加的电压，以及(ii)被控制电流放电。比较器可基于电容器电压相对于比较电压的变化来输出波形。电流源可基于所述波形调制控制电流。Σ-ΔADC中的计数器可以对在预定采样时段期间波形中向上或向下转变出现的数量进行计数来产生数字输出。所述数字输出代表镜像电流的大小并且因此代表来自工作电极的输入电流的大小。
包含分析物的流体可以是体液，例如泪液、血液、唾液、汗液、尿液等等。这样的体液可以包括无机电解质(例如，Ca2+、Mg2+、Cl-)、有机成分(例如，葡萄糖、乳酸盐、蛋白质、脂质等)或可用于诊断健康状态的其他成分。为了感测体液中的分析物，电化学传感器可以提供在可被安装在电化学传感器能够被暴露于体液的位置处的可体戴设备中，所述可体戴设备例如可眼戴设备、可牙戴设备或可肤戴设备。用于电化学传感器的恒电势器也可以被包括在可体戴设备中。
在具体示例中，电化学传感器和恒电势器可以被包括在可眼戴设备中并且被配置为感测泪液中的分析物(例如，葡萄糖)。可眼戴设备可以包括电化学传感器(包括工作电极、参比电极和试剂层)、天线、恒电势器和其他电子器件被安装在其上的基板。基板和在其上安装的组件可以至少部分地嵌入在聚合物材料中。聚合物材料可以包括沟道，泪液可通过该沟道到达电化学传感器。利用这种配置，可眼戴设备中的恒电势器可用于测量通过电化学传感器的工作电极的电流并且可以使用天线无线地传达测量值。
在一些示例中，聚合物材料可以是圆形镜片(例如，类似于接触镜片)的形式，该圆形镜片具有被配置为安装到眼睛的角膜表面的凹曲率。基板可被嵌入在聚合物材料的周界附近以避免与视觉发生干扰。电化学传感器可被布置在基板上向内、朝着角膜表面，以生成来自角膜的表面附近和/或来自介于聚合物材料与角膜表面之间的泪液的临床上相关的读数。额外地或替换地，电化学传感器可被布置在基板上向外、远离角膜表面并且朝着覆盖暴露于大气的聚合物材料的表面的泪液层。
外部读取器设备或“读取器”可以辐射射频(RF)辐射以对可眼戴设备供电。在一些示例中，读取器可以进行操作以通过辐射足以使得可眼戴设备能够获得测量值并使用天线传达测量值的RF电力来间歇地询问可眼戴设备以测量分析物。读取器还可以存储由可眼戴设备传达的测量值。以这种方式，读取器可以随着时间推移获取一系列分析物浓度测量值，而无需连续地对可眼戴设备供电。
在一些示例中，电化学传感器和恒电势器可以被包括在可体戴设备中来测量体液中的分析物。在其他示例中，电化学传感器和恒电势器可以被包括在设备中来测量某种其他类型的流体中的分析物。例如，所述设备可用于测量与游泳池、水处理工厂等等中的水质量相关的分析物。其他示例也是可能的。
II.示例可眼戴设备
图1是包括与读取器180进行无线通信的可眼戴设备110的系统100的框图。可眼戴设备110的暴露区域由被形成为接触式安装到眼睛的角膜表面的聚合物材料120构成。基板130被嵌入在聚合物材料120中以为电力供应源140、控制器150、生物交互电子器件160和通信天线170提供安装表面。生物交互电子器件160由控制器150操作。电力供应源140向控制器150和/或生物交互电子器件160供应操作电压。天线170被控制器150操作来向和/或从可眼戴设备110传达信息。天线170、控制器150、电力供应源140和生物交互电子器件160可全都位于嵌入的基板130上。因为可眼戴设备110包括电子器件并且被配置为接触式安装到眼睛，所以其在本文中也被称为眼科电子器件平台。
为了促进接触式安装，聚合物材料120可具有被配置为粘着(“安装”)到润湿的角膜表面的凹表面(例如，通过与覆盖角膜表面的泪膜的毛细力)。额外地或替换地，可眼戴设备110可由于凹曲率而被角膜表面与聚合物材料之间的真空力粘着。在以凹表面对着眼睛的方式安装时，聚合物材料120的外向表面可具有被形成为在可眼戴设备110被安装到眼睛时不干扰眼睑运动的凸曲率。例如，聚合物材料120可以是形状类似于接触镜片的基本上透明的弯曲聚合物盘。
聚合物材料120可包括一个或多个生物相容材料，例如在接触镜片或者涉及与角膜表面的直接接触的其它眼科应用中采用的那些。聚合物材料120可以可选地部分由这种生物相容材料形成或者可包括具有这种生物相容材料的外涂层。聚合物材料120可包括被配置为润湿角膜表面的材料，例如水凝胶等等。在一些实施例中，聚合物材料120可以是可变形(“非刚性”)材料以增强穿戴者舒适度。在一些实施例中，聚合物材料120可被成形为提供预定的视力校正光焦度(optical power)，例如可由接触镜片提供的那种。
基板130包括适用于安装生物交互电子器件160、控制器150、电力供应源140和天线170的一个或多个表面。基板130可被用作基于芯片的电路的安装平台(例如，通过倒装芯片式安装到连接垫)和/或用作将导电材料(例如，金、铂、钯、钛、铜、铝、银、金属、其它导电材料、这些的组合等等)图案化以产生电极、互连、连接垫、天线等等的平台两者。在一些实施例中，基本上透明的导电材料(例如，铟锡氧化物)可被图案化在基板130上以形成电路、电极等等。例如，天线170可通过用淀积、光刻、电镀等等在基板130上形成金或另外的导电材料的图案来形成。类似地，控制器150与生物交互电子器件160之间的互连151和控制器150与天线170之间的互连157可通过将适当图案的导电材料淀积在基板130上来形成。包括——但不限于——光阻材料、掩模、淀积技术和/或镀层技术的使用在内的微细加工技术的组合可用于将材料图案化在基板130上。基板130可以是相对刚性的材料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)或者另外的材料，其被配置为从结构上支撑聚合物材料120内的电路和/或基于芯片的电子器件。替换地，可眼戴设备110可被布置有一组不连接的基板而不是单个基板。例如，控制器150和生物传感器或其它生物交互电子器件组件可被安装到一个基板，而天线170被安装到另一个基板并且两者可经由互连157来电连接。
在一些实施例中，生物交互电子器件160(和基板130)可被定位为远离可眼戴设备110的中心，从而避免干扰去到眼睛的中央光敏感区域的光透射。例如，在可眼戴设备110被成形为凹曲盘的情况下，基板130可被嵌入在该盘的周界周围(例如，在外周附近)。然而，在一些实施例中，生物交互电子器件160(和基板130)可被定位在可眼戴设备110的中央区域中或中央区域附近。额外地或替换地，生物交互电子器件160和/或基板130对于进入的可见光可以是基本上透明的以减轻对去到眼睛的光透射的干扰。另外，在一些实施例中，生物交互电子器件160可包括像素阵列164，该像素阵列164根据显示指令发射和/或传输将由眼睛接收的光。从而，生物交互电子器件160可以可选地被定位在可眼戴设备的中心来例如通过在像素阵列164上显示信息(例如，字符、符号、闪烁图案等等)对可眼戴设备110的穿戴者生成可感知的视觉提示。
基板130可以是环形，具有足以为嵌入的电子器件组件提供安装平台的径向宽度尺寸。基板130可具有足够小以允许基板130在不影响可眼戴设备110的轮廓的情况下嵌入在聚合物材料120中的厚度。基板130可具有足够大以提供适用于支撑安装在其上的电子器件的结构稳定性的厚度。例如，基板130可具有约10毫米的直径、约1毫米的径向宽度(例如，外半径比内半径大1毫米)和约50微米的厚度。基板130可以可选地与可眼戴设备110的眼睛安装表面(例如，凸表面)的曲率匹配。例如，基板130可沿着定义内半径和外半径的两个圆弓形之间的虚锥的表面成形。在这种示例中，沿着虚锥的表面的基板130的表面定义了与眼睛安装表面在该半径处的曲率大致匹配的倾斜表面。
电力供应源140被配置为采集环境能量来对控制器150和生物交互电子器件160供电。例如，射频能量采集天线142可从入射的无线电辐射捕捉能量。额外地或替换地，(一个或多个)太阳能电池144(“光伏电池”)可从进入的紫外、可见和/或红外辐射捕捉能量。另外，可以包括惯性电力收集系统来从环境振动捕捉能量。能量采集天线142可以可选地是也用于向读取器180传达信息的两用天线。也就是说，通信天线170和能量采集天线142的功能可利用相同的物理天线来实现。
整流器/电压调节器146可用于将捕捉的能量调节到稳定的DC供应电压141，该DC供应电压141被供应给控制器150。例如，能量采集天线142可接收入射的射频辐射。天线142的引线上的变化的电信号被输出到整流器/电压调节器146。整流器/电压调节器146将变化的电信号整流到DC电压并且将整流的DC电压稳压到适用于操作控制器150的电平。额外地或替换地，来自(一个或多个)太阳能电池144的输出电压可被稳压到适用于操作控制器150的电平。整流器/电压调节器146可包括一个或多个能量存储设备来缓和环境能量收集天线142和/或(一个或多个)太阳能电池144中的高频变动。例如，一个或多个能量存储设备(例如，电容器、电感器等等)可并联跨接在整流器146的输出上以对DC供应电压141进行稳压并且被配置为充当低通滤波器。
控制器150在DC供应电压141被提供到控制器150时被开启，并且控制器150中的逻辑操作生物交互电子器件160和天线170。控制器150可包括被配置为操作生物交互电子器件160以与可眼戴设备110的生物环境交互的逻辑电路。该交互可涉及使用生物交互电子器件160中的诸如分析物生物传感器162之类的一个或多个组件来从生物环境获得输入。额外地或替换地，该交互可涉及使用诸如像素阵列164之类的一个或多个组件来向生物环境提供输出。
在一个示例中，控制器150包括被配置为操作分析物生物传感器162的传感器接口模块152。分析物生物传感器162可例如是包括工作电极和参比电极的安培电化学传感器。可在工作电极和参比电极之间施加电压以使得分析物在工作电极处经历电化学反应(例如，还原和/或氧化反应)。电化学反应可生成可通过工作电极测量的安培电流。该安培电流可依从于分析物浓度。从而，通过工作电极测量到的安培电流的量可提供对分析物浓度的指示。在一些实施例中，传感器接口模块152可以是被配置为在工作电极和参比电极之间施加电压差并同时测量通过工作电极的电流的恒电势器。
在一些情况中，也可包括试剂来使得电化学传感器对一个或多个期望的分析物灵敏。例如，邻近工作电极的一层葡萄糖氧化酶(“GOD”)可以催化葡萄糖氧化来生成过氧化氢(H2O2)。过氧化氢随后可在工作电极处被电氧化，这将电子释放到工作电极，从而导致可通过工作电极测量到的安培电流。
Figure GDA0002392396110000081
H2O2→2H++O2+2e-
还原或氧化反应生成的电流与反应速率大致成比例。另外，反应速率依从于分析物分子到达电化学传感器电极以直接地或者通过试剂催化地激起还原或氧化反应的速率。在分析物分子从采样区域扩散到电化学传感器电极的速率与额外的分析物分子从周围区域扩散到采样区域的速率大致相同的稳定状态中，反应速率与分析物分子的浓度大致成比例。通过工作电极测量到的电流从而提供了对分析物浓度的指示。
控制器150可以可选地包括用于操作像素阵列164的显示驱动器模块154。像素阵列164可以是布置成行和列的可单独编程的光透射、光反射和/或光发射像素的阵列。个体像素电路可以可选地包括液晶技术、微机电技术、发射二极管技术等等来根据来自显示驱动器模块154的信息选择性地传输、反射和/或发射光。这种像素阵列164也可以可选地包括多于一种颜色的像素(例如，红、绿和蓝像素)来以彩色渲染视觉内容。显示驱动器模块154可例如包括向像素阵列164中的单独编程的像素提供编程信息的一个或多个数据线和用于设定像素的群组接收这种编程信息的一个或多个地址线。位于眼睛上的这种像素阵列164也可包括一个或多个镜片来将光从像素阵列指引到眼睛可感知的焦平面。
控制器150也可包括用于经由天线170发送和/或接收信息的通信电路156。通信电路156可以可选地包括一个或多个振荡器、混频器、频率注入器等等来在载波频率上调制和/或解调信息以供由天线170发送和/或接收。在一些示例中，可眼戴设备110被配置为通过以读取器180可感知的方式调制天线170的阻抗来指示来自生物传感器的输出。例如，通信电路156可引起来自天线170的反向散射辐射的幅度、相位和/或频率的变动，并且这样的变动可被读取器180检测到。
控制器150经由互连151连接到生物交互电子器件160。例如，在控制器150包括在集成电路中实现的逻辑元件以形成传感器接口模块152和/或显示驱动器模块154的情况下，图案化的导电材料(例如，金、铂、钯、钛、铜、铝、银、金属、这些的组合等等)可将芯片上的端子连接到生物交互电子器件160。类似地，控制器150经由互连157连接到天线170。
注意，为了便于描述，图1中所示的框图是联系功能模块描述的。然而，可眼戴设备110的实施例可布置有在单个芯片、集成电路和/或物理组件中实现的功能模块(“子系统”)中的一个或多个。例如，虽然整流器/电压调节器146是在电力供应块140中图示的，但整流器/电压调节器146可在也包括控制器150的逻辑元件和/或可眼戴设备110中的嵌入式电子器件的其它特征的芯片中实现。从而，从电力供应源140提供给控制器150的DC供应电压141可以是由位于芯片上的整流器和/或电压调节器组件提供给同一芯片上的组件的供应电压。也就是说，在图1中被示为电力供应块140和控制器块150的功能块不需要实现为物理上分离的模块。另外，图1中描述的功能模块中的一个或多个可由相互电连接的单独封装的芯片来实现。
额外地或替换地，能量采集天线142和通信天线170可以用相同的物理天线来实现。例如，环状天线既可采集入射的辐射用于电力生成，又可经由反向散射辐射来传达信息。
读取器180可被配置为在眼睛外部；即，不是可眼戴设备的一部分。读取器180可以包括一个或多个天线188来向可眼戴设备110发送无线信号171以及从可眼戴设备110接收无线信号171。在一些实施例中，读取器180可以使用根据一种或多种标准进行操作的硬件和/或软件进行通信，所述标准例如但不限于RFID标准、蓝牙标准、Wi-Fi标准、紫蜂标准等等。
读取器180还可包括具有与存储器182通信的处理器186的计算系统。存储器182是非暂态计算机可读介质，其包括——但不限于——磁盘、光盘、有机存储器和/或任何其它可被处理器186读取的易失性(例如RAM)或非易失性(例如ROM)存储系统。存储器182可包括数据存储装置183来存储数据的指示，例如传感器读数(例如，来自分析物生物传感器162)、程序设定(例如，用于调整可眼戴设备110和/或读取器180的行为)，等等。存储器182也可包括程序指令184供处理器186执行来使得读取器180执行指令184指定的过程。例如，程序指令184可使得读取器180提供用户界面，该用户界面允许取回从可眼戴设备110传达来的信息(例如，来自分析物生物传感器162的传感器输出)。读取器180也可包括一个或多个硬件组件来操作天线188向可眼戴设备110发送无线信号171以及从可眼戴设备110接收无线信号171。例如，振荡器、频率注入器、编码器、解码器、放大器、滤波器等等可根据来自处理器186的指令驱动天线188。
在一些实施例中，读取器180可以是智能电话、数字助理或者具有足以提供无线通信链路171的无线连通性的其它便携式计算设备。在一些实施例中，读取器180也可实现为天线模块，该天线模块可被插入到便携式计算设备中，例如在通信链路171在便携式计算设备中不常使用的载波频率下操作的方案中。甚至于在下面至少图5的上下文中更详细地论述的其它实施例中，读取器180可以是一种专用设备，其被配置为被穿戴在相对靠近穿戴者的眼睛处以允许无线通信链路171以低电力预算操作。例如，读取器180可被集成在眼镜中，集成在例如项链、耳环等等的一件珠宝中，或者集成在穿戴于头部附近的一件衣物中，例如有檐帽、头带等等。
在可眼戴设备110包括分析物生物传感器162的示例中，系统100可被操作来监测眼睛的表面上的泪膜中的分析物浓度。从而，可眼戴设备110可被配置为用于眼科分析物生物传感器的平台。泪膜是从泪腺分泌来覆盖眼睛的水层。泪膜与通过眼睛的结构中的毛细管的血液供给相接触并且包括在血液中发现的许多生物标记，这些生物标记被分析来表征人的(一个或多个)健康状况。例如，泪膜包括葡萄糖、钙、钠、胆固醇、钾、其它生物标记，等等。泪膜中的生物标记浓度可与血液中的生物标记的相应浓度系统地不同，但两个浓度水平之间的关系可被确立来将泪膜生物标记浓度值映射到血液浓度水平。例如，葡萄糖的泪膜浓度可被确立(例如，经验地确定)为大约是相应的血糖浓度的十分之一。虽然可使用另外的比率关系和/或非比率关系。从而，与通过切割出某一体积的血液以在人体外部分析来执行的血液采样技术相比，测量泪膜分析物浓度水平提供了一种用于监测生物标记水平的非侵入性技术。另外，这里公开的眼科分析物生物传感器平台可被基本上连续地操作以使能对分析物浓度的实时监测。
为了利用被配置为泪膜分析物监测器的系统100执行读数，读取器180可发射射频辐射171，该射频辐射171被采集来经由电力供应源140对可眼戴设备110供电。被能量采集天线142(和/或通信天线170)捕捉的射频电信号在整流器/电压调节器146中被整流和/或稳压并且经稳压的DC供应电压147被提供给控制器150。射频辐射171从而开启了可眼戴设备110内的电子组件。一旦被开启，控制器150就操作分析物生物传感器162来测量分析物浓度水平。例如，传感器接口模块152可在分析物生物传感器162中的工作电极与参比电极之间施加电压。施加的电压可足以使得分析物在工作电极处经历电化学反应并从而生成可通过工作电极测量的安培电流。测量到的安培电流可提供指示分析物浓度的传感器读数(“结果”)。控制器150可操作天线170来将传感器读数传达回读取器180(例如，经由通信电路156)。可通过例如调制通信天线170的阻抗以使得阻抗中的调制被读取器180检测到来传达传感器读数。天线阻抗中的调制可通过例如来自天线170的反向散射辐射检测到。
在一些实施例中，系统100可进行操作来向可眼戴设备110非连续地(“间歇地”)供应能量以对控制器150和电子器件160供电。例如，可供应射频辐射171来足够长时间地对可眼戴设备110供电以执行泪膜分析物浓度测量并传达结果。例如，供应的射频辐射可提供充分的电力来在工作电极和参比电极之间施加足以引起工作电极处的电化学反应的电势，测量所产生的安培电流，并且调制天线阻抗来以指示测量到的安培电流的方式调整反向散射辐射。在这种示例中，供应的射频辐射171可被认为是从读取器180到可眼戴设备110的请求测量的询问信号。通过周期性地询问可眼戴设备110(例如，通过供应射频辐射171以临时开启设备)并且存储传感器结果(例如，经由数据存储装置183)，读取器180可在不连续地对可眼戴设备110供电供电的情况下随着时间的流逝而累积一组分析物浓度测量值。
图2A是示例可眼戴电子设备210(或眼科电子器件平台)的底视图。图2B是图2A中所示的示例可眼戴电子设备的侧视图(aspect view)。注意，图2A和2B中的相对尺寸不一定是按比例的，而只是在描述示例可眼戴电子设备210的布置时为了说明而给出的。可眼戴设备210由成形为弯曲盘的聚合物材料220形成。在一些实施例中，可眼戴设备210可以包括可眼戴设备110的在上文提及的方面中的一些或全部。在其它实施例中，可眼戴设备110还可以包括可眼戴设备210的在本文提及的方面中的一些或全部。
聚合物材料220可以是基本上透明的材料以允许在可眼戴设备210被安装到眼睛时入射光被传输到眼睛。聚合物材料220可以是与在验光中用于形成视力校正和/或美容接触镜片的那些类似的生物相容材料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)、聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)、聚羟乙基异丁烯酸酯(“polyHEMA”)、硅水凝胶、这些的组合，等等。聚合物材料220可形成为一侧具有适合安置在眼睛的角膜表面上的凹表面226。盘的相反侧可具有凸表面224，在可眼戴设备210被安装到眼睛时该凸表面224不干扰眼睑运动。圆形外侧边缘228连接凸表面224和凹表面226。
可眼戴设备210可具有与视力校正和/或美容接触镜片类似的尺寸，例如约1厘米的直径，以及约0.1到约0.5毫米的厚度。然而，该直径和厚度值只是为了说明而提供的。在一些实施例中，可眼戴设备210的尺寸可根据穿戴者的眼睛的角膜表面的大小和/或形状来选择。
聚合物材料220可以按各种方式形成为弯曲形状。例如，与用于形成视力校正接触镜片的那些类似的技术，例如热成型、注射成型、旋铸(spin casting)等等，可用于形成聚合物材料220。当可眼戴设备210被安装在眼睛中时，凸表面224向外面对周围环境，而凹表面226向内面朝角膜表面。凸表面224因此可被认为是可眼戴设备210的外部上表面，而凹表面226可被认为是内部下表面。图2A中所示的“底”视图是面对凹表面226的。从图2A中所示的底视图，靠近弯曲盘的外圆周的外周界222被弯曲为从页面向外延伸，而靠近盘的中心的中央区域221被弯曲为向页面内延伸。
基板230被嵌入在聚合物材料220中。基板230可被嵌入为位于沿着聚合物材料220的外周界222之处，远离中央区域221。基板230不干扰视觉，因为它太靠近眼睛以至于无法对焦并且被定位为远离中央区域221，在中央区域221处入射光被传输到眼睛的眼睛感测部分。另外，基板230可由透明材料形成以进一步减轻对视觉感知的影响。
基板230可被成形为平坦的圆环(例如，具有居中孔的盘)。基板230的平坦表面(例如，沿着径向宽度)是一个平台，用于安装诸如芯片之类的电子器件(例如，经由倒装芯片安装)并且用于将导电材料图案化(例如，经由诸如光刻、淀积、电镀等等之类的微细加工技术)以形成电极、(一个或多个)天线和/或互连。基板230和聚合物材料220可以是关于共同的中心轴大致柱对称的。基板230可具有例如约10毫米的直径、约1毫米的径向宽度(例如，外半径比内半径大1毫米)和约50微米的厚度。然而，这些尺寸只是为了示例而提供的，而绝不限制本公开。基板230可按多种不同的外形因数来实现，类似于以上联系图1对基板130的论述。
环状天线270、控制器250和生物交互电子器件260被安置在嵌入式基板230上。控制器250可以是包括被配置为操作生物交互电子器件260和环状天线270的逻辑元件的芯片。控制器250通过也位于基板230上的互连257电连接到环状天线270。类似地，控制器250通过互连251电连接到生物交互电子器件260。互连251、257、环状天线270和任何导电电极(例如，用于电化学分析物生物传感器等等)可由通过一种过程在基板230上图案化的导电材料形成，该过程用于精确地将这种材料图案化，例如淀积、光刻等等。在基板230上图案化的导电材料可例如是金、铂、钯、钛、碳、铝、铜、银、氯化银、由贵金属材料形成的导体、金属、这些的组合，等等。
如图2A中所示——其是面对可眼戴设备210的凸表面224的视图，生物交互电子器件260被安装到基板230的面对凸表面224的一侧。例如，在生物交互电子器件260包括分析物生物传感器的情况下，将这种生物传感器安装在基板230上面对凸表面224允许了生物传感器感测通过聚合物材料220中的沟道272(图2C和2D中所示)到凸表面224的泪膜中的分析物浓度。在一些实施例中，一些电子组件可被安装在基板230的一侧，而其它电子组件被安装到相反侧，并且两者之间的连接可通过穿过基板230的导电材料来作出。
环状天线270是沿着基板的平坦表面图案化以形成平坦导电环的一层导电材料。在一些情况中，可在不形成完整环的情况下形成环状天线270。例如，环状天线可具有切割处(cutout)以为控制器250和生物交互电子器件260让出空间，如图2A中所图示的。然而，环状天线270也可被布置为完全围绕基板230的平坦表面环绕一次或多次的连续的一条导电材料。例如，绕有多圈的一条导电材料可在基板230的与控制器250和生物交互电子器件260相反的那侧上图案化。随后可使得这种环绕的天线的末端(例如，天线引线)之间的互连穿过基板230到控制器250。
图2C是示例可眼戴电子设备210在安装到眼睛10的角膜表面22时的侧截面图。图2D是被增强来示出围绕示例可眼戴设备210的暴露表面224、226的泪膜层40、42的拉近(close-in)侧截面图。注意，图2C和2D中的相对尺寸不一定是按比例的，而只是在描述示例可眼戴电子设备210的布置时为了说明而给出的。例如，可眼戴设备的总厚度可以是约200微米，而泪膜层40、42的厚度可各自是约10微米，虽然此比率在图中可能没有反映出来。一些方面被夸大来允许图示和促进说明。
眼睛10包括角膜20，通过使上眼睑30和下眼睑32在眼睛10上方挨到一起而覆盖角膜20。入射光通过角膜20被眼睛10接收，其中光被光学引导至眼睛10的感光元素(例如，视杆和视锥等等)来刺激视觉感知。眼睑30、32的运动将泪膜分布在眼睛10的暴露角膜表面22上。泪膜是泪腺分泌来保护和润滑眼睛10的水溶液。当可眼戴设备210被安装在眼睛10中时，泪膜以内层40(沿着凹表面226)和外层42(沿着凸表面224)覆盖凹表面和凸表面224、226两者。泪膜层40、42的厚度可约为10微米并且一起占约10微升。
泪膜层40、42通过眼睑30、32的运动分布在角膜表面22和/或凸表面224上。例如，眼睑30、32分别提升和降低以将少量的泪膜散布在角膜表面22和/或可眼戴设备210的凸表面224上。角膜表面22上的泪膜层40还通过凹表面226与角膜表面22之间的毛细力来促进安装可眼戴设备210。在一些实施例中，由于面对眼睛的凹表面226的凹曲率，可眼戴设备210也可部分由对着角膜表面22的真空力而被保持在眼睛上方。
如图2C和2D中的截面图中所示，基板230可以倾斜以使得基板230的平坦安装表面与凸表面224的邻近部分大致平行。如上所述，基板230是具有向内表面232(面对聚合物材料220的凹表面226)和向外表面234(面对凸表面224)的平坦的环。基板230可具有安装到安装表面232、234的任一者或两者的电子组件和/或图案化的导电材料。如图2D中所示，生物交互电子器件260、控制器250和导电互连251被安装在向外表面234上以使得生物交互电子器件260面对凸表面224。
限定前侧的聚合物层厚度可以大于50微米，而限定后侧的聚合物层可以小于150微米。从而，生物交互传感器260可以与凸表面224相距至少50微米并且可以与凹表面226相距更大的距离。然而，在其它示例中，生物交互传感器260可以安装在基板230的向内表面232上以使得生物交互传感器260面向凹表面226。还可以将生物交互传感器260定位为与凸表面224相比更靠近凹表面226。利用这种布置，生物交互传感器160可接收通过沟道272的泪膜292中的分析物浓度。
图3是用于以电化学方式测量并显示泪膜分析物浓度的系统300的功能框图。系统300包括具有嵌入式电子组件的可眼戴设备310，所述嵌入式电子组件与读取器340进行通信并由读取器340供电。读取器340还可以被配置为与显示设备350进行通信。读取器340和可眼戴设备310可根据一种通信协议或标准进行通信，在图3中示出为协议1，并且读取器340和显示设备350可根据一种通信协议或标准进行通信，在图3中示出为协议2。在一些实施例中，协议1和协议2相同；而在其他实施例中，协议1与协议2不同。在特定实施例中，协议1是RFID协议而协议2是蓝牙协议、Wi-Fi协议或紫蜂协议中的任一种。在其他特定实施例中，协议1是蓝牙协议、Wi-Fi协议或紫蜂协议中的任一种。在另外其他的特定实施例中，协议2是有线协议，例如但不限于通用串行总线协议、注册插座(Registered Jack)协议(例如，RJ-25)或有线局域网协议(例如，以太网)。
可眼戴设备310包括用于捕捉来自读取器340的射频(RF)电力341的天线312。在一些实施例中，RF电力341和/或反向散射通信343可以根据一种通信标准或协议(例如图3中示出的协议1)来提供。
可眼戴设备310包括整流器314、能量存储装置316和调节器318，用于生成电力供应电压330、332来操作嵌入式电子器件。可眼戴设备310包括电化学传感器320，该电化学传感器320具有由传感器接口321驱动的工作电极322和参比电极323。可眼戴设备310包括硬件逻辑324，用于通过调制天线312的阻抗将来自传感器320的结果传达到读取器340。阻抗调制器325(在图3中象征性地示出为开关)可用于根据来自硬件逻辑324的指令来调制天线阻抗。与图1中示出的可眼戴设备110和图2中示出的可眼戴设备210类似，可眼戴设备310可包括嵌入在被配置为安装到眼睛的聚合物材料内的安装基板。
参考图3，电化学传感器320通过在电极322、323之间施加电压来测量分析物浓度，该电压足以使得由试剂催化的分析物的产物在工作电极322处发生电化学反应(例如，还原和/或氧化反应)。工作电极322处的电化学反应生成可在工作电极322处测量的安培电流。传感器接口321可例如在工作电极322与参比电极323之间施加还原电压来还原来自工作电极322处的试剂催化分析物的产物。额外地或替换地，传感器接口321可在工作电极322与参比电极323之间施加氧化电压来氧化来自工作电极322处的试剂催化分析物的产物。传感器接口321测量安培电流并且向硬件逻辑324提供输出。传感器接口321可包括例如连接到两个电极322、323的恒电势器以在工作电极322与参比电极323之间同时施加电压并且通过工作电极322测量所产生的安培电流。
整流器314、能量存储装置316和电压调节器318进行操作以从接收到的RF电力341采集能量。RF电力341在天线312的引线上引起射频电信号。整流器314连接到天线引线并且将射频电信号转换成DC电压。能量存储装置316(例如，电容器)跨接在整流器314的输出上以过滤掉DC电压的高频成分。电压调节器318接收过滤的DC电压并且输出数字供应电压330来操作硬件逻辑324并输出模拟供应电压332来操作电化学传感器320。例如，模拟供应电压可以是传感器接口321用来在传感器电极322、323之间施加电压以生成安培电流的电压。数字供应电压330可以是适用于驱动数字逻辑电路的电压，例如约1.2伏、约3伏，等等。从读取器340(或者另外的源，例如环境辐射等等)接收RF电力341使得供应电压330、332被供应到传感器320和硬件逻辑324。在被供电时，传感器320和硬件逻辑324被配置为生成并测量安培电流并且传达结果。
传感器结果可经由反向散射辐射343被从天线312传达回到读取器340。硬件逻辑324从电化学传感器320接收输出电流并且根据由传感器320测量到的安培电流来调制(325)天线312的阻抗。天线阻抗和/或天线阻抗的改变被读取器340经由反向散射信号343检测到。
读取器340可包括协议1前端342a和逻辑组件344以使用协议1进行通信、解码由反向散射信号343指示的信息、向处理系统346提供数字输入以及经由用户接口348接收输入和/或提供输出。协议1例如可以是RFID协议。在一些实施例中，可眼戴设备310中的一部分或全部可以被配置为执行RFID标签的一些或全部特征。例如，如图3中所示，可眼戴设备210的被示出为标签370的组件中的一些或全部可以执行RFID标签的一些或全部特征，例如天线312、整流器314、能量存储装置316、电压调节器318、硬件逻辑等等。
在一些实施例中，被示出为分开的功能块的特征中的一个或多个可被实现(“封装”)在单个芯片上。例如，可眼戴设备310可实现为整流器314、能量存储装置316、电压调节器318、传感器接口321和硬件逻辑324一起封装在单个芯片或控制器模块中。这种控制器可具有连接到环状天线312和传感器电极322、323的互连(“引线”)。这种控制器进行操作来采集在环状天线312处接收到的能量，在电极322、323之间施加足以形成安培电流的电压，测量安培电流，并且经由天线312指示测量到的电流(例如，通过反向散射辐射343)。
例如但不限于处理系统346或处理系统356的处理系统可以包括一个或多个处理器和一个或多个存储组件。(一个或多个)示例处理器包括但不限于CPU、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)。(一个或多个)示例存储组件包括但不限于易失性和/或非易失性存储组件，例如，光、磁、有机或其他存储器，盘存储装置；随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、光存储器单元和盘存储器。(一个或多个)存储组件可以被配置为存储软件和数据，例如被配置为当由处理系统的处理器执行时使得处理系统执行功能的计算机可读指令，所述功能例如但不限于本文描述的读取器240、可眼戴设备310和/或显示设备350的功能。
读取器340可以将反向散射信号343与传感器结果关联(例如，经由处理系统346根据将天线312的阻抗与来自传感器320的输出关联的预编程的关系)。然后，处理系统346可以将指示的传感器结果(例如，泪膜分析物浓度值)存储在本地存储器和/或外部存储器中(例如，通过与在显示设备350上的外部存储器进行通信或者通过网络与外部存储器进行通信)。
读取器340的用户接口348可以包括指示器，例如但不限于能够指示读取器340正在进行操作并且提供关于其状态的某些信息的一个或多个发光二极管(LED)。例如，读取器340可以被配置为具有LED，该LED在正常操作时显示一种颜色(例如，绿色)而在操作不正常时显示另一颜色(例如，红色)。在其它实施例中，与在空闲时相比，当在处理和/或传达数据时，(一个或多个)LED可以改变显示(例如在处理数据时周期性地开启和关闭，在空闲时始终保持开启或始终保持关闭)。
在一些实施例中，用户接口348的(一个或多个)LED中的一个或多个可以指示传感器数据的状态；例如，在传感器数据在(一个或多个)正常范围内或者不可用时不进行显示，在传感器数据在(一个或多个)正常范围之外但是不极其高或极其低时以第一颜色进行显示，并且在传感器数据极其高和/或极其低时以第二颜色进行显示。例如，如果传感器数据指示血糖水平极其高或极其低，则处理系统346可以指令用户接口348使用第二颜色进行显示。在特定实施例中，用户接口348可以包括扬声器或其他发声设备以准许读取器340生成声音；例如，如果传感器数据极其高和/或极其低，则其生成(一个或多个)警告声和/或(一个或多个)音调。
在一些实施例中，读取器340可具有一个或多个按钮和/或其他设备以接收输入。例如，读取器340可具有校准按钮以指示何时将生成校准数据。
在一些实施例中，读取器340还可以与除了可眼戴设备310/标签370之外的设备进行通信。例如，图3示出了在读取器340和显示设备350之间使用协议2的通信360。
为了与显示设备350进行通信，读取器340可包括协议2前端342b并且硬件逻辑344可被配置为使用协议2来使用协议2前端342b进行通信。在一些实施例中，处理系统346可被配置为包括和/或执行本文描述的硬件逻辑344的功能。
图3示出了显示设备350可包括协议2前端352、硬件逻辑354、处理系统356和用户接口(UI)358。硬件逻辑354可被配置为使用协议2来使用协议2前端352与至少读取器340进行通信。处理系统356可包括计算机可读执行指令，所述计算机可读执行指令在被执行时被配置为执行本文描述的显示系统350的功能中的一些或全部。在一些实施例中，处理系统356可被配置为包括和/或执行本文描述的硬件逻辑354的功能。UI 358可利用硬件和/或软件进行配置，所述硬件和/或软件被配置为呈现图像、文本、声音、触觉反馈等等，例如但不限于呈现与作为通信360的一部分从读取器180接收的数据相关的图像、文本、音频和/或视频信息。
在一些实施例中，显示设备350可包括协议3前端362。在这些实施例中，硬件逻辑354可被配置为使用协议3来使用协议3前端362以用于发送和接收与一个或多个其它设备(图3中未示出)的通信364。协议3可包括一个或多个无线协议，例如但不限于RFID协议、蓝牙协议、Wi-Fi协议、紫蜂协议、WiMax协议或无线广域网协议(例如，TDMA、CDMA、GSM、UMTS、EV-DO、LTE)，和/或一个或多个有线协议；有线协议例如但不限于通用串行总线协议、注册插座协议(例如，RJ-25)或有线局域网协议(例如，以太网)。在这些实施例中的特定一者中，可以组合协议2前端352和协议3前端362。
在利用协议3的实施例中，显示设备350可用于与一个或多个其他设备进行数据转发和/或桥接。在这些实施例中的特定一者中，所述一个或多个其他设备中的一个设备可以是被配置为运行用于从显示设备350收集数据的一个或多个应用的服务器；所述一个或多个应用例如云数据收集应用。
III.示例恒电势器
图4原理性地图示了示例恒电势器400。恒电势器400例如可以对应于图1中示出的传感器接口152或图3中示出的传感器接口321，或被包括在其之中。这样，恒电势器400可以是可体戴设备例如可眼戴设备的一部分。替换地，恒电势器400可以被包括在某种其他类型的设备或系统中。
恒电势器400可以发挥功能以在电化学传感器的工作电极上(例如，相对于参比电极)保持期望电压且同时还测量通过工作电极的输入电流。输入电流可以由与分析物相关的氧化或还原反应产生。在图4中，工作电极被表示为输入电流(Iin)的电流源402。因而，恒电势器400中的“接地”可以与参比电极对应。
恒电势器400包括耦合到工作电极(电流源402)的电流镜404。电流镜404被配置为产生与输入电流(Iin)成镜像的镜像电流(Imirror)。镜像电流与输入电流相关以使得输入电流的改变由镜像电流的改变反映。在一些示例中，镜像电流约等于输入电流。在其他示例中，镜像电流等于输入电流乘以缩放因子和/或加上固定偏移。如示出的，电流镜404包括连接到供应电压(Vsupply)的两个电流路径。输入电流流经第一电流路径，并且镜像电流流经第二电流路径。在该示例中，第一电流路径包括串联的场效应晶体管406和408，并且第二电流路径包括串联的场效应晶体管410和412。然而，要理解，电流镜404的这种配置仅是一个可能的示例。一般地，电流镜404在每个电流路径中可包括更多或更少数量的晶体管，并且晶体管可以是场效应晶体管或某种其他类型的晶体管。
恒电势器400还包括被配置为基于参比电压(Vref)保持工作电极上的电压的电压调节器。如示出的，电压调节器呈差分放大器414的形式。差分放大器414具有连接到参比电压(Vref)的反相输入和连接到工作电极(电流源402)的非反相输入。差分放大器414的输出连接到场效应晶体管406的栅极和场效应晶体管410的栅极。场效应晶体管408和412的栅极连接到固定偏置电压(Vbias)。以这种方式，差分放大器414的输出与固定偏置电压(Vbias)组合来控制电流镜404，以使得在工作电极处的电压等于(或几乎等于)参比电压(Vref)。
在恒电势器400中，由无源积分器对镜像电流(Imirror)进行积分，无源积分器在图4中示出为电容器416。从而，当电容器146正被镜像电流充电时，电容器两端的电压以与镜像电流的大小(magnitude)相关的速率增加。如在下面更详细地论述地，电容器416还可以由控制电流(Icontrol)放电。当电容器146正被控制电流放电时，电容器两端的电压以与控制电流的大小和镜像电流的大小之间的差相关的速率减小。随着对电容器416充电和放电的交替周期，电容器电压(Vcap)以锯齿图案波动，如图5中所示。
恒电势器400还包括Σ-Δ模数转换器418，该Σ-Δ模数转换器418产生数字输出(dout)，该dout代表镜像电流(Imirror)的大小并且因此代表输入电流(Iin)的大小。如示出的，Σ-Δ模数转换器418包括比较器420、电流源422和计数器424。
比较器420具有耦合到电容器416的一个输入和耦合到比较电压(Vcomp)的另一输入。比较电压可以例如等于参比电压(Vref)。利用这种布置，比较器420被配置为基于电容器电压(Vcap)相对于比较电压(Vcomp)的变化来输出波形。所述波形可以在第一电压电平(例如，逻辑低电平)和第二电压电平(例如，逻辑高电平)之间交替。当电容器电压(Vcap)增加到高于比较电压(Vcomp)的电平时，比较器420的输出可以从第一电压电平转变到第二电压电平。当电容器电压(Vcap)减小到低于比较电压(Vcomp)的电平时，比较器420的输出可以从第二电压电平转变到第一电压电平。图5示出了来自比较器420的电压输出(Vout)可以如何响应于电容器电压(Vcap)的变化而变化的示例。
电流源422和计数器424接收比较器420输出的波形作为输入。电流源422被配置为基于所述波形提供控制电流(Icontrol)。在示例中，电流源422是一位(one-bit)的电流数模转换器。从而，电流源422可以按基于从比较器420输出的波形的占空比使控制电流在第一电流电平和第二电流电平之间交替。第一电流电平可以是在从比较器420输出的波形在第一电压电平(例如，逻辑低电平)时电流源422提供的低电流电平(例如，零电流)。第二电流电平可以是在从比较器420输出的波形在第二电压电平(例如，逻辑高电平)时电流源422提供的高电流电平(Ihigh)。
图5图示了在其中控制电流(Icontrol)响应于Vout(比较器420的输出)的变化在低电平(Icontrol＝0)和高电平(Icontrol＝Ihigh)之间变化的示例，其中Vout的变化转而基于Vcap(电容器416两端的电压)的变化。当Icontrol为零(并且Vout在低电平)时，电容器416被Imirror充电，并且Vcap以与Imirror的大小相关的速率增加。Vcap增加直到其到达使得Vout从低电平转变到高电平的高于Vcomp的电平。图5示出这样的转变发生在时间t1、t3和t5。Vout从低电平到高电平的转变使得控制电流增加到高电平(Icontrol＝Ihigh)。这转而使得电容器放电。从而，Vcap以与控制电流和镜像电流之间大小的差(Ihigh–Imirror)相关的速率减小。Vcap减小直到其到达使得Vout从高电平转变到低电平的低于Vcomp的电平。图5示出这样的转变发生在时间t2、t4和t6。Vout从高电平到低电平的转变使得控制电流减小到低电平(Icontrol＝0)。
随着控制电流(Icontrol)在零和Ihigh之间变化，如图5中所示，控制电流(Icontrol)的时间平均值将等于镜像电流(Imirror)，并且因此与来自工作电极的输入电流(Iin)相关。为了测量控制电流的时间平均值，计数器424被配置为检测在比较器420生成的波形(Vout)中的特定特征，比如波形中的向上转变或向下转变，并对在预定采样时段期间在波形中的特定特征出现的次数进行计数。预定采样时段可以是在其期间来自工作电极的输入电流相对稳定并且因此镜像电流相对稳定的任何时间段。在一些示例中，预定采样时段可以在0.01到1.0秒之间。例如，预定采样时段可以是0.1秒。
由计数器424提供的数字输出(dout)可以与在预定采样时段结束时的计数对应。以这种方式，dout的值代表镜像电流(Imirror)的大小并且因此代表来自工作电极的输入电流(Iin)的大小。假设Iin等于Imirror，则dout和Iin之间的关系如下地取决于最大的可能的数字输出(dmax)和控制电流的高电平的值(Ihigh)：Iin＝(dout/dmax)Ihigh。
然而，要理解，Iin和Ihigh之间的上述关系仅是一个可能的示例。例如，电流源422可以是归零(return-to-zero，RTZ)DAC。在该情况下，对于逻辑高输入，RTZ DAC产生具有特定占空比(D)的开始在低电平(例如，零)、去到高电平(Ihigh)然后回到低电平的电流脉冲。从而，对于最大的可能的数字输出(dmax)的Icontrol的时间平均值(其与Imirror对应)将等于高电流电平(Ihigh)乘以DAC占空比(D)。在该示例实现方式中，假设Iin等于Imirror，则dout和Iin之间的关系如下：Iin＝D(dout/dmax)Ihigh。
在一些示例中，Imirror不等于Iin，而是系统性地比Iin大或比Iin小。例如，电流镜404可以被设计为使得镜像电流(Imirror)等于输入电流(Iin)乘以(一个或多个)缩放因子(s)。在一些实现方式中，s例如可以小于1(s<1)，以减小电力消耗。在其他实现方式中，s例如可以大于1(s>1)，以增加测量的精度。
来自计数器424的数字输出(dout)可以被提供给其他组件，例如，用来计算例如葡萄糖的分析物的浓度。例如，利用与图3中示出的传感器接口321对应的恒电势器400，逻辑电路324可接收数字输出(dout)并调制天线312的阻抗来将该数字输出传达到读取器340。读取器340然后可以基于该数字输出计算分析物浓度。替换地，读取器340可将该数字输出传达到显示设备350，并且显示设备350可基于该数字输出计算分析物浓度。
IV.示例操作
图6是示例方法600的流程图。方法600可以与由恒电势器执行的操作对应，恒电势器例如是图4中所示并且在上面描述的恒电势器400。
方法600可在框610处开始。在框610处，电流镜(例如，电流镜404)从电化学传感器的工作电极接收输入电流。所述输入电流可来自与电化学传感器被暴露于的流体中的分析物相关的氧化或还原反应。从而，输入电流的测量值可与流体中的分析物的浓度相关。
在框620处，电流镜产生与输入电流成镜像的镜像电流。镜像电流可以等于或基本上等于(例如，在测量过程的分辨率(resolution)内等于)输入电流。替换地，镜像电流可以与输入电流不同达固定偏移和/或缩放因子，固定偏移和/或缩放因子可以在单独的校准过程中确定。从而，在输入电流和镜像电流之间可存在已知的关系。
在框630处，电流源基于波形提供控制电流。在示例中，电流源可以是一位的电流DAC，例如图4中所示的电流源422。所述波形可以在使得电流源提供在第一电平的控制电流(例如，零电流)的逻辑低电平和使得电流源提供在第二电平的控制电流(例如，Ihigh)的逻辑高电平之间交替。图5图示了波形(Vout)和控制电流(Icontrol)之间的示例关系。然而，要理解，波形和/或控制电流可以以其他方式变化。另外，电流源可以被配置为不是一位的电流DAC。
在框640处，电容器(例如，电容器416)响应于至少镜像电流和控制电流产生电容器电压。在示例中，镜像电流和控制电流可使得电容器电压以锯齿图案进行波动，如图5中所示。在该示例中，作为电容器被镜像电流充电的结果，电容器在第一时间段期间产生增加的电容器电压，而作为电容器被控制电流放电的结果，电容器在第二时间段期间产生减小的电容器电压。
在框650处，比较器(例如，比较器420)基于电容器电压相对于比较电压的变化生成波形。图5图示了电容器电压(Vcap)和比较器生成的波形(Vout)之间的示例关系。在该示例中，所述波形在第一电压电平(例如，逻辑低电平)和第二电压电平(例如，逻辑高电平)之间变化，其中在电容器电压增加到高于比较电压的电平时比较器从第一电压电平转变到第二电压电平而在电容器电压减小到低于比较电压的电平时比较器从第二电压电平转变到第一电压电平。
在框660处，计数器(例如，计数器424)基于在预定采样时段期间在波形中的特定特征出现的次数提供数字输出。在波形在第一电压电平和第二电压电平之间变化的情况下，波形中的特定特征可以是从第一电压电平到第二电压电平的向上转变或从第二电压电平到第一电压电平的向下转变。计数器可以检测每个这样的向上或向下转变，并且响应地，递增对这样的转变的数量的计数。以这种方式，计数器可以对在预定采样时段期间出现的向上或向下转变的数量进行计数，并且在预定采样时段结束时基于计数提供数字输出。所述数字输出从而可以代表镜像电流的大小并且因此可以代表来自工作电极的输入电流的大小。
在一些示例中，方法600还可以涉及电压调节器基于参比电压(Vref)保持工作电极上的电压。所述电压调节器可以是例如差分放大器，该差分放大器具有连接到参比输入的反相输入、连接到工作电极的非反相输入和连接到电流镜的输出。所述输出控制电流镜以使得在工作电极处的电压基本上等于参比电压(例如，在差分放大器的有限增益和输入偏移的限制内等于)。例如，如图4中所示，差分放大器414通过将输出提供到场效应晶体管406和410的栅极来控制电流镜404。
在电压调节器在工作电极上保持基本上等于参比电压(Vref)的电压的示例中，由比较器使用的比较电压还可以基本上等于参比电压(Vref)。从而，工作电极上的电压可以固定在Vref而电容器电压(Vcap)在高于Vref的电平和低于Vref的电平之间波动，作为测量过程的结果。波动相对于Vref可以是小的。此外，电流镜可以使工作电极从电容器电压(Vcap)的波动屏蔽开。
V.结论
尽管在本文已经公开了各个方面和实施例，但是本领域技术人员将明了其他方面和实施例。本文公开的各个方面和实施例出于说明的目的而不打算进行限制，其中真实的范围由随附权利要求指示。
另外，在涉及与人或人的设备相关的信息的示例实施例的情况下，一些实施例可以包括隐私控制。这样的隐私控制至少可以包括设备标识符的匿名化、透明化以及用户控制，包括将使得用户能够更改或删除与用户对产品的使用相关的信息的功能。
在本文所论述的实施例收集关于用户的个人信息或者可以使用个人信息的情形下，可以向用户提供这样的机会：控制程序或特征是否收集用户信息(例如，关于用户的病史、社交网络、社交动作或活动、职业、用户的偏好或用户的当前位置的信息)，或者控制是否和/或如何从内容服务器接收可能与用户更相关的内容。此外，某些数据可以在其被存储或使用之前被以一种或多种方式处理，从而移除个人可识别信息。例如，用户的身份可以被处理以使得针对用户不能确定个人可识别信息。从而，用户可以控制如何收集以及使用关于用户的信息。

Claims (19)

1.一种用于模数转换的系统，包括：
传感器的工作电极，其中，所述工作电极被配置为产生输入电流；
电流镜，耦合到所述工作电极，其中，所述电流镜被配置为产生与所述输入电流成镜像的镜像电流；
电压调节器，耦合到所述工作电极和电流镜，其中，所述电压调节器被配置为基于参比电压保持所述工作电极上的电压；
电流源，被配置为提供控制电流；
电容器，耦合到所述电流镜和电流源，其中，所述电容器被配置为响应于所述镜像电流和控制电流产生电容器电压；
比较器，耦合到所述电容器，其中，所述比较器被配置为基于所述电容器电压相对于比较电压的变化来输出波形；以及
计数器，耦合到所述比较器，其中，所述计数器被配置为检测从所述比较器输出的波形中的一个特征并基于在预定采样时段期间所述波形中的特征出现的次数提供数字输出，
其中，所述电流镜包括：
在电压供应源和所述工作电极之间的第一电流路径；
在所述电压供应源和所述电容器之间的第二电流路径；
在所述第一电流路径中串联的第一晶体管和第二晶体管；以及
在所述第二电流路径中串联的第三晶体管和第四晶体管，
其中，所述电压调节器包括差分放大器，所述差分放大器具有连接到所述参比电压的反相输入、连接到所述工作电极的非反相输入和连接到第一晶体管的栅极和第三晶体管的栅极的输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电流源耦合到所述比较器并且被配置为基于从所述比较器输出的所述波形来提供所述控制电流。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电流源被配置为基于从所述比较器输出的所述波形以一占空比使所述控制电流在第一电流电平和第二电流电平之间交替。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述比较器被配置为输出在第一电压电平和第二电压电平之间的所述波形，使得在所述电容器电压增加到高于所述比较电压的电平时所述波形从所述第一电压电平转变到所述第二电压电平而在所述电容器电压减小到低于所述比较电压的电平时从所述第二电压电平转变到所述第一电压电平。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述比较电压等于所述参比电压。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述电流源被配置为在所述波形在所述第一电压电平时提供在所述第一电流电平的控制电流并在所述波形在所述第二电压电平时提供在所述第二电流电平的控制电流。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，在所述第一电流电平的控制电流足以允许所述电容器充电从而所述电容器电压以与所述镜像电流相关的速率增加，并且其中，在所述第二电流电平的控制电流足以使得所述电容器放电从而所述电容器电压减小。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述电流源包括数模转换器。
9.根据权利要求4所述的系统，其中，所述特征是在所述波形中的从所述第一电压电平到所述第二电压电平的转变。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述预定采样时段在0.01秒到1.0秒之间。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器是电化学传感器或分析物生物传感器。
12.一种用于模数转换的方法，包括：
由电流镜接收来自传感器的工作电极的输入电流；
由所述电流镜产生与所述输入电流成镜像的镜像电流；
由电压调节器基于参比电压保持所述工作电极上的电压；
由电流源基于波形提供控制电流；
由电容器响应于所述镜像电流和控制电流产生电容器电压；
由比较器基于所述电容器电压相对于比较电压的变化来生成所述波形；以及
由计数器基于在预定采样时段期间所述波形中的一个特征出现的次数提供数字输出，
其中，所述电流镜包括：
在电压供应源和所述工作电极之间的第一电流路径；
在所述电压供应源和所述电容器之间的第二电流路径；
在所述第一电流路径中串联的第一晶体管和第二晶体管；以及
在所述第二电流路径中串联的第三晶体管和第四晶体管，
其中，电压调节器包括差分放大器，所述差分放大器具有连接到所述参比电压的反相输入、连接到所述工作电极的非反相输入和连接到第一晶体管的栅极和第三晶体管的栅极的输出。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电流镜包括晶体管，其中，所述电压调节器包括差分放大器，所述差分放大器具有连接到所述参比电压的反相输入、连接到所述工作电极的非反相输入和连接到所述晶体管的栅极的输出。
14.根据权利要求12所述的方法，由电容器响应于所述镜像电流和控制电流产生电容器电压包括：
由所述电容器在第一时间段期间产生增加的电容器电压；以及
由所述电容器在第二时间段期间产生减小的电容器电压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在第一时间段期间的增加的电容器电压由所述镜像电流对所述电容器进行充电产生，并且其中，在第二时间段期间的减小的电容器电压由所述控制电流对所述电容器进行放电产生。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述波形包括从第一电压电平到第二电压电平的转变和从第二电压电平到第一电压电平的转变，并且其中，由所述比较器基于所述电容器电压相对于比较电压的变化生成所述波形包括：
在所述电容器电压增加到高于所述比较电压的电平时，由所述比较器从所述第一电压电平转变到所述第二电压电平；以及
在所述电容器电压减小到低于所述比较电压的电平时，由所述比较器从所述第二电压电平转变到所述第一电压电平。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，由电流源基于波形来提供控制电流包括：
当所述波形在所述第一电压电平时，由所述电流源提供在第一电流电平的控制电流；以及
当所述波形在所述第二电压电平时，由所述电流源提供在第二电流电平的控制电流。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述波形中的所述特征是从所述第一电压电平到所述第二电压电平的向上转变或从所述第二电压电平到所述第一电压电平的向下转变中的一者，并且其中，由所述计数器基于在预定采样时段期间在所述波形中的所述特征出现的次数提供数字输出包括：
由所述计数器对在所述预定采样时段期间出现在所述波形中的向上转变或向下转变的数量进行计数。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述传感器是电化学传感器或分析物生物传感器。
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