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HINTERGRUND
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Sensorsysteme zur Verwendung mit Insassentragvorrichtungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung piezoelektrische und kapazitive Sensorsysteme.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet oder weist auf eine Insassentragvorrichtung einen Fahrzeugsitz und ein mit dem Fahrzeugsitz gekoppeltes Sensorsystem. Das Sensorsystem ist ausgelegt zum Liefern oder Bereitstellen biometrischer Daten eines Insassen des Fahrzeugsitzes.
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Bei veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsformen beinhalten die biometrischen Daten Daten eines piezoelektrischen Sensors und Daten eines kapazitiven Sensors. Das Sensorsystem beinhaltet oder weist auf einen ersten Sensor, der eine erste metallische Elektrode, eine zweite metallische Elektrode und ein zwischen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode positioniertes piezoelektrisches Element aufweist.
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Bei veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsformen beinhalten die Daten des piezoelektrischen Sensors Ballistokardiogrammdaten oder Schalldaten. Bei veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsformen geben die Daten des piezoelektrischen Sensors eine Spannung über dem piezoelektrischen Element zwischen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode an.
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Bei veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsformen beinhalten die Daten des kapazitiven Sensors Elektrokardiogrammdaten. Bei veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsformen geben die Daten des kapazitiven Sensors eine kapazitive Kopplung zwischen der ersten metallischen Elektrode und dem Insassen des Fahrzeugsitzes an. Bei veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet das Sensorsystem einen zweiten Sensor, der eine erste metallische Elektrode, eine zweite metallische Elektrode und ein zwischen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode positioniertes piezoelektrisches Element aufweist, und wobei die Daten des kapazitiven Sensors eine erste Spannung zwischen der ersten metallischen Elektrode des ersten Sensors und der ersten metallischen Elektrode des zweiten Sensors angeben. Bei veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsformen ist die erste Spannung von einer zweiten Spannung über dem piezoelektrischen Element des ersten Sensors galvanisch getrennt. Bei veranschaulichenden Ausführungsformen ist das Sensorsystem ausgelegt zum Kurzschließen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode in einem kapazitiven Erfassungsmodus.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren zum Messen biometrischer Daten eines Insassen eines Fahrzeugsitzes ein Messen von Daten eines piezoelektrischen Sensors mit einem Sensorsystem, das mit dem Fahrzeugsitz gekoppelt ist,
wobei das Sensorsystem einen ersten Sensor aufweist, der eine erste metallische Elektrode, eine zweite metallische Elektrode und ein zwischen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode positioniertes piezoelektrisches Element aufweist, und wobei die Daten des piezoelektrischen Sensors eine Spannung über dem piezoelektrischen Element angeben, und
ein Messen von Daten eines kapazitiven Sensors mit dem Sensorsystem, wobei die Daten des kapazitiven Sensors eine kapazitive Kopplung zwischen der ersten metallischen Elektrode und dem Insassen des Fahrzeugsitzes angeben. Bei veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet Messen der Daten des kapazitiven Sensors Kurzschließen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode. Bei veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren ferner Kombinieren der Daten des piezoelektrischen Sensors und der Daten des kapazitiven Sensors zum Erzeugen biomedizinischer Daten des Insassen.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann bei Einbezug veranschaulichender Ausführungsformen, die die beste zurzeit erkannte Weise zum Ausführen der Offenbarung beispielhaft verdeutlichen, offensichtlich werden.
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Figurenliste
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Die ausführliche Beschreibung bezieht sich insbesondere auf die begleitenden Figuren, bei welchen Folgendes gilt:
- 1 ist eine perspektivische und diagrammartige Ansicht eines Sensorsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung, das mit einer Insassentragvorrichtung gekoppelt ist, nahelegend, dass das Sensorsystem mehrere Sensoren, die ausgelegt sind zum Messen physiologischer Daten eines Insassen, der auf der Insassentragvorrichtung positioniert ist, und ein mit den Sensoren gekoppeltes Steuerungssystem beinhaltet;
- 2 ist eine perspektivische Rückansicht des Sensorsystems, gekoppelt mit der Insassentragvorrichtung, die das in einem Rückteil der Insassentragvorrichtung eingehäuste Steuerungssystem zeigt;
- 3 ist eine diagrammartige Ansicht des Sensorsystems von 1 und 2; und
- 4 ist ein vereinfachtes Ablaufdiagramm, das ein Verfahren für Sensorabtastung veranschaulicht, das durch das Sensorsystem von 1-3 ausgeführt werden kann.
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AUSFÜHIZLICHE BESCHREIBUNG
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Ein Sensorsystem 14 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eingerichtet zur Verwendung mit einer Insassentragvorrichtung 10, wie etwa beispielsweise einem Sitz, wie in 1 und 2 gezeigt ist. Die Insassentragvorrichtung 10 kann in einem Fahrzeug enthalten sein oder die Insassentragvorrichtung 10 kann eine beliebige Insassentragvorrichtung 10 sein, die ausgelegt ist zum Tragen eines Insassen.
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Wie in 1 und 2 gezeigt ist, beinhaltet die Insassentragvorrichtung 10 mehrere Sensoren 12, welche ausgelegt sein können zum Messen von Insassenphysiologie und von Informationen über die umgebende Umwelt. Die Sensoren 12 können in eine oder mehrere Komfortschichten der Insassentragvorrichtung 10 integriert oder anderweitig an diesen angebracht sein oder anderweitig in der Insassentragvorrichtung 10 integriert sein. Veranschaulichend sind die Sensoren 12 voneinander beabstandet und befinden sich in einer unteren Abdeckung und in einer Rückabdeckung der Insassentragvorrichtung 10. Zusätzlich kann die Insassentragvorrichtung 10 eine andere Anzahl und/oder Anordnung von Sensoren 12 aufweisen. Das Sensorsystem 14 empfängt Signale von den Sensoren 12. Das Sensorsystem 14 kann Insassengesundheitszustandsdaten, die physiologische Charakteristika eines Insassen angeben, und/oder Insassenzustandsdaten, die einen Zustand des Insassen angeben, auf Grundlage von Signalen von den Sensoren 12 bestimmen.
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Wir beziehen uns nun auf 3, wo drei veranschaulichende Sensoren 12a, 12b, 12c gezeigt sind. Jeder Sensor 12 weist eine obere Elektrode 16, ein piezoelektrisches Element 18 und eine untere Elektrode 20 auf. Jede der Elektroden 16, 20 kann als eine metallische Platte oder ein anderes leitendes Element umgesetzt sein. Bei einigen Ausführungsformen können die Elektroden 16, 20 in einer beliebigen Orientierung installiert sein, obgleich sie als eine obere Elektrode 16 und eine untere Elektrode 20 veranschaulicht sind. Das piezoelektrische Element 18 ist zwischen den Elektroden 16, 20 und in Kontakt mit diesen positioniert und kann als eine piezoelektrische Folie oder als ein anderes Element, das ein piezoelektrisches Material aufweist, umgesetzt sein. Veranschaulichend beinhaltet das piezoelektrische Element 18 eine piezoelektrische Folie, die aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) hergestellt ist. Das piezoelektrische Element 18 erzeugt eine Ausgangsspannung, die von der dynamischen Kraft-/Druckänderung, die auf das piezoelektrische Element 18 ausgeübt wird, abhängt.
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Wie gezeigt, sind die Sensoren 12a, 12b, 12c jeweils mit einer entsprechenden Ballistokardiographieeinheit bzw. BKG-Einheit 22a, 22b, 22c gekoppelt. Die untere Elektrode 20 von jedem Sensor 12 ist mit einer gemeinsamen Masse für das BKG 24 verbunden. Die BKG-Einheiten 22 können in einem beliebigen Mikrocontroller, Mikroprozessor, System-auf-einem-Chip (SoC), einer elektronischen Steuereinheit (ECU), einem digitalen Signalprozessor oder in einer anderen Steuerschaltung und verwandter Elektronik (z. B. analoge/digitale Eingänge, Signalaufbereitungsstufen, Verstärker und/oder andere Schaltungsanordnungen), die fähig zum Durchführen der hier beschriebenen Operationen sind, umgesetzt oder anderweitig in solchen integriert sein. Bei manchen Ausführungsformen können die BKG-Einheiten 22 in dem Sensorsystem 14 enthalten sein, mit diesem gekoppelt sein oder anderweitig von diesem gesteuert werden.
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Jede BKG-Einheit 22 misst die Spannung über dem entsprechenden Sensor 12, welche von einer mechanischen Deformation des Sensors 12 abhängt. Beispielsweise wird, basierend auf auf das piezoelektrische Element 18 ausgeübten Kraft-/Druckänderungen, eine Ladung erzeugt, welche mit einem Ladungsverstärker gemessen werden kann. Die von jeder BKG-Einheit 22 gemessenen Sensordaten können biomedizinische Daten angeben, wie etwa Pulsfrequenz und Atmungsfrequenz eines Insassen der Insassentragvorrichtung 10. Beispielsweise können die Sensordaten Mikrobewegungen angeben, die von Blutpulsierung verursacht werden. Als ein anderes Beispiel können die von jeder BKG-Einheit 22 gemessenen Sensordaten von dem Sensor 12 erfahrene Schallvibrationen angeben.
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Wie gezeigt, ist die obere Elektrode 16 der Sensoren 12a, 12b, 12c mit einer Elektrokardiographieeinheit bzw. EKG-Einheit 26 gekoppelt. Ähnlich den BKG-Einheiten 22 kann die EKG-Einheit 26 in einem beliebigen Mikrocontroller, Mikroprozessor, System-auf-einem-Chip (SoC), einer elektronischen Steuereinheit (ECU), einem digitalen Signalprozessor oder in einer anderen Steuerschaltung und verwandter Elektronik (z. B. analoge/digitale Eingänge, Signalaufbereitungsstufen, Verstärker und/oder andere Schaltungsanordnungen), die fähig zum Durchführen der hier beschriebenen Operationen sind, umgesetzt oder anderweitig in solchen integriert sein. Bei manchen Ausführungsformen kann die EKG-Einheit 26 in dem Sensorsystem 14 enthalten sein, mit diesem gekoppelt sein oder anderweitig von diesem gesteuert werden.
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Die EKG-Einheit 26 misst die Spannungsdifferenz zwischen oberen Elektroden 16 von verschiedenen Sensoren 12. Veranschaulichend misst die EKG-Einheit 26 die Spannungsdifferenz zwischen den oberen Elektroden 16 der Sensoren 12a, 12c im Vergleich zu einer am Sensor 12b gemessenen Referenzspannung. Die gemessene Spannung der oberen Elektroden 16 gibt eine Spannung an, die von der Haut eines Insassen der Insassentragvorrichtung 10 und der oberen Elektrode 16 über kapazitive Kopplung übertragen wird. In dieser Ausgestaltung fungieren die Haut des Insassen und die obere Elektrode 16 als Platten eines Kondensators und das Material zwischen der Haut des Insassen und der oberen Elektrode 16 (z. B. Bekleidung, Fahrzeugsitzverkleidung, Luft usw.) fungiert als ein Dielektrikum des Kondensators. Die von der EKG-Einheit 26 gemessenen Sensordaten geben somit Spannungsdifferenzen zwischen verschiedenen Stellen auf der Haut des Insassen an, was biomedizinische Daten, wie etwa Pulsfrequenz und/oder Atemfrequenz des Benutzers angeben kann.
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Von den BKG-Einheiten 22 und der EKG-Einheit 26 gemessene Signale können getrennt werden, um eine Wechselwirkung zu verhindern, welche piezoelektrische Spannungen daran hindern kann, kapazitive Spannungen zu dominieren. Bei manchen Ausführungsformen können Signalaufbereitungsstufen der BKG-Einheiten 22 von einer Signalaufbereitungsstufe der EKG-Einheit 26 galvanisch getrennt sein, so dass piezoelektrische Spannungen (z. B. Spannungen über dem piezoelektrischen Element 18) kapazitive Spannungen (z. B. zwischen oberen Elektroden 16 gemessene Spannungen) nicht beeinflussen. Zusätzlich oder alternativ können die Elektroden 16, 20 in manchen Ausführungsformen miteinander kurzgeschlossen werden, wenn eine kapazitive Spannung gemessen wird. Unter diesem Umstand ist die piezoelektrische Spannung (d. h. Spannungen über dem piezoelektrischen Element 18) null und dominiert somit nicht die kapazitive Spannung. Da die Elektroden 16, 20 miteinander kurzgeschlossen werden, kann zusätzlich unabhängig von der Orientierung des Sensors 12 (d. h. unabhängig davon, welche Elektrode 16, 20 sich näher am Insassen befindet) jedwede Elektrode 16, 20 zum Messen der kapazitiven Spannung verwendet werden.
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Durch die BKG-Einheiten 22 und die EKG-Einheit 26 gemessene Sensordaten können kombiniert werden, um die Genauigkeit von biomedizinischen Signalen, wie etwa Pulsfrequenz und Atemfrequenz, zu verbessern. Beispielsweise können mathematische (z. B. Korrelation) und Signalverarbeitungsoperationen auf die verschiedenen Signale angewandt werden, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Zusätzlich weisen die BKG-Einheiten 22 und die EKG-Einheit 26 aufgrund unterschiedlicher, unabhängiger physikalischer Eigenschaften möglicherweise unterschiedliche Störempfindlichkeiten auf. Beispielsweise wird die EKG-Einheit 26 möglicherweise nicht durch Vibrationsstörungen beeinträchtigt und die BKG-Einheiten 22 werden möglicherweise nicht durch äußere elektrische Felder beeinträchtigt. Dementsprechend können die sowohl aus den Daten des piezoelektrischen Sensors als auch den Daten des kapazitiven Sensors erzeugten biomedizinischen Signale im Vergleich mit einem Referenzsensorsystem eine Korrelationsrate von mehr als 90% aufweisen. Zusätzlich können die Sensoren 12 durch Verwendung derselben Sensoren 12 zum Durchführen von sowohl piezoelektrischem als auch kapazitivem Erfassen im Vergleich zur Verwendung von Einzelsensoren für jede Erfassungsart die Gesamtsystemkomplexität und/oder -kosten verringern.
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Im Gebrauch kann, wie in 4 gezeigt ist, ein Verfahren 100 zum Messen von Sensordaten mit den Sensoren 12 ausgeführt werden. Beispielsweise kann das Verfahren 100 als verschiedene auf einem computerlesbaren Medium gespeicherte Anweisungen umgesetzt sein, die durch einen Controller des Sensorsystems 14 ausgeführt werden können (z. B. einschließlich oder anderweitig die BKG-Einheit 22 und/oder die EKG-Einheit 26 steuernd), um den Controller zum Durchführen des Verfahrens 100 zu veranlassen. Das computerlesbare Medium kann als eine beliebige Art von Medium, das dazu in der Lage ist, durch den Controller ausgelesen zu werden, umgesetzt sein, einschließlich unter anderem als ein Arbeitsspeicher, eine Datenspeichervorrichtung, Firmwarevorrichtungen, Mikrocode andere Arbeitsspeicher oder andere Datenspeichervorrichtungen.
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Das Verfahren 100 beginnt in Block 102, bei dem die BKG-Einheiten 22 Daten des piezoelektrischen Sensors messen. Um die Daten des piezoelektrischen Sensors zu messen, misst in Block 104 jede BKG-Einheit 22 Spannungen über dem piezoelektrischen Element 18 von jedem Sensor 12. Die BKG-Einheit 22 misst die Spannung unter Verwendung der Elektroden 16, 20 von jedem Sensor 12. Wie oben beschrieben, können die von jeder BKG-Einheit 22 gemessenen Sensordaten biomedizinische Daten angeben, wie etwa Pulsfrequenz oder Atmungsfrequenz eines Insassen der Fahrzeugtragvorrichtung 10. Beispielsweise können die Sensordaten Mikrobewegungen angeben, die von Blutpulsierung verursacht werden. Als ein anderes Beispiel können die von jeder BKG-Einheit 22 gemessenen Sensordaten von dem Sensor 12 erfahrene Schallvibrationen angeben.
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Bei Block 106 misst die EKG-Einheit 26 Daten des kapazitiven Sensors. Um die Daten des kapazitiven Sensors zu messen, misst die EKG-Einheit 26 bei Block 108 die Spannung zwischen einer Elektrode (z. B. der oberen Elektrode 16 oder der unteren Elektrode 20) von mehreren Sensoren 12. Bezugnehmend auf 3 kann die EKG-Einheit 26 in einer veranschaulichenden oder beispielhaften Ausführungsform beispielsweise die Spannung zwischen der Elektrode 16 des Sensors 12a und der Elektrode 16 des Sensors 12b messen. Bei manchen Ausführungsformen können die Elektroden 16, 20 des Sensors 12 bei Block 110 miteinander kurzgeschlossen werden. Wie oben beschrieben, kann Kurzschließen der Elektroden 16, 20 bewirken, dass die piezoelektrische Spannung null wird und kann eine Messung der kapazitiven Spannung von der relativen Orientierung der Elektroden 16, 20 unabhängig machen. Wie oben beschrieben, können die von der EKG-Einheit 26 gemessenen Sensordaten somit Spannungsdifferenzen zwischen verschiedenen Stellen auf der Haut des Insassen angeben, was biomedizinische Daten, wie etwa Pulsfrequenz und/oder Atemfrequenz des Benutzers angeben kann.
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Bei Block 112 werden auf der Grundlage von sowohl Daten des kapazitiven Sensors als auch Daten des kapazitiven Sensors biomedizinische Daten bestimmt. Die biomedizinischen Daten können beispielsweise als Pulsfrequenz oder als Atemfrequenz des Insassen der Fahrzeugtragvorrichtung umgesetzt sein. Wie oben beschrieben wurde, kann Bestimmen der biomedizinischen Daten auf der Grundlage der Daten des piezoelektrischen Sensors und der Daten des kapazitiven Sensors Korrelation mit einem Referenzsensorsystem oder anderweitig die Leistungsfähigkeit verbessern. Nach Kombinieren der Sensordaten schleift das Verfahren 100 zurück zum Block 102, um mit Überwachen von Daten des piezoelektrischen Sensors und Daten des kapazitiven Sensors fortzufahren.
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Die folgenden nummerierten Klauseln beinhalten Ausführungsformen, die angedacht und nicht einschränkend sind:
- Klausel 1. Eine Insassentragvorrichtung, aufweisend:
- einen Fahrzeugsitz; und
- ein Sensorsystem, gekoppelt mit dem Fahrzeugsitz und ausgelegt zum Liefern biometrischer Daten eines Insassen des Fahrzeugsitzes.
- Klausel 2. Die Insassentragvorrichtung von Klausel 1, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei die biometrischen Daten Daten eines piezoelektrischen Sensors und Daten eines kapazitiven Sensors umfassen oder aufweisen.
- Klausel 3. Die Insassentragvorrichtung von Klausel 2, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei das Sensorsystem einen ersten Sensor aufweist, der eine erste metallische Elektrode, eine zweite metallische Elektrode und ein zwischen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode positioniertes piezoelektrisches Element aufweist.
- Klausel 4. Die Insassentragvorrichtung von Klausel 3, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei die Daten des piezoelektrischen Sensors Ballistokardiogrammdaten oder Schalldaten umfassen oder aufweisen.
- Klausel 5. Die Insassentragvorrichtung von Klausel 3, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei die Daten des kapazitiven Sensors Elektrokardiogrammdaten umfassen oder aufweisen.
- Klausel 6. Die Insassentragvorrichtung von Klausel 3, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei die Daten des piezoelektrischen Sensors eine Spannung über dem piezoelektrischen Element zwischen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode angeben.
- Klausel 7. Die Insassentragvorrichtung von Klausel 3, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei die Daten des kapazitiven Sensors eine kapazitive Kopplung zwischen der ersten metallischen Elektrode und dem Insassen des Fahrzeugsitzes angeben.
- Klausel 8. Die Insassentragvorrichtung von Klausel 7, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei das Sensorsystem einen ersten Sensor, der eine erste metallische Elektrode, eine zweite metallische Elektrode und ein zwischen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode positioniertes piezoelektrisches Element aufweist, umfasst oder aufweist;
- Klausel 9. Die Insassentragvorrichtung von Klausel 8, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei die Daten des kapazitiven Sensors eine erste Spannung zwischen der ersten metallischen Elektrode des ersten Sensors und der ersten metallischen Elektrode des zweiten Sensors angeben.
- Klausel 10. Die Insassentragvorrichtung von Klausel 8, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei die erste Spannung von einer zweiten Spannung über dem piezoelektrischen Element des ersten Sensors galvanisch getrennt ist.
- Klausel 11. Ein Verfahren zum Messen biometrischer Daten eines Insassen eines Fahrzeugsitzes, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist: Messen von Daten eines piezoelektrischen Sensors mit einem Sensorsystem, das mit dem Fahrzeugsitz gekoppelt ist, wobei das Sensorsystem einen ersten Sensor aufweist, der eine erste metallische Elektrode, eine zweite metallische Elektrode und ein zwischen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode positioniertes piezoelektrisches Element aufweist, und wobei die Daten des piezoelektrischen Sensors eine Spannung über dem piezoelektrischen Element angeben.
- Klausel 12. Das Verfahren von Klausel 11, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Messens von Daten eines kapazitiven Sensors mit dem Sensorsystem aufweist, wobei die Daten des kapazitiven Sensors eine kapazitive Kopplung zwischen der ersten metallischen Elektrode und dem Insassen des Fahrzeugsitzes angeben.
- Klausel 13. Das Verfahren von Klausel 12, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, wobei Messen der Daten des kapazitiven Sensors Kurzschließen der ersten metallischen Elektrode und der zweiten metallischen Elektrode aufweist.
- Klausel 14. Das Verfahren von Klausel 12, einer beliebigen anderen Klausel oder einer beliebigen Kombination von Klauseln, ferner aufweisend Kombinieren der Daten des piezoelektrischen Sensors und der Daten des kapazitiven Sensors zum Erzeugen biomedizinischer Daten des Insassen des Fahrzeugsitzes.
