TWI598578B - 使用受抑全內反射之光學汗水感測器 - Google Patents

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Description

使用受抑全內反射之光學汗水感測器
實施例一般關於汗水感測器。更具體地，實施例關於使用受抑全內反射(fTIR)來檢測汗水的光學感測器。
心跳感測器、血壓感測器、血氧感測器等，可以被整合到可攜式電子裝置，以利於在移動設置健康監測。另一方面，傳統汗水感測器，通常可以使用工程織物來浸泡和分析來自皮膚的汗水。這樣的方法可能不實用於可攜式電子設備。
10‧‧‧表面
12‧‧‧波導
14‧‧‧皮膚
16‧‧‧汗水
18‧‧‧光源
20‧‧‧光檢測器
22‧‧‧光能
24‧‧‧光能
26‧‧‧量化結果
28‧‧‧平衡檢測裝置
30‧‧‧光檢測器
32‧‧‧波導
34‧‧‧方法
36‧‧‧方塊
38‧‧‧方塊
40‧‧‧方塊
42‧‧‧方塊
44‧‧‧方塊
46‧‧‧邏輯架構
46a‧‧‧測量平台
46b‧‧‧強度量化器
46c‧‧‧汗水量化器
46d‧‧‧控制平台
46e‧‧‧源極驅動器
46f‧‧‧狀態分析器
48‧‧‧噪聲去除單元
50‧‧‧可穿戴計算系統
52‧‧‧電池
54‧‧‧殼體
56‧‧‧可穿戴計算系統
58‧‧‧可穿戴計算系統
60‧‧‧可穿戴計算系統
藉由閱讀以下說明書和所附的申請專利範圍，並藉由參考以下附圖，實施例的各種優點將對於本領域技術人員變得顯而易見的，其中：圖1係根據實施例的光學汗水感測方法的實例的圖示； 圖2係根據實施例的多波導檢測組態的實例的方塊圖；圖3係根據實施例檢測汗水的方法的實例的流程圖；圖4係根據實施例的邏輯架構的實例的方塊圖；圖5是根據實施例的計算系統的實例的方塊圖；以及圖6A-6C是根據實施例具有殼體與可穿戴形式因素的計算系統的實例圖示。
【發明內容及實施方式】
現在轉向圖1，一種光學汗水(如，汗)感測方法被顯示，其中波導12的表面10被暴露於使用者/個體的皮膚14之接觸。皮膚14可以是具有能夠產生汗水(例如，由於運動，緊張等)的外分泌汗腺的身體的任何部分。例如，在時間t0，皮膚14可以是相對乾燥的，並在所示的時間t1，由於汗水16，皮膚14是相對濕的。光源18可以用來照明波導12使得光將在波導12內部被內反射且藉由被光學耦接到波導12的光檢測器20被檢測。
在一般情況下，如果波導12的折射率大於周圍介質的折射率，全內反射(TIR)會發生在波導12中。因此，由於空氣的較低折射率，皮膚14和波導12的表面10之間的氣隙(例如，由於指紋中的隆起和低谷)可能導致在波導12中傳播的光的TIR。相對地，皮膚14和波導12的表面10之間的接觸點(例如，在時間t0)可能導致使某些光能22逸出波導12的漸逝場。這樣的現象可以 被稱作為受抑全內反射(fTIR)，其中逸出光能量22可以被散射和/或被皮膚14吸收。
此外，氣隙內的汗水16的存在(例如，在時間t1)可能會導致更多光能24逸出波導12。特別值得注意的是在波導12中的反射光的總強度位準(例如，不逸出的光能量)可以根據在接觸波導12的表面10的皮膚14上的汗水16的量變化。因此，反射光的總強度位準的量化結果26可以使，例如，皮膚14在時間t1的濕狀態將可與皮膚14在時間t0的乾狀態自動地被區別。除了乾狀態與濕狀態之間的區別，所說明的方法可對濕狀態的位準(例如，汗水位準)進行區分。此外，汗水位準也可以被用於量化運動強度、情緒狀態等。
圖2顯示平衡檢測裝置28可藉由使用另一種“控制”光檢測器30(例如，第二光檢測器)致使來自強度位準測量的噪聲的去除，以檢測在控制波導32(例如，第二波導)中的反射光的總強度位準，控制波導32在物理上與使用者的皮膚14隔離。因此，從由主要光檢測器20產生的電測量訊號減去由控制光檢測器30產生的電控制訊號可大幅地提高準確性。
現在轉向圖3，一種檢測汗水的方法34被顯示。方法34可以被實現為儲存在機器或電腦可讀取儲存媒體中的一組邏輯指令中的一或多個模組，諸如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、可程式化ROM(PROM)、韌體、快閃記憶體等，以可配置邏輯的方式 例如，如可程式化邏輯陣列(PLA)、現場可程式化閘陣列(FPGA)、複雜可程式化邏輯裝置(CPLD)，使用電路技術以固定功能的硬體邏輯的方式例如，如特殊應用積體電路(ASIC)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)或電晶體-電晶體邏輯(TTL)技術，或其任意組合。
顯示的處理方塊36使用光源以照明第一波導和可選的第二波導，其中在處理方塊38，電測量訊號可從耦接到第一波導的第一光檢測器被接收。如果第二波導係與使用者的皮膚物理隔離，處理方塊38也可關於從耦接到第二波導的第二光檢測器接收電控制訊號以及平衡檢測方法，如使用平衡檢測裝置28(圖2)。顯示的方塊40基於電測量訊號以及可選的電控制訊號決定第一波導中的反射光的總強度位準。如果電控制訊號被接收，方塊40也可以包括從該電測量訊號減去電控制訊號。在方塊42，與第一波導接觸的皮膚的汗水位準可以基於第一波導中的反射光的總強度位準被決定，其中顯示的方塊44基於該汗水位準量化使用者的一或多個運動強度或情緒狀態。
現在轉向圖4，顯示邏輯架構46(46a~46f)用以使用fTIR來檢測汗水。邏輯架構46通常可以用邏輯指令、可配置邏輯、固定功能的硬體邏輯等，或其任意組合來實現，並且可以進行已經討論過的方法34(圖3)的一或多個方面。在圖示的實例中，測量平台46a從耦接到第一波導的第一光檢測器接收電測量訊號，其中強度量化 器46b可耦接到測量平台46a。強度量化器46b可基於電測量訊號決定在第一波導中的反射光的總強度位準。此外，汗水量化器46c可耦接到強度量化器46b，其中汗水量化器46c被配置以基於該反射光的總強度位準決定與第一波導接觸的皮膚的汗水位準。
在一個實例中，邏輯架構46也包括耦接到強度量化器46b的控制平台46d。控制平台46d可從耦接到第二波導的第二光檢測器接收電控制訊號，其中第一波導中的反射光的總強度位準可以基於電控制訊號進一步被決定。正如已經指出的，第二波導可與使用者的皮膚物理地隔離。在這樣的情況下，強度量化器46b可以包括噪聲去除單元48用以從電測量訊號減去電控制訊號。邏輯架構46可包括源極驅動器46e用以使用光源以照明第一波導和可選的第二波導。此外，圖示的邏輯架構46包括耦接到汗水量化器46c的狀態分析器46f，其中狀態分析器46f可基於汗水位準量化使用者的一或多個運動強度或情緒狀態。因此，取決於個體，較高的汗水位準可以表示較大量的運動強度和/或壓力。
圖5顯示可用於光學檢測汗水的可穿戴計算系統50。在圖示的實例中，系統50包括第一波導12、控制波導管32、電池52用以提供電力給系統50和容納系統50的殼體54，殼體54可以具有可穿戴形狀因子(例如，頭戴、眼鏡、珠寶、腳穿的等，形狀因子)和定義暴露第一波導12的表面10的孔徑的一或多個表面。另一方 面，控制波導32可以與碰觸第一波導12的表面10的皮膚物理地隔離。如已經討論過的，第一光檢測器20可以耦接到第一波導12以及邏輯架構46可包括測量階段、強度量化器和汗水量化器。
控制光檢測器30可以耦接到控制波導32，如已經討論過的，其中邏輯架構46也可以包括控制平台用以接收來自控制光檢測器30和噪聲去除單元的電控制訊號。光源18可被用於照明第一波導12和控制波導32。
現在轉到圖6A~6C，顯示各種可穿戴的形狀因子。更具體地，圖6A顯示可穿戴計算系統56可具有眼鏡形狀因子，其中第一波導12的表面暴露於穿戴者耳朵後面的皮膚。圖6B顯示可穿戴計算系統58可具有環狀形狀因子，其中第一波導12的表面暴露於穿戴者手指上的皮膚。圖6C顯示可穿戴計算系統60可具有頭帶形狀因子，其中第一波導12的表面暴露於穿戴者前額上的皮膚等。其他形狀因子，例如，如腳穿的(例如，襪子)、手鐲、手錶、耳機、項鍊等，也可以包含如本文所述使用fTIR以檢測汗水的光學感測器。
其它說明與實例：
實例1可包括一種可穿戴計算系統，其包括電池，其用以供應電力至該系統、殼體，其收納該系統，該殼體具有可穿戴形式因素以及定義孔徑的表面。該系統也可包括第一波導，其中該殼體的該孔徑暴露該第一波導 的至少一個表面、第一光檢測器，其耦接到該第一波導、測量平台，其用以接收來自該第一光檢測器的電測量訊號、以及強度量化器，其耦接到該測量平台，該強度量化器用以基於該電測量訊號來決定在該第一波導中的反射光的總強度位準。該系統也可包括汗水量化器，其耦接到該強度量化器，該汗水量化器用以基於該反射光的該總強度位準來決定與該第一波導接觸的皮膚之汗水位準。
實例2可包括實例1之系統，進一步包括第二波導；第二光檢測器，其耦接到該第二波導；以及控制平台，其耦接到該第二光檢測器以及該強度量化器，該控制平台用以從該第二光檢測器接收電控制訊號，其中在該第一波導中的該反射光的該總強度位準係進一步基於該電控制訊號被決定。
實例3可包括實例2之系統，其中該強度量化器進一步包括噪聲去除單元，其用以從該電測量訊號減去該電控制訊號。
實例4可包括實例2之系統，進一步包括光源，其耦接到該第一波導和該第二波導；以及源極驅動器，其耦接到該光源，該源極驅動器用以使用該光源來照明該第一波導和該第二波導。
實例5可包括實例2之系統，其中該第二波導係位於與該皮膚物理隔離的該殼體內。
實例6可包括實例1~5中任何一個之系統，進一步包括耦接到該汗水量化器的狀態分析器，該狀態分 析器用以基於該汗水位準來量化使用者的一或多個運動強度或情緒狀態。
實例7可包括一種使用受抑全內反射以檢測汗水之方法，包括接收來自耦接到第一波導的第一光檢測器的電測量訊號、基於該電測量訊號來決定在該第一波導中的反射光的總強度位準、以及基於該反射光的該總強度位準來決定與該第一波導接觸的皮膚之汗水位準。
實例8可包括實例7之方法，進一步包括從耦接到第二波導的第二光檢測器接收電控制訊號，其中在該第一波導中的該反射光的該總強度位準係進一步基於該電控制訊號被決定。
實例9可包括實例8之方法，進一步包括從該電測量訊號減去該電控制訊號。
實例10可包括實例8之方法，進一步包括使用光源來照明該第一波導和該第二波導。
實例11可包括實例8之方法，其中該第二波導與該皮膚物理隔離。
實例12可包括實例7~11中任何一個之方法，進一步包括基於該汗水位準來量化使用者的一或多個運動強度或情緒狀態。
實例13可包括至少一種計算機可讀取儲存媒體包括一組指令，當由計算系統執行時，使得該計算系統用以接收來自耦接到第一波導的第一光檢測器的電測量訊號、基於該電測量訊號來決定在該第一波導中的反射光的 總強度位準、以及基於該反射光的該總強度位準來決定與該第一波導接觸的皮膚之汗水位準。
實例14可包括實例13之計算機可讀取儲存媒體，其中該指令在被執行時，使得計算系統用以從耦接到第二波導的第二光檢測器接收電控制訊號，其中在該第一波導中的該反射光的該總強度位準係進一步基於該電控制訊號被決定。
實例15可包括實例14之計算機可讀取儲存媒體，其中該指令在被執行時，使得計算系統用以從該電測量訊號減去該電控制訊號。
實例16可包括實例14之計算機可讀取儲存媒體，其中該指令在被執行時，使得計算系統用以使用光源來照明該第一波導和該第二波導。
實例17可包括實例14之計算機可讀取儲存媒體，其中該第二波導與該皮膚物理隔離。
實例18可包括實例13~17中任何一個之計算機可讀取儲存媒體，其中該指令在被執行時，使得計算系統基於該汗水位準來量化使用者的一或多個運動強度或情緒狀態。
實例19可包括一種使用受抑全內反射以檢測汗水之裝置，包括測量平台，其用以接收來自耦接到第一波導的第一光檢測器的電測量訊號、強度量化器，其耦接到該測量平台，該強度量化器用以基於該電測量訊號來決定在該第一波導中的反射光的總強度位準、以及汗水量化 器，其耦接到該強度量化器，該汗水量化器用以基於該反射光的該總強度位準來決定與該第一波導接觸的皮膚之汗水位準。
實例20可包括實例19之裝置，進一步包括耦接到該強度量化器的控制平台，該控制平台用以從耦接到第二波導的第二光檢測器接收電控制訊號，其中在該第一波導中的該反射光的該總強度位準係進一步基於該電控制訊號被決定。
實例21可包括實例20之裝置，其中該強度量化器進一步包括噪聲去除單元，其用以從該電測量訊號減去該電控制訊號。
實例22可包括實例20之裝置，進一步包括源極驅動器，其使用光源來照明該第一波導和該第二波導。
實例23可包括實例20之裝置，其中該第二波導係與該皮膚物理隔離。
實例24可包括實例19至23之裝置，進一步包括耦接到該汗水量化器的狀態分析器，該狀態分析器用以基於該汗水位準來量化使用者的一或多個運動強度或情緒狀態。
實施例25可包括一種使用受抑全內反射以檢測汗水之裝置，包括用於執行實施例7~12中任何一個之機制。
因此，技術可提供乾燥和緊湊解決方案用以 檢測汗水而不需要採集液體或暴露電子元件於濕氣。因此，感測器可以穩健地實現到緊湊、可攜式電子產品。此外，該技術可以很容易地與其他健康狀況監視器(例如，心率感測器、血壓感測器、血氧飽和度感測器)整合到具有光感測器之裝置，其可以順帶降低功率消耗且致使實現更小的形狀因子。此外，使用光作為檢測介質可致使瞬間測量和即時操作。
實施例適用於所有類型的半導體積體電路(“IC”)晶片的用途。這些IC晶片的實例包括但不限於處理器、控制器、晶片組元件、可程式化邏輯陣列(PLA)、記憶體晶片、網絡晶片、單晶片系統(SoC)、SSD/NAND控制器ASIC和類似物。此外，在一些附圖中，訊號導線以線表示。某些可以是不同的，用以指示多個組成的訊號路徑，具有許多標籤，用以指示若干組成的訊號路徑，和/或在一或多個端部具有箭頭，用以指示主資訊流的方向。然而，這不應該被解釋為限制性的方式。相對地，這些增加的細節可以用於一或多個示例性實施例，用以利於更容易理解電路。任何表示訊號線，無論是否有更多的資訊，實際上可包括可在多個方向傳播的一或多個訊號，以及可以用任何適當類型的訊號方案被實現，例如，以差動對、光纖線和/或單端線來實現數位或類比線。
例如尺寸/模型/值/範圍可被賦予，儘管實施例不局限於此。由於製造技術(如光微影術)隨著時間成 熟，可預期更小尺寸的設備可以被製造。此外，眾所皆知的到IC晶片和其它元件的電源/接地連接可以或可以不在附圖中顯示，為了簡化說明和討論起見並以免混淆這些實施例的某些方面。此外，配置可以以方塊圖形式被顯示以避免混淆實施例，以及也鑑於具體關於此類方塊圖配置的實現高度依賴於實施例將要實現的平台的事實，即，這種具體應在本領域技術人員的範圍之內。其中，具體細節(例如，電路)被闡明，以描述示例性實施例，但本領域技術人員應理解，實施例可以被實施而不需這些具體細節或具有這些具體細的變化。描述因此被視為說明性的而非限制性的。
本文中使用的用語“耦接”用以指所討論的任何類型的關係，直接或間接的、在組件之間以及可以適用於電子、機械、流體、光、電磁、機電或其他連接。此外，用語“第一”，“第二”等可以在本文中使用只是為了利於討論且除非另有說明，不帶有特定時間或時間順序意義。
如在本說明書和申請專利範圍中所用的，許多用語結合用語“一或多個”可以表示所列出的用語的任意組合。例如，詞組“一或多個A、B或C”可能意味著A、B、C；A和B；A和C；B和C；或A、B和C。
本領域技術人員將從前述描述理解到實施方案的廣泛技術可以用各種形式實現。因此，儘管實施例結合其特定實例被描述，實施例的真實範圍不應被如此限 制，因為其它的修改將在附圖、說明書以及下面的申請專利範圍的研究後對於熟練從業人員變得顯而易見。
10‧‧‧表面
12‧‧‧波導
14‧‧‧皮膚
16‧‧‧汗水
18‧‧‧光源
20‧‧‧光檢測器
22‧‧‧光能
24‧‧‧光能
26‧‧‧量化結果

Claims (20)

  1. 一種可穿戴計算系統，其包括：電池，其用以供應電力至該系統；殼體，其收納該系統，該殼體具有可穿戴形式因素以及定義孔徑的表面；第一波導，其中該殼體的該孔徑暴露該第一波導的至少一個表面；第一光檢測器，其耦接到該第一波導；測量平台，其用以接收來自該第一光檢測器的電測量訊號；第二波導；第二光檢測器，其耦接到該第二波導；控制平台，其耦接到該第二光檢測器，該控制平台用以從該第二光檢測器接收電控制訊號；強度量化器，其耦接到該測量平台和該控制平台，該強度量化器用以基於該電測量訊號和該電控制訊號來決定在該第一波導中的反射光的總強度位準；以及汗水量化器，其耦接到該強度量化器，該汗水量化器用以基於該反射光的該總強度位準來決定與該第一波導接觸的皮膚之汗水位準。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該強度量化器進一步包括噪聲去除單元，其用以從該電測量訊號減去該電控制訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項之系統，進一步包括： 光源，其耦接到該第一波導和該第二波導；以及源極驅動器，其耦接到該光源，該源極驅動器用以使用該光源來照明該第一波導和該第二波導。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該第二波導係位於該殼體內予以與該皮膚物理隔離。
  5. 如申請專利範圍第1項之系統，進一步包括耦接到該汗水量化器的狀態分析器，該狀態分析器用以基於該汗水位準來量化使用者的一或多個運動強度或情緒狀態。
  6. 一種使用受抑全內反射以檢測汗水之方法，包括：接收來自耦接到第一波導的第一光檢測器的電測量訊號和來自耦接到第二波導的第二光檢測器的電控制訊號；基於該電測量訊號和該電控制訊號來決定在該第一波導中的反射光的總強度位準；以及基於該反射光的該總強度位準來決定與該第一波導接觸的皮膚之汗水位準。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，進一步包括從該電測量訊號減去該電控制訊號。
  8. 如申請專利範圍第6項之方法，進一步包括使用光源來照明該第一波導和該第二波導。
  9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該第二波導係用以與該皮膚物理隔離。
  10. 如申請專利範圍第6項之方法，進一步包括基於該汗水位準來量化使用者的一或多個運動強度或情緒狀 態。
  11. 一種非暫態計算機可讀取儲存媒體，包括一組指令，當所述指令由計算系統執行時，使得該計算系統用以：接收來自耦接到第一波導的第一光檢測器的電測量訊號和來自耦接到第二波導的第二光檢測器的電控制訊號；基於該電測量訊號和該電控制訊號來決定在該第一波導中的反射光的總強度位準；以及基於該反射光的該總強度位準來決定與該第一波導接觸的皮膚之汗水位準。
  12. 如申請專利範圍第11項之非暫態計算機可讀取儲存媒體，其中該指令在被執行時，使得計算系統用以從該電測量訊號減去該電控制訊號。
  13. 如申請專利範圍第11項之非暫態計算機可讀取儲存媒體，其中該指令在被執行時，使得計算系統用以使用光源來照明該第一波導和該第二波導。
  14. 如申請專利範圍第11項之非暫態計算機可讀取儲存媒體，其中該第二波導係用以與該皮膚物理隔離。
  15. 如申請專利範圍第11項之非暫態計算機可讀取儲存媒體，其中該指令在被執行時，使得計算系統基於該汗水位準來量化使用者的一或多個運動強度或情緒狀態。
  16. 一種使用受抑全內反射以檢測汗水之裝置，其包括：測量平台，其用以接收來自耦接到第一波導的第一光 檢測器的電測量訊號；控制平台，其用以從耦接到第二波導的第二光檢測器接收電控制訊號；強度量化器，其耦接到該測量平台和該控制平台，該強度量化器用以基於該電測量訊號和該電控制訊號來決定在該第一波導中的反射光的總強度位準；以及汗水量化器，其耦接到該強度量化器，該汗水量化器用以基於該反射光的該總強度位準來決定與該第一波導接觸的皮膚之汗水位準。
  17. 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該強度量化器進一步包括噪聲去除單元，其用以從該電測量訊號減去該電控制訊號。
  18. 如申請專利範圍第16項之裝置，進一步包括源極驅動器，其使用光源來照明該第一波導和該第二波導。
  19. 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該第二波導係用以與該皮膚物理隔離。
  20. 如申請專利範圍第16項之裝置，進一步包括耦接到該汗水量化器的狀態分析器，該狀態分析器用以基於該汗水位準來量化使用者的一或多個運動強度或情緒狀態。
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