WO2020064541A2 - Sensorvorrichtung - Google Patents

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WO2020064541A2
WO2020064541A2 PCT/EP2019/075318 EP2019075318W WO2020064541A2 WO 2020064541 A2 WO2020064541 A2 WO 2020064541A2 EP 2019075318 W EP2019075318 W EP 2019075318W WO 2020064541 A2 WO2020064541 A2 WO 2020064541A2
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sensor device
emitters
rays
electromagnetic
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Tim Boescke
Wolfgang Zinkl
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/062—LED's

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device, in particular for measuring moisture.
  • sensor devices e.g. used in sports watches are suitable for measuring various vital parameters, e.g. Pulse, heart rate, or blood oxygen saturation and / or other parameters that enable the monitoring of human body functions.
  • Such sensor devices generally have at least one emitter and one detector.
  • the emitter for example in the form of an LED, irradiates the skin surface of a user with electromagnetic rays which are partly absorbed by the skin and partly reflected by it. The reflected electromagnetic rays are then detected by the detector and finally evaluated.
  • the present invention has for its object to provide a reliable sensor device that is suitable, among other things, for measuring moisture and can be manufactured inexpensively.
  • a sensor device in particular for measuring moisture, comprises a first optoelectronic emitter, in particular an LED, for irradiating a location with electromagnetic rays, a second optoelectronic emitter, in particular an LED, for irradiating the location with electromagnetic rays, and a detector for detection electromagnetic rays from the first and second emitters reflected at the location or alternatively transmitted through the location, the first emitter emitting electromagnetic radiation at a wavelength in the range 1400-1500 nm, and the second emitter electromagnetic radiation at a wavelength emitted in the range of 900-1100 nm.
  • the approach for realizing such a sensor device is based on the optical properties of water.
  • the optoelectronic emitters of the present sensor device are designed such that the first emitter can emit electromagnetic radiation at a wavelength in the range of 1400-1500 nm, preferably at least approximately 1450 nm.
  • water has a local absorption maximum.
  • the local absorption maximum is caused by an absorption band of water at a wavelength of 1470 nm, at which water molecules perform a combined stretching and bending vibration.
  • the second optoelectronic emitter is instead designed to emit electromagnetic radiation at a wavelength in the range of 900-1100 nm, preferably in the range of 940-1070 nm, more preferably in the range of 940-1050 nm.
  • a wavelength in the range of 900-1100 nm preferably in the range of 940-1070 nm, more preferably in the range of 940-1050 nm.
  • water has only a minor influence on the absorption and reflection or transmission of the electromagnetic rays. This makes the two emitters particularly suitable for measuring moisture at one point.
  • the two optoelectronic emitters can each be designed as light-emitting diodes (LEDs).
  • LEDs light-emitting diodes
  • the point to be irradiated can be outside the sensor device, e.g. outside a housing of the sensor device, for example on the skin surface of a user using the sensor device, on a section of a material, such as. B. leather, or in a free space.
  • the two emitters can be configured such that they emit the electromagnetic rays at different times, so that the detector only detects rays from one emitter. It can thereby be achieved that the two emitters emit at least one pulse or alternately emit at least one pulse of electromagnetic radiation.
  • the temporally staggered emission of the two emitters to one another also enables the use of a single detector which can detect both IR radiation in the range from 1400-1500 nm and in the range from 900-1100 nm. Replacing two separate detectors with only one detector leads to a reduction in the manufacturing costs of the sensor device. In addition, the External dimensions of the sensor device can be reduced. The sensor device can thus be made more compact.
  • the present detector can be used for the detection of at least one further electromagnetic signal which does not originate from the first or second emitter.
  • several parameters can be detected using only one detector.
  • the first emitter can be embodied as an LED which has an indium gallium arsenide layer (InGaAs) on an indium phosphide layer (InP).
  • the active layer consists or comprises the InGaAS, while InP is used as the substrate.
  • an InGaAs-based LED as an emitter, which is built on an InP substrate, an emission of IR rays at a wavelength in the range of 1400-1500 nm can be achieved in which water has a very high absorption and a has low reflection or transmission.
  • Such an InGaAs-based LED is therefore particularly suitable as an emitter for irradiating a location, e.g. on a skin surface for moisture measurement.
  • the second emitter can be formed as an LED, which has an indium gallium arsenide layer (InGaAs) on an aluminum gallium arsenide (AlGaAs) substrate or on a gallium arsenide (GaAs) substrate.
  • the active layer consists or comprises the InGaAS, while AlGaAs or GaAs is used as the substrate.
  • AlGaAs or GaAs-based LED can be used to irradiate a location, in particular on a moist skin surface, with short-wave IR rays, for example in the range of 900-1100 nm, which are hardly absorbed and reflected by water. This makes the AlGaAs or GaAs based LED particularly well as a reference LED for verifying the moisture value of the irradiated area determined by means of the first emitter.
  • Such an AlGaAs or GaAs-based LED used as a second emitter can also be distinguished by a very high optical performance and efficiency.
  • Providing an LED with an active layer of InGaAs on an AlGaAs or GaAs substrate in a sensor device can thus increase the sensitivity of the device and can also be associated with significant cost savings.
  • Such an LED of the sensor device used as a second emitter can be used to emit at least one further electromagnetic signal which is not used to measure moisture.
  • the LED used as the second emitter can be used as an optical source for measuring further parameters, such as a pulse or oxygen content measurement, in particular on or in the skin surface of a user, can be used.
  • a further emitter, in particular in the form of a reference LED, can thus be dispensed with.
  • the detector of the sensor device can be designed as a photodiode.
  • the photodiode can enable reliable and inexpensive detection of the IR rays emitted by the two emitters.
  • the photodiode can have an indium gallium arsenide layer (InGaAs) on an indium phosphide layer (InP).
  • InGaAs-based photodiode on an InP substrate has a very high sensitivity in the infrared range and is therefore particularly suitable as a detector for detecting radiation from the IR ranges of the first and the second emitter.
  • an InGaAs-based LED has a small dark current and a fast response time. This makes it particularly suitable as a detector for reliably determining rapidly changing parameters, in particular for measuring moisture, for example on the surface of the skin.
  • a sensor device may further comprise a housing which has a first cavity open to an underside of the housing and a second cavity open to the underside, the two cavities being separated from one another, the two emitters being arranged next to one another in the first cavity, and wherein the detector is arranged in the second cavity.
  • a housing which has a first cavity open to an underside of the housing and a second cavity open to the underside, the two cavities being separated from one another, the two emitters being arranged next to one another in the first cavity, and wherein the detector is arranged in the second cavity.
  • the underside is the surface side of the housing which, in the position of use of the sensor device of the point to be measured, e.g. the skin of a user.
  • the orientation of the sensor device in the room is arbitrary, so that the designation bottom is ultimately arbitrary.
  • the underside can also face upwards.
  • the electromagnetic radiation of the two emitters out of the cavity in which they are arranged, in particular towards the outside, ie outside the sensor device assessing body, can arrive efficiently.
  • a configuration of the housing can also be used from the outside, for example at the point rays reflected or transmitted through the site enter the cavity of the detector and are detected.
  • Each of the two cavities can also have an upper side lying opposite the underside of the housing and a circumferential side separation extending between the bottom and the underside of the housing, preferably in the form of a wall or a web.
  • the two emitters can be arranged next to one another in a cavity.
  • each of the two emitters can each be arranged in a separate cavity.
  • Each of the cavities can have an opening arranged on the underside of the housing.
  • the underside of the housing can have a cover that covers the cavities.
  • the cover can be completely or at least partially transparent to the radiation emitted by the two emitters and the radiation received by the detector.
  • a sensor device can comprise an evaluation device which is designed to determine at least one measured value, in particular for moisture at the point, as a function of the detected electromagnetic rays of the two emitters. For this purpose, the portion of the electromagnetic rays of the two emitters reflected from or transmitted through the location is detected by the detector as a separate signal.
  • the evaluation device can be used to directly compare the two signals.
  • a software function can be used to implement a mathematical function in the evaluation device, for example, by means of which, depending on the measured values determined, a variable characterizing the moisture at the skin site can be calculated. In particular, the evaluation device can precisely define a parameter
  • the evaluation device can be used for the precise determination of at least one measured value, in particular the degree of moisture of the point outside the sensor device, e.g. on a skin surface.
  • the evaluation device can be designed as a circuit.
  • the circuit can be connected to the two emitters and / or the detector.
  • the evaluation device can also be arranged in the same cavity as the detector or in a further cavity which is likewise closed, preferably detachably, with a cover.
  • the evaluation device can e.g. be arranged on the top of the housing.
  • the invention further relates to a sensor device, in particular for measuring moisture, the sensor device comprising: a first optoelectronic emitter, in particular an LED, for irradiating a location with electromagnetic rays, a second optoelectronic emitter, in particular an LED, for irradiating the location with electromagnetic Rays, wherein the first optoelectronic emitter is operable to detect at least a portion of the electromagnetic rays from the second emitter that were reflected at the location or alternatively transmitted through the location, and wherein the second optoelectronic emitter is operable by at least a portion detect the electromagnetic rays from the first emitter that were reflected at the location or alternatively transmitted through the location.
  • a sensor device comprising: a first optoelectronic emitter, in particular an LED, for irradiating a location with electromagnetic rays, a second optoelectronic emitter, in particular an LED, for irradiating the location with electromagnetic Rays, wherein
  • the two emitters preferably enable efficient irradiation of a location with electromagnetic rays of a wavelength from at least one respective predefined spectral range.
  • the location can be, for example, outside the sensor device, in particular on a skin surface or in a room.
  • each of the two emitters is designed in such a way that it can detect a portion of the electromagnetic radiation from the other emitter, the two emitters are suitable for detecting the radiation reflected at the location or transmitted by it. Thanks to the detection capability of the two emitters, additional detectors can be dispensed with in the sensor device, which leads to space and cost savings.
  • the electromagnetic radiation from one emitter can be detected by the other emitter by means of a photocurrent measurement.
  • the respective emitter serving as a detector can be operated in a detection mode.
  • an LED can be operated as a photodiode for the purpose of detection and the detected radiation can be detected using a photocurrent.
  • the two emitters can be operated at different times as emitters and detectors, so that each of the two emitters can temporarily detect at least part of the electromagnetic radiation emitted by the other emitter. It can thereby be achieved that the two emitters are offset in time from one another or alternately each emit at least one pulse of electromagnetic radiation which irradiates one point and can then be at least partially detected by the other emitter.
  • one emitter can either reflect at the point or through the Detect the transmitted rays of the other emitter.
  • the first emitter can preferably emit electromagnetic rays at a wavelength in the range of 1450 nm or greater.
  • the second emitter can preferably emit electromagnetic radiation at a wavelength in the range of 1450 nm or less.
  • the two emitters in particular two LEDs, can be used to emit electromagnetic rays with a wavelength from two different, predefined IR spectral ranges.
  • the first emitter is designed in particular to emit electromagnetic radiation at a wavelength at which water has a local absorption maximum and is distinguished by a very low reflection or transmission.
  • the second emitter is preferably designed to emit electromagnetic rays at a wavelength at which water has hardly any influence on the reflection or transmission of the emitted rays.
  • the two emitters are therefore particularly suitable for measuring moisture in a sensor device.
  • the two emitters can be operated as detectors at different times, one emitter can detect at least part of the emission spectrum of the other emitter.
  • the first emitter which emits electromagnetic rays in a long-wave IR spectral range, can detect the complete emission spectrum of the second emitter, which falls entirely within its absorption range.
  • the short-wave, second emitter is in particular designed such that it can absorb electromagnetic radiation from the long-wave, first emitter, in particular at its peak wavelength. A detection of electromagnetic rays that originate from the first emitter through the second emitter is thus possible.
  • the two emitters can thus be selected or designed so that there is an overlap between the emission spectrum of the first emitter and the absorption spectrum of the second emitter. It can thereby be achieved that the second emitter, which emits electromagnetic radiation in a short-wave IR spectral range, can at least partially detect the emission spectrum of the first emitter.
  • this overlapping region of the two spectral regions of the emitters can coincide with the IR spectral region, in which water has an absorption maximum. It can thus be achieved that a water content of a point to be irradiated, in particular on a skin surface, has a maximum influence on the electromagnetic radiation of the first emitter, which is partially detected by the second emitter.
  • the emission spectrum of the second emitter in particular a reference LED, can be selected such that it has an overlap with the wavelength range that can be absorbed by water at the point to be irradiated.
  • the water content already has a major influence in the overlap area.
  • the fact that the complete emission spectrum of the second emitter can be detected by the first emitter means that the detected electromagnetic rays are negligibly influenced by the water content of the location.
  • the second emitter is therefore particularly suitable as a reference LED for measuring moisture, e.g. on a skin surface, in a sensor device.
  • the sensor device can further comprise an evaluation device, which is designed to function as a function of the electromagnetic rays of the sensor detected by the two emitters each other emitter to determine at least one measured value, in particular for moisture at the point.
  • an evaluation device which is designed to function as a function of the electromagnetic rays of the sensor detected by the two emitters each other emitter to determine at least one measured value, in particular for moisture at the point.
  • the portion of the electromagnetic rays of the respective emitter reflected at one point or alternatively transmitted through the point is recorded as a separate signal by the other emitter used as a detector.
  • the evaluation device can determine a degree of moisture at one point by relating the signal originating from the first emitter, in particular an LED, to the signal from the second emitter, in particular the reference LED.
  • the evaluation device can thus be used for the precise determination of at least one measured value, in particular a degree of moisture of a point outside the sensor device, e.g. on or in a skin surface.
  • the evaluation device can be designed as a circuit.
  • the circuit can be connected to the two emitters.
  • the two emitters can be embodied as LEDs which have an indium gallium arsenide layer (InGaAs) on an indium phosphide layer (InP).
  • InGaAs indium gallium arsenide layer
  • InP indium phosphide layer
  • InGaAs-based LEDs by using InGaAs-based LEDs on an InP substrate, emission of electromagnetic radiation at a wavelength in different IR spectral ranges can be achieved in which water has a very high or a very low absorption.
  • InGaAs-based detectors also have a very high sensitivity in the infrared range.
  • InGaAs-based LEDs can be used both as emitters and as detectors for detecting electromagnetic radiation from various IR ranges, in particular for measuring moisture at one point. This makes it possible to dispense with additional detectors, for example in the form of a separate photodiode.
  • the sensor device can further comprise a housing which has a first cavity open to an underside of the housing and a second cavity open to the underside, the two cavities being separated from one another, and the first emitter in the first cavity and the second cavity the second emitter is arranged.
  • the configuration of the housing with two separate cavities can ensure that the first emitter is spatially separated from the second emitter. In this way, an undesired “cross talk” between the electromagnetic beams emitted and detected by the two emitters can be excluded.
  • the electromagnetic radiation of the two emitters outwards from the respective cavity in which they are arranged, i.e. can efficiently reach outside the sensor device, in particular to a point to be irradiated. Furthermore, those from outside, e.g. electromagnetic rays reflected from the location or alternatively transmitted through the location reach the cavity of the respective emitter operated as a detector.
  • Each of the two cavities can furthermore have an upper side lying opposite the underside of the housing and a circumferential side separation extending between the bottom and the underside of the housing, preferably in the form of a wall or a web.
  • the underside of the housing can have a cover that is at least partially transparent to the rays of the two emitters.
  • the cover can serve for preferably releasably closing the cavities.
  • the sensor device can be designed for measuring skin moisture in that a housing of the sensor device can be placed on the skin surface of a user in such a way that the emitted electromagnetic rays can be radiated onto or into a skin area of the user and rays reflected from this skin area can be detected.
  • the invention also relates to a portable electronic device, in particular a fitness watch or an activity tracker, with a sensor device according to the invention and a fastening device connected to the sensor device for fastening the sensor device to a body part of the user, in particular in such a way that the underside of the sensor device faces the body part and / or is in direct contact with the body part.
  • the sensor devices disclosed here can be integrated in a portable electronic device, such as an activity or fitness tracker or a smart watch.
  • the housing of the sensor device can correspond to the housing of the device or can be integrated therein.
  • the housing can be connected to a bracelet or strap in order to attach the device to a body part of a user, in particular in such a way that the underside of the sensor device, or the cover arranged thereon, lies against the body part.
  • the sensor device can also be part of a mobile phone. It can e.g. can be used as a moisture measuring sensor, in particular as a skin moisture measuring sensor.
  • the invention further relates to a method for operating the sensor device according to the invention, the method comprising the following steps:
  • the two emitters are thus not actuated simultaneously to emit electromagnetic radiation, but rather in succession.
  • a pulse emitted by a respective emitter, which is reflected by the skin site, is detected.
  • the detection can be carried out either by a separate detector or by the other emitter.
  • Fig. 1 is a perspective view of an inventive
  • Sensor device including two emitters and one detector
  • FIG. 2 shows a perspective view of the sensor device from FIG. 1 cut along the section line I-I;
  • Fig. 3 is a perspective view of an inventive
  • Sensor device for example, including two emitters
  • FIG. 4 shows a perspective view of the sensor device from FIG. 3, cut along the section line II-II;
  • Fig. 5 is a perspective view of the sensor device of FIG.
  • the sensor device 1 shown in Fig. 1 is particularly suitable for measuring moisture, e.g. at a location on the skin surface of a user. It comprises two emitters, a first emitter 6 and a second emitter 7, and a detector 4.
  • the two emitters 6 and 7 are designed as optoelectronic emitters, in particular as LEDs, and are used to irradiate the site with electromagnetic rays.
  • the first emitter 6 can be an InGaAs / InP-based LED.
  • the second emitter 7 can be designed as an InGaAs / AlGaAs-based or an InGaAs / GaAs-based LED.
  • the active layer thus comprises InGaAs and InP serves as the substrate.
  • the active layer comprises InGaAs on an AlGaAs substrate or a GaAs substrate.
  • the first emitter 6 can emit electromagnetic radiation at a wavelength in the range of 1400-1500 nm, preferably at least approximately 1450 nm, while the second emitter 7 electromagnetic radiation at a wavelength in the range of 900-1100 nm, preferably in the range of 940-1070 nm, more preferably in the range of 940-1050 nm.
  • the detector 4 can be designed as an InGaAs / InP-based photodiode. It serves for the detection of electromagnetic rays of the first and second emitters 6, 7, which are reflected at the irradiated point.
  • the active layer in the photodiode thus consists of InGaAs, which is arranged on an InP substrate.
  • the two emitters 6 and 7 are in a first cavity 5 of a housing 2 of the sensor device 1 arranged, while the detector 4 is arranged in a second cavity 3 of the housing 2.
  • the two cavities 3 and 5 are arranged side by side in a longitudinal direction of the housing 2.
  • the two cavities 3 and 5 are separated from one another by a partition 18.
  • the cavity 5 is designed, for example, as an elongated rectangle with rounded corners. It extends in a transverse direction of the housing 2.
  • the cavity 3 has an essentially square basic shape with rounded corners, for example.
  • the two emitters 6, 7 are spaced apart and arranged along a longitudinal direction of the cavity 5.
  • the two cavities 3, 5 are of equal width (cf. the direction perpendicular to the section line I-I). However, different widths and lengths are also possible for the cavities 3, 5.
  • the housing 2 of the sensor device 1 has an upper side 19, an underside 20 and one between the upper side 19 and the lower side 20 of the housing
  • Each of the cavities 3, 5 each has a base 3b, 5b arranged on the upper side 19 of the housing 2, and also an opening 3a, 5a assigned to the lower side 20 of the housing 2 (cf. FIG. 2).
  • Each of the two cavities 3, 5 is thus open towards the underside 20 of the housing 2.
  • electromagnetic radiation from the two emitters 6, 7 can reach the outside of the cavity 5.
  • the radiation can therefore leave the housing 2 and reach a point to be irradiated.
  • a cover which is transparent to the radiation can be arranged above the cavities 3, 5 and closes them.
  • the radiation of the two emitters 6, 7 reflected at the point can enter the second cavity
  • Each of the two cavities 3, 5 also has a side wall 12 which surrounds the base 3b, 5b and is formed by the outer wall 21 and the partition wall 18 of the housing 2 (FIGS. 1, 2).
  • the sensor device 8 shown in FIG. 3 differs from the sensor device 1 from FIGS. 1-2 essentially in that it comprises two optoelectronic emitters, namely a first emitter 11 and a second emitter 13, but no additional detector.
  • the two emitters 11, 13 of the sensor device 8 can, for example, be embodied as LEDs and, like the emitters 6, 7 of the sensor device 1, are used to irradiate a location with electromagnetic radiation, in particular on the skin surface of a user.
  • each of the two emitters 11, 13 is operated as a detector at different times, while the other emitter 11, 13 is used as an emitter.
  • Each of the two emitters 11, 13 can in each case detect at least some of the electromagnetic rays from the other emitter 11, 13 that were reflected at the irradiated point.
  • the emitters 11, 13 can be designed as InGaAs / InP-based LEDs.
  • the first emitter 11 can emit electromagnetic rays at a wavelength in the IR spectral range of 1450 nm and more.
  • the second emitter 13 can in particular emit IR rays at a wavelength in the range of less than 1450 nm.
  • the short-wave, second emitter 13 is in particular designed such that it can absorb electromagnetic radiation from the long-wave, first emitter 11, in particular at its peak wavelength. Detection of electromagnetic rays originating from the first emitter 11 by the second emitter 13 is therefore possible.
  • the two emitters 11, 13 are arranged in a housing 2 of the sensor device 8 such that each Emitter 11, 13 is positioned in a separate cavity 9, 10, respectively.
  • the two cavities 9, 10 are arranged side by side in a longitudinal direction of the housing 2. They are separated from one another by a partition 18.
  • the two cavities 9, 10 are each formed as elongated rectangular cutouts with rounded corners, which extend parallel to one another and transversely to a longitudinal direction of the housing 2. Further configurations of the cavities 9, 10 are also conceivable, which do not impair the functionality of the emitters 11, 13 and the detector 4 and allow maximum emission of the emission beams.
  • the housing 2 of the sensor device 8 like the housing 2 of the sensor device 1 from FIGS. 1, 2, also has an upper side 19, a lower side 20, and a partition 18 separating the two cavities 9, 10 (see FIG. 4, 5). Furthermore, the cavities 9, 10, similar to the already described cavities 3, 5, are each provided with an opening 9a, 10a arranged on the underside 20 of the housing 2. Through the openings 9a, 10a, the IR radiation of one emitter 11, 13 can be shifted outwards from one of the two cavities 9, 10, i.e. get to a place to be irradiated outside the housing 2. The reflected radiation can then enter the other cavity 9, 10 for the purpose of detection.
  • the cavities 9, 10 can in turn be covered by a cover that is transparent to the radiation.
  • the cavities 9, 10 each comprise a bottom 9b, 10b arranged on the upper side 19 of the housing 2 and an enclosing side wall 12 which is formed by the outer wall 21 and the partition wall 18 of the housing 2 (FIG. 4).
  • the housing 2 of the sensor devices 1, 8 disclosed here can furthermore have a cover 14.
  • the cover 14 shown in FIG. 5 is arranged on the underside 20 of the housing 2 and is at least partially transparent for the IR rays emitted and detected by the two emitters 11, 13.
  • the sensor device 8 can be used, for example for the purpose of a moisture measurement.
  • sensor device 8 integrated in a fitness watch, an activity tracker, a mobile telephone or another electronic device with the cover 14 arranged on the underside 20 brought into close proximity or directly to a location 15 to be measured, in particular on the skin surface of a user.
  • the two emitters 11, 13, which can be LEDs, for example, electromagnetic radiation is alternately radiated onto the point 15.
  • Exemplary emission beams of the two emitters 11, 13 are shown in FIG. 5 and each identified by the reference numbers 16 and 22.
  • the emission beams 16, 22 are absorbed at the point 15 depending on the wavelength and partly reflected, so that a portion of the beams (referred to as beams 17, 23) passes through the transparent cover 14 into the other cavity 9, 10, in order to be separated from the other Emitter 11, 13 to be detected.
  • the proportion of the reflected rays 17, 23 varies, for example, depending on a degree of moisture in the irradiated area. This variation can be detected by the emitter 11, 13 used as a detector and can also be evaluated by means of an evaluation device (not shown).
  • the evaluation device is designed to determine, depending on the detected rays 17, 23 of the two emitters 11, 13, at least one measured value, in particular a degree of moisture or another quantity characterizing the skin moisture.
  • the functioning of the sensor device 8 essentially corresponds to the functioning of the sensor device 1 from FIG. 1 and 2, with the difference that the detection is carried out in the sensor device 1 by means of a separate detector 4.
  • the emission beams 16 of the emitter 11 shown in FIG. 5 thus correspond to the emission beams of the two emitters 6, 7 of the sensor device 1 from FIG.
  • FIG. 6 shows a relationship between the emission and absorption spectra of the two emitters 11, 13 of the sensor device 8 from FIGS. 3-5.
  • the horizontal X-axis of the diagram shown in FIG. 6 denotes the wavelength of the electromagnetic rays emitted or detected by the emitters 11, 13 in arbitrary units (w.E.).
  • the vertical Y-axis shows absorption or emission values of the two emitters 11, 13, which are also given in arbitrary units.
  • the line (El) denotes the emission spectrum of the first emitter
  • the emission spectrum of the first emitter 11 is in the range of 4-10 wU. with an emission maximum (value 1) at a wavelength of 7 w.E.
  • the crossed line (E2) shows the emission spectrum of the second emitter 13, the z. B. can emit electromagnetic rays in the IR spectral range of up to 1450 nm.
  • the second emitter 13 shows the same emission maximum as the first emitter 11 (value 1), but at a wavelength of 4 wU. in a spectral range of 1-7 w.E.
  • the emission maxima can also differ from one another.
  • FIG. 6 also shows that the two emitters 11, 13 can be operated as detectors at different times.
  • the dashed line (Al) with additional dots shows that Absorption spectrum of the first emitter 11.
  • the broken line (A2) denotes the absorption spectrum of the second emitter 13.
  • the first emitter 11 used as a detector, can emit electromagnetic radiation in a wavelength range of 1-8.5 w.E. absorb.
  • the second emitter 13 can emit radiation in a short-wave spectral range of 1-5.5 w.E. detect.
  • the first emitter 11 can cover the complete emission spectrum (1-
  • the second emitter 13 can detect a portion of the electromagnetic radiation emitted by the first emitter 11, which is at a wavelength in the range from 4 to 5.5 w. E. lies. This is indicated by the dashed region R in FIG. 6.
  • the two emitters 11, 13 can thus be used to detect at least a partial region of the spectrum of the radiation emitted by the respective other emitters 11, 13.
  • the wavelengths of the two emitters 11, 13 can be selected such that the overlap area (4 to 5.5 wU) of the emission spectrum (4-10 wU) of the first emitter 11 with the absorption spectrum ( 1-
  • 5.5 w.E 5.5 w.E of the second emitter 13 corresponds to a wavelength range in which water absorption has a maximum at point 15. It is thus possible, by means of the two emitters 11, 13 and without an additional detector, to measure the humidity of a point 15, e.g. a skin area.

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Abstract

Sensorvorrichtung, insbesondere zur Messung von Feuchtigkeit, mit: einem ersten optoelektronischen Emitter (11), insbesondere eine LED, zur Bestrahlung einer Stelle (15) mit elektromagnetischen Strahlen (16), einem zweiten optoelektronischen Emitter (13), insbesondere eine LED, zur Bestrahlung der Stelle (15) mit elektromagnetischen Strahlen (22), wobei der erste optoelektronische Emitter (11) betreibbar ist, um wenigstens einen Teil der elektromagnetischen Strahlen (23) von dem zweiten Emitter (13) zu detektieren, die an der Stelle (15) reflektiert oder durch die Stelle (15) transmittiert wurden, und wobei der zweite optoelektronische Emitter (13) betreibbar ist, um wenigstens einen Teil der elektromagnetischen Strahlen (17) von dem ersten Emitter (11) zu detektieren, die an der Stelle (15) reflektiert oder durch die Stelle (15) transmittiert wurden, wobei der erste Emitter (11) elektromagnetische Strahlen (16) bei einer Wellenlänge im Bereich von über 1450 nm, bevorzugt von 1450 nm bis 1500 nm, 1550 nm oder 1600 nm, emittiert, und wobei der zweite Emitter (13) elektromagnetische Strahlen (22) bei einer Wellenlänge im Bereich von unter 1450 nm, bevorzugt im Bereich von 1450 nm bis 1300 nm oder 1400 nm, emittiert, und wobei der zweite Emitter (13) derart ausgebildet ist, dass dieser zumindest einen Teil des vom ersten Emitter (11) emittierten Spektrums detektieren kann.

Description

SENSORVORRICHTUNG
BESCHREIBUNG
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2018 123 559.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, insbesondere zur Messung von Feuchtigkeit.
Herkömmliche Sensorvorrichtungen, die z.B. in Sportuhren verwendet werden, eignen sich zur Messung von verschiedenen Vitalparametern, wie z.B. Puls, Herzfrequenz, oder BlutsauerstoffSättigung und/oder andere Messgrößen, die eine Überwachung von menschlichen Körperfunktionen ermöglichen. Derartige Sensorvorrichtungen weisen in der Regel mindestens einen Emitter und einen Detektor auf. Der Emitter, beispielsweise in Form einer LED, bestrahlt dabei die Hautoberfläche eines Anwenders mit elektromagnetischen Strahlen, die zum Teil durch die Haut absorbiert und zum Teil von ihr reflektiert werden. Die reflektierten elektromagnetischen Strahlen werden daraufhin vom Detektor erfasst und schließlich ausgewertet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige Sensorvorrichtung bereitzustellen, die unter anderem zur Messung von Feuchtigkeit geeignet ist und kostengünstig hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben . Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung, insbesondere zur Messung von Feuchtigkeit, umfasst einen ersten optoelektronischen Emitter, insbesondere eine LED, zur Bestrahlung einer Stelle mit elektromagnetischen Strahlen, einen zweiten optoelektronischen Emitter, insbesondere eine LED, zur Bestrahlung der Stelle mit elektromagnetischen Strahlen, und einen Detektor zur Detektion von elektromagnetischen Strahlen des ersten und zweiten Emitters, die an der Stelle reflektiert oder alternativ durch die Stelle transmittiert wurden, wobei der erste Emitter elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge im Bereich von 1400-1500 nm emittiert, und wobei der zweite Emitter elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge im Bereich von 900-1100 nm emittiert.
Durch das Bereitstellen zweier optoelektronischen Emitter, die elektromagnetische Strahlen in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, jeweils zwischen 1400-1500 nm und 900-1100 nm, emittieren, und eines Detektors, der die elektromagnetischen Strahlen der beiden Emitter erfassen kann, wird eine besonders zuverlässige und für Feuchtigkeitsmessungen geeignete Sensor vorrichtung ausgebildet.
Der Ansatz zur Realisierung einer derartigen Sensorvorrichtung basiert auf optischen Eigenschaften von Wasser. Die opto elektronischen Emitter der vorliegenden Sensorvorrichtung sind so ausgelegt, dass der erste Emitter elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge im Bereich von 1400-1500 nm, bevorzugt bei zumindest näherungsweise 1450 nm, emittieren kann. In diesem Bereich weist Wasser ein lokales Absorptionsmaximum auf. Das lokale Absorptionsmaximum wird dabei durch eine Absorptionsbande des Wassers bei einer Wellenlänge von 1470 nm verursacht, bei welcher Wassermoleküle eine kombinierte Streck- und Biegeschwingung ausführen .
Der zweite optoelektronische Emitter ist stattdessen ausgelegt, um elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge im Bereich von 900-1100 nm, bevorzugt im Bereich von 940-1070 nm, weiter bevorzugt im Bereich von 940-1050 nm, zu emittieren. In diesen IR- Spektralbereichen des zweiten Emitters hat Wasser nur einen geringfügigen Einfluss auf die Absorption und Reflektion bzw. Transmission der elektromagnetischen Strahlen. Dadurch eignen sich die beiden Emitter besonders gut zur Messung von Feuchtigkeit an einer Stelle.
Die beiden optoelektronischen Emitter können jeweils als Leuchtdioden (LEDs) ausgebildet sein. Somit kann eine energie effiziente Bestrahlung einer Stelle mit elektromagnetischen Strahlen erreicht werden. Die zu bestrahlende Stelle kann dabei außerhalb der Sensorvorrichtung liegen, z.B. außerhalb eines Gehäuses der Sensorvorrichtung, beispielsweise auf der Hautober fläche eines die Sensorvorrichtung benutzenden Anwenders, auf einem Abschnitt eines Materials, wie z. B. Leder, oder in einem freien Raum .
Die beiden Emitter können derart konfiguriert sein, dass sie die elektromagnetischen Strahlen zeitlich versetzt emittieren, sodass der Detektor jeweils nur Strahlen eines Emitters detektiert. Dadurch kann erreicht werden, dass die beiden Emitter zeitlich zueinander versetzt bzw. abwechselnd jeweils mindestens einen Puls elektromagnetischer Strahlung aussenden.
Dadurch wird sichergestellt, dass die Strahlen der beiden Emitter separat in den Detektor einfallen und keine Signalverfälschung verursachen .
Die zeitlich versetzte Emission der beiden Emitter zueinander ermöglicht ferner die Verwendung eines einzigen Detektors, der sowohl IR-Strahlung im Bereich von 1400-1500 nm als auch im Bereich von 900-1100 nm detektieren kann. Das Ersetzen zweier separater Detektoren mit nur einem Detektor führt zur Senkung der Herstellungskosten der Sensorvorrichtung. Außerdem können die Außenmaße der Sensorvorrichtung verringert werden. Die Sensorvorrichtung kann somit kompakter ausgebildet werden.
Insbesondere kann der vorliegende Detektor zur Detektion wenigstens eines weiteren elektromagnetischen Signals verwendet werden, welcher nicht vom ersten oder zweiten Emitter stammt. Dadurch können mittels nur eines Detektors mehrere Parameter erfasst werden.
Der erste Emitter kann als eine LED ausgebildet sein, die eine Indium-Gallium-Arsenidschicht (InGaAs) auf einer Indiumphosphid- schicht (InP) aufweist. Die aktive Schicht besteht oder umfasst dabei das InGaAS, während als Substrat InP eingesetzt wird. Dadurch ermöglicht der Emitter eine energieeffiziente Emission von elektromagnetischen Strahlen mit einer Wellenlänge aus einem vordefinierten langwelligen IR-Spektralbereich .
Vorzugsweise kann durch Verwendung einer InGaAs-basierten LED als Emitter, die auf einem InP-Substrat aufgebaut ist, eine Emission von IR-Strahlen bei einer Wellenlänge im Bereich von 1400-1500 nm, erreicht werden, in dem Wasser eine sehr hohe Absorption und eine niedrige Reflexion bzw. Transmission aufweist. Daher eignet sich eine derartige InGaAs-basierte LED besonders gut als Emitter zur Bestrahlung einer Stelle, z.B. auf einer Hautoberfläche, zwecks Feuchtigkeitsmessung .
Der zweite Emitter kann als eine LED ausgebildet sein, die eine Indium-Gallium-Arsenidschicht (InGaAs) auf einem Aluminium-Gallium- Arsenid (AlGaAs) Substrat oder auf einem Gallium-Arsenid (GaAs ) Substrat aufweist. Die aktive Schicht besteht oder umfasst dabei das InGaAS, während als Substrat AlGaAs oder GaAs eingesetzt wird. Eine derartige AlGaAs- bzw. GaAs-basierte LED kann zur Bestrahlung einer Stelle, insbesondere auf einer feuchten Hautoberfläche, mit kurzwelligeren IR-Strahlen, bspw. im Bereich von 900-1100 nm, eingesetzt werden, die durch Wasser kaum absorbiert und reflektiert werden. Dadurch eignet sich die AlGaAs- bzw. GaAs- basierte LED besonders gut als eine Referenz-LED zur Verifizierung des mittels des ersten Emitters ermittelten Feuchtigkeitswerts der bestrahlten Stelle.
Eine derartige als zweiter Emitter eingesetzte AlGaAs- bzw. GaAs- basierte LED kann sich ferner durch eine sehr hohe optische Leistung und Effizienz auszeichnen. Das Vorsehen einer LED mit einer aktiven Schicht aus InGaAs auf einem AlGaAs oder GaAs Substrat in einer Sensorvorrichtung kann somit die Sensitivität der Vorrichtung erhöhen und zusätzlich mit einer deutlichen Kostenersparnis verbunden sein.
Eine derartige als zweiter Emitter verwendete LED der Sensorvorrichtung kann zur Emission wenigstens eines weiteren elektromagnetischen Signals verwendet werden, welches nicht zur Messung von Feuchtigkeit eingesetzt wird. Dadurch kann die als zweiter Emitter eingesetzte LED als eine optische Quelle zur Messung von weiteren Parametern, wie z.B. einer Puls- oder Sauerstoff gehaltmessung, insbesondere auf oder in der Hautoberfläche eines Anwenders, verwendet werden. Somit kann auf einen weiteren Emitter, insbesondere in Form einer Referenz-LED, verzichtet werden. Dadurch kann neben einer Kostensenkung auch eine Multifunktionalität der Sensorvorrichtung auf einem kleinen Raum erzielt werden.
Der Detektor der Sensorvorrichtung kann als eine Photodiode ausgebildet sein. Die Photodiode kann eine zuverlässige und kostengünstige Detektion der von den beiden Emittern emittierten IR-Strahlen ermöglichen.
Die Photodiode kann eine Indium-Gallium-Arsenidschicht (InGaAs) auf einer Indiumphosphidschicht (InP) aufweisen. Eine InGaAs-basierte Photodiode auf einem InP-Substrat weist eine sehr hohe Empfindlichkeit im Infrarotbereich auf und eignet sich somit besonders gut als Detektor zur Erfassung von Strahlung aus den IR- Bereichen des ersten und des zweiten Emitters. Zusätzlich weist eine InGaAs-basierte LED einen kleinen Dunkelstrom und eine schnelle Reaktionszeit auf. Dadurch eignet sie sich besonders gut als Detektor zur zuverlässigen Ermittlung von sich schnell ändernden Parametern, insbesondere zur Feuchtigkeits messung, z.B. auf der Hautoberfläche.
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann ferner ein Gehäuse umfassen, das eine zu einer Unterseite des Gehäuses offene erste Kavität und eine zur Unterseite offene zweite Kavität aufweist, wobei die beiden Kavitäten voneinander getrennt sind, wobei in der ersten Kavität die beiden Emitter nebeneinander angeordnet sind, und wobei in der zweiten Kavität der Detektor angeordnet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung des Gehäuses mit zwei getrennten Kavitäten bzw. Kammern wird gewährleistet, dass die beiden Emitter vom Detektor räumlich getrennt werden. Dadurch kann ein unerwünschter „Cross-Talk" zwischen den durch die beiden Emitter emittierten elektromagnetischen Strahlen und den vom Detektor empfangenen Strahlen verringert oder verhindert werden.
Als Unterseite wird hier diejenige Oberflächenseite des Gehäuses bezeichnet, die in Gebrauchslage der Sensorvorrichtung der zu messenden Stelle, z.B. der Haut eines Benutzers, zugewandt ist. Letztlich ist die Orientierung der Sensorvorrichtung im Raum beliebig, so dass die Bezeichnung Unterseite letztlich auch beliebig ist. In den beigefügten Zeichnungen kann die Unterseite zum Beispiel auch nach oben weisen.
Durch die Ausbildung von Öffnungen an der Unterseite des Gehäuses, die jeder Kavität zugeordneten werden, kann erreicht werden, dass die elektromagnetischen Strahlen der beiden Emitter aus der Kavität, in der sie angeordnet sind, nach außen, d.h. außerhalb der Sensorvorrichtung, insbesondere auf die zu bemessende Stelle, effizient gelangen können. Ferner können durch eine derartige Ausgestaltung des Gehäuses auch die von außen, z.B. an der Stelle reflektierten oder durch die Stelle transmittierten Strahlen in die Kavität des Detektors gelangen und detektiert werden.
Jede der beiden Kavitäten kann ferner eine gegenüber der Unterseite des Gehäuses liegende Oberseite und eine sich zwischen dem Boden und der Unterseite des Gehäuses erstreckende, umlaufende Seitentrennung, vorzugsweise in Form einer Wand oder eines Stegs, aufwei sen .
Insbesondere können die beiden Emitter in einer Kavität nebeneinander angeordnet sein. In einer weiteren Ausgestaltung der hier offenbarten Sensorvorrichtungen kann jeder der beiden Emitter jeweils in einer separaten Kavität angeordnet sein. Jede der Kavitäten kann dabei eine an der Unterseite des Gehäuses angeordnete Öffnung aufweisen.
Die Unterseite des Gehäuses kann eine Abdeckung aufweisen, die die Kavitäten überdeckt. Die Abdeckung kann gänzlich oder mindestens teilweise transparent für die von den beiden Emittern emittierte und die vom Detektor empfangene Strahlung sein.
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann eine Auswerte einrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den detektierten elektromagnetischen Strahlen der beiden Emitter wenigstens einen Messwert, insbesondere für eine Feuchtigkeit an der Stelle, zu ermitteln. Hierfür wird der von der Stelle reflektierte bzw. durch sie transmittierte Anteil der elektromagnetischen Strahlen der beiden Emitter vom Detektor jeweils als ein separates Signal erfasst. Mittels der Auswerteeinrichtung kann ein direkter Vergleich der beiden Signale erfolgen. In der Auswerteeinrichtung kann zum Beispiel mittels einer Software eine mathematische Funktion implementiert sein, mittels der, in Abhängigkeit von den ermittelten Messwerten, eine die Feuchtigkeit an der Hautstelle charakterisierende Größe errechnet werden kann. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung einen Parameter präzise
Auswerten, insbesondere einen Feuchtigkeitsgrad einer Stelle ermitteln, indem das vom ersten Emitter stammende Signal zu dem Signal des zweiten Emitters in Bezug gesetzt wird. Über das mittels des zweiten Emitters erhaltene Referenz-Signal ist ein Vergleich des Anteils der reflektierten bzw. transmittierten Strahlen möglich. Somit kann die Auswerteeinrichtung zur präzisen Ermittlung von mindestens einem Messwert, insbesondere des Feuchtigkeitsgrads der außerhalb der Sensorvorrichtung liegenden Stelle, z.B. auf einer Hautoberfläche, eingesetzt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann als eine Schaltung ausgebildet sein. Die Schaltung kann mit den beiden Emittern und/oder dem Detektor verbunden sein. Die Auswerteeinrichtung kann ferner in derselben Kavität wie der Detektor oder in einer weiteren Kavität angeordnet sein, die ebenfalls mit einer Abdeckung, vorzugsweise lösbar, verschlossen ist. Die Auswerteeinrichtung kann z.B. auf der Oberseite des Gehäuses angeordnet sein.
Die Erfindung betrifft ferner eine Sensorvorrichtung, insbesondere zur Messung von Feuchtigkeit, wobei die Sensorvorrichtung umfasst: einen ersten optoelektronischen Emitter, insbesondere eine LED, zur Bestrahlung einer Stelle mit elektromagnetischen Strahlen, einen zweiten optoelektronischen Emitter, insbesondere eine LED, zur Bestrahlung der Stelle mit elektromagnetischen Strahlen, wobei der erste optoelektronische Emitter betreibbar ist, um wenigstens einen Teil der elektromagnetischen Strahlen von dem zweiten Emitter zu detektieren, die an der Stelle reflektiert oder alternativ durch die Stelle transmittiert wurden, und wobei der zweite optoelektronische Emitter betreibbar ist, um wenigstens einen Teil der elektromagnetischen Strahlen von dem ersten Emitter zu detektieren, die an der Stelle reflektiert oder alternativ durch die Stelle transmittiert wurden. Vorzugsweise ermöglichen die beiden Emitter eine effiziente Bestrahlung einer Stelle mit elektromagnetischen Strahlen einer Wellenlänge aus mindestens einem jeweiligen, vordefinierten Spektralbereich. Dabei kann sich die Stelle z.B. außerhalb der Sensorvorrichtung, insbesondere auf einer Hautoberfläche oder in einem Raum, befinden.
Dadurch, dass jeder der beiden Emitter so ausgelegt ist, dass er einen Anteil der elektromagnetischen Strahlen des anderen Emitters detektieren kann, eignen sich die beiden Emitter zur Detektion der an der Stelle reflektierten oder durch sie transmittierten Strahlung. Dank der Detektionsfähigkeit der beiden Emitter kann bei der Sensorvorrichtung auf zusätzliche Detektoren verzichtet werden, was zu einer Platz- und Kostenersparnis führt.
Die elektromagnetische Strahlung des einen Emitters kann von dem jeweils anderen Emitter mittels einer Photostrom-Messung detektiert werden. Der jeweilige als Detektor dienende Emitter kann dabei in einem Detektionsmodus betrieben werden. Zum Beispiel lässt sich eine LED zum Zwecke der Detektion als Photodiode betreiben und die detektierte Strahlung kann anhand eines Photostroms detektiert werden .
Die beiden Emitter können zeitlich versetzt jeweils als Emitter und Detektor betrieben werden, sodass jeder der beiden Emitter zeitweise mindestens einen Teil der durch den anderen Emitter emittierten elektromagnetischen Strahlen detektieren kann. Dadurch kann erreicht werden, dass die beiden Emitter zeitlich zueinander versetzt bzw. abwechselnd jeweils mindestens einen Puls elektromagnetischer Strahlung aussenden, der eine Stelle bestrahlt und danach mindestens teilweise von dem anderen Emitter detektiert werden kann.
Je nach Anordnung der beiden Emitter zueinander kann jeweils ein Emitter entweder die an der Stelle reflektierten bzw. durch die Stelle transmittierten Strahlen des jeweils anderen Emitters detektieren .
Bevorzugt kann der erste Emitter elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge im Bereich von 1450 nm oder größer emittieren. Der zweite Emitter kann vorzugsweise elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge im Bereich von 1450 nm oder kleiner emittieren. Mittels der beiden Emitter, insbesondere zweier LEDs, kann eine Emission von elektromagnetischen Strahlen mit einer Wellenlänge aus zwei unterschiedlichen, vordefinierten IR- Spektralbereichen erfolgen. Dabei ist der erste Emitter insbesondere ausgelegt, um elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge zu emittieren, bei welcher Wasser ein lokales Absorptionsmaximum aufweist und sich durch eine sehr niedrige Reflektion bzw. Transmission auszeichnet. Dahingegen ist der zweite Emitter vorzugsweise ausgelegt, um elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge zu emittieren, bei welcher Wasser kaum einen Einfluss auf die Reflektion bzw. Transmission der emittierten Strahlen hat. Somit eignen sich die beiden Emitter besonders zur Feuchtigkeitsmessung in einer Sensorvorrichtung.
Dadurch, dass die beiden Emitter zeitlich versetzt als Detektoren betrieben werden können, kann jeweils ein Emitter mindestens einen Teil des Emissionsspektrums des jeweils anderen Emitters detektieren. Dabei kann der erste Emitter, der elektromagnetische Strahlen in einem langwelligen IR-Spektralbereich emittiert, das komplette Emissionsspektrum des zweiten Emitters detektieren, das gänzlich in seinen Absorptionsbereich fällt.
Der kurzwelligere, zweite Emitter ist insbesondere derart ausgelegt, dass dieser elektromagnetische Strahlung des langwelligeren, ersten Emitters, insbesondere bei dessen Peak- Wellenlänge, absorbieren kann. Eine Detektion von elektromagne tischen Strahlen, die vom ersten Emitter herrühren, durch den zweiten Emitter wird somit möglich. Die beiden Emitter können somit so gewählt werden oder ausgelegt sein, dass es eine Überlappung zwischen dem Emissionsspektrum des ersten Emitters und dem Absorptionsspektrum des zweiten Emitters gibt. Dadurch kann erreicht werden, dass der zweite Emitter, der elektromagnetische Strahlen in einem kurzwelligeren IR- Spektralbereich emittiert, zumindest teilweise das Emissions spektrum des ersten Emitters detektieren kann. Insbesondere kann dieser überlappende Bereich der beiden Spektralbereiche der Emitter mit dem IR-Spektralbereich zusammenfallen, in dem Wasser ein Absorptionsmaximum aufweist. Somit kann erreicht werden, dass ein Wassergehalt einer zu bestrahlenden Stelle, insbesondere auf einer Hautoberfläche, einen maximalen Einfluss auf die zum Teil vom zweiten Emitter detektierten elektromagnetischen Strahlen des ersten Emitters hat.
Ferner kann das Emissionsspektrum des zweiten Emitters, insbesondere eine Referenz-LED, so ausgewählt werden, dass es eine Überlappung mit dem Wellenlängenbereich aufweist, der an der zu bestrahlenden Stelle maximal von Wasser absorbiert werden kann. Im Überlappbereich hat der Wassergehalt schon einen großen Einfluss. Allerdings, wenn man den Einfluss des Wassergehalts in Bezug auf das gesamte Emissionsspektrum des zweiten Emitters betrachtet, kann er als gering angenommen werden. Dadurch, dass das komplette Emissionsspektrum des zweiten Emitters vom ersten Emitter detektiert werden kann, wird erreicht, dass die detektierten elektromagnetischen Strahlen vernachlässigbar gering vom Wasser gehalt der Stelle beeinflusst werden. Somit eignet sich der zweite Emitter insbesondere als eine Referenz-LED zur Messung von Feuchtigkeit, z.B. auf einer Hautoberfläche, in einer Sensorvorrichtung .
Die Sensorvorrichtung kann ferner eine Auswerteeinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den durch die beiden Emitter detektierten elektromagnetischen Strahlen des jeweils anderen Emitters wenigstens einen Messwert, insbesondere für eine Feuchtigkeit an der Stelle, zu ermitteln. Hierfür wird der an einer Stelle reflektierte oder alternativ durch die Stelle transmittierte Anteil der elektromagnetischen Strahlen des jeweiligen Emitters von dem jeweils anderen als Detektor eingesetzten Emitter als ein separates Signal erfasst.
Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung einen Feuchtigkeitsgrad an einer Stelle ermitteln, indem das vom ersten Emitter, insbesondere einer LED, stammende Signal zu dem Signal des zweiten Emitters, insbesondere der Referenz-LED, in Bezug gesetzt wird. Somit kann die Auswerteeinrichtung zur präzisen Ermittlung von mindestens einem Messwert, insbesondere eines Feuchtigkeitsgrads einer außerhalb der Sensorvorrichtung liegenden Stelle, z.B. auf oder in einer Hautoberfläche, eingesetzt werden.
Die Auswerteeinrichtung kann dabei als eine Schaltung ausgebildet sein. Die Schaltung kann mit den beiden Emittern verbunden sein.
Die beiden Emitter können als LEDs ausgebildet sein, die Indium- Gallium-Arsenidschicht (InGaAs) auf einer Indiumphosphidschicht (InP) aufweisen.
Vorzugsweise kann durch Verwendung von InGaAs-basierten LEDs auf einem InP-Substrat eine Emission von elektromagnetischen Strahlen bei einer Wellenlänge in unterschiedlichen IR-Spektralbereichen erreicht werden, in denen Wasser eine sehr hohe oder eine sehr geringe Absorption aufweist. Zusätzlich weisen InGaAs-basierte Detektoren eine sehr hohe Empfindlichkeit im Infrarotbereich auf. Dadurch können InGaAs-basierte LEDs sowohl als Emitter als auch als Detektoren zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung aus diversen IR-Bereichen, insbesondere zur Messung von Feuchtigkeit an einer Stelle, eingesetzt werden. Dadurch kann auf zusätzliche Detektoren, z.B. in Form von einer separaten Photodiode, verzichtet werden . Die Sensorvorrichtung kann ferner ein Gehäuse umfassen, das eine zu einer Unterseite des Gehäuses offene erste Kavität und eine zu der Unterseite offene zweite Kavität aufweist, wobei die beiden Kavitäten voneinander getrennt sind, und wobei in der ersten Kavität der erste Emitter und in der zweiten Kavität der zweite Emitter angeordnet ist. Durch die Ausgestaltung des Gehäuses mit zwei getrennten Kavitäten kann gewährleistet werden, dass der erste Emitter vom zweiten Emitter räumlich getrennt ist. Dadurch kann ein unerwünschter „Cross-Talk" zwischen den durch die beiden Emitter jeweils emittierten und detektierten elektromagnetischen Strahlen ausgeschlossen werden.
Durch die Ausbildung von Öffnungen an der Unterseite des Gehäuses, die jeder Kavität zugeordneten werden, kann erreicht werden, dass die elektromagnetischen Strahlen der beiden Emitter aus der jeweiligen Kavität, in der sie angeordnet sind, nach außen, d.h. außerhalb der Sensorvorrichtung, insbesondere auf eine zu bestrahlende Stelle, effizient gelangen können. Ferner können auch die von außen, z.B. von der Stelle reflektierten oder alternativ durch die Stelle transmittierten elektromagnetischen Strahlen in die Kavität des jeweiligen als Detektor betriebenen Emitters gelangen .
Jede der beiden Kavitäten kann ferner eine gegenüber der Unterseite des Gehäuses liegende Oberseite und eine sich zwischen dem Boden und der Unterseite des Gehäuses erstreckende, umlaufende Seitentrennung, vorzugsweise in Form einer Wand oder eines Stegs, aufweisen .
Die Unterseite des Gehäuses kann eine für die Strahlen der beiden Emitter zumindest teilweise transparente Abdeckung aufweisen. Die Abdeckung kann dabei einem bevorzugt lösbaren Verschließen der Kavitäten dienen. Die Sensorvorrichtung kann zur Messung von Hautfeuchtigkeit ausgelegt sein, indem ein Gehäuse der Sensorvorrichtung an die Hautoberfläche eines Anwenders derart angelegt werden kann, dass die emittierten elektromagnetischen Strahlen auf oder in eine Hautstelle des Anwenders eingestrahlt und von dieser Hautstelle reflektierte Strahlen detektiert werden können.
Die Erfindung betrifft auch eine tragbare elektronische Vorrichtung, insbesondere eine Fitnessuhr oder ein Aktivitätstracker, mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung und einer mit der Sensorvorrichtung verbundenen Befestigungseinrichtung zum Befestigen der Sensorvorrichtung an einem Körperteil des Anwenders, insbesondere derart, dass die Unterseite der Sensorvorrichtung dem Körperteil zugewandt ist und/oder mit dem Körperteil im direkten Kontakt ist.
Die hier offenbarten Sensorvorrichtungen können in einem tragbaren elektronischen Gerät, wie etwa einem Activity- oder Fitnesstracker oder einer Smartwatch, integriert sein. Das Gehäuse der Sensorvorrichtung kann dabei dem Gehäuse des Geräts entsprechen oder in diesem integriert sein. Das Gehäuse kann mit einem Armband oder Gurt verbunden sein, um das Gerät an einem Körperteil eines Anwenders anzubringen, insbesondere so, dass die Unterseite der Sensorvorrichtung, bzw. die daran angeordnete Abdeckung, an dem Körperteil anliegt. Die Sensorvorrichtung kann ferner ein Bestandteil eines Mobiltelefons sein. Sie kann z.B. als Feuchtigkeitsmesssensor, insbesondere als ein Hautfeuchtig- keitsmesssensor, verwendet werden.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
a) Inkontaktbringen eines Gehäuses der Sensorvorrichtung mit einer Hautstelle eines Anwenders; b) Aufeinanderfolgendes Bestrahlen der Hautstelle mit elektromagnetischen Strahlen der beiden Emitter;
c) Aufeinanderfolgendes Detektieren der von der Hautstelle reflektierten elektromagnetischen Strahlen der beiden Emitter; d) Ermitteln eines Feuchtigkeitsgrads in Abhängigkeit von den detektierten elektromagnetischen Strahlen.
Die beiden Emitter werden somit nicht gleichzeitig zur Emission von elektromagnetischer Strahlung betätigt, sondern aufeinanderfolgend. Dabei wird ein von einem jeweiligen Emitter ausgesandter Puls, der von der Hautstelle reflektiert wird, detektiert. Die Detektion kann entweder durch einen separaten Detektor oder durch den anderen Emitter erfolgen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Sensorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mitsamt zweier Emitter und einem Detektor;
Fig. 2 eine perspektivische, längs der Schnittlinie I-I geschnittene Ansicht der Sensorvorrichtung von Fig.l;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Sensorvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungs beispiel mitsamt zweier Emitter;
Fig. 4 eine perspektivische, längs der Schnittlinie II-II geschnittene Ansicht der Sensorvorrichtung von Fig.3;
Fig . 5 eine perspektivische Ansicht der Sensorvorrichtung von
Fig. 3 mit einer für elektromagnetische Strahlen der beiden Emitter transparenten Abdeckung; Fig. 6 Emissions- und Absorptionsspektren der beiden Emitter der Sensorvorrichtung aus Fig. 3-5.
Die in Fig. 1 dargestellte Sensorvorrichtung 1 ist insbesondere zur Messung von Feuchtigkeit, z.B. an einer Stelle auf der Hautoberfläche eines Anwenders, geeignet. Sie umfasst zwei Emitter, einen ersten Emitter 6 und einen zweiten Emitter 7, sowie einen Detektor 4.
Die beiden Emitter 6 und 7 sind als optoelektronische Emitter, insbesondere als LEDs, ausgebildet und werden zur Bestrahlung der Stelle mit elektromagnetischen Strahlen eingesetzt. Insbesondere kann der erste Emitter 6 eine InGaAs/InP-basierte LED sein. Der zweite Emitter 7 kann als eine InGaAs/AlGaAs-basierte oder eine InGaAs/GaAs-basierte LED ausgebildet sein. Bei dem ersten Emitter 6 umfasst die aktive Schicht somit InGaAs und als Substrat dient InP. Bei dem zweiten Emitter 7 umfasst die aktive Schicht InGaAs auf einem AlGaAs Substrat oder einem GaAs Substrat.
Insbesondere kann der erste Emitter 6 elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge im Bereich von 1400-1500 nm, bevorzugt bei zumindest näherungsweise 1450 nm, emittieren, während der zweite Emitter 7 elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge im Bereich von 900-1100 nm, bevorzugt im Bereich von 940-1070 nm, weiter bevorzugt im Bereich von 940-1050 nm, emittieren kann.
Der Detektor 4 kann als eine InGaAs/InP-basierte Photodiode ausgebildet sein. Er dient zur Detektion von elektromagnetischen Strahlen des ersten und zweiten Emitters 6, 7, die an der bestrahlten Stelle reflektiert werden. Bei der Photodiode besteht die aktive Schicht somit aus InGaAs, das auf einem InP-Substrat angeordnet ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die beiden Emitter 6 und 7 in einer ersten Kavität 5 eines Gehäuses 2 der Sensorvorrichtung 1 angeordnet, während der Detektor 4 in einer zweiten Kavität 3 des Gehäuses 2 angeordnet ist. Die beiden Kavitäten 3 und 5 sind nebeneinander in einer Längsrichtung des Gehäuses 2 angeordnet. Dabei sind die beiden Kavitäten 3 und 5 durch eine Trennwand 18 voneinander getrennt. Die Kavität 5 ist zum Beispiel als ein längliches Rechteck mit abgerundeten Ecken ausgebildet. Sie erstreckt sich in einer Querrichtung des Gehäuses 2. Die Kavität 3 weist eine im Wesentlichen quadratische Grundform mit zum Beispiel abgerundeten Ecken auf. Die beiden Emitter 6,7 sind voneinander beabstandet und entlang einer Längsrichtung der Kavität 5 angeordnet. Bei dem dargestellten Beispiel sind die beiden Kavitäten 3, 5 gleich breit (vgl. die Richtung senkrecht zur Schnittlinie I- I) . Jedoch sind auch unterschiedliche Breiten und Längen bei den Kavitäten 3, 5 möglich.
Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, weist das Gehäuse 2 der Sensorvorrichtung 1 eine Oberseite 19, eine Unterseite 20 und eine sich zwischen der Oberseite 19 und der Unterseite 20 des Gehäuses
2 erstreckende, umlaufende Außenwand 21 auf.
Jede der Kavitäten 3, 5 weist jeweils einen auf der Oberseite 19 des Gehäuses 2 angeordneten Boden 3b, 5b, sowie jeweils eine der Unterseite 20 des Gehäuses 2 zugeordnete Öffnung 3a, 5a auf (vgl. Fig. 2) . Somit ist jede der beiden Kavitäten 3, 5 zur Unterseite 20 des Gehäuses 2 hin offen. Somit kann elektromagnetische Strahlung der beiden Emitter 6, 7 aus der Kavität 5 nach außen gelangen. Die Strahlung kann daher das Gehäuse 2 verlassen und auf eine zu bestrahlende Stelle gelangen. Es kann allerdings eine für die Strahlung transparente Abdeckung über den Kavitäten 3, 5 angeordnet sein, die diese verschließt. Ferner kann die an der Stelle reflektierte Strahlung der beiden Emitter 6, 7 in die zweite Kavität
3 des Detektors 4 gelangen, um dort detektiert zu werden. Jede der beiden Kavitäten 3, 5 weist ferner eine den Boden 3b, 5b umschließende Seitenwand 12 auf, die durch die Außenwand 21 und die Trennwand 18 des Gehäuses 2 gebildet ist (Fig.l, 2) . Die in Fig. 3 dargestellte Sensorvorrichtung 8 unterscheidet sich von der Sensorvorrichtung 1 aus Fig. 1-2 im Wesentlichen dadurch, dass sie zwei optoelektronische Emitter, nämlich einen ersten Emitter 11 und einen zweiten Emitter 13, jedoch keinen zusätzlichen Detektor umfasst.
Die beiden Emitter 11, 13 der Sensorvorrichtung 8 können bspw. als LEDs ausgebildet sein und werden wie die Emitter 6, 7 der Sensorvorrichtung 1 zur Bestrahlung einer Stelle mit elektromagnetischen Strahlen, insbesondere auf der Hautoberfläche eines Anwenders, eingesetzt.
Zwecks einer Feuchtigkeitsmessung an der Stelle wird jeder der beiden Emitter 11, 13 zeitlich versetzt als Detektor betrieben, während der jeweils andere Emitter 11, 13 als Emitter eingesetzt wird. Dabei kann jeder der beiden Emitter 11, 13 jeweils wenigstens einen Teil der elektromagnetischen Strahlen des jeweils anderen Emitters 11, 13 detektieren, die an der bestrahlten Stelle reflektiert wurden.
Die Emitter 11, 13 können als InGaAs/ InP-basierte LEDs ausgebildet sein. Dabei kann der erste Emitter 11 elektromagnetische Strahlen bei einer Wellenlänge im IR-Spektralbereich von 1450 nm und mehr emittieren. Ferner kann der zweite Emitter 13 insbesondere IR- Strahlen bei einer Wellenlänge im Bereich von weniger als 1450 nm emittieren. Der kurzwelligere, zweite Emitter 13 ist insbesondere derart ausgelegt, dass dieser elektromagnetische Strahlung des langwelligeren, ersten Emitters 11, insbesondere bei dessen Peak- Wellenlänge, absorbieren kann. Eine Detektion von elektromagnetischen Strahlen, die vom ersten Emitter 11 herrühren, durch den zweiten Emitter 13 ist daher möglich.
Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die beiden Emitter 11, 13 derart in einem Gehäuse 2 der Sensorvorrichtung 8 angeordnet, dass jeder Emitter 11, 13 jeweils in einer separaten Kavität 9, 10 positioniert ist. Die beiden Kavitäten 9, 10 sind nebeneinander in einer Längsrichtung des Gehäuses 2 angeordnet. Dabei werden sie durch eine Trennwand 18 voneinander getrennt. Die beiden Kavitäten 9, 10 sind jeweils als längliche rechteckige Aussparungen mit abgerundeten Ecken ausgebildet, die sich parallel zueinander und quer zu einer Längsrichtung des Gehäuses 2 erstrecken. Denkbar sind auch weitere Ausgestaltungen der Kavitäten 9, 10, welche die Funktionalität der Emitter 11, 13 und des Detektors 4 nicht beeinträchtigen und eine maximale Auskopplung der Emissionsstrahlen ermöglichen .
Das Gehäuse 2 der Sensorvorrichtung 8 weist ebenfalls, wie das Gehäuse 2 der Sensorvorrichtung 1 aus Fig. 1, 2, eine Oberseite 19, eine Unterseite 20, sowie eine die beiden Kavitäten 9, 10 voneinander separierende Trennwand 18 auf (siehe Fig. 4, 5) . Ferner sind die Kavitäten 9, 10, ähnlich wie die bereits beschriebenen Kavitäten 3, 5, mit jeweils einer an der Unterseite 20 des Gehäuses 2 angeordneten Öffnung 9a, 10a versehen. Durch die Öffnungen 9a, 10a kann zeitlich versetzt die IR-Strahlung jeweils eines Emitters 11, 13 aus einer der beiden Kavitäten 9, 10 nach außen, d.h. außerhalb des Gehäuses 2 auf eine zu bestrahlende Stelle gelangen. Danach kann die reflektierte Strahlung zwecks Detektion in die jeweils andere Kavität 9, 10 gelangen. Die Kavitäten 9, 10 können wiederum von einer für die Strahlung transparenten Abdeckung verdeckt sein.
Zusätzlich umfassen die Kavitäten 9, 10 jeweils einen auf der Oberseite 19 des Gehäuses 2 angeordneten Boden 9b, 10b und eine umschließende Seitenwand 12, die durch die Außenwand 21 und die Trennwand 18 des Gehäuses 2 gebildet wird (Fig. 4) .
Wie bereits erwähnt wurde und in Fig. 5 beispielhaft in Verbindung mit der Sensorvorrichtung 8 dargestellt ist, kann das Gehäuse 2 der hier offenbarten Sensorvorrichtungen 1, 8 ferner eine Abdeckung 14 aufweisen . Die in Fig. 5 gezeigte Abdeckung 14 ist an der Unterseite 20 des Gehäuses 2 angeordnet und mindestens teilweise für die von den beiden Emittern 11, 13 emittierten und detektierten IR-Strahlen transparent ausgebildet.
Fig. 5 zeigt ferner wie die Sensorvorrichtung 8, bspw. zwecks einer Feuchtigkeitsmessung, eingesetzt werden kann. Hierfür wird die z.B. in einer Fitnessuhr, einem Aktivitätstracker, einem Mobiltelefon oder einem anderen elektronischen Gerät integrierte Sensorvorrichtung 8 mit der an der Unterseite 20 angeordneten Abdeckung 14 in eine unmittelbare Nähe oder direkt auf eine zu bemessende Stelle 15, insbesondere auf die Hautoberfläche eines Anwenders, gebracht. Mittels der beiden Emitter 11, 13, bei denen es sich zum Beispiel um LEDs handeln kann, wird abwechselnd elektromagnetische Strahlung auf die Stelle 15 eingestrahlt. Beispielhafte Emissionsstrahlen der beiden Emitter 11, 13 sind in Fig. 5 dargestellt und jeweils mit den Bezugszeichen 16 und 22 gekennzeichnet. Die Emissionsstrahlen 16, 22 werden an der Stelle 15 wellenlängenabhängig absorbiert und zum Teil reflektiert, sodass ein Anteil der Strahlen (bezeichnet als Strahlen 17, 23) über die transparente Abdeckung 14 in die jeweils andere Kavität 9, 10 gelangt, um dort vom jeweils anderen Emitter 11, 13 erfasst zu werden. Der Anteil der reflektierten Strahlen 17, 23 variiert bspw. in Abhängigkeit von einem Feuchtigkeitsgrad der bestrahlten Stelle. Diese Variation kann durch den als Detektor eingesetzten Emitter 11, 13 detektiert und ferner mittels einer Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) ausgewertet werden. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von den detektierten Strahlen 17, 23 der beiden Emitter 11, 13 wenigstens einen Messwert, insbesondere einen Feuchtigkeitsgrad oder eine andere die Hautfeuchtigkeit charakterisierende Größe, zu ermitteln.
Die Funktionsweise der Sensorvorrichtung 8 entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise der Sensorvorrichtung 1 aus Fig. 1 und 2, mit dem Unterschied, dass in der Sensorvorrichtung 1 die Detektion mittels eines separaten Detektors 4 durchgeführt wird. Somit entsprechen die in der Fig. 5 dargestellten Emissionsstrahlen 16 des Emitters 11, den Emissionsstrahlen der beiden zeitlich versetzt betreibbaren Emitter 6, 7 der Sensorvorrichtung 1 aus Fig.
I, 2, während die an der Stelle 15 reflektierten Strahlen 17 (Fig. 5), den vom Detektor 4 der Sensorvorrichtung 1 erfassten Strahlen entsprechen .
Fig. 6 zeigt einen Zusammenhang zwischen den Emissions- und Absorptionsspektren der beiden Emitter 11, 13 der Sensorvorrichtung 8 aus Fig. 3-5. Die in Fig. 6 dargestellte horizontale X-Achse des Diagramms bezeichnet die Wellenlänge der von den Emittern 11, 13 emittierten bzw. detektierten elektromagnetischen Strahlen in willkürlichen Einheiten (w.E.) . Die vertikale Y-Achse zeigt Absorptions- bzw. Emissionswerte der beiden Emitter 11, 13, die ebenfalls in willkürlichen Einheiten angegeben werden.
Die Linie (El) bezeichnet das Emissionsspektrum des ersten Emitters
II, der bspw. konfiguriert ist, um elektromagnetische Strahlen im IR-Spektralbereich von mehr als 1450 nm, bevorzugt einschließlich von 1450 nm, zu emittieren. Das Emissionsspektrum des ersten Emitters 11 liegt dabei im Bereich von 4-10 w.E. mit einem Emissionsmaximum (Wert 1) bei einer Wellenlänge von 7 w.E. Die gekreuzte Linie (E2) zeigt das Emissionsspektrum des zweiten Emitters 13, der z. B. elektromagnetische Strahlen im IR- Spektralbereich von bis zu 1450 nm emittieren kann. Der zweite Emitter 13 zeigt ein gleiches Emissionsmaximum wie der erste Emitter 11 (Wert 1), jedoch bei einer Wellenlänge von 4 w.E. in einem Spektralbereich von 1-7 w.E. Die Emissionsmaxima können auch voneinander abweichen.
Der Fig. 6 ist ferner zu entnehmen, dass die beiden Emitter 11, 13 zeitlich versetzt als Detektoren betrieben werden können. Die gestrichelte Linie (Al) mit zusätzlichen Punkten zeigt das Absorptionsspektrum des ersten Emitters 11. Die gestrichelte Linie (A2) bezeichnet das Absorptionsspektrum des zweiten Emitters 13.
Der erste Emitter 11, eingesetzt als Detektor, kann elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 1-8,5 w.E. absorbieren. Dahingegen kann der zweite Emitter 13 Strahlung in einem kurzwelligeren Spektralbereich von 1-5,5 w.E. detektieren. Somit kann der erste Emitter 11 das komplette Emissionsspektrum (1-
7.5 w.E.) des zweiten Emitters 13 detektieren. Der zweite Emitter 13 kann einen Teilbereich der vom ersten Emitter 11 ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung erfassen, der bei einer Wellenlänge im Bereich von 4 bis 5,5 w. E. liegt. Dies ist durch die gestrichelte Region R in Fig. 6 angedeutet. Mit den beiden Emittern 11, 13 kann somit zumindest ein Teilbereich des Spektrums der vom jeweils anderen Emittern 11, 13 emittierten Strahlung detektiert werden.
Zwecks Feuchtigkeitsmessung der zu bestrahlenden Stelle 15 können die Wellenlängen der beiden Emitter 11, 13 so gewählt werden, dass der Überlappungsbereich (4 bis 5,5 w. E.) des Emissionsspektrums (4-10 w.E.) des ersten Emitters 11 mit dem Absorptionsspektrum (1-
5.5 w.E) des zweiten Emitters 13 einem Wellenlängenbereich entspricht, in dem Wasserabsorption an der Stelle 15 ein Maximum aufweist. Es wird somit möglich, mittels der beiden Emitter 11, 13 und ohne zusätzlichen Detektor, eine Feuchtigkeitsmessung einer Stelle 15, z.B. einer Hautstelle, durchzuführen.
Vorstehend wurde in Bezug auf die Figuren der Fall beschrieben, dass an einer Stelle reflektierte Strahlung von der Sensorvorrichtung detektiert wird. Dieser Fall ist insbesondere zutreffend, wenn zur Messung eines Hauffeuchtigkeitsgrads die Sensorvorrichtung in Kontakt mit einer Hautstelle eines Anwenders gebracht wird und anhand der reflektierten Strahlung, wie zuvor beschrieben, eine Ermittlung des Feuchtigkeitsgrads erfolgt. In Fällen, in denen die Stelle, an welcher eine Messung erfolgt, auf der Oberfläche der Haut eines Anwenders liegt, macht eine Transmissionsmessung keinen Sinn. In anderen Fällen, zum Beispiel zur Messung von Feuchtigkeit in der Luft, könnte es jedoch sinnvoll sein, anstatt einer Reflektionsmessung eine Transmissionsmessung durchzuführen. Es könnten dabei die durch eine Stelle transmittierten Strahlen gemessen und anhand der erfassten Signale ein Feuchtigkeitsgrad bestimmt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Sensorvorrichtung
2 Gehäuse
3 zweite Kavität
3a Öffnung
3b Boden
4 Detektor
5 erste Kavität
5a Öffnung
5b Boden
6 erster Emitter
7 zweiter Emitter
8 Sensorvorrichtung
9 erste Kavität
10 zweite Kavität
11 erster Emitter
12 Seitenwand
13 zweiter Emitter
14 Abdeckung
15 Stelle
16 Emissionsstrahlen
17 detektierte Strahlen
18 Trennwand
19 Oberseite
20 Unterseite
21 Außenwand
22 Emissionsstrahlen
23 detektierte Strahlen
Al Absorptionsstrahlen des ersten Emitters A2 Absorptionsstrahlen des zweiten Emitters El Emissionsstrahlen des ersten Emitters E2 Emissionsstrahlen des zweiten Emitters R Region
X horizontale Achse
Y vertikale Achse

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Sensorvorrichtung, insbesondere zur Messung von Feuchtigkeit, mit :
einem ersten optoelektronischen Emitter (11), insbesondere eine LED, zur Bestrahlung einer Stelle (15) mit elektromagnetischen Strahlen (16),
einem zweiten optoelektronischen Emitter (13) , insbesondere eine LED, zur Bestrahlung der Stelle (15) mit elektromagnetischen Strahlen ( 22 ) ,
wobei der erste optoelektronische Emitter (11) betreibbar ist, um wenigstens einen Teil der elektromagnetischen Strahlen (23) von dem zweiten Emitter (13) zu detektieren, die an der Stelle (15) reflektiert oder durch die Stelle (15) transmittiert wurden, und wobei der zweite optoelektronische Emitter (13) betreibbar ist, um wenigstens einen Teil der elektromagnetischen Strahlen (17) von dem ersten Emitter (11) zu detektieren, die an der Stelle (15) reflektiert oder durch die Stelle (15) transmittiert wurden, wobei der erste Emitter (11) elektromagnetische Strahlen (16) bei einer Wellenlänge im Bereich von über 1450 nm, bevorzugt von 1450 nm bis 1500 nm, 1550 nm oder 1600 nm, emittiert, und
wobei der zweite Emitter (13) elektromagnetische Strahlen (22) bei einer Wellenlänge im Bereich von unter 1450 nm, bevorzugt im Bereich von 1450 nm bis 1300 nm oder 1400 nm, emittiert, und
wobei der zweite Emitter (13) derart ausgebildet ist, dass dieser zumindest einen Teil des vom ersten Emitter (11) emittierten Spektrums detektieren kann.
2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die beiden Emitter (11,
13) zeitlich versetzt jeweils als Emitter und Detektor betrieben werden, sodass jeder der beiden Emitter (11, 13) zeitweise mindestens einen Teil der durch den anderen Emitter (11, 13) emittierten elektromagnetischen Strahlen (17, 23) detektieren kann.
3. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Emitter (11, 13) LEDs sind, die Indium-Gallium- Arsenidschicht (InGaAs) auf einer Indiumphosphid-Schicht (InP) auf ei sen .
4. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Gehäuse (2), das eine zu einer Unterseite (20) des Gehäuses (2) offene erste Kavität (9) und eine zur Unterseite (20) offene zweite Kavität (10) aufweist, wobei die beiden Kavitäten (9, 10) voneinander getrennt sind, und wobei in der ersten Kavität (9) der erste Emitter (11) und in der zweiten Kavität (10) der zweite Emitter (13) angeordnet ist.
5. Sensorvorrichtung (1), insbesondere zur Messung von
Feuchtigkeit, mit:
einem ersten optoelektronischen Emitter (6), insbesondere eine LED, zur Bestrahlung einer Stelle (15) mit elektromagnetischen Strahlen (16) ,
einem zweiten optoelektronischen Emitter (7), insbesondere eine LED, zur Bestrahlung der Stelle (15) mit elektromagnetischen Strahlen, und
einem Detektor (4) zur Detektion von elektromagnetischen Strahlen (17) des ersten und zweiten Emitters (6, 7), die an der Stelle (15) reflektiert oder durch die Stelle (15) transmittiert wurden, wobei der erste Emitter (6) elektromagnetische Strahlen (16) bei einer Wellenlänge im Bereich von 1400-1500 nm emittiert, und wobei der zweite Emitter (7) elektromagnetische Strahlen (16) bei einer Wellenlänge im Bereich von 900-1100 nm emittiert,
wobei der zweite Emitter (7) zur Emission wenigstens eines weiteren elektromagnetischen Signals verwendbar ist, welches nicht zur Messung von Feuchtigkeit eingesetzt wird.
6. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die beiden Emitter (6, 7) derart konfiguriert sind, dass sie die elektromagnetischen Strahlen (16) zeitlich versetzt emittieren, sodass der Detektor (4) jeweils nur Strahlen (17) eines Emitters (6, 7) detektiert.
7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei der erste Emitter (6) eine LED ist, die eine Indium-Gallium-Arsenidschicht (InGaAs- Schicht) auf einer Indiumphosphidschicht ( InP-Schicht ) aufweist.
8. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der zweite Emitter (7) eine LED ist, die eine Indium-Gallium- Arsenidschicht ( InGaAs-Schicht ) auf einer Aluminium-Gallium- Arsenidschicht (AlGaAs-Schicht ) oder auf einer Gallium- Arsenidschicht (GaAs-Schicht ) aufweist.
9. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Detektor (4) eine Photodiode ist.
10. Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Photodiode (4) eine Indium-Gallium-Arsenidschicht (InGaAs) auf einer Indiumphosphidschicht (InP) aufweist.
11. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, ferner umfassend ein Gehäuse (2), das eine zu einer Unterseite (20) des Gehäuses (2) offene erste Kavität (5) und eine zur Unterseite (20) offene zweite Kavität (3) aufweist, wobei die beiden Kavitäten (3, 5) voneinander getrennt sind, wobei in der ersten Kavität (5) die beiden Emitter (6, 7) nebeneinander angeordnet sind, und wobei in der zweiten Kavität (3) der Detektor (4) angeordnet ist.
12. Sensorvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Unterseite (20) eine für die Strahlen (16, 17) der beiden Emitter (6, 7) zumindest teilweise transparente Abdeckung (14) aufweist.
13. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, ferner umfassend eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den detektierten elektromagnetischen Strahlen (17) der beiden Emitter (6, 7) wenigstens einen Messwert, insbesondere für eine Feuchtigkeit an der Stelle (15), zu ermitteln.
14. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1, 8) zur Messung von Hautfeuchtigkeit ausgelegt ist, und ein Gehäuse (2) der Sensorvorrichtung (1, 8) an die Hautoberfläche eines Anwenders derart angelegt werden kann, dass die emittierten elektromagnetischen Strahlen (16, 22) in oder auf eine Hautstelle (15) des Anwenders eingestrahlt und von dieser Hautstelle (15) reflektierte Strahlen (17, 23) detektiert werden können .
15. Eine tragbare elektronische Vorrichtung, insbesondere eine Fitnessuhr oder ein Aktivitätstracker, umfassend die Sensorvorrichtung (1, 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine mit ihr verbundene Befestigungseinrichtung zum Befestigen der Sensorvorrichtung an einem Körperteil des Anwenders, insbesondere derart, dass die Unterseite (20) der Sensorvorrichtung (1, 8) dem Körperteil zugewandt ist und/oder mit dem Körperteil im direkten Kontakt ist.
16. Verfahren zum Betreiben der Sensorvorrichtung (1, 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
a) Inkontaktbringen eines Gehäuses (2) der Sensorvorrichtung (1, 8) mit einer Hautstelle (15) eines Anwenders;
b) Aufeinanderfolgendes Bestrahlen der Hautstelle (15) mit elektromagnetischen Strahlen (16, 22) der beiden Emitter (6, 7, 11, 13) ;
c) Aufeinanderfolgendes Detektieren der von der Hautstelle (15) reflektierten elektromagnetischen Strahlen (17, 23) der beiden Emitter (6, 7, 11, 13);
d) Ermitteln eines Feuchtigkeitsgrads in Abhängigkeit von den detektierten elektromagnetischen Strahlen (17, 23) .
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