具有化學傳感器的便攜式電子設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本公開涉及具有化學傳感器的便攜式電子設(shè)備?！N便攜式電子裝置被描述為具有：殼體(10)；布置在所述殼體內(nèi)、適于測量至少—種分析物的屬性的化學傳感器(12、22、32、42、52、62)；終止在所述殼體中的開口(106、107)、用于暴露所述化學傳感器到待分析流體的管道(11)；和在所述管道(11)內(nèi)產(chǎn)生流的致動器(13)。
【專利說明】具有化學傳感器的便攜式電子設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種具有集成的化學傳感器的便攜式電子設(shè)備，所述便攜式電子設(shè)備例如手機、平板電腦等，所述化學傳感器位于通過設(shè)備外殼或殼體的管道(duct)內(nèi)。
【背景技術(shù)】
[0002]最初作為移動電話或電子議程引入的便攜式或移動設(shè)備變得越來越普遍。隨著它們內(nèi)部處理器的處理能力增強且同樣地與固定處理器通信的帶寬的增加，這種便攜式設(shè)備越來越多地起到了對消費者和專業(yè)用戶等可用的多用途工具的角色。
[0003]人們已經(jīng)認識到，便攜式設(shè)備可以受益于如下傳感器的存在，該傳感器能夠提供對與設(shè)備接觸或設(shè)備附近的材料的化學分析。雖然有許多這種傳感器可能的應(yīng)用，考慮例如便攜式設(shè)備周圍的空氣的分析就足夠了。這樣的分析可以用于多種目的，例如測試危險氣體、用于一般的醫(yī)療目的的呼吸分析或驅(qū)使健身等。
[0004]然而，化學傳感器往往由于在傳感器的緊鄰附近內(nèi)缺乏將要進行分析的介質(zhì)(即，分析物)的交換而表現(xiàn)地并不有效。因此，將要看到，作為本發(fā)明的一個目的，改善這種交換，并且因此防止或減少由飽和或不流動引起的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了 一種便攜式電子設(shè)備，優(yōu)選地具有通信能力，以允許經(jīng)由私有或公共網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和/或語音通信，所述便攜式電子設(shè)備封閉在殼體中，具有空氣管道和化學傳感器，該空氣管道具有到殼體外部的開口，其中該管道將化學傳感器連接到外部，并且管道與致動器鏈接以沿管道移動空氣，并因此沿化學傳感器的敏感表面移動空氣。
[0006]所述便攜式設(shè)備可以是智能電話、手持式計算機、筆記本電腦、電子閱讀器、平板電腦、游戲控制器、定點設(shè)備、照相機或攝像機、或電腦外設(shè)。其外殼通常是金屬、玻璃或塑料材料的殼，可以組裝為一體成型或由幾個部分組裝而成。封閉在殼體中的典型地是處理器、用于部件的驅(qū)動器以及提供電源至所述設(shè)備及其部件的電池，所述部件例如屏幕、天線、照相機、麥克風和揚聲器。屏幕通常布置為殼體的一部分，或安裝在殼體的透明窗后面。
[0007]管道作用為約束殼體內(nèi)的空氣，并可以采取管子或通道的形狀以形成為殼體的一部分或作為連接到殼體中的開口的獨立部分。它可以是單個直或彎曲的管道。所述管道可以連接到殼體中的多于一個的開口，并且可以例如終止在具有殼體中的開口的兩個端部。所述管道可以進一步分支成多個管道或腔，致動器或傳感器可以位于其中。
[0008]開口本身可以是專用的開口，因此專門將化學傳感器連接到外部。然而，考慮到便攜式電子設(shè)備的制造商努力保持殼體為對濕度和水的良好防護，被看作是有利的是，與便攜式設(shè)備的至少一個其他構(gòu)件共享開口，所述至少一個其他構(gòu)件需要類似的連接到外部，如揚聲器、麥克鳳或照相機。開口可以進一步由格柵或膜保護，以防止空氣的不需要的成分或較大顆粒進入或阻塞管道。[0009]可以將化學傳感器理解為用于檢測一個或多個分析物的一種或甚至多種屬性的傳感器設(shè)備。優(yōu)選地基于以下測量原則中的一個:
[0010]所述傳感器可以基于化學機械原理，例如，其中化學反應(yīng)被轉(zhuǎn)化為表面彈性波或者懸臂共振?；蛘?，可能有熱敏概念，例如通過利用可以用作熱催化傳感器的催化燃燒傳感器而被應(yīng)用，其中在燃燒過程中產(chǎn)生熱量。或者，化學傳感器可以依靠光學檢測，例如以微型光譜計的形式或NDIR，或可利用電化學反應(yīng)，例如與伏安、電位或電導測量原理組合通過固態(tài)電解質(zhì)而實現(xiàn)。也可以使用化學電阻器，例如導電和載碳的聚合物，優(yōu)選在低溫領(lǐng)域，或者，更優(yōu)選，金屬氧化物傳感器，例如錫氧化物、鎢氧化物、鎵氧化物、銦氧化物、鋅氧化物，它們優(yōu)選地可應(yīng)用于高溫環(huán)境。也可能使用ISFET(離子選擇性FET)和化學電容器，其中優(yōu)選地使用聚合物作為活性物質(zhì)。
[0011]所述傳感器包括傳感器材料，優(yōu)選地以層的形式，也被表示為接受層，其中分析物可結(jié)合至傳感器材料，并因此修改傳感器材料的電屬性(例如其電導性)，該原理優(yōu)選地被應(yīng)用于金屬氧化物化學傳感器中，或者修改光學屬性(例如其傳輸速率)。它也可以包含多個不同的傳感器或類似傳感器的陣列。在這樣的傳感器陣列中，每個傳感器單元可以提供展示不同吸收特性的金屬層，使得傳感器陣列的每個單元具體地可以對不同的分析物敏感，這樣可能使得便攜式電子設(shè)備能夠檢測著樣的分析物的存在或不存在或濃度。
[0012]鏈接到管道的致動器可以是能夠至少局部地(即，在傳感器的敏感表面附近)加速或阻止管道內(nèi)的空氣的任何設(shè)備。致動器的驅(qū)動力可以從包括以下的組中選擇電磁、機械、電聲或差動壓力、壓電、熱或冷卻。由于大多數(shù)便攜式電子設(shè)備中的空間限制，優(yōu)選的是使用如下致動器，該致動器不是專門致力于結(jié)合化學傳感器而操作，而是至少具有提供用于便攜式設(shè)備的其他構(gòu)件的動力的雙重功能。
[0013]本發(fā)明的上述和其它方面，連同本發(fā)明的進一步有利的實施例和應(yīng)用，在下面的描述和附圖中被進一步地詳細描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1A是便攜式電子設(shè)備的透視圖；
[0015]圖1B是圖1A的設(shè)備的殼體的一部分的示意圖；
[0016]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的使用機械致動器的示例；
[0017]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的使用電聲換能器或振動器作為致動器的示例；
[0018]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的使用熱源作為致動器的示例；
[0019]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的使用致動器和流調(diào)節(jié)元件的組合的示例；以及
[0020]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的示例的控制方案。
【具體實施方式】
[0021]圖1A的設(shè)備是一種便攜式電子設(shè)備，如移動電話。移動電話的殼體10包括具有屏幕101和使用戶與電話交互的如按鈕102的元件的前側(cè)。還在前側(cè)示出了用于揚聲器的開口 103。另外的開口 104、105位于殼體10的下側(cè)壁。眾所周知的是，將如麥克風和揚聲器的組件安裝在這樣的開口后面。
[0022]另一個開口 106位于下側(cè)壁。如圖1B所示，開口 106被鏈接到管狀的管道11，該管道11穿過殼體的內(nèi)部。雖然一個開口對于殼體的內(nèi)部和外部之間的空氣交換就足夠了，但在所示的例子中管道通過在殼體10的右側(cè)壁的另一個開口 107退出殼體?；瘜W傳感器12和致動器13都沿著管道11安裝，使得致動器可以影響管道中的空氣運動，并且傳感器的敏感區(qū)域暴露在在管道中移動的空氣。管道11的實際尺寸和形狀依賴于化學傳感器12和致動器13的性質(zhì)和可用體積，并且可以在很大程度上變化，如在示意性地示于下面的圖2-5中的示例的以下描述中進一步詳細所示。
[0023]在示例中，化學傳感器是使用安裝到CMOS基板上并與CMOS基板集成的金屬氧化物層的氣體傳感器。使用的金屬氧化物可以是錫氧化物、鎢氧化物、鎵氧化物、銦氧化物或鋅氧化物。對于下面進一步詳細地描述的特定實施例，傳感器還可以包括集成在傳感器內(nèi)的微機電系統(tǒng)或MEMS型熱源。
[0024]在示于圖2的第一系列的例子中，致動器23提供驅(qū)動空氣通過管道21流動的機械力。
[0025]例如，在圖2A中示出了位于便攜式電子設(shè)備的殼體內(nèi)的管道21的截面示意圖?；瘜W傳感器22被安裝成使得其敏感表面221暴露于管道21中的空氣。沿管道21產(chǎn)生空氣流，并因此借助于手動操作的鳳扇或泵23沿傳感器22的表面221產(chǎn)生空氣流。鳳扇23被成形為殼體的一部分，它被設(shè)計成向內(nèi)推并偏向(bias)以在釋放時返回到其原來的形狀。殼體的一部分從而形成使空氣在傳感器22的表面221上移動的簡單的泵或風扇。
[0026]圖2A的例子可以通過使用局部地調(diào)節(jié)管道的大小的致動器而被自動化。使用如圖2B所示的合適的設(shè)計圖，管道壁的調(diào)節(jié)可以造成管道內(nèi)的泵吸動作，類似于蠕動泵24的已知原理。
[0027]在圖2C所示的例子中，驅(qū)動空氣流的機械力是由小鳳扇或通風設(shè)備25提供的。這樣的風扇是市售的，其尺寸降至8mm x8mm,高度為3mm,并已被開發(fā)用于冷卻移動電話的部件。在圖2D所示的鳳扇輔助空氣流的變型中，風扇25被安裝在傳感器22的表面221之上，通道21被折疊以使得空氣可以在至少一個方向上流過表面。
[0028]圖2E所示的例子中，風扇25是大體上在兩個位置之間移動的簡單葉瓣。例如，葉瓣可以是安裝在鉸鏈上的薄金屬片，并且通過使用例如交替激活的磁鐵等、或在正常使用時利用便攜式設(shè)備的移動或震動以更不受控制的但節(jié)能的方式在兩個位置之間移動。
[0029]在圖3所示的第二系列的示例中，致動器選自于典型地已出現(xiàn)在便攜式電子設(shè)備中用于其他處理和目的的換能器。
[0030]在圖3A所示的例子中，管道31具有位于到殼體外部的開口處的保護格柵(grill) 311ο傳感器32位于管道中，在格柵311和揚聲器33之間的位置。該揚聲器可以是專用的揚聲器，特別設(shè)計和優(yōu)化用于在管道31中產(chǎn)生聲波的目的，但更有利的是，它可以是在便攜式設(shè)備中用于一般的聲音再現(xiàn)的揚聲器。管道本身可以是直接連接揚聲器到外部的管道、或僅與如低音反射喇叭的揚聲器聲學耦合的管道。
[0031]用設(shè)計為增加傳感器表面之上的空氣的運動的特定信號來驅(qū)動通用揚聲器33可以是進一步有利的。例如，可以使用如下信號，該信號導致非常低的頻率或低音的序列或波列的發(fā)射。也可以通過利用諸如管道31中的空氣柱的共振頻率之類的共振頻率來加強聲學信號的效果，并以這樣的共振頻率或接近于這樣的共振頻率的頻率來驅(qū)動揚聲器或任何其他波源。[0032]在圖3B的變型中，揚聲器33不是位于管道31的一端，而是位于與傳感器32的敏感表面321相對的位置。
[0033]在圖3C中，使用通常應(yīng)用于產(chǎn)生便攜式設(shè)備的振動報警的換能器34來在傳感器32的位置造成增加的空氣交換。這些換能器本身是已知的，例如可以從壓電元件構(gòu)建。
[0034]在上面的例子中，換能器被放置在靠近化學傳感器的地方。然而，只要致動器的運動被轉(zhuǎn)移到管道中的空氣，就不需要傳感器和致動器的這種協(xié)同定位，并且可以更自由地在殼體內(nèi)選擇致動器的位置，以更好地使用在便攜式設(shè)備的殼體內(nèi)的可用空間。
[0035]在圖4所示的第三系列的例子中，使用由熱源引起的對流或熱膨脹來在化學傳感器的表面之上增加管道中的空氣的交換。
[0036]在對流過程中，熱源在具有傳感器的管道中產(chǎn)生空氣流。在圖4A的例子中，熱源43是化學傳感器42的一部分。對于某些類型的傳感器，這樣的芯片上的熱源本身是已知的，并且通常被稱為“熱板’?？梢岳缭诿绹鴮＠?464966或其他文件中找到有關(guān)這種熱板的原理和進一步的細節(jié)。典型地，對于某些傳感器(例如金屬氧化物傳感器)的正常工作來說需要這些熱板。
[0037]使用CMOS或其他半導體制造方法制造的這些MEMS型熱板的原理可以應(yīng)用到任何化學傳感器或與任何化學傳感器結(jié)和使用，以向便攜式設(shè)備內(nèi)的管道41提供用于對流的熱源。
[0038]雖然對于典型的金屬氧化物傳感器而言熱源有必要位于接近實際的傳感器之處，但是通常，用于產(chǎn)生對流的熱源可以沿管道放置在任何地方或者與管道接近。因此，熱源不一定是傳感器的一部分，但可以是專用的熱源，該專用的熱源使用例如電阻力口熱、電熱或珀耳帖(Peltier)效應(yīng)或者專用芯片或基板上的MEMS型熱板。這種專用的熱源可放置在沿管道的任何適當位置以優(yōu)化對流。
[0039]通過使用來自便攜式設(shè)備的任何標準組成構(gòu)件的多余熱量，也可以驅(qū)動對流過程。已知的是，在這樣的設(shè)備中使用的處理器產(chǎn)生多余熱量，該多余熱量需更被消散到外部以避免設(shè)備過熱。如圖4B所示，可以利用該過程來攜帶多余熱量通過管道41。產(chǎn)生多余熱量的構(gòu)件43可以被放置在管道41附近或通過例如熱管的熱導體鏈接到管道41。
[0040]如果使管道41的至少一部分取向向上以提供類似煙囪的效果，則能夠進一步改善傳感器42之上的對流。因此，可以通過使用由便攜式設(shè)備的其他構(gòu)件(例如由加速計或陀螺儀)提供的位置信息來控制熱源43。通過這樣的控制，當方向傳感器用信號通知便攜式設(shè)備的合適取向以及由此的管道41的合適取向時激活熱源。
[0041]替換地或另外地，可以使用取向信息來控制測量處理本身。例如，可以僅在預定義的位置或取向針對(有效)讀數(shù)或測量來激活化學傳感器。
[0042]還可以使用熱源之上的空氣熱膨脹作為驅(qū)動力，以交換傳感器附近的空氣。在這種應(yīng)用中，最好在AC或脈動的模式中操作熱源，以使得空氣體積膨脹的時段之后跟著收縮的時段以有效地將新鮮空氣泵入傳感器之上的體積中。
[0043]進一步可以將例如如上所述的兩個或多個致動器組合使用，以增強化學傳感器52的位置處的空氣流。在圖5中，示出了單向空氣閥53與一個揚聲器54相結(jié)合的組合。該單向閥53類以于電路中的整流器起作用，從而用于將管道51中的空氣的周期性運動或更隨機的運動轉(zhuǎn)換為定向的流。管道中的其他流整形元件(例如壓縮件、葉片等)可以用來代替單向閥53，所述其它流整形元件被設(shè)計為弓I入非對稱流條件或更定向的流。
[0044]如上面已經(jīng)結(jié)合電話的取向提到的，可以通常根據(jù)便攜式設(shè)備的狀態(tài)來控制致動器和域傳感器的操作，所述狀態(tài)例如取向、電池充電狀態(tài)、開口的意外堵塞、或影響致動器和域傳感器的性能的其他狀態(tài)。在這些情況下，當便攜式設(shè)備的狀態(tài)不適合或設(shè)有準備好用于令人滿意的測量時，控制可以啟動、中斷和結(jié)束傳感器和域致動器的操作。
[0045]在圖6所示的例子中，使用控制系統(tǒng)64鏈接換能器63和化學傳感器62，控制系統(tǒng)64確定在傳感器62的表面上在管道61中的強制空氣交換的時段的開始和結(jié)束。方便作為便攜式設(shè)備內(nèi)的通用處理單元的一部分的控制系統(tǒng)還被用于將該時段與實際測量時段同步，在實際測量時段期間傳感器進行空氣分析。測量期間最好跟隨在強制空氣交換的時段結(jié)束之后，以避免由致動器和強制的空氣流對測量造成的擾動。
[0046]雖然示出和描述了本發(fā)明的當前優(yōu)選實施例，但是應(yīng)當清楚地理解的是，本發(fā)明并不限于此，而是可以以其它方式在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)各種各樣體現(xiàn)和實踐。
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式電子設(shè)備，包括: 殼體(10)； 化學傳感器(12、22、32、42、52、62)，位于殼體(10)內(nèi)，其中化學傳感器(12、22、32、42、52,62)適于測量至少一個分析物的屬性； 管道(11、21、31、41、51、61)，終止于殼體(10)中的開口(196、107)，用于將化學傳感器暴露到待分析的流體；以及 致動器(13)，用于引起管道內(nèi)的空氣流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述致動器(13)包括風扇(23、25)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述致動器(13)包括在管道(31)中產(chǎn)生聲波的電聲換能器(33)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述致動器(13)包括管道(31)內(nèi)的泵(24)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述致動器(13)包括振動致動器(34)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述致動器(13)包括熱源(43)，所述熱源用于通過管道(41)中的空氣的對流或熱膨脹來產(chǎn)生流。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的便攜式電子設(shè)備，還包括流調(diào)節(jié)元件(53)，所述流調(diào)節(jié)元件在操作中產(chǎn)生管道(51)中的流的選定方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述流調(diào)節(jié)元件是單向閥(53)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述管道包括能夠充分透過以允許分析物經(jīng)過而到達所述化學傳感器的蓋子。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述管道(11)包括殼體(10)中的第二開口(107)，使得通過開口(106)中的一個進入管道(11)的空氣能夠通過另一開口(107)退出管道。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述致動器(63)和/或傳感器(62)被連接到用于激活或去激活致動器和/或傳感器的控制系統(tǒng)(64)，其中所述控制系統(tǒng)適于記錄便攜式設(shè)備的至少一個狀態(tài)，并根據(jù)記錄的狀態(tài)控制致動器和/或傳感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述狀態(tài)選自包括如下的組:便攜式設(shè)備的空間取向、電池充電、空氣換入的先前或?qū)嶋H時間時段、或者通過管道(61)的空氣流的量。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述化學傳感器(12、22、32、42、52、62)包括金屬氧化物傳感材料。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述化學傳感器(12、22、32、42、52、62)包括安裝到包含CMOS電路的基板并與該基板電連接的金屬氧化物傳感材料。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的便攜式電子設(shè)備，其中所述化學傳感器(12、 .22、32、42、52、62)和致動器(13、63)連接到共同的控制系統(tǒng)(64)，所述控制系統(tǒng)(64)被編程為通過如下操作對用于測量的請求起作用:首先啟動致動器(13、63)，在管道(11、61)中的強制流的時段后去激活致動器(13、63)，以在啟動化學傳感器執(zhí)行測量之前結(jié)束管道中的強制流。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的便攜式電子設(shè)備，所述便攜式電子設(shè)備選自包括如下的組: 移動電話， 手持計算機， 電子閱讀器， 平板電腦， 游戲控制器， 定點設(shè)備， 照相機或攝像機， 數(shù)字音樂播放器， 腕表， 鑰匙圈， 頭戴式耳機，以及 計算機外設(shè)。
【文檔編號】G01N33/00GK103808900SQ201310726066
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月14日
【發(fā)明者】F·邁爾, L·布爾奇 申請人:森斯瑞股份公司