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一种传感器和智能穿戴设备

2021-03-13 14:28:31

一种传感器和智能穿戴设备

  技术领域

  本申请涉及智能穿戴设备技术领域,特别涉及一种传感器和智能穿戴设备。

  背景技术

  人体体征参数主要有呼吸频率、体温、心跳速率、血压和体重,这些健康指标能够在一定程度上反应人体的健康水平。当这些指标超出正常水平范围,这就意味着身体有某些突发疾病,或者突发某些危险。目前在智能穿戴设备中,都有各式各样的传感器去感知这些常见的健康指标,比如手环的心率功能,手机的感温功能等。但目前市面上的传感器多为单一功能的传感器,只能检测一到两个体征参数,如果需要检测多个体征时,需要在电子产品中添加多个传感器,其集成度较低,且成本较高。

  因此,如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

  发明内容

  本申请的目的是提供一种传感器和智能穿戴设备,能够利用半导体膜片实现了体温、毛孔孔径的检测功能,提高了体征监测功能的集成度。其具体方案如下:

  本申请提供了一种传感器,包括:

  半导体膜片,用于在恒定电流下输出电压信号;

  与所述半导体膜片连接的第一放大器,用于放大所述电压信号,并将放大的所述电压信号分成第一路信号和第二路信号;

  与所述第一放大器连接的第一电路,用于根据所述第一路信号生成对应的体温信号;

  与所述第一放大器连接的第二电路,用于根据所述第二路信号生成毛孔孔径信号。

  优选地,还包括:

  与所述半导体膜片连接的应变电阻,用于在所述恒定电流下,根据输入的所述电压信号输出压力信号;

  与所述应变电阻连接的第二放大器,用于放大所述压力信号,以便输出血压信号。

  优选地,所述第二电路包括:

  与所述第一放大器连接的第一延迟电路,用于当第一信号通过所述第一延迟电路时输出参考信号,其中,所述第二路信号分成第一信号和第二信号;

  输入端与所述第一延迟电路的输出端、所述第一放大器的输出端连接的比较器,用于根据所述参考信号和当前的所述第二信号生成电平信号,其中,所述电平信号分成第一电平信号和第二电平信号;

  与所述比较器连接的第二延迟电路,用于所述第二电平信号通过所述第二延迟电路时输出输入电平信号,;

  输入端与所述第二延迟电路的输出端、所述比较器的输出端连接的边沿触发电路,用于根据当前的所述第一电平信号和所述输入电平信号生成所述毛孔孔径信号。

  优选地,所述第一电路包括:

  与所述半导体膜片连接的AD转换器,用于将所述第一路信号生成所述体温信号。

  优选地,还包括:

  发光二极管组件,用于发射预设颜色光;

  与所述发光二极管组件对应的光电二极管;

  覆盖在所述光电二极管上方的滤光片,用于使所述光电二极管可以采集与所述预设颜色光对应的光信号。

  优选地,所述发光二极管组件包括绿光光源;

  对应的,所述光电二极管,用于采集绿光信号,并根据所述绿光信号得到心率信号。

  优选地,所述发光二极管组件还包括红光光源和红外光光源;

  对应的,所述光电二极管,用于采集红光信号和红外光信号,并根据所述红光信号和所述红外光信号得到血氧含量信号和/或呼吸频率信号。

  优选地,还包括:

  覆盖在所述发光二极管组件上方的透光挡板。

  本申请提供一种智能穿戴设备,包括:

  如上任一项所述传感器;

  与所述传感器连接的处理器,用于处理所述传感器发送的信号。

  优选地,还包括:

  与所述处理器连接的无线通信模块。

  本申请提供一种传感器,包括:半导体膜片,用于在恒定电流下输出电压信号;与半导体膜片连接的第一放大器,用于放大电压信号,并将放大的电压信号分成第一路信号和第二路信号;与第一放大器连接的第一电路,用于根据第一路信号生成对应的体温信号;与第一放大器连接的第二电路,用于根据第二路信号生成毛孔孔径信号。

  可见,本申请中利用半导体膜片在恒定电流下输出电压信号,放大电路将电压信号进行放大,然后电压信号的第一路信号经过第一电路生成体温信号,电压信号的第二路信号经过第二电路生成毛孔孔径信号,本申请采用一个半导体膜片实现了体温、毛孔孔径的检测功能,将原本实现体征检测的多个传感器,通过传感器特征的归一化,集成到一个半导体膜片中,提高了体征监测功能的集成度。

  本申请同时还提供了一种智能穿戴设备,具有上述有益效果,在此不再赘述。

  附图说明

  为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。

  图1为本申请实施例所提供的一种传感器的结构示意图;

  图2为本申请实施例提供的另一种传感器的结构示意图;

  图3为本申请实施例提供的另一种传感器的结构示意图;

  图4为本申请实施例提供的一种传感器的集成的结构示意图;

  图5为本申请实施例提供的一种图4的侧剖图;

  图6为本申请实施例提供的一种传感器在智能手环中的结构示意图;

  图7为本申请实施例提供的一种传感器在智能眼镜中的结构示意图。

  具体实施方式

  为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。

  人体体征参数主要有呼吸频率、体温、心跳速率、血压和体重,这些健康指标能够在一定程度上反应人体的健康水平。当这些指标超出正常水平范围,这就意味着身体有某些突发疾病,或者突发某些危险。目前在智能穿戴设备中,都有各式各样的传感器去感知这些常见的健康指标,比如手环的心率功能,手机的感温功能等。但目前市面上的传感器多为单一功能的传感器,只能检测一到两个体征参数,常见的传感器有心率传感器,血压传感器,温度传感器和血氧含量传感器,这些传感器多为同时应用在某一个电子产品,其集成度较低,且成本较高。

  基于上述技术问题,本实施例提供一种传感器,利用半导体膜片在恒定电流下输出电压信号,放大电路将电压信号进行放大,然后电压信号的第一路信号经过第一电路生成体温信号,电压信号的第二路信号经过第二电路生成毛孔孔径信号,本申请利用传感器中实现了体温、毛孔孔径的检测功能,提高了体征监测功能的集成度,为未来智能设备小型化和便携化提供了可能,具体请参考图1,图1为本申请实施例所提供的一种传感器的结构示意图,具体包括:

  半导体膜片100,用于在恒定电流下输出电压信号;

  与半导体膜片100连接的第一放大器200,用于放大电压信号,并将放大的电压信号分成第一路信号和第二路信号;

  与第一放大器连接的第一电路300,用于根据第一路信号生成对应的体温信号;

  与第一放大器连接的第二电路400,用于根据第二路信号生成毛孔孔径信号。

  本实施例不对半导体膜片100进行限定,只要是能够实现本实施例的目的即可。本实施例中的传感器还可以包括恒流电源,为半导体膜片100提供恒定电流,恒定电流流经半导体膜片100后产生电压信号,由于电压信号较为微弱需要经过第一放大器200对电压信号进行放大,第一放大器200将放大后的电压信号分成两路信号,第一路信号经过第一电路300后输出的电压信号为体温信号,第二路信号经过第二电路400输出的电压信号是温度变化信号即毛孔孔径信号,其中毛孔孔径信号表征的是毛孔前后状态的变化,该状态主要是毛孔孔径缩小还是毛孔孔径放大。本实施例中不对第一电路300和第二电路400进行限定,用户可自定义设置,其中,第一电路300中可以只包括传输线,则最终输出的体温信号就是第一路信号,该体温信号为模拟量信号,进一步的,第一电路300可以包括AD转换器,将模拟量信号转换为数字量信号,得到数字量的体温信号。

  其中,体温检测是使用热敏半导体作为热敏电阻材质,热敏电阻阻值根据温度变化而变化,采样电阻的电压或电流信号确定体温信号,体温信号对应体温值;毛孔检测是通过掺有杂质的半导体紧贴皮肤,紧贴皮肤部分的半导体温度较高,由于毛孔部分的半导体下面没有与皮肤直接接触,这部分半导体温度较低,当毛孔的孔径放大时,温度较高的半导体部分面积减小,此时半导体内部电子移动,导致半导体的电压降低;当毛孔孔径收缩时,温度较高的半导体部分面积增大,内部电子逆向移动导致半导体电压增大,通过检测半导体的输出的电压信号的变化从而判断毛孔放大还是收缩。可见,本实施例中半导体膜片100包括两个作用,一个是作为体温检测的热敏半导体,另一个是作为毛孔检测的半导体。在检测体温和毛孔孔径变化时,通过半导体膜片100及第一电路300和第二电路400将温度信号分为体温信号和毛孔孔径变化信号,输出给后端电路。

  进一步的,请参考图2,图2为本申请实施例提供的另一种传感器的结构示意图,其中,第二电路400包括:

  与第一放大器200连接的第一延迟电路420,用于当第一信号通过第一延迟电路420时输出参考信号,其中,第二路信号分成第一信号和第二信号;

  输入端与第一延迟电路420的输出端、第一放大器200的输出端连接的比较器410,用于根据参考信号和当前的第二信号生成电平信号,其中,电平信号分成第一电平信号和第二电平信号;

  与比较器410连接的第二延迟电路440,用于第二电平信号通过第二延迟电路440时输出输入电平信号;

  输入端与第二延迟电路440的输出端、比较器410的输出端连接的边沿触发电路440,用于根据当前的第一电平信号和输入电平信号生成毛孔孔径信号。

  其中,电压信号经过第二电路400形成温度变化信号即毛孔孔径信号。第一放大电路输出的第二路信号分为两部分(第一信号和第二信号),第二信号作为比较器410的输入信号,第一信号经过第一延迟电路420作为比较器410的参考信号,当温度发生变化(毛孔孔径变化)时,由于第一延迟电路420的影响,参考信号暂时不会发生变化,还是上一状态的第一信号;而作为比较的第二信号立即发生变化,形成压差,从而通过比较器410输出电平信号(高低电平),比如输入信号高于参考信号时,比较器410输出电平信号为高电平。比较器410输出的电平信号作为温度变化信号输出给后端边沿触发电路430,此电平信号同样分为两部分(第一电平信号和第二电平信号),第一电平信号作为边沿触发信号,第二电平信号经过第二延迟电路440作为边沿触发电路430的输入电平信号,当比较器410输出的电平信号由低电平变高电平时,边沿触发器上升沿触发,抓取触发器输入电平信号的低电平(由于延迟电路影响,触发器输入信号仍保持变化前的电平状态),最后由边沿触发电路430输出的低电平作为毛孔孔径信号即(毛孔孔径缩小或放大信号)。举例:当毛孔孔径收缩,温度变高,半导体膜片100经过第一放大器200后的第二路信号变大,比较器410输入信号(第二路信号的第二信号)此时高于参考信号(上一状态的第一信号),比较器410输出电平信号为高电平(由低变高,上升沿),此时边沿触发电路430检测到上升沿,抓取此时边沿触发电路430的输入电平信号,由于延迟电路影响,此时边沿触发器的输入电平信号仍为上一状态的低电平,最终边沿触发器输出低电平,所以综上,当毛孔孔径收缩时,输出低电平,当毛孔孔径放大时,输出高电平。

  进一步的,第一电路300包括:与半导体膜片100连接的AD转换器310,用于将第一路信号生成体温信号。本实施例中第一电路300中包括AD转换器310用于进行信号转换。将模拟信号转换为数字信号,最后输出给后端系统。

  基于上述技术方案,本实施例利用半导体膜片100在恒定电流下输出电压信号,放大电路将电压信号进行放大,然后电压信号的第一路信号经过第一电路300生成体温信号,电压信号的第二路信号经过第二电路400生成毛孔孔径信号,本申请利用传感器中实现了体温、毛孔孔径的检测功能,提高了体征监测功能的集成度,为未来智能设备小型化和便携化提供了可能。

  进一步的,为了集成多种检测功能,使传感器可以同步实现多种监测功能,请参考图3,图3为本申请实施例提供的另一种传感器的结构示意图,还包括:与半导体膜片100连接的应变电阻500,用于在恒定电流下,根据输入的电压信号输出压力信号;与应变电阻500连接的第二放大器600,用于放大压力信号,以便输出血压信号。

  其中,血压检测中,当有脉搏跳动时,微压力传送给感压膜片,感压膜片将压力传送给应变电阻500,应变电阻500采集到跳动压力信息即压力信号,然后将压力信号放大生成血压信号,将血压信号输出给后端系统,以使后端系统通过一系列算法推算出人体血压。可知,本实施例中的半导体膜片100还可以作为血压检测的感压膜片。在检测血压时,半导体膜片100探测到血管舒张压,得到电压信号即压力信号,并传送压力信号给高精度的应变电阻500,恒流源为应变电阻500供恒定电流,电阻阻值因压力变化而变化,输出微弱电压信号给第二放大器(图3中的信号放大器)600得到血压信号。进一步的,在恒定电流输出压力信号,经过第二放大器600生成模拟量的血压信号,再经过AD转换输出数字量的血压信号。

  可见,本实施例中用一个半导体膜片100实现了体温、毛孔孔径和血压三个检测功能,极大地提高了体征监测的集成度。

  进一步的,为了集成多种检测功能,使传感器可以同步实现多种监测功能,该传感器还包括:发光二极管组件700,用于发射预设颜色光;与发光二极管组件700对应的光电二极管800;覆盖在光电二极管800上方的滤光片,用于是光电二极管800可以采集与预设颜色光对应的光信号。

  本实施例中恒流源为发光二极管组件700供电,可以理解的本实施例中的恒流源可以为应变电阻500、半导体膜片100和发光二极管组件700提供恒流源,进一步的,恒压源为光电二极管800提供固定电压;由恒压源和恒流源组成的外部供电装置为多功能的传感器提供电能。

  其中,发光二极管组件700可以包括多个光源,每一个光源对应有一个光电二极管800。本实施例不对光源进行限定,可以是LED光源,还可以是其他光源,只要是能够实现本实施例的目的即可。本实施例中的传感器还可以包括逻辑电路,用于控制发光二极管组件700中的光源打开的先后顺序、持续时间以及周期,具体时序根据具体算法而定。恒流源为发光二极管组件700提供恒定电流,保证发光二极管组件700光强保持不变,逻辑电路也正是通过控制电流的导通和关断控制发光二极管组件700的亮灭。

  光电二极管800主要是为了接收不同光的发射光信号,接收不同光的反射光信号是通过传感器结构上的滤光片实现。

  当光电二极管800组件中的光源导通,恒压源提供的固定电压信号通过光源输出,光电二极管800接收到对应光的反射光信号。本实施例不对发光二极管组件700中的光源进行限定,用户可根据实际需求进行设置。在一种可实现的实施方式中,发光二极管700包括绿光光源,对应的,光电二极管800用于采集与预设颜色光对应的绿光信号,并根据绿光信号得到心率信号,实现心率监测功能。在另一种可实现的实施方式中,发光二极管700包括红光光源和红外光光源,对应的,光电二极管800用于采集与预设颜色光对应的红光信号和红外光信号,并根据红光信号和红外光信号得到血氧含量信号,实现心率监测功能。在另一种可实现的实施方式中,发光二极管700包括绿光光源、红光光源和红外光光源,对应的,光电二极管800用于采集与预设颜色光对应的绿光信号、红光信号和红外光信号,并根据红光信号和红外光信号得到血氧含量信号和/或呼吸频率信号,实现血氧含量和或呼吸频率监测功能,根据绿光信号得到心率信号,实现心率监测功能。可见,本实施例可以通过在传感器中设置发光二极管组件700和对应的光电二极管800,集成多种检测功能,使传感器可以同步实现多种监测功能。

  进一步的,为了保证光电二极管800组件中的光源之间不受干扰,光感器还包括:覆盖在发光二极管组件700上方的透光挡板。发光二极管组件700包括多个光源,在每个光源上均覆盖有透光挡板,本实施例中设置透光挡板后,只有固定波长的光可以通过滤光片被光电二极管800探测,这样就可以保证光源之间不会受到干扰。需要说明的是,透光挡板和滤光片的位置和数量不受限制,可以根据具体产品做相应调整。可见,本实施例中通过在发光二极管组件700中的每一个光源上方设置一个透光挡板,保证光源之间不被干扰。

  在一种可实现的实施方式中,发光二极管组件700包括绿光光源;对应的,光电二极管800,用于采集绿光信号,并根据绿光信号得到心率信号。

  可以理解的是,心率检测多用光电容积法,通过检测人体血液和组织绿光反射光的强度,当心脏跳动时,动脉内的血液含量增加,反射光的强度增强,得到的绿光信号增强,根据绿光信号可以得到心率信号,以此检测动脉跳动。

  在另一种可实现的实施方式中,发光二极管组件700还包括红光光源和红外光光源;对应的,光电二极管800,用于采集红光信号和红外光信号,并根据红光信号和红外光信号得到血氧含量信号和/或呼吸频率信号。

  其中,血氧含量检测多采用分光光度法,采用波长为660nm的红光和940nm的红外光,根据氧合血红蛋白对660nm红光吸收量较少,对940nm红外光吸收量较多,血红蛋白则反之,用分光光度法测定红外光和红光吸收量之比,确定血红蛋白的氧合程度。本实施例中根据红光信号和红外光信号得到血氧含量信号,以使实现血氧含量的检测。

  其中,呼吸频率检测通过血氧含量检测实现的,当人体呼吸时,血液中的氧气含量会跟随呼吸频率产生周期性变化,因此在检测血氧含量的同时可以检测到血液中氧气含量的变化率,从而通过一系列算法得到呼吸频率。可以理解的是,血氧含量信号与呼吸频率信号对应的信号值相同,仅仅存在信号标识不同,将呼吸频率信号发送至后端系统,以便后端系统基于呼吸频率信号确定是计算呼吸频率,然后基于呼吸频率信号计算得到呼吸频率值。

  本实施例不对传感器中的各组件的设置位置进行限定,用户可根据实际需求进行设置,只要是能够实现本实施例的目的即可。请参考图4和图5,图4为本申请实施例提供的一种传感器的集成的结构示意图,图5为本申请实施例提供的一种图4的侧剖图。图4中,1表示传感器外封装,100表示半导体膜片,2-1、2-2、2-3表示覆盖在三个发光二极管上方的透光挡板,3-1、3-2、3-3分别表示覆盖在三个光电二极管上方的滤光片。图5中,其中1是传感器外封装,4表示传感器中的硬件集成电路,主要包含恒流恒压源,逻辑电路,信号放大器,AD转换器和其他相关电路,100是半导体膜片,500是位于半导体膜片下的高精度应变电阻,与半导体膜片100紧密贴合,探测压力信号,3是某一个滤光片,800是某一个光电二极管,2是某一个透光挡板,710是某一个发光二极管即光源,5标记的箭头表示电气连接,其中发光二极管、光电二极管、应变电阻和半导体膜片随在结构上位于集成电路之外,但是通过某种电气连接属于硬件电路的一部分。

  基于上述技术方案,本实施例提供一种传感器实现了对人体体温,心率,血氧含量,血压,呼吸频率和毛孔孔径变化的实时检测,将各项人体体征参数的测量功能集成到了一个传感器,提高了体征监测功能的集成度,为未来智能设备小型化和便携化提供了可能。并且,本实施例中采用一个半导体膜片100实现了体温、毛孔孔径和血压三个检测功能,将原本实现体征检测的多个传感器,通过传感器特征的归一化,将其集成到一个传感器中,进而提高了传感器的集成度。

  下面对本申请实施例提供的一种智能穿戴设备进行介绍,下文描述的智能穿戴设备与上文描述的传感器可相互对应参照。

  本实施例提供一种智能穿戴设备,包括:

  如上述传感器;

  与传感器连接的处理器,用于处理传感器发送的信号。

  在一种可实现的实施方式中,处理器,用于对体温信号进行处理,得到体温值;对毛孔孔径信号进行处理,得到毛孔孔径变化值。

  在另一种可实现的实施方式中,处理器,还用于对血压信号进行处理,得到血压值。

  在另一种可实现的实施方式中,处理器,还用于对心率信号进行处理,得到心率值。

  在另一种可实现的实施方式中,处理器,还用于对血氧含量信号进行处理,得到血氧含量值。

  在另一种可实现的实施方式中,处理器,还用于对呼吸频率信号进行处理,得到呼吸频率值。

  在另一种可实现的实施方式中,还包括:与处理器连接的无线通信模块。

  无线通信模块用于与终端进行连接。其他设备可以是手机、平板、计算机设备等等。

  本实施例中智能穿戴设备可以是智能手环,还可以是智能眼镜,当然还可以是其他智能穿戴设备只要是能够实现本实施例的目的即可。

  当智能穿戴设备可以是智能手环时,请参考图6,图6为本申请实施例提供的一种传感器在智能手环中的结构示意图。当智能穿戴设备可以是智能眼镜时,请参考图7,图7为本申请实施例提供的一种传感器在智能眼镜中的结构示意图。

  由于智能穿戴设备部分的实施例与传感器部分的实施例相互对应,因此智能穿戴设备部分的实施例请参见传感器部分的实施例的描述,这里暂不赘述。

  说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。

  专业人员还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

  结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

  以上对本申请所提供的一种传感器和智能穿戴设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以对本申请进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

《一种传感器和智能穿戴设备.doc》
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