DE102022212468A1 - Vehicle control element - Google Patents
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Abstract
Fahrzeugbedienelement (10) umfassend ein Sensorsystem (20) zum Bestimmen von Konzentrationen von Substanzen in Ausatemluft (6) und/oder Körpergeruch von Fahrzeuginsassen oder in sonstigen Gerüchen in einem Fahrzeug, das Sensorsystem (20) umfassend eine Messkammer (1), die Messkammer (1) umfassend eine Eintrittsöffnung (2a), durch die die Ausatemluft (6) und/oder der Körpergeruch oder die sonstigen Gerüche in die Messkammer (1) einleitbar sind, wobei das Sensorsystem (20) ein photonisches System ist umfassend Silizium als optisches Medium; in dem Sensorsystem (20) geleitete Strahlung mit der Ausatemluft (6) und/oder den Körpergerüchen oder den sonstigen Gerüchen wechselwirkt; das Sensorsystem (20) die Konzentrationen der Substanzen spektroskopisch bestimmt.Vehicle operating element (10) comprising a sensor system (20) for determining concentrations of substances in exhaled air (6) and/or body odor of vehicle occupants or in other odors in a vehicle, the sensor system (20) comprising a measuring chamber (1), the measuring chamber (1) comprising an inlet opening (2a) through which the exhaled air (6) and/or the body odor or the other odors can be introduced into the measuring chamber (1), wherein the sensor system (20) is a photonic system comprising silicon as an optical medium; radiation guided in the sensor system (20) interacts with the exhaled air (6) and/or the body odors or the other odors; the sensor system (20) determines the concentrations of the substances spectroscopically.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbedienelement.The invention relates to a vehicle control element.
Folgende Definitionen, Beschreibungen und Ausführungen behalten ihre jeweilige Bedeutung für und finden Anwendung auf den gesamten offenbarten Erfindungsgegenstand.The following definitions, descriptions and embodiments retain their respective meaning for and apply to the entire disclosed subject matter.
Zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Abgasen von Kraftfahrzeugen und anderen Aerosolen werden sogenannte Opazimeter eingesetzt. Diese beruhen auf dem Lambert-Beerschen Gesetz, indem sie die Abschwächung eines Lichtstrahls in dem untersuchten Medium erfassen und auswerten. Üblich sind dabei Anordnungen, bei denen auf einer Seite einer geraden Messkammer eine Lichtquelle und auf der gegenüberliegenden Seite ein Lichtsensor angeordnet sind. Ebenso sind Messanordnungen bekannt, bei denen zur Erhöhung der effektiven optischen Weglänge Spiegelsysteme verwendet werden. Ein Messstrahl durchläuft dabei mehrfach eine lineare Messstrecke. Zur Messung sehr geringer Menge an Molekülen, wie sie z.B. in der Atmen-Luft vorkommen, sind längere Messstrecken erforderlich. Eine Verlängerung der Messstrecke durch Vergrößern der Länge der Messkammer hat zur Folge, dass die Messgeräte groß und unhandlich werden.So-called opacimeters are used to determine the concentration of particles in exhaust gases from motor vehicles and other aerosols. These are based on the Lambert-Beer law in that they record and evaluate the attenuation of a light beam in the medium being examined. Common arrangements are those in which a light source is arranged on one side of a straight measuring chamber and a light sensor on the opposite side. Measuring arrangements are also known in which mirror systems are used to increase the effective optical path length. A measuring beam passes through a linear measuring section several times. Longer measuring sections are required to measure very small quantities of molecules, such as those found in the air we breathe. Extending the measuring section by increasing the length of the measuring chamber results in the measuring devices becoming large and unwieldy.
Auf diesem Gebiet offenbart die
Die
In
Aufgabe der Erfindung war es, wie ein Sensorsystem für eine Geruchs-/Atemgas Analyse in einem Fahrzeug miniaturisiert werden.The object of the invention was to miniaturize a sensor system for odor/breath gas analysis in a vehicle.
Der Gegenstand des Anspruchs 1 löst diese Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Definitionen, den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.The subject matter of
Die erfindungsgemäße Lösung stellt ein Fahrzeugbedienelement bereit. Das Fahrzeugbedienelement umfasst ein Sensorsystem zum Bestimmen von Konzentrationen von Substanzen in Ausatemluft und/oder Körpergeruch von Fahrzeuginsassen oder in sonstigen Gerüchen in einem Fahrzeug. Das Sensorsystem umfasst eine Messkammer. Die Messkammer umfasst eine Eintrittsöffnung, durch die die Ausatemluft und/oder der Körpergeruch oder die sonstigen Gerüche in die Messkammer einleitbar sind. Das Sensorsystem ist ein photonisches System umfassend Silizium als optisches Medium. In dem Sensorsystem geleitete Strahlung wechselwirkt mit der Ausatemluft und/oder den Körpergerüchen oder den sonstigen Gerüchen. Das Sensorsystem bestimmt die Konzentrationen der Substanzen spektroskopisch.The solution according to the invention provides a vehicle control element. The vehicle control element comprises a sensor system for determining concentrations of substances in exhaled air and/or body odor of vehicle occupants or in other odors in a vehicle. The sensor system comprises a measuring chamber. The measuring chamber comprises an inlet opening through which the exhaled air and/or body odor or other odors can be introduced into the measuring chamber. The sensor system is a photonic system comprising silicon as an optical medium. Radiation guided in the sensor system interacts with the exhaled air and/or body odors or other odors. The sensor system determines the concentrations of the substances spectroscopically.
Mit einem Fahrzeugbedienelement bedient ein Fahrzeuginsasse Funktionen eines Fahrzeuges. Das Fahrzeugbedienelement kann ein Bedienelement eines Fahrzeuglüftungs-, Heizungs- oder klimasystems sein, beispielsweise ein Touchscreen oder eine Drucktaste oder ein Drehregler. Das Fahrzeugbedienelement kann auch ein Bedienelement eines Infotainmentsystems sein, beispielsweise ein Touchscreen oder eine Drucktaste oder ein Drehregler. Nach einem Aspekt ist das Fahrzeugbedienelement ein Bedienelement, bei dessen Bedienung ein Abstand zwischen Fahrzeuginsasse und Fahrzeugbedienelement reduziert werden kann, beispielsweise durch nach vorne Beugen des Fahrzeuginsassen in Richtung Fahrzeugbedienelement. Nach einem Aspekt ist das Fahrzeugbedienelement ein Bedienelement zum Lenken des Fahrzeuges, beispielsweise ein Lenkrad oder behindertengerechte Fahr- und/oder Lenkhilfen, beispielsweise ein an einem Lenkrad anordbarer Multifunktionsdrehknauf.A vehicle occupant uses a vehicle control element to operate functions of a vehicle. The vehicle control element can be a control element of a vehicle ventilation, heating or air conditioning system, for example a touchscreen or a push button or a rotary control. The vehicle control element can also be a control element of an infotainment system, for example a touchscreen or a push button or a rotary control. According to one aspect, the vehicle control element is a control element when operated, a distance between the vehicle occupant and the vehicle control element can be reduced, for example by the vehicle occupant leaning forward towards the vehicle control element. According to one aspect, the vehicle control element is a control element for steering the vehicle, for example a steering wheel or driving and/or steering aids suitable for disabled people, for example a multifunction rotary knob that can be arranged on a steering wheel.
Körpergeruch umfasst alle riechbaren Körperausdünstungen von Menschen über die Haut und aus anderen Körperöffnungen, wie zum Beispiel Mundgeruch. Substanzen in Ausatemluft und/oder Körpergeruch können Substanzen sein, die auf Alkohol, wie etwa Ethanol, oder Kokain, Amphetamine, Cannabis, Tetrahydrocannabinol, Morphin, Methadone, Ammoniak, Azeton oder eine Kombination dieser Substanzen hindeuten. Diese Substanzen stellen Biomarker dar, die auf einen normalen biologischen oder krankhaften Prozess im Körper hinweisen können. Beispielsweise deutet ein Ammoniak-Geruch auf eine Nierenerkrankung hin. Ein Azeton-Geruch deutet auf Diabetes hin. Ein Vorteil der Bestimmung dieser Substanzen in Ausatemluft und/oder Körpergerüchen ist, dass keine chemischen Verfahren, die bei der Bestimmung des Alkoholgehalts in Atemluft beispielsweise auf ein Blasrohr angewiesen sind und damit unkomfortabel sind, oder Oberflächenkontaktverfahren, beispielsweise Adsorptionsverfahren, oder invasive Verfahren anzuwenden sind. Atemluft und andere Körpergerüche werden kontinuierlich abgegeben. Die Substanzen sind beispielsweise flüchtige organische Verbindungen, auch volatile organic compounds genannt, abgekürzt VOC. Zu VOCs gehören beispielsweise Aceton, Ethanol, Isopren, Nonanal, Decanal, α-Pinen, Buttersäureethylester und Butanal, Ethanal, Propanal und Essigsäure-n-propylester. VOC entstehen bei Lebewesen bei Protein-, Zell- oder Stoffwechseländerungen, die durch eine Krankheit ausgelöst werden. Beispielsweise wurden bei SARS-Cov-2 infizierten Menschen charakteristische Protein- und Stoffwechseländerungen beobachtet. Über Atmung und/oder Körpergerüche ausgeschiedene VOCs können charakteristisch für eine Krankheit sein und damit als Biomarker fungieren.Body odor includes all odorous body odors emitted by humans through the skin and other body orifices, such as bad breath. Substances in exhaled air and/or body odor can be substances that indicate alcohol, such as ethanol, or cocaine, amphetamines, cannabis, tetrahydrocannabinol, morphine, methadone, ammonia, acetone, or a combination of these substances. These substances represent biomarkers that can indicate a normal biological or pathological process in the body. For example, an ammonia smell indicates kidney disease. An acetone smell indicates diabetes. One advantage of determining these substances in exhaled air and/or body odors is that no chemical methods are required, which, for example, rely on a blowpipe to determine the alcohol content in exhaled air and are therefore uncomfortable, or surface contact methods, such as adsorption methods, or invasive methods. Exhaled air and other body odors are released continuously. The substances are, for example, volatile organic compounds, also called volatile organic compounds, abbreviated to VOCs. VOCs include, for example, acetone, ethanol, isoprene, nonanal, decanal, α-pinene, ethyl butyrate and butanal, ethanal, propanal and n-propyl acetate. VOCs are formed in living organisms when protein, cell or metabolic changes are triggered by a disease. For example, characteristic protein and metabolic changes have been observed in people infected with SARS-Cov-2. VOCs excreted via breathing and/or body odors can be characteristic of a disease and thus act as biomarkers.
Durch den erfindungsgemäßen Nachweis dieser Substanzen wird ein Zustand eines Fahrzeuginsassen, insbesondere eines Fahrzeugführers, hinsichtlich Krankheiten und Beeinträchtigungen der Fahrzeugführung bestimmt. Werden diese Substanzen oberhalb eines jeweiligen vorgegeben Schwellenwertes bestimmt, insbesondere bei Fahrtantritt, wird nach einem Aspekt beispielsweise eine Wegfahrsperre aktiviert, beispielsweise eine Alcolock oder Alkohol-Zündschlosssperre, die ab einem bestimmten Wert an Atemalkoholgehalt des Fahrzeugführers das Anfahren des Fahrzeugs blockiert.By detecting these substances according to the invention, the condition of a vehicle occupant, in particular a driver, is determined with regard to illnesses and impairments to driving. If these substances are detected above a respective predetermined threshold value, in particular when starting a journey, according to one aspect, an immobilizer is activated, for example an alcolock or alcohol ignition lock, which blocks the vehicle from starting when the driver's breath alcohol content reaches a certain level.
Das Sensorsystem ist ein spektroskopisches Sensorsystem. Das Sensorsystem kann die Konzentrationen der Substanzen mittels Absorptionsspektroskopie oder Emissionsspektroskopie bestimmen.The sensor system is a spectroscopic sensor system. The sensor system can determine the concentrations of substances using absorption spectroscopy or emission spectroscopy.
Das Sensorsystem besteht nach einem Aspekt aus der Messkammer. In dieser Ausführungsform umfasst das Sensorsystem Signal- oder Datenschnittstellen zu einem Detektor und/oder einer Strahlungsquelle. Nach einem weiteren Aspekt ist ein Detektor in dem Sensorsystem integriert, beispielsweise ein Photodioden-Detektor. Nach einem weiteren Aspekt sind Detektor und eine Strahlungsquelle, die die Strahlung bereitstellt, die mit den Substanzen wechselwirkt, in dem Sensorsystem integriert.According to one aspect, the sensor system consists of the measuring chamber. In this embodiment, the sensor system comprises signal or data interfaces to a detector and/or a radiation source. According to another aspect, a detector is integrated in the sensor system, for example a photodiode detector. According to another aspect, the detector and a radiation source that provides the radiation that interacts with the substances are integrated in the sensor system.
Die Strahlungsquelle kann hinsichtlich der emittierten Strahlung eine Breitband-Strahlungsquelle oder eine durchstimmbare Strahlungsquelle sein.The radiation source may be a broadband radiation source or a tunable radiation source with respect to the radiation emitted.
Die Strahlung ist elektromagnetische Strahlung. Nach einem Aspekt ist die Strahlung sichtbares Licht. Nach einem weiteren Aspekt ist die Strahlung Infrarotstrahlung. Beispielsweise hat Alkohol, beispielsweise Ethanol, Absorptionslinien im Infrarotbereich.The radiation is electromagnetic radiation. In one aspect, the radiation is visible light. In another aspect, the radiation is infrared radiation. For example, alcohol, such as ethanol, has absorption lines in the infrared range.
Der Detektor kann ausgeführt sein für Absorptionsspektroskopie oder Emissionsspektroskopie. Damit wird ein spektroskopisches Sensorsystem bereitgestellt. Beispielsweise umfasst der Detektor eine elektronische Auswerteeinrichtung für Absorptionsspektroskopie und Emissionsspektroskopie. Nach einem weiteren Aspekt umfasst das Sensorsystem die Auswerteeinrichtung für Absorptionsspektroskopie oder Emissionsspektroskopie als separates Bauteil, beispielsweise in der Form eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises.The detector can be designed for absorption spectroscopy or emission spectroscopy. This provides a spectroscopic sensor system. For example, the detector comprises an electronic evaluation device for absorption spectroscopy and emission spectroscopy. According to a further aspect, the sensor system comprises the evaluation device for absorption spectroscopy or emission spectroscopy as a separate component, for example in the form of an application-specific integrated circuit.
Nach einem weiteren Aspekt ist eine Strahlungsquelle, die die Strahlung bereitstellt, ein Laser. Der Laser ist beispielsweise ein Infrarotlaser, beispielsweise in Form einer externen Infrarot-Laserdiode. Damit kann das Sensorsystem laserspektroskopische Verfahren zur Bestimmung der Konzentrationen der Substanzen ausführen.According to a further aspect, a radiation source that provides the radiation is a laser. The laser is, for example, an infrared laser, for example in the form of an external infrared laser diode. This enables the sensor system to carry out laser spectroscopic methods for determining the concentrations of the substances.
Ein photonisches System kann Strahlung, beispielsweise Licht, beispielsweise Infrarotlicht, erzeugen, erkennen und/oder manipulieren durch Emission von Photonen, Übertragung von Photonen, Modulation, Signalverarbeitung, integrierte Schaltung, Verstärkung und/oder Sensorik. Ein photonisches System, das Silizium als optisches Medium umfasst, wird auch Silicon Photonics System oder Silicon Photonics Plattform genannt. Während des Erarbeitens der erfindungsgemäßen Lösung hat sich herausgestellt, dass eine Silicon Photonics Plattform als spektroskopisches Sensorsystem zum Bestimmen von Konzentrationen von Substanzen in Ausatemluft und/oder Körpergeruch oder in sonstigen Gerüchen ein im Vergleich zu anderen Sensortechnologien hohes Signal-Rausch-Verhältnis hat. Es lassen sich Empfindlichkeiten im Bereich von 1012, also parts per trillion, erreichen.A photonic system can generate, detect and/or manipulate radiation, for example light, for example infrared light, by emitting photons, transmitting photons, modulating, signal processing, integrated circuits, amplification and/or sensing. A photonic system that includes silicon as an optical medium is also called a silicon photonics system or silicon photonics platform. During the development of the inventive solution, it was found that a silicon photonics platform as a spectroscopic sensor system for determining concentrations of substances in exhaled air and/or body odor or other odors has a high signal-to-noise ratio compared to other sensor technologies. Sensitivities in the range of 10 12 , i.e. parts per trillion, can be achieved.
Nach einem Aspekt umfasst das photonische System einen photonisch integrierten Schaltkreis. Ein photonisch integrierter Schaltkreis ist eine Funktionsschaltung umfassend Komponenten, die mit Photonen wechselwirken. Die Komponenten, die mit Photonen wechselwirken, sind beispielsweise Wellenleiter, Laser, Polarisierer oder Phasenumkehrer.In one aspect, the photonic system comprises a photonic integrated circuit. A photonic integrated circuit is a functional circuit comprising components that interact with photons. The components that interact with photons are, for example, waveguides, lasers, polarizers or phase inverters.
Durch das photonische System kann das Sensorsystem miniaturisiert sein. Beispielsweise ist das Sensorsystem ein Silicon Photonics Wafer. Damit kann das Sensorsystem in einem Fahrzeugbedienelement, beispielsweise einem Lenkrad, angeordnet werden. Damit stellt die Erfindung eine Integration eines Alkohol- oder Geruchssensors in einem Lenkrad bereit.The photonic system allows the sensor system to be miniaturized. For example, the sensor system is a silicon photonics wafer. This allows the sensor system to be arranged in a vehicle control element, such as a steering wheel. The invention thus provides for the integration of an alcohol or odor sensor in a steering wheel.
Dadurch, dass die Messkammer eine Eintrittsöffnung und keine Austrittsöffnung umfasst, wird auf die Messkammer anströmende Ausatemluft vor oder in der Messkammer gestaut. Dadurch wird eine Verdünnung mit Umgebungsluft minimiert und es wird eine maximale Signalausbeute erreicht.Because the measuring chamber has an inlet opening and no outlet opening, exhaled air flowing into the measuring chamber is dammed up in front of or in the measuring chamber. This minimizes dilution with ambient air and achieves maximum signal yield.
Nach einem weiteren Aspekt umfasst das Sensorsystem wenigstens einen Silizium-auf-Isolator Wellenleiter. Eine Seite des Wellenleiters ist unbedeckt und der Ausatemluft und/oder den Körpergerüchen oder den sonstigen Gerüchen ausgesetzt. Silizium-auf-Isolator ist eine Technologie, mittels der Silizium Halbleiterbauelemente in einem geschichteten Silizium-Isolator-Silizium-Substrat hergestellt werden. Dadurch werden parasitäre Kapazitäten innerhalb des Wellenleiters verringert und dadurch die Leistung verbessert. Ferner ermöglicht der hohe Brechungsindexkontrast von Silizium-auf-Isolator Wellenleiter einen engen Biegeradius und damit ultrakompakte photonische Systeme. Die unbedeckte Seite des Wellenleiters ist die Seite, an der die Ausatemluft und/oder die Körpergerüche oder die sonstigen Gerüche anströmen. Beispielsweise ist die Seite eine Oberseite. Der Silizium-auf-Isolator Wellenleiter kann in der Messkammer angeordnet sein. Nach einem Aspekt ist die Messkammer als Silizium-auf-Isolator Wellenleiter oder als ein Schaltkreis von Silizium-auf-Isolator Wellenleitern ausgebildet.According to a further aspect, the sensor system comprises at least one silicon-on-insulator waveguide. One side of the waveguide is uncovered and exposed to the exhaled air and/or the body odors or the other odors. Silicon-on-insulator is a technology by means of which silicon semiconductor devices are manufactured in a layered silicon-insulator-silicon substrate. This reduces parasitic capacitances within the waveguide and thereby improves performance. Furthermore, the high refractive index contrast of silicon-on-insulator waveguides enables a tight bending radius and thus ultra-compact photonic systems. The uncovered side of the waveguide is the side on which the exhaled air and/or the body odors or the other odors flow. For example, the side is a top side. The silicon-on-insulator waveguide can be arranged in the measuring chamber. According to one aspect, the measuring chamber is designed as a silicon-on-insulator waveguide or as a circuit of silicon-on-insulator waveguides.
Nach einem weiteren Aspekt umfasst die Messkammer eine Polygon-, Ellipsen- oder Kreis-förmige Querschnittsfläche und auf Innenseiten reflektierend ausgebildete Wände umfasst. Beispielsweise kann der Silizium-auf-Isolator Wellenleiter einen polygon-, ellipsen- oder kreisförmigen Verlauf haben. Durch die reflektierend ausgebildeten Innenseiten der Wände wird die geleitete Strahlung, beispielsweise die Laserstrahlen, mehrfach an den Reflexionsflächen reflektiert. Damit wird eine Weglänge in der Messkammer oder dem Wellenleiter zurücklegt, die größer als eine Ausdehnung der Messkammer oder des Wellenleiters. Damit wird ein miniaturisiertes, in einen Fahrzeuginnenraum anordbares Sensorsystem mit kompakter Baugröße für die Geruchs-/Atemgas Analyse in einem Fahrzeug realisiert. Damit wird ein Sensorsystem bereitgestellt, das trotz geringer Baugröße eine hohe Sensibilität aufweist und daher zur Messung von Substanzen in Ausatemluft und/oder Körpergeruch in Fahrzeugen geeignet ist. In der Form eines Polygons angeordnete Reflexionsflächen ermöglichen es, den Reflexionswinkel gezielt auf einen gewünschten Wert einzustellen.According to a further aspect, the measuring chamber comprises a polygonal, elliptical or circular cross-sectional area and walls designed to be reflective on the inside. For example, the silicon-on-insulator waveguide can have a polygonal, elliptical or circular course. Due to the reflective inner sides of the walls, the guided radiation, for example the laser beams, are reflected several times on the reflection surfaces. This means that a path length in the measuring chamber or the waveguide is covered that is greater than the extent of the measuring chamber or the waveguide. This creates a miniaturized sensor system that can be arranged in a vehicle interior with a compact size for odor/breath gas analysis in a vehicle. This provides a sensor system that has a high sensitivity despite its small size and is therefore suitable for measuring substances in exhaled air and/or body odor in vehicles. Reflective surfaces arranged in the shape of a polygon make it possible to specifically set the angle of reflection to a desired value.
Nach einem weiteren Aspekt ist eine Höhe der Messkammer mittels einer bewegbaren Grundfläche der Messkammer ist. Beispielsweise kann eine Bodenfläche der Messkammer nach oben und/oder nach unten gefahren werden. Durch den höhenverstellbaren Boden kann der Senor effektiv vor Verschmutzung geschützt werden oder sich selbst reinigen, wenn der Boden an den Spiegelflächen vorbei bewegt wird. Ferner können damit Spiegel und/oder Laser geschützt werden, wenn das Sensorsystem keine Messung durchführt, insbesondere, wenn der Boden derart nach oben bewegt wird, dass er beispielsweise bündig mit der Lenkradoberfläche ist.According to a further aspect, a height of the measuring chamber is determined by means of a movable base surface of the measuring chamber. For example, a base surface of the measuring chamber can be moved up and/or down. The height-adjustable base allows the sensor to be effectively protected from contamination or to clean itself when the base is moved past the mirror surfaces. Furthermore, mirrors and/or lasers can be protected when the sensor system is not performing a measurement, in particular when the base is moved up so that it is, for example, flush with the steering wheel surface.
Nach einem weiteren Aspekt ist Strahlung wenigstens einer externen Strahlungsquelle mit dem Sensorsystem gekoppelt. Beispielsweise werden über die Wellenleiter Laserstrahlen einer relativ zu dem Sensorsystem externen Laserdiode in das Sensorsystem eingekoppelt. Nach einem weiteren Aspekt werden Strahlen mehrerer externer Strahlungsquellen eingekoppelt, insbesondere Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen. Damit wird eine Breitbandspektroskopie ermöglicht.According to a further aspect, radiation from at least one external radiation source is coupled to the sensor system. For example, laser beams from a laser diode that is external to the sensor system are coupled into the sensor system via the waveguides. According to a further aspect, beams from several external radiation sources are coupled in, in particular beams of different wavelengths. This enables broadband spectroscopy.
Nach einem weiteren Aspekt umfasst das Sensorsystem, beispielsweise das photonische System, Gruppe III-V Halbleitermaterialien, die eine in das photonische System integrierte Strahlungsquelle realisieren. Die Strahlung der integrierten Strahlungsquelle ist mit dem Sensorsystem, beispielsweise der Messkammer, gekoppelt. Damit kann ein Hybrid-Silizium-Laser bereitgestellt werden. Die integrierte Strahlungsquelle wird durch eine aktive Schicht der Gruppe III-V Halbleitermaterialien realisiert. Die aktive Schicht emittiert bei Anregung Licht. Gruppe III-V Halbleitermaterialien sind beispielsweise Indium(III)phosphide und Gallium(III)arsenide. Damit können Strahlungsquelle, Messkammer und Detektor in dem Sensorsystem integriert sein, beispielsweise in einem Chip.According to a further aspect, the sensor system, for example the photonic system, comprises group III-V semiconductor materials that implement a radiation source integrated into the photonic system. The radiation from the integrated radiation source is coupled to the sensor system, for example the measuring chamber. This can provide a hybrid silicon laser. The integrated radiation source is implemented by an active layer of group III-V semiconductor materials. The active layer emits light when excited. Group III-V semiconductor materials are, for example, indium(III) phosphide and gallium(III) arsenide. This allows the radiation source, measuring chamber and detector to be integrated in the sensor system, for example in a chip.
Nach einem weiteren Aspekt umfasst das Sensorsystem, beispielsweise das photonische System, eine Funktionsschaltung, mittels der die Gruppe III-V Halbleitermaterialien photonisch oder elektronisch anregbar sind. Beispielsweise steuert die Funktionsschaltung einen externen Laser an, der die Gruppe III-V Halbleitermaterialien anstrahlt und damit deren aktive Schicht anregt. Mittels der Funktionsschaltung kann auch Elektrizität durch die Gruppe III-V Halbleitermaterialien geleitet werden und damit deren aktive Schicht angeregt werden.According to a further aspect, the sensor system, for example the photonic system, comprises a functional circuit by means of which the group III-V semiconductor materials can be excited photonically or electronically. For example, the functional circuit controls an external laser that shines on the group III-V semiconductor materials and thus excites their active layer. By means of the functional circuit, electricity can also be conducted through the group III-V semiconductor materials and thus their active layer can be excited.
Nach einem weiteren Aspekt umfasst das Sensorsystem, beispielsweise das photonische System, wenigstens einen Silizium-Wellenleiter. Der Silizium-Wellenleiter umfasst endseitig wenigstens einen Spiegel. Der Spiegel reflektiert die in den Silizium-Wellenleiter eingekoppelte Strahlung. Durch die Reflexion entsteht eine Laserkavität. Aufgrund der relativ geringen Verluste der Silizium-Wellenleiter können Laserstrahlen mit relativ sehr geringen Linienbreiten, beispielsweise kleiner als 1 kHz, erzeugt werden, was für die spektroskopische Analyse von Ausatemluft und/oder Körpergerüchen oder sonstigen Gerüchen vorteilhaft ist.According to a further aspect, the sensor system, for example the photonic system, comprises at least one silicon waveguide. The silicon waveguide comprises at least one mirror at the end. The mirror reflects the radiation coupled into the silicon waveguide. The reflection creates a laser cavity. Due to the relatively low losses of the silicon waveguides, laser beams with relatively very small line widths, for example less than 1 kHz, can be generated, which is advantageous for the spectroscopic analysis of exhaled air and/or body odors or other odors.
Nach einem weiteren Aspekt umfasst das Sensorsystem, beispielsweise das photonische System, einen Strahlteiler. In einem ersten Strahlengang ist die Messkammer angeordnet. Der zweite Strahlengang liefert Referenzinformationen. Ein Strahlteiler ist ein optisches Bauelement, das einen einzelnen Strahl in zwei Teilstrahlen trennt. Ein Strahlteiler kann beispielsweise mit zwei Prismen realisiert werden, die an ihrer Basis zusammengefügt werden. Nach einem Aspekt ist der Strahlteiler als ein Element des Silicon Photonics System realisiert, beispielsweise auf einem Silicon Photonics Wafer. Damit kann das Ergebnis der Messung validiert werden und beispielsweise eine Laserausgangsleistung bestimmt werden.According to a further aspect, the sensor system, for example the photonic system, comprises a beam splitter. The measuring chamber is arranged in a first beam path. The second beam path provides reference information. A beam splitter is an optical component that separates a single beam into two partial beams. A beam splitter can be implemented, for example, with two prisms that are joined together at their base. According to one aspect, the beam splitter is implemented as an element of the silicon photonics system, for example on a silicon photonics wafer. This allows the result of the measurement to be validated and, for example, a laser output power to be determined.
Nach einem weiteren Aspekt ist wenigstens ein Detektor in dem Sensorsystem, beispielsweise dem photonischen System, integriert. In der Ausführungsform mit einem ersten und einem zweiten Strahlengang ist in jedem Strahlengang ein Detektor angeordnet. Der Detektor detektiert eine aus einer Strahlungswechselwirkung resultierende Strahlung, beispielsweise Absorptions- oder Emissionslinien. Mit Integration der Strahlungsquelle, der Messkammer und des Detektors in dem Sensorsystem wird ein spektroskopisches Messsystem auf einem Chip bereitgestellt, beispielsweise einem Silicon Photonics Wafer.According to a further aspect, at least one detector is integrated in the sensor system, for example the photonic system. In the embodiment with a first and a second beam path, a detector is arranged in each beam path. The detector detects radiation resulting from a radiation interaction, for example absorption or emission lines. By integrating the radiation source, the measuring chamber and the detector in the sensor system, a spectroscopic measuring system is provided on a chip, for example a silicon photonics wafer.
Nach einem weiteren Aspekt ist das Fahrzeugbedienelement ein Lenkrad. Das Sensorsystem ist an einem Lenkradkranz, an einer Lenkradspeiche, an einem Lenkstock oder an einem Hupenknopf des Lenkrads angeordnet. Damit wird einfache Benutzung für einen Fahrer ermöglicht, da durch Nachvornelehnen der Abstand zwischen Fahrer und Lenkrad beispielsweise auf unter 20 cm reduziert werden kann, was für den Nachweis der Substanzen in der Ausatemluft und/oder dem Körpergeruch vorteilhaft ist. Das Lenkrad ist beispielsweise ein Multifunktionslenkrad.According to a further aspect, the vehicle control element is a steering wheel. The sensor system is arranged on a steering wheel rim, on a steering wheel spoke, on a steering column or on a horn button on the steering wheel. This enables easy use for a driver, since by leaning forward the distance between the driver and the steering wheel can be reduced to less than 20 cm, for example, which is advantageous for detecting substances in exhaled air and/or body odor. The steering wheel is, for example, a multifunction steering wheel.
Nach einem Aspekt umfasst die Eintrittsöffnung einen Filter zum Filtern der Ausatemluft und/oder des Körpergeruchs und/oder ein Ventil zum Regeln und/oder Steuern eines Durchflusses der Ausatemluft und/oder des Körpergeruchs durch die Messkammer. Der Filter dient beispielsweise dazu, ein Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Das Ventil verbessert die Verteilung der zu analysierenden Ausatemluft und/oder des Körpergeruchs in der Messkammer. Nach einem Aspekt umfasst die erste Eintrittsöffnung einen Ventilator zum Ansaugen der Ausatemluft und/oder des Körpergeruchs.According to one aspect, the inlet opening comprises a filter for filtering the exhaled air and/or the body odor and/or a valve for regulating and/or controlling a flow of the exhaled air and/or the body odor through the measuring chamber. The filter serves, for example, to improve a signal-to-noise ratio. The valve improves the distribution of the exhaled air and/or the body odor to be analyzed in the measuring chamber. According to one aspect, the first inlet opening comprises a fan for sucking in the exhaled air and/or the body odor.
Nach einem weiteren Aspekt umfassen die Innenseiten der Wände der Messkammer beheizbare Reflektoren, beispielsweise in Form von beheizbaren Spiegeln. Eine Wand kann dabei auch eine Wand des Bodens, das heißt eine Bodenfläche, sein. Damit wird eine Kondensation innerhalb der Messkammer vermieden. Die Reflektoren werden beispielsweise auf eine Temperatur von mindestens 19°C beheizt.According to a further aspect, the inner sides of the walls of the measuring chamber comprise heatable reflectors, for example in the form of heatable mirrors. A wall can also be a wall of the floor, i.e. a floor surface. This prevents condensation within the measuring chamber. The reflectors are heated, for example, to a temperature of at least 19°C.
Nach einem weiteren Aspekt umfasst das Fahrzeugbedienelement wenigstens eine Vibrationsquelle zum Reinigen der Innenseiten, insbesondere zum Reinigen der Reflektoren gegen Anhaftungen. Die Vibrationsquelle kann beispielsweise eine Ultraschallquelle sein.According to a further aspect, the vehicle control element comprises at least one vibration source for cleaning the insides, in particular for cleaning the reflectors to remove buildup. The vibration source can be an ultrasound source, for example.
Nach einem weiteren Aspekt bestimmt das Sensorsystem, beispielsweise der Detektor, ein Spektrum, beispielsweise ein Absorptions- oder Emissionsspektrum. Der Detektor kann ein Computerprogramm ausführen. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die bewirken, dass ein Maschinenlernmodell, das auf Bildklassifizierung trainiert ist, auf dem Spektrum die Konzentrationen der Substanzen in der Ausatemluft und/oder dem Körpergeruch inferiert. Maschinelles Lernen ist eine Technologie, die Computern und anderen Datenverarbeitungsvorrichtungen die Ausführung von Aufgaben durch Lernen aus Daten lehrt, anstatt für die Aufgaben programmiert zu werden.In another aspect, the sensor system, e.g. the detector, determines a spectrum, e.g. an absorption or emission spectrum. The detector may execute a computer program. The computer program includes instructions that cause a machine learning model trained in image classification to infer from the spectrum the concentrations of substances in the exhaled breath and/or body odor. Machine learning is a technology that teaches computers and other data processing devices to perform tasks by learning from data, rather than being programmed to do the tasks.
Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugbedienelements, -
2 ein Ausführungsbeispiel von anströmender Ausatemluft und -
3 ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems des erfindungsgemäßen Fahrzeugbedienelements.
-
1 an embodiment of a vehicle control element according to the invention, -
2 an example of incoming exhaled air and -
3 an embodiment of a sensor system of the vehicle control element according to the invention.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. Übersichtshalber werden in den einzelnen Figuren nur die jeweils relevanten Bezugsteile hervorgehoben.In the figures, identical reference symbols refer to identical or functionally similar reference parts. For the sake of clarity, only the relevant reference parts are highlighted in the individual figures.
Das in
Die Messkammer 1 ist nur nach einer Seite offen. Das heißt, die Messkammer 1 hat eine Eintrittsöffnung 2a, siehe
Eine externe Strahlungsquelle 22 oder eine in dem Sensorsystem 20 integrierte Strahlungsquelle 23 erzeugt die Strahlung, die mit den Substanzen in der Ausatemluft 6 wechselwirkt. Die Strahlungsquelle 22, 23 ist beispielsweise ein Laser, beispielsweise ein durchstimmbarer Laser.An external radiation source 22 or a radiation source 23 integrated in the
Ein Strahlteiler 24 teilt den Strahl der Strahlungsquelle 22, 23 in einen ersten Strahlengang 25 und einen zweiten Strahlengang 26 auf. An den Enden der Strahlengänge 25, 26 ist jeweils ein Detektor 27 angeordnet. Der Detektor 27 ist beispielsweise eine Photodiode.A
Beispielsweise ist in dem ersten Strahlengang 25 ein Silizium-auf-Isolator Wellenleiter 21 angeordnet. Der Silizium-auf-Isolator Wellenleiter 21 ist an seiner Oberseite unbedeckt. Damit kann eine Wechselwirkung mit den Substanzen in der Ausatemluft 6 spektroskopisch erfasst werden.For example, a silicon-on-
BezugszeichenReference symbol
- 1010
- FahrzeugbedienelementVehicle control element
- 11
- MesskammerMeasuring chamber
- 2a2a
- EintrittsöffnungEntrance opening
- 44
- GrundflächeFloor space
- 66
- AusatemluftExhaled air
- 2020
- SensorsystemSensor system
- 2121
- Silizium-auf-Isolator WellenleiterSilicon-on-insulator waveguide
- 2222
- StrahlungsquelleRadiation source
- 2323
- StrahlungsquelleRadiation source
- 2424
- StrahlteilerBeam splitter
- 2525
- StrahlengangBeam path
- 2626
- StrahlengangBeam path
- 2727
- Detektordetector
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102011079816 A1 [0004]DE 102011079816 A1 [0004]
- DE 102014014071 A1 [0005]DE 102014014071 A1 [0005]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- „III-V-on-Silicon Photonic Integrated Circuits for Spectroscopic Sensing in the 2-4 µm Wavelength Range", Wang, Ruijun et al., Sensors. 17. 1788. 10.3390/s17081788 [0006]"III-V-on-Silicon Photonic Integrated Circuits for Spectroscopic Sensing in the 2-4 µm Wavelength Range", Wang, Ruijun et al., Sensors. 17. 1788. 10.3390/s17081788 [0006]
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| WO2024110423A1 (en) | 2024-05-30 |
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