Alkosensor. 10 poäng, C-nivå. Författare Mohammed Muwaffak Adeeb Eskilstuna Elektronik Partner AB. Elektronik

Transkript

1 Institutionen för datavetenskap och elektronik Eskilstuna Elektronik Partner AB Alkosensor 10 poäng, C-nivå Elektronik Författare Mohammed Muwaffak Adeeb Handledare (företag): Hans Rosén Examinator (högskola): Mikael Ekström

2 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 2/26 Förord Det här examensarbetet är utfört på Mälardalen högskola, institution på datavetenskap och elektronik. Först av allt, vill jag tacka Gud för att ha gett mig tillräckligt med kunskap för att utföra detta arbete. Jag har fått väldigt mycket stöd och hjälp av mina föräldrar, är väldigt tacksam för detta. För det andra uppskattar jag verkligen ledningen och stödet som jag har fått av min examinator Mikael Ekström och handläggaren Hans Rosén från Elektronik partner AB, och även Anders Martinsen. Till sist vill jag tacka mina skolkamrater som jag arbetat med, under dessa 3 år och jag är tacksam för IDE 1 :s alla lärares stöd som jag har haft under utbildningens tid. Eskilstuna den 7 oktober 2008 Mohammed Muwaffak 1 Institutionen för datavetenskap och elektronik i

3 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 3/26 Abstract The goal of this degree thesis is to make a study about future alcohol sensors. The result has been desired to be a list of future sensors with their measurement methods. This thesis includes studies of present sensors and most about upcoming sensors and trends regarding measurement methods. Along with this come the technology aspects of the different measurement. The report is divided into three main parts: 1- Studies about the present sensors and their measurement methods. Along with this come different methods and trends regarding to measurement techniques. This part will describe the three most common sensors and their functionalities with pros and cons. 2- The second part of the report deals with upcoming sensors. It will include different development techniques of different universities and organizations. Different measurement strategies and visions have been investigated based on several numbers of articles and websites. 3- Finally a list of some present alcohol sensors and suppliers is presented. This shows the properties as accuracy and level of sensitivity of the different sensors. The major part of the goal of in this project has been met but there are some parts that are limited in information because of upcoming technologies are not revealed from the companies until products have been released and furthermore few books bring up these subjects. Some examples about these shortages in the project are the prices of the sensors and also some information details about what to be valid in measurement methods and technologies.

4 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 4/26 Sammanfattning Målen med det här examensarbetet är att göra en studie kring framtidens alkosensorer. Resultatet önskas bli en lista av de framtida sensorerna, med deras mätmetoder. I detta arbete ingår studier av dagens sensorer och morgondagens sensorer, och trender om vad som gäller mätmetoder, även val av sensorteknologi beroende på mätmetoden. Examensarbetet är uppdelat i tre huvuddelar: 1- Vad som finns idag för sensorer och en studie som avser sensormetoder och teknologier. Den delen tar upp de tre vanliga sensortyperna och deras funktioner med deras för- och nackdelar 2- Vad och vilka sensorer som kommer kommande, och en studie som avser trender vad som gäller mätmetoder. Där tas upp olika sensorer med deras mätmetoder som utvecklas av olika universitet och organisationer. Olika visioner på olika mätmetoder har försökts samlats från olika artiklar och hemsidor på Internet 3- En lista over några alkosensorer och leverantörer. Där visas sensorers egenskaper, exempelvis strömförbrukning, responstid, noggrannhet och alkoholkänslighet. Huvuddelen av arbetets mål i projektet har uppnåtts men det finns några delar som har begränsade visioner och information på grund av morgonens teknologier avslöjas inte av företagen förrän produkten blir färdigt fabricerad och dessutom finns det endast ett få antal böcker som tar upp sådana ämnen. Exempelvis på de bristerna, är priser av sensorer och vissa brister i information angående vad som gäller mätmetoder och teknologier.

5 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 5/26 Innehåll 1 INLEDNING BAKGRUND OCH SYFTE RELATERADE ARBETEN RELATERADE TEORIER AKTUELLA ALKOSENSORER HALVLEDARCELL Mät princip För- och nackdelar med halvledarcell BRÄNSLECELL Mät princip För- och nackdelar med bränslecell INFRARÖD METOD Mät princip För- och nackdelar med laserteknik METODER UNDER UTVECKLING DETEKTERING AV ALKOHOL I BLOD DETEKTERING AV ALKOHOL MED HJÄLP AV LASER METODER DETEKTERING AV ALKOHOL MED HJÄLP AV ÖGONRÖRELSER DETEKTION AV ALKOHOL I SVETT DETEKTERING AV ALKOHOL GENOM SKINN LISTA ÖVER ALKOSENSOR LEVERANTÖRER: SLUTSATS REFERENSER... 25

6 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 6/26 1 Inledning 1.1 Bakgrund och syfte Det här projektet är initierat av Eskilstuna Elektronik Partners AB med samarbete av IDE 2 på MdH 3 i Västerås. Företaget Eskilstuna Elektronik Partners AB är indelat i två delar, konstruktion och produktion. Personalen i företaget har bevakat utvecklingen inom elektronikområdet, och har tillsammans med höjt sin spetskompetens. Syftet med detta examensarbete är att få information om framtidens alkosensorer vilket kommer att hjälpa företaget att konstruera och till slut producera liknande sensorer för ett eventuellt alkolås. Detta kommer att göras med hjälp av en studie kring framtida alkoholsensorer med tillhörande mätmetoder. Studien tar hänsyn till trender vad som gäller mätmetoder och val av teknologi beroende på mätmetoder. Resultatet ska också innehålla en lista över några leverantörer av sensorer och deras syn på val av sensorer och/eller mätmetoder. 1.2 Relaterade arbeten Efter att ha studerat delar från den befintliga forskningen kring detta ämne, märker man att det finns ett flertal användningsområden för alkosensor. Exempelvis, alkolås används i bilar som testar om föraren har druckit alkohol [1], som alarmenheten i industrin där det finns farliga maskiner [2] tillämpningar på kliniker som övervakar alkoholister [3] och användning i bland annat för kolesterolmätning. 1.3 Relaterade teorier En generell modell av en alkosensor kan beskrivas följande sätt, se figur 1 [4]. I början förs in utandningsluften vid sensorns gränssnitt. För att bättre kunna selektera den gas som sensorn skall vara selektiv för, använder sensorn pre-konditionering genom pulserad upphettning. Om den sökta gasen finns i det undersökta provet, så kommer den att upptäckas av sensorn. Genom en förändring kommer att omvandlas med hjälp av transducern, till en elektrisk signal. Signalen behandlas, sedan skickas den iväg för en igenkänning av Mönster Igenkänning. Om informationen bedöms som misstänkt, så kommer Mönster igenkänningen att ge utslag [4]. 2 Institutionen för datavetenskap och elektronik i 3

7 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 7/26 Figur 1. Systemmodellen

8 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 8/26 2 Aktuella alkosensorer Idag finns det tre vanliga alkosensorer: Metalloxidsensor, bränslecellsensor och IR-sensor, vilka kommer att beskrivas nedan. 2.1 Halvledarcell Den här typen av sensor kan också kallas för metalloxidsensor. Sensorn mäter syrehalten i luften och används för enklare undersökningar exempelvis självkontroll. När alkohol eller andra kolväteföreningar oxideras, reduceras resistansen i sensorn, sensorn visar då skillnaden i den elektriska resistansen och ger utslag. Resistansen i sensorn kan även påverkas av andra brännbara ämnen som finns med luften i utandningen såsom metan och koloxid. Detta ger ibland fel mätresultat [7] [8]. Denna typ av sensor består av två huvuddelar: 1- uppvärmningsenhet 2- en givare: (finns i de flesta sensorerna), TiO2 eller ZrO2 och den täckas vanligen med ett tennoxidskikt (SnO2). Två typer av halvledarcell former [8]: Figur 3. Halvledarcell

9 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 9/ Mät princip Principen är att etanolen i luften reagerar och interagerar med det avkännande lagret i sensorn. Detta avkännande lager består av porös metalloxid film av SnO2. SnO2 består utav många kristaller. Den avkännande ytan av SnO2 vilken absorberar syre och besläktade ämnen. Vid absorption kommer det att uppstå en skillnad i resistans. Skillnaden gör att sensorn ge ett utslag. Resistansen påverkas även av proportionellt etanolkoncentrationen. För att sensorn ska fungera bättre, snabbare och eventuell fukt ska avdunsta, hettas upp metalloxidskiktet till en hög temperatur ( o C ). Temperaturen är beroende utav vilken typ av metalloxid sensorn är uppbyggd med. De reaktioner som påverkar sensorns utslag är följande: Syremolekylerna som absorberas, reagerar med elektronerna och bildar oxidjoner när molekylerna i luften absorberas på ytan i sensorn. Resistansen ökar, det vill säga konduktivitet minskar vid reaktion. O 2 + e 2 4 O Etanol i utandningsluften oxideras till ättiksyra och en elektron avges. 2 2 O CH 3CH 2OH CH 3CHHO( acentataldehyd ) + + e Oxidjonerna som absorberas, kommer då att ge en påverkan på grund av etanolen från utandningsluften och leder till att elektronerna ska vara kvar i metalloxidskiktet, som gör att motståndet (resistansen) av metallen minskar, det vill säga konduktiviteten ökar [7] [8]. 2 O CH 3CHHO CH 3 + COOH + e

10 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 10/ För- och nackdelar med halvledarcell Fördelar [7] [8] 1- Billig att tillverka 2- Okomplicerad teknik 3- Har små dimensioner 4- Temperaturintervallet är brett 5- Kan användas i de enkla alkoholmätarna Nackdelar [7] [8] 1- Inte specifik på alkohol utan den reagerar även på många andra ämnen 2- Kalibreringsvärden ändras ofta och kan lätt påverkas 3- Känslig gällande luftfuktighet och temperatur 4- Mätnoggrannheten är låg 2.2 Bränslecell Den här sensortekniken omvandlar den kemiskt bundna energin i etanol till en elektrisk energi i form av likspänning. Ju mer alkohol i utandningen desto mer energi erhålls, det vill säga styrkan på strömmen är proportionell mot alkoholkoncentrationen. Den här typen av sensorer används oftast i polis och rehabilitering alkoholmätare eftersom den enbart reagerar på alkohol där man inte får riskera att få felaktiga mätningar. Den vanligaste och enklaste formen av bränslecellsensor är uppbyggd av två stycken av tunna platinaplattor som gas kan passera och mellan de där platinaplattorna finns det ett poröst lager som är indränkt med elektrolyt 4. Allt är inpackat i ett plasthölje [7] [8][21]. 4 Elektrolyt är ett ämne som innehåller fria rörliga joner som kan leda elektrisk ström

11 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 11/26 Figur 4. Bränslecell Mät princip För att sensorn ska fungera bra och ge exakta värden, ska temperaturen i cellen vara runt 34 o C. Den elektrokemiska reaktionen i bränslecellen börjar när etanolmolekylerna (alkohol) passerar genom den ena platinaplatten och har kontakt med både elektrolyten och platinan samtidigt, då kommer alkoholen att omvandlas till ättiksyra och samtidigt frigörs elektroner som är negativt laddade och vätejoner som är positiva laddade. Vätejonerna vandrar till den andra platinaplatten, då kommer vatten att bildas när vätejonerna reagerar med syre. I denna process kommer det att bli överskott på elektroner i den ena platinaplattan och underskott på elektroner i den andra. När dessa två olikladdade elektroder kopplas ihop, bildas en elektrisk cell vars energi som kommer från förbränning av etanol, enligt kemiska reaktioner nedan [8]:

12 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 12/26 1 CH 3CH 2OH + O H + + 2e H 2 CH COOH + 2e 2 O 3 + 2H + Den ström som uppstår kan mätas och den är proportionell mot koncentrationen av etanol. Ur denna mätning, kan man veta hur mycket alkoholkoncentrationen som finns i utandningen, det vill säga hur mycket alkohol som bränslecellen har förbrukat [7] [8] För- och nackdelar med bränslecell Fördelar [7] [8] 1- Den reagerar specifikt på etanol 2- Den har god mät noggrannhet och mätprecision 3- Den har hög driftsäkerhet Nackdelar [7] [8] 1- Den är dyr för den innehåller en ädelmetall (Platina) 2- Ska kalibreras regelbundet ungefär med 6-12 månader beroende av användande 3- Det tar tid för att värma upp sensorn 2.3 Infraröd metod IR-metod är en kemisk analytisk metod som är användbar för båda kvalitativa och kvantitativa bestämningar. Den kan användas i stationära och/eller mobila instrument. Denna metod mäter olika storheter och längder av våglängder som absorberas av luften som förs in. Alkoholmolekylerna absorberar IR-ljus (infrarödljus) vid vissa våglängder (i området 3,4 µm och 9,4 µm). En fotodetektor spårar vilka våglängder som saknas när ljuset passerat. Jämfört med bränslecellteknik och halvledarcellteknik, är infraröd tekniken dyrare för alkohol mätning och är erkänd samt uppskattad på marknaden och polisen började använda den som bevisinstrument redan 1988 [7] [8].

13 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 13/26 IR-metod instrument är uppbyggd av 6 delar [7] [8]: 1- IR-strålare 2- Mätkammare 3- Lins 4- Roterande IR-filter 5- IR-detektor 6- Signalanalysenhet eller kan också kallas för processor Figur 5. IR-teknik Mät princip Utandningsluften passerar genom en mätkammare som genomlyses av en IR-strålare. Ett roterande filterhjul släpper igenom pulser av IR strålning med olika våglängdsområden som fångas upp av IR-detektorn. Denna detektor har två funktioner. Dels att upptäcka vilka våglängder som har absorberats och dels att mäta IR-ljusets intensitet vilket blev absorberat i mätkammaren av alkoholmolekylerna. Signalen från IR-detektorn kommer att påverkas om utandningsprovet innehåller ämnet alkohol (etanol). För att uppnå med tillräckligt säkerhet en eliminerad matris, används tre till fem filter. Vid 3,4 µm, för att minska mätstörningar som kallas för matris eftersom det finns andra ämnen i utandningsprovet som är störande. Men ett fast monterat filter använd vanligen vid 9,4 µm. De funktionella grupper 5 i etanolen absorberar ljus av ett specifikt karakteristiskt vågtal 6, det vill säga, vibrations absorption, när IR-strålar går genom utandningsprovet. Exempelvis gruppen O-H absorberar ljus vid vågtalet 3,600 cm 1 Förhållandet mellan absorptionen av IR-strålarna och etanolens koncentration i utandningsprovet samt våglängden av ljuset i instrumentet är direkt proportionell. 5 I kemin betyder det en beroende samling av atomer som ihop bilda en mindre del av en molekyl och som på ett avgörande sätt inverkar på egenskaper av molekylen. 6 Vågtalet och våglängden är mot proportionellt mot varandra.

14 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 14/26 Den totala absorptionen av IR-strålarna, är summan av absorptionen av alla grundläggande delar i utandningsprovet. Etanolens detektering sker genom att intensiteten av absorptionen detekteras av etanolens funktionella grupper vid ett bestämt vågtal [7] [8]. Nedan är en bild som visar etanols absorptionstoppar vid den funktionella gruppens absorption [8]. Figur 6. Etanolens funktionella grupps absorption För- och nackdelar med laserteknik Fördelar [7] [8] 1- Den är helt alkoholspecifik 2- Den har god mät noggrannhet och precision 3- Kalibrering av IR-systemet är stabil jämfört med bränslecell sensor, det vill säga, att IRsystemet har långa intervall mellan servicebehov Nackdelar [7] [8] 1- Den är dyrare att tillverkas jämfört med bränslecell- och halvledarcellsensor 2- Enheten som innehåller sensor är större för det krävs en uppvärmd mätkammare

15 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 15/26 3 Metoder under utveckling Två tekniker som utvecklas jämt och ständigt är bränslecelltekniken och halvledartekniken. Båda dessa är väldigt intressanta men kan komma att avta i betydelse, beroende på pris och kvalité på mätnoggrannheten. Idag pågår forskningar kring flera olika områden och tekniker som i framtiden kan vara realistiska att användas till olika tillämpningar. Det kommer att kunna vara möjligt att detektera alkohol med hjälp av svett, ögonrörelser och även i blod. Utvecklingen börjar även dra sig mot olika lasertekniker för att upptäcka alkohol i luften, det vill säga utan fysisk kontakt med personen [7]. 3.1 Detektering av alkohol i blod Det har nästan alltid funnits ett behov av att utveckla sensorer inom biokemin. Dels för att kunna upptäcka kemiska ingredienser i människokroppen och även ämnen som inte kan upptäckas på en normal nivå. Det är här DISP 7 kommer in i bilden med sin syn på biokemiska sensorer. De utvecklar medicintekniska sensorer som undersöker skadliga ämnen i blodomloppet på människan [9]. Figur 7. Mätuppställning En av grundpelarna med företags mål och utveckling är att kunna utveckla sensorer som kan upptäcka alkohol i blodet på en högre nivå med låg kostnad, arbetet finansierar av NIAAA 8. Sensorn kallas för BAC 9 och visar alkohol koncentrationen i blod. 7 The Duke Imaging and Spectroscopy Program. 8 The National Institute on Alcohol and Alcoholism, USA. 9 Blood Alcohol Content.

16 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 16/26 Utvecklingen har grundat sig på en icke-invasiv 10 in-vivo optisk detektering av alkohol i blodet och andra blod beståndsdelar som byggs på en flerkanalig Hadamard-mask Raman spektrometer 11. Hadamard behandling är ursprungligen som ett sätt att öka den optiska genomströmningen av en spektrometer. En mask som har en puls källa placeras framför mätobjektet. Ljuset tränger sig in på detektorn via alla smala öppningar. Data som bildas, är en rad masker som har smalöppningskombinationer att ändra i ett mönster som bestäms av Hadamard [12]. Denna metod har visat sig vara mer exakt jämfört med tidigare metoder. För att den just har kunnat bemästra störningar av scattering (av Hadamard-kodad mask) som annars har uppkommit. Om några år, så har sponsorer och företag för denna typ av sensor vidare planer. De har som ambition att undvika den fysiska kontakten mellan människan och sensor/mätaren. Med andra ord det skall vara möjligt att mäta alkoholnivån i blodet utan någon fysisk beröring, med hjälp av optik. Angående den fysiska beskrivningen på denna BAC sensor, vill företaget se den ha en 2 volym på cirka 10 cm. Stommen för komponenterna som utvecklats, lämnar mycket plats för utveckling och framtidstänkande. Detta leder till en flexibilitet hos sensorerna, det vill säga, det kan utvecklas flera sensorer för flera olika fall. Mätningen av alkohol behöver inte vara bunden till just en sensor/mätare [9] [10]. Nedan visas flera prototyper som konstruerats [10]: Figur 8. Sensor prototyper 10 Det betyder att inget verktyg ingår i processen som passerar skinnet eller fysiskt förs in i kroppen, exempelvis EKG och CT-scan 11 Raman spektrometer är ett instrument som kan mäta direkt på provet, utan något prov upparbetning. Det kan ge vad som innehåller provet snabbt och effektivt.

17 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 17/ Detektering av alkohol med hjälp av laser metoder Lasertekniken är den tekniken som är mest intresserant för framtiden då den kan ge noggranna värden och används i olika fält som exempelvis inom flygindustri och kliniker. Det finns många studier inom det här fältet för att utveckla en sensor som är mer effektiv, mindre i storlek och dessutom för en billigare kostnad. Vid Duke University så har en ny inriktning för utvecklingen ägt rum. Istället för att undersöka om det finns alkohol i utandningsluft, så används lasertekniken för att detektera alkohol i blodet också. Det primära målet för utvecklarna på universitet är att bygga ett fysiskt litet och billigt mätinstrument. Det finns några hinder på vägen när man använder laserteknik, ett hinder är hur man kan implementera väldigt ofarligt ljus som passerar kroppen och till sist utvisa om alkohol upptäckts. Mätinstrumentet egentligen är att den skickar våglängder som passerar genom kroppen. Ljuset passerar kroppens vävnad som sedan sammanverkar med blodet och ljus reflekteras tillbaka. Informationen man får baserat på utgångsljuset är blodets innehåll ur ett kemiskt perspektiv. Detta nya mätsystem öppnar nya dörrar inom sensor teknologin. Informationen man får genom blodanalys har visat sig vara mycket viktig. Utvecklarna vill även kunna mäta kolesterol och sockerhalter i blodet under ett mycket kort tidsintervall [11]. Figur 9. Mätuppställning vid universitetet

18 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 18/ Detektering av alkohol med hjälp av ögonrörelser När det gäller utvecklingen av att upptäcka specifika ögonrörelser vid berusat tillstånd, så är inte just den tekniken optimal. Om man skulle jämföra bilindustrins framfart jämfört med riskhanteringen så har inte dessa legat i fas med varandra. Vissa tekniker har utvecklats snabbare än andra, om man ska ta just mätningen av ögonrörelser gentemot krockkuddar. I USA har specifika program vid namn ITS IDEA skapats för bland annat att vidareutveckla mätmetoder som kan upptäcka ögons rörelsemönster vid berusning. Bakom detta program ligger organisationen TRB 12. En del av ITS IDEA programmet har utvecklat ett system som heter Tre-i-ett fordon operatör sensor 13 som baserar sig på Northrop Grummans idéer och vidareutveckling [14]. Det används en icke-intrusiv ögonrörelse igenkänning och bild analys för att genomföra följande funktioner: 1- Igenkänning för dåsig förare Anti-stöld skydd Alkohol nedsatt förare igenkänning 16 Den första metoden av mätning baserar sig på en uppföljning av förarens vaksamhet. Denna vaksamhet följs upp kontinuerligt och utlöser ett alarm om ögon rörelserna eller beteende avviker från det vanliga mönstret. Den andra punkten behandlar ett anti-stöld system som övervakar vissa delar av ögat, iris, som beskrivas som fingeravtryck fast för ögat. Övervakningen börjar direkt då bilen startar och kommer automatiskt att stanna om systemet upptäcker något onormalt på iris. Men dessa delar kommer jag inte att gå in på detaljerat för att rapporten behandlar sensorsystem med inriktning mot alkohol mätning. Den sista metoden behandlar igenkänning av berusad förare. Utvecklarna och undersökningar har genom sina tester visat att denna mätmetod är väldigt effektiv. Stora delar av testningar gick ut på att undersöka förändringar inom ögats tårkanal. Dessa förändringar undersöks för att alkohol konsumtion bidrar till ändringar i personens tårkanaler. Utvecklarna har kommit fram till att information från ett spektrum av våglängden 17 är väldigt nyttig att ta med och testa. Sammansättningen av optiska instrument och spektrum information har varit mycket effektiv och givande. De har även bevisat att alkohol detektering endast är effektiv om man mäter alkoholen i ett mellan våglängd spektrum. Nackdelar kan finnas med denna metod, för att det kan komma att krävas två olika optiska instrument som påverkar kostnaden för sensorn. Det har även visats med dagens forskning, att inuti den mänskliga kroppen och nästan allt levande finns ett antal intressanta kemikalier som har väldigt 12 Transportation Research Board 13 Översätt från engelska Three-in-One Vehicle Operator Sensor 14 Översätt från engelska Drowsy Driver Recognition 15 Översätt från engelska Anti-theft protection 16 Översätt från engelska Alcohol impaired Driver Recognition 17 Spektrum enligt fysiken är en uppdelning av elektromagnetisk strålning eller annan sort av vågrörelse, med avseende på våglängden. Uttrycket står för uppdelning i olika våglängder som kan iakttas när ljus bryts.

19 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 19/26 många likheter med kemikalierna i kroppen och i alkohol. De kemikalier som det har upptäckts i är NADC 18, NAD+s 19 och till sist ADH 20. Dessa kemikalier är inblandade i en reaktion nedan: alcohol + ADH + + NAD acetaldehyde + NADH + H Forskningen har visat att ADH kemikalien skyddar ögat från ultraviolett ljus från solen precis som kemikalierna NAD+ och NADH. Denna upptäckt har varit mycket värdefull när man jämför sambandet mellan NAD+ och ADH som bas vid alkohol mätningar. NADH har ett litet övertag när det gäller att bedöma mätning av alkohol [13]. Figur 10. Tre-i-Ett Fordon Operatör Sensor 3.4 Detektion av alkohol i svett Det finns företag och sponsorer som inriktar sig på att utveckla metoder för att mäta etanolens nivå i blodomloppet hos människan med hjälp av svett. En forkskargrupp från ett universitet i Spanien har utvecklat en ide för denna inriktning. Mätningen av alkoholhalten kan istället mätas genom etanol som svetten kan innehålla. Den här forskargruppen är intresserad av att hitta ett forskningscentrum eller en forskargrupp eller ett företag som har den nödvändiga tekniken att kunna vidareutveckla en svett uppsamlare som skall genomföras på den skapade prototypen. Denna svett uppsamlare ska samla upp 18 Nicotinamde adenine dinucleotide. 19 Reducerad form-nicotinamide adenine dinucleotide hydride NADH 20 Alcohol dehydrogenase

20 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 20/26 svetten från kroppen så att sensorn ska detektera etanolen i provet. Den svett uppsamlare skall ha en storlek som tillsammans med alkohol sensor enheten inte uppta mer än ytan av en klocka. Men det finns vissa frågetecken när det gäller sammanställningen av prototypen. Det är inte med all säkerhet att designen, utvecklingen och etanol kan uppnå optimal nivå på mätningen. Det är fortfarande många olika faktorer som kan bestämma ett etanolvärde [15]. Ett annat projekt som studenter och institutionen för matematik vid USC 21 försöker hjälpa till och utveckla är den blivande sensorn som mäter alkohol koncentrationen i svetten. Det här projektet är ett samarbete bland olika studiefält och flera universitet, till exempel, USC, UCLA 22 och Brown University. Projektet är sponsrat av The National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism. Den här typen av alkohol sensor ser ut som ett armbandsur, efter 5 års av utveckling. Figur 11. Alkohol sensorn som USC utvecklar Processen för denna typ av sensor är lite annorlunda jämfört med övriga. Utveckling går ut på att förbättra korrektionen i mätningar av etanol i blod respektive svett mellan blod och alkohol förhållandet genom svett. Detta ersätter med andra ord metoden för detektion av alkohol i utandningsluft. En av grundpelarna för denna typ av sensor är att mätningen skall gå till på ett mer flexibelt och behagligt sätt. Sammanfattningsvis går tekniken ut på att mängden alkohol som finns i blodet, är proportionell mot mängden alkohol i svetten. Inom några år så har forskarna som mål att mäta vissa utvalda molekyler som finns i svetten och använda den informationen för att beräkna mängden alkohol i blodet. 21 USC förkortning av University of Southern California 22 UCLA förkortning av University of California. Los Angeles

21 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 21/26 Det finns ganska många likheter och olikheter mellan denna typ av sensor och Breathalyzers 23 som nämndes tidigare. Breathalyzer måste nollställas och anpassa sig för varje person som den försöker hämta information/mätvärden ifrån. Det är flera faktorer som måste vara med i processen, exempelvis vikten och längden på personen. Det finns en mer exakthet med denna typ av unika sensor och viktig mätinformation som i vanliga fall undviks. I fallet med typer av sensorer som Breathalyzer, så är den mer beroende av sina matematiska beräkningar jämfört med handleds sensorer. Till skillnad från Breathalyzer, som är känsligt för mänskliga misstag, är handledssensorn mer korrekt eftersom bäraren inte påverkar insamling av data. Data kan också samlas in ickeinvasiv med jämna intervall, som kan vara mycket användbara [16]. 3.5 Detektering av alkohol genom skinn Men så finns det andra utvecklings företag som har en annorlunda syn på saken. Exempelvis ett företag som kallas för AMS 24 har för detta som går ut på att reducera/minska övervakningen av alkohol i samhället. Med andra ord att inte lägga ner så mycket resurser på polisövervakningar och så vidare. De tycker sig att ha hittat en lösning som kallas för SCRAM 25. Figur 12. Skinn alkosensor Etanolen sprider snabbt i hela kroppen och en del passerar genom huden med hjälp av diffusion. Då går tekniken ut på att kunna konvertera bränsle (alkohol i det här fallet) och oxidationsmedel till någon form av likström inne i mätaren. Denna ström skapas när alkohol omvandlas till ättiksyra i bränsleceller och produceras två elektroner för varje alkoholmolekyl då uppstår ström. Denna ström mäts och omvandlas till en alkoholkoncentration nivå med hjälp av en mätare. Men det som troligen gör SCRAM effektivt är att den inte mäter mängden alkohol genom luft, utan den mäter alkoholen som går igenom huden och den bärs som ett ankelband. Nackdelen med SCRAM tekniken kan vara, att den inte är optimal när det gäller olika slags alkohol typer. Med andra ord så har SCRAM begränsade funktioner beroende av vilken typ av alkohol som finns i huden [17]. 23 det är en apparat som mäter alkohol koncentration i blodet genom att analysera utandningsluften. 24 Alcohol Monitoring Systems. 25 Secure continous remote alcohol monitor

22 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 22/26 Figur 13. Visar var den ska bäras

23 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 23/26 4 Lista över alkosensor leverantörer: Tabellen nedan visar utvalda typer av sensorer med deras egenskaper som exempelvis strömförbrukning, responstid, noggrannhet och alkoholkänslighet: Typ av sensor Unimems manufacturing Co. Ltd. Model: UM Taiwan [18] Sencera Co. Ltd. Model: HS series. Taiwan [19] Shenzhen Dovelet Technology Ltd. Model: TP-3. Kina [20] Sentech Korea Corp. Modell: STK Sydkorea [21] Egenskaper Strömförbrukning Låg Låg Låg Låg Responstid Snabbast Snabb Snabbare Snabbare Noggrannhet Bra Mellan Bra Bra Alkoholkänslighet Hög Mellan Bra Bra Princip Halvledarcell Halvledarcell Halvledarcell Bränslecell Bild

24 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 24/26 5 Slutsats Målet med detta projekt är att studera de framtida alkosensorer och trender angående olika mätmetoder. Projektet utgår ifrån vad som finns idag för alkosensorer och mätmetoder och slutar på vad som finns imorgon för alkosensorer med dess tillhörande mätmetoder. Projektet under området morgondagens sensorer ska ta hänsyn till vilka trender vad som gäller mätmetoder, vilken sensorteknologi som är beroende av mätmetoden som används. Och till sist sensorer som kostar 3 dollar utifrån årsvolym enheter/år. Det ska även ta hänsyn till att inventera tänkbara leverantörer av sensorer och deras syn på val av sensor och mätmetod. Dessa mål har uppnåtts men det finns några begränsningar på grund av att morgondagens teknologier inte avslöjas av företagen förrän de släpper ut produkten, som till exempel kan vara sensors priser och brist i information angående vad som gäller mätmetoder och teknologier. För att uppnå bättre resultat, skulle projektet vara uppdelat, då varje delprojekt skulle vara att specificera sig i en teknik krävs längre tid för att samla och hitta rätt information. På grund av brist i information, det vill säga i Internet, böcker och artiklar, skulle man kunna studera morgonens alkosensorer från ett eller flera företag som forskar och sysslar med sådana typer av sensorer för att få tillräckligt information för att börja och vara på rätt väg mot målet. Eventuellt test av en alkosensor eller flera olika alkosensorer med tillhörande mätmetoder i en labbmiljö kan ge bättre och närmare inblick och studera vilka faktorer som kan påverka utvecklingen som kan leda till ett mer praktiskt och exakt resultat.

25 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 25/26 6 Referenser [1] Primary and secondary prevention of drink driving by the use of alcolock device and program: Swedish experiences Accident Analysis & Prevention, Bo Bjerre, Volume 37, Issue 6, November 2005, Pages [2] Domestic gas detection system using two SnO 2 integrated sensors Sensors and Actuators B: Chemical, V. Demarne, B. Romanowicz, A. Grisel and J. Fournier, Volume 19, Issues 1-3, April 1994, Pages [3] Charlotta von Schultz, Volvo ratar Saabs teknik for alkolås, [4] aspx, Vägverket, Kvalitativ mätning av utandningsluft för tillverkning av prisvärt alkolås, [5] [6] [7] Vägverket, Kvalitetsprovning av alkolås, [8] dspace.hh.se/dspace/handle/2082/1220, ett examensarbete om sbgfbsbs8524e1edklsxmzhbvvbnhµ mätmetoder alkolås av Hoda Homsi, högskolan i halmstad, [9] [10] [11] [12] [13] [14] oscillator_ring_laser_gyr.pdf, Northrop Grumman, [15] [16] sures.alcohol.level.through.sweat shtml, Daily Trojan, Kate Jackson, Wrist-worn sensor measures alcohol level through sweat,

26 Alkosensor, 10 poäng, Elektronik 26/26 [17] DUI LAWS, Patrick T. Barone, Alcohol monitoring ankle bracelets: Junk science or important scientific breakthrough?, [18] [19] [20] [21]