CN102165296B - 温度传感器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于测量温度的装置，该装置包括：第一温度传感器和第二温度传感器，该第一温度传感器和第二温度传感器被围绕在具有一种或更多种材料成分的第一材料中；接触表面，该接触表面用于接触待测量温度的机体，该接触表面的至少一部分与横向方向平行；其中所述第一温度传感器和第二温度传感器布置在距所述接触表面的不同深度处，并且自所述接触表面通过所述第一温度传感器和第二温度传感器的穿越所述装置的净导热率大于所述装置的通过所述第一温度传感器和第二温度传感器的横向净导热率。

Description

温度传感器结构
技术领域
本发明涉及一种用于测量温度，尤其是动物体温或者人体体温的装置。
背景技术
用于测量温度的传感器是众所周知的，并且包括热敏电阻、热电偶以及基于半导体的电子传感器。在正确地校准的条件下，这种传感器能够提供在供传感器获得输入的区域中的物体的温度指示。例如，被放置为与物体直接接触的热敏电阻将会给出物体的与传感器接触的部分的温度指示。
通常，物体的温度不均匀，并且物体的测得温度在体积中变化。例如，动物或人的温度一般从体核温度到表皮温度而改变。表皮温度随着环境条件的变化极大，因此通常体核温度对于医学和诊断应用更加重要。然而，不是总能够或者方便地通过侵入性的方式来直接地测量体核温度。优选的是对于易于到达的机体的部分(诸如表皮温度)做出一次或多次测量并且从这些测量中估算体核温度。
美国专利申请No.2007/0282218公开了一种装置，该装置用于利用被隔绝层分隔的至少两个温度传感器来测量机体外表面的局部温度。通过对体核温度与局部温度之间的差值进行校正，可以利用所述测量来计算体核温度。根据机体的已知热特性来执行这种校正的算法在本技术领域中是众所周知的。(例如，参见“通过直肠和表皮温度来计算机体的平均温度(Computation of mean body temperature from rectal andskin temperatures)”，《应用生理学学报(Journal Applied Physiology)》31：484-489，1971)。
图1中示出了用于测量机体11的温度的传统装置12的一个实例。温度传感器13和14在材料15中布置在距离机体11外表面18的不同距离处，并且被热隔绝屏障16分开。热隔绝屏障16的作用是使温度传感器13和14以不同的速度获得不同的平衡温度，以便能够根据在第一传感器和第二传感器之间越过该装置的热流来估算机体11温度的测量结果。
传统装置对从对象机体到该装置中的热流进行测量并且要求温度传感器准确地定位以便恰当地捕获越过该装置的热流。因此这种装置的准确性严重地依赖于装置传感器的布置的准确性。此外，装置容易被它们环境中的其它热源所影响。
因此需要有一种这样的测量温度的装置，该装置的准确性较少地依赖于其温度传感器放置的准确性以及与在环境中的其它热源的接近度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量温度的装置，该装置包括：第一温度传感器和第二温度传感器，该第一温度传感器和第二温度传感器被围绕在具有一种或更多种材料成分的第一材料中；接触表面，该接触表面用于接触待测量温度的机体，该接触表面的至少一部分与横向方向相平行；其中所述第一温度传感器和第二温度传感器布置在距所述接触表面的不同深度处，并且自所述接触表面通过所述第一温度传感器和第二温度传感器的穿越所述装置的净导热率大于所述装置的通过所述第一温度传感器和第二温度传感器的横向净导热率。
适宜地，所述第一材料具有各向异性导热率。优选地，所述第一材料的导热率的各向异性比是至少2。优选地，所述第一材料的最大导热率是至少0.5W/mK。
可选地，所述装置还包括第二材料，该第二材料至少部分地围绕所述第一材料并且在横向方向具有比所述第一材料更低的导热率。优选地，所述第一材料在横向方向上具有比所述第二材料大到至少4倍的导热率。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于测量温度的装置，该装置包括：具有一种或更多种材料成分的第一材料；嵌入所述第一材料中的第一温度传感器和第二温度传感器；第二材料，该第二材料至少部分地围绕所述第一材料并且具有比所述第一材料更低的导热率；以及接触表面，该接触表面用于接触待测量温度的机体，所述接触表面的至少一部分与横向方向平行；其中所述第一温度传感器和第二温度传感器被布置在距所述接触表面的不同深度处并且所述第一材料和第二材料被布置成使得从所述接触表面通过所述第一温度传感器和第二温度传感器的穿越所述装置的净导热率大于所述装置的通过所述第一温度传感器和第二温度传感器的横向净导热率。
所述第二材料可以完全地围绕所述第一材料。优选地，所述第二材料在所述第一材料的横向末端上比在所述接触表面和该接触表面的相对表面上厚。优选地，所述第一材料是大致盘形的并且所述盘的平面与所述横向方向大致平行。优选地，所述第二材料绕所述盘形的第一材料形成环形的环体，所述环的平面与所述盘的平面大致重合。
每一深度均可以是沿着与所述接触表面大致垂直的轴线从所述接触表面到相应的温度传感器的距离。另选地，每一深度均是由从所述接触表面到所述相应的温度传感器的净导热率所限定的热深度。所述第一温度传感器和第二温度传感器可以位于沿与所述接触表面大致垂直的轴线距所述接触表面的相同距离处。
优选地，所述第一材料的表面提供了所述接触表面的至少一部分。
可选地，所述第一材料至少包括具有不同导热率的第一材料成分和第二材料成分，所述第一温度传感器被嵌入在所述第一材料成分中，并且所述第二温度传感器被嵌入在所述第二材料成分中。优选地，所述接触表面的至少一部分是由所述第一材料成分和第二材料成分提供的。
优选地，穿越所述装置的净导热率在横向方向上是最低的。优选地，所述第一材料是导热聚合物。
可选地，所述接触表面支撑具有的导热率比所述第一材料更高的薄层。优选地，在使用中，所述第一材料的远离所述接触表面的表面被暴露。可选地，所述远离的表面支撑具有的导热率比所述第一材料更高的薄层。
附图说明
现在将参照附图通过实施例来描述本发明，在附图中：
图1是现有技术的用于测量来自机体的热流的装置的视图；
图2是根据本发明的第一个实施方式的温度测量装置的示意图；
图3是根据本发明的第二个实施方式的温度测量装置的示意图；
图4是根据本发明的第三个实施方式的温度测量装置的示意图。
具体实施方式
提供了以下描述以使本领域的所有普通技术人员均能制造和使用本发明，并且在具体应用的情景中提供了以下描述。对于本领域的普通技术人员来说，对所公开的实施方式的各种修改都将是显而易见的。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本说明书中定义的一般原理可以被运用到其它实施方式和应用。因此，本发明的并不旨在限于所示出的实施方式，而是与在本文公开的原理和特征相符合的最广泛的范围相一致。
本发明提供了一种改进的用于测量温度以及测量流进或流出对象机体的热流的装置。该装置尤其适于测量人体或动物体的温度。如果人们知道机体的一些热特性，对于来自机体的热流的测量结合对于机体表面温度的测量能够实现对于机体内的温度的估算。
例如，人类或者动物的体核温度(T核)可以通过已知的热传递函数由在第一点处(诸如在表皮处)得到的第一温度T1和在与第一点相关的第二点处测量的第二温度T2来估算。如本领域所公知的，这些参数能够实现对于从这个区域中的表皮流出的热流的计算，并且能被用来通过下式来估算体核温度T核：
T核＝T1+A.(T2-T1)。
参数A是一般地通过经验确定的系数，该系数取决于装置的热特性(热传递作用)和机体组织。包含更高次项能够进一步提高该估算的准确性。通过设计和在实验室中的精确测量能够直接地选择装置的热特性。
图2示出了根据本发明的第一个方面的装置28。温度传感器22和23安装在PCB24上，PCB 24可以延伸穿越或者不穿越供PCB 24嵌入的材料成分25的直径。PCB24被选择为与材料成分25具有相似的导热率以使该PCB对于到第一温度传感器22和第二温度传感器23的热流的影响最小。实际上，PCB 24在存在其它方式来连接到传感器的条件下可以被省略，在这种情形中材料25在传感器22和传感器23之间延伸。材料25被导热率比材料25低的材料26部分地围绕。
装置28构造为使得材料25提供接触表面27，该接触表面27适于接触温度待测量的机体(诸如人的皮肤)。表面27在本说明书中将被称为接触表面，并且根据本发明的装置的、供热量自机体流出的相对表面将被称为外表面。表面27可以支撑用于将装置附接到对象机体表面的粘结剂或者其它措施。
根据本发明，传感器22和传感器23被定位在距接触表面27的不同距离处，以使得传感器位于距机体21(热源)的不同距离处。优选地，传感器22与传感器23位于与接触表面27垂直的公共轴线上。这种配置假定了表示在机体21的表面附近的热梯度的向量与该机体21的表面正交。
优选地，材料26并不完全在装置的接触表面或外表面上延伸。有利的是，在材料25的表面形成接触表面27的至少一部分的条件下使得该材料在使用中接触机体21，并且有利的是材料25的表面形成外表面27的至少一部分以使得该材料暴露于环境，允许热量流经该装置并且流出该表面。材料26可以将材料25完全地围绕，但是在本实施方式中，优选的是材料26在外表面和/或接触表面上较薄，或者在这些区域中掺杂传导性更好的材料(诸如金属)从而增加传导性。
接触表面和外部表面中的其中一个或者两者可以支撑附加材料(图中未示出)的薄层(通常小于1mm厚)。这种附加材料可以具有高导热率(例如，比材料25的导热率高，并且优选地是至少10W/mK)以便：(a)有效地将接触表面结合到其温度正被测量的机体；(b)和/或有效地将外表面结合到周围环境。另选地，在附加材料足够薄(优选地小于0.25mm)的条件下，该附加材料会具有低导热率(可能低于1W/mK)并且充当用于相应表面的保护层，或者用作(例如)支撑粘结剂层的措施。
通过调整隔绝材料26在装置的外表面上延伸的范围，能够改变传感器到达它们平衡温度的速度。可以预见的是，考虑到机体和环境通常预计的温度范围，以经验为主地来选择隔绝材料在外表面上延伸的范围。
选择材料成分25和26的布置，以便限定穿越装置的最大导热率的轴线。在图2中示出的实施方式中，最大导热率的轴线通过材料25大致地垂直于接触表面27。这是因为具有低导热率的材料26降低了在与接触表面27相平行的方向(即，横向)上的净导热率。最大导热率的轴线优选地与离开机体21的热流的方向相重合。换句话说，当装置在机体上放置到位时，表示来自机体21的热流的向量的方向被选择为与装置的最高导热率的方向重合。与传统的装置配置相比，本发明的布置有助于减小从装置的横向末端到传感器的热的泄露并且确保所测量到的是来自体核的热流。
如果材料26的导热率比材料25的导热率小至少3/4，并且优选地小至少9/10，则是有利的。优选地，材料25的导热率是至少0.5W/mK。如果材料25是导热聚合物，例如由Cool Polymers公司制造的导热率是3W/mK的D8102，则是特别有利的。优选地，材料26是诸如聚氯乙烯(PVC)或者聚氨酯(PU)等的热塑性材料。
优选地，材料25是大致盘形，该盘形的与表面27平行的范围大于与表面27正交的范围。例如，用于人体的接片(patch)的适当直径是大约15mm，同时材料25的两个部分为大约2.5mm并且被直径也为15mm且厚度为1mm的PCB盘分隔。优选地，材料26绕材料25形成环形的环体，并且在本实施例中优选地是在材料25上的大约1mm厚的涂层。
可以通过用导热聚合物将温度传感器包覆成型(over-molding)，并且然后以主要在横向上围绕所述盘的环中利用热隔绝聚合物来将所得到的物品包覆成型，来方便地制造如图2中所示的装置。在传感器被安装在电路板上的实施方式中，该装置可以在印刷电路板的每侧上构造温度传感器。然后可以利用比电路板的热性能具有相似传导性或者更好传导性的热性能的聚合物执行第一包覆成型，然后利用大量的更多的隔绝聚合物来执行第二包覆成型。如果供嵌入PCB的聚合物25的导电性特别好，可以在PCB和传导性聚合物之间使用薄的电隔绝层或者膜。
图3示出了本发明的第二实施方式，在该实施方式中传感器22、23安装在柔性印刷电路板(PCB)34上。这具有两个益处：首先，装置38可以是柔性的，允许接触表面更好地顺应机体21的外表面的轮廓；第二，通过将PCB布置为自身向后弯折180度(参见图3)，传感器可在材料25中被定位成只有材料25在传感器之间延伸并且经过传感器的热流不被PCB中断。
图4示出了本发明的第三实施方式，在该实施方式中利用具有各向异性导热率的单一材料45来取代装置28和38的材料25和26。材料45可以包括被布置成提供各向异性导热率的多种材料成分。传感器22和23在材料45中被布置成基本沿着材料和装置的最大导热率的轴线(由图4中的虚线示出)定位。由于通常期望在离开机体21的法向上捕获热流，材料45的最大导热率的轴线将通常大致垂直于装置48的接触表面27。
如果材料45的最低导热率的轴线与最高导热率的轴线大致垂直，从而使从装置的侧面部分到传感器的热量泄露最小，则是有利的。
具有各向异性导热率的适宜的材料包括具有基本定向的聚合物链的导热聚合物以及在聚合隔绝基底材料中定向的导电成分(诸如金属纤维)的材料基体。优选地，材料45被选择为具有的各向异性比为是至少2：即，沿着最大导热率的轴线的导热率是沿着最低导热率的大致垂直轴线的导热率的至少两倍。最优选地，各向异性比是至少5。更有利地，在与最高导热率的轴线的相垂直的各个方向上的导热率大致相同(优选地在20％以内)。
接触表面27不需要非常平，并且优选地适于顺应待测量温度的机体的外表面。在机体21是人体或动物体的条件下，如果根据本发明的装置是柔性的从而在人或动物的运动期间允许接触表面与机体21保持良好的接触，则是有利的。
在上述实施方式中，重要的是温度传感器处于距接触表面不同的深度处以使每个传感器均达到不同的平衡温度(如上述用于估算机体的核心温度的等式所要求的)。深度可以是从接触表面到对象温度传感器的垂直距离。另选地，或者附加地，所述深度可以由自接触表面的温度传感器的“热深度”来限定。所述热深度是所述装置的从接触表面到目标温度传感器的净导热率，并且随着温度传感器到接触表面的距离和居间材料的导热率两者而变化。
通过将用于每个温度传感器的自接触表面的导热率布置为不同，每个温度传感器均将在不同的温度平衡。这能够在这样的条件下直接地实现，在该条件下材料25包括供围绕第一温度传感器的第一材料成分以及供围绕第二温度传感器的第二材料成分，这两种材料成分具有不同的导热率。最简单地，材料25可以包括两个半部：包含第一温度传感器的第一材料成分的第一半部以及包含第二温度传感器的第二材料成分的第二半部，其中每种材料成分均在各自的温度传感器和接触表面之间延伸。
在本说明书中所使用的术语“垂直距离”用于表示从特定的点到特定的面的沿着穿过该特定点与所述面正交的直线的距离。
申请人在此单独地公开了在本说明书中描述的各个单独特征并且公开了两个或更多个这些特征的任意组合，该公开达到这样的程度以使得能够根据本领域普通技术人员的公知常识基于作为整体的本说明书而得出这些特征或者组合，而无论这些特征或者特征的组合是否解决了在此公开的任何问题，并且不限于权利要求书的范围。申请人表示本发明的各方面可以包括任何这些单一特征或特征的组合。根据上面的描述对于本领域的普通技术人员显而易见的是可以在本发明的范围内做出各种修改。

Claims (20)

1.一种用于测量温度的装置，该装置包括：
第一温度传感器和第二温度传感器，该第一温度传感器和第二温度传感器被围绕在具有一种或更多种材料成分的第一材料中；
接触表面，该接触表面用于接触待测量温度的机体；
其中所述第一温度传感器和第二温度传感器布置在距所述接触表面的不同深度处，并且自所述接触表面通过所述第一温度传感器和第二温度传感器的穿越所述装置的净导热率大于所述装置的通过所述第一温度传感器和第二温度传感器的横向净导热率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一材料具有各向异性的导热率。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一材料的导热率的各向异性比是至少2。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一材料包括第一材料成分和第二材料成分，所述第一温度传感器和第二温度传感器被嵌入在所述第一材料成分中，并且所述第二材料成分至少部分地围绕所述第一材料成分并且具有比所述第一材料成分更低的导热率。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一材料成分的导热率是至少0.5W/mK。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，所述第一材料成分具有比所述第二材料成分大到至少4倍的导热率。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第二材料成分完全地围绕所述第一材料。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第二材料成分在所述第一材料成分的横向末端上比在所述接触表面和该接触表面的相对表面上厚。
9.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一材料成分是大致盘形的并且所述盘的平面与所述接触表面大致平行。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第二材料成分绕所述盘形的第一材料形成环形的环体，所述环的平面与所述盘的平面大致重合。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，每一深度均是沿着与所述接触表面大致垂直的轴线从所述接触表面到相应的温度传感器的距离。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，每一深度均是由从所述接触表面到所述相应的温度传感器的净导热率所限定的热深度。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述第一温度传感器和第二温度传感器位于沿着与所述接触表面大致垂直的轴线距所述接触表面的相同距离处。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一材料的表面提供了所述接触表面的至少一部分。
15.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一材料成分至少包括具有不同导热率的第一材料部分和第二材料部分，所述第一温度传感器被嵌入在所述第一材料部分中，并且所述第二温度传感器被嵌入在所述第二材料部分中。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述接触表面的至少一部分是由所述第一材料部分和第二材料部分提供的。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，穿越所述装置的净导热率在各横向方向上是最低的。
18.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一材料成分是导热聚合物。
19.根据权利要求4所述的装置，其中，在使用中，所述第一材料成分的远离所述接触表面的表面被暴露。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述远离的表面支撑具有的导热率比所述第一材料更高的薄层。
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