CN103315717A - 一种穿戴式体温传感器及其制造方法、测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种穿戴式体温传感器及其制造方法、测量方法。其目的是提供一种新型的穿戴式体温传感器，能够避免外界环境温度对测量精度的影响，有效提高测量的精确度；以及提供一种上述穿戴式体温传感器的制造方法及测量方法。一种穿戴式体温传感器，包括：上PDMS（聚二甲基硅氧烷）基层，其内封装有环境温度传感器，所述环境温度传感器的引线伸出上PDMS基层外部；下PDMS基层，设于上PDMS基层下方，其内封装有皮肤温度传感器，所述皮肤温度传感器的引线从下PDMS基层内伸出至上PDMS基层外部。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体来说，是涉及一种穿戴式体温传感器及其制造方法、测量方法。
背景技术
随着无线传感技术的发展，对人体各项生理指标进行监测并配合无线网络进行数据传输是医疗技术发展的重要趋势。其中针对人体温检测的温度传感器是这种穿戴式传感器的重要部分。然而目前温度传感器的测量主要集中在腋下、肛门或脑部，这些部位放置传感器会大大降低佩戴者的舒适度，影响佩戴者的活动，因而限制了穿戴式传感器的使用。如何寻找一种舒适、高精度的体温测量方式是目前穿戴式传感器需要解决的重要问题。
将传感器放置在皮肤上，制作成腕式或其他方式的穿戴式体温测量传感器是新型体温传感器的研究方向。这种新型的传感器主要满足以下要求：1）主体为柔性材料，以增加传感器与皮肤的接触和贴合度，提高舒适感和测量的精度；2）高精度的测量；3）避免环境及生理节奏带来的误差。
Van Marken等（W.V.M.Lichtenbelt,H.Daanen,L.Wouters,R.Fronczek,R.Raymann,N.Severens,and E.V.Someren,“Evaluationof Wireless Determination of Skin Temperature using iButtons,”Physiologyand Behavior,no.88,pp.489–497,Apr.2006.）报道使用mexim公司的iButtons产品进行皮肤温度测量；J.Sarabia等也使用相同的技术（J.Sarabia,M.Rol,P.Mendiola,and J.Madrid,“Circadian Rhythm of WristTemperature in Normal-living Subjects:a Candidate of New Index of theCircadian System,”Physiology and Behavior,vol.2008,no.95,pp.570–580,Aug.2008）制作腕式体温测量传感器；这些技术都是使用mexim公司的DS1921单线式传感器，虽然测量精度高，集成简单，但是iButtons产品尺寸仍然略显较大，其数据主要是存储在片上存储器上，缺乏实时性；Boano等（C.A.Boano,M.Lasagni,K.
and T.Lange.Accurate Temperature Measurements for Medical Research using BodySensor Networks.In Proc.of the2nd SORT Workshop,March2011）直接使用NTC热敏电阻进行测量，并搭制了外围供电电路和无线模块，相比前述系统，实时性得到提高，但是上述的几个系统，虽然系统测量温度的精度很高，但是最大问题是无法消除外界环境温度对皮肤测量温度的影响，如Boano的文章介绍，当佩戴者走到户外，马上就检测到温度的变化。相比于国外的研究，国内也有相关机构研究佩戴式柔性温度传感器，如上海中科院微系统所的车录峰等（一种柔性温度传感器的制作方法，专利号：200710042881.3）介绍使用PDMS（聚二甲基硅氧烷）做为牺牲层制作聚酰亚胺衬底的温度传感器，然而这种设计仅仅解决了柔性衬底的问题，并没有真正解决测量精度和环境噪音的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种新型的穿戴式体温传感器，能够避免外界环境温度对测量精度的影响，有效提高测量的精确度。
本发明的另一目的是提供一种制造上述穿戴式体温传感器的方法。
本发明的另一目的是提供一种上述穿戴式体温传感器的测量方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种穿戴式体温传感器，包括：上PDMS（聚二甲基硅氧烷）基层，其内封装有环境温度传感器，所述环境温度传感器的引线伸出上PDMS基层外部；下PDMS基层，设于上PDMS基层下方，其内封装有皮肤温度传感器，所述皮肤温度传感器的引线从下PDMS基层内伸出至上PDMS基层外部。
其中，所述上PDMS基层的厚度与所述环境温度传感器的上表面平齐；所述下PDMS基层的厚度为高于所述皮肤温度传感器的上表面不超过1cm；所述皮肤温度传感器为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻；所述环境温度传感器为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻。
一种上述穿戴式体温传感器的制造方法，包括以下步骤：
（1）准备一个平整的衬底，将皮肤温度传感器放置在所述衬底上；
（2）准备PDMS（聚二甲基硅氧烷），将PDMS预聚体和固化剂按照质量比为5∶1～20∶1的比例混合，充分搅拌并抽真空处理以去除气泡；
（3）将PDMS缓慢倒在步骤（1）中放置有皮肤温度传感器的衬底上，用镊子将所述皮肤温度传感器的引线拉出；
（4）放置在烘箱内固化PDMS，待其固化后将环境温度传感器放置在步骤（3）所得材料的上表面；
（5）将PDMS缓慢倒在步骤（4）中放置有环境温度传感器的材料上，用镊子将所述环境温度传感器的引线拉出；
（6）放置在烘箱内固化PDMS；
（7）去除所述衬底，即得穿戴式体温传感器。
其中，所述步骤（1）中的皮肤温度传感器为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻；所述步骤（3）中的环境温度传感器为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻；所述衬底为硅片或玻璃片。
优选地，所述步骤（3）中PDMS的厚度为高于所述皮肤温度传感器的上表面不超过1cm；所述步骤（5）中PDMS的厚度与所述环境温度传感器的上表面平齐。
所述PDMS预聚体和固化剂为直接购买，购买时产品以PDMS预聚体和固化剂配套形式出售。
如上所述穿戴式体温传感器的测量方法，包括以下步骤：
（1）将制作的传感器放置在一个小的加热板上，并放置在烘箱内；
（2）将加热板模拟为人的皮肤，烘箱模拟为外部环境，分别改变加热板温度T皮肤和烘箱温度T环境，测得加热板温度T皮肤和烘箱温度T环境分别取不同值时，皮肤温度传感器和环境温度传感器的数据，存储并制得对应的查询表；
（3）用于测量体温时，根据测得的皮肤温度传感器和环境温度传感器的数据，查询所述查询表，得到皮肤的实际温度。
其中，步骤（2）中所述加热板温度T皮肤的取值范围为36-40℃，所述烘箱温度T环境的取值范围为0-40℃，精确至0.1℃。
除采用上述直接测量的方法，本发明也可以采用理论和模拟仿真计算方法计算真实的皮肤测量温度，使用商售的有限元分析软件Ansys（美国Ansys公司）或Comsol Multiphysics（美国COMSOL公司）等计算软件进行模拟计算，其模拟方法为常规方法。使用软件可以算出不同设计、不同环境温度及不同皮肤温度时候的传感器温度。由于我们制作好传感器后，其PDMS尺寸、距离表面位置就确定下来了，其环境温度可以通过设计的外围环境温度测量传感器测得，而内部传感器的温度测定后，根据计算就可以推算出实际的皮肤温度。
本发明由于采用了上述技术方案，与现有技术相比具有以下有益效果：本发明穿戴式体温传感器使用聚合物材料PDMS（聚二甲基硅氧烷）作为封装材料对温度传感器进行封装。PDMS是目前微加工常用的封装和制作材料，有相对易于加工，人体相容性好等特点；而且其相对比热容大，散热慢，可以为封装的温度传感器制造一个相对封闭的热环境，可以更精确的测量皮肤温度；PDMS材料还具有透气性和良好的柔韧性，使制作的传感器可以和皮肤很好的贴合，有利于增加佩戴者舒适度和以及测温的准确性；本发明使用双温度传感器封装到PDMS内，一个传感器是贴近皮肤，另一个传感器是接触外界环境，两者之间是PDMS材料，由于PDMS材料的厚度可以在加工过程中得到严格控制，其材料属性也知道，因此通过模拟仿真计算及实际测量可以得到不同环境温度下外界温度对封装到PDMS内测量皮肤温度的传感器的影响，每次测量时通过两个传感器同时测量得到环境温度和皮肤温度，加以补偿后可以得到真实的皮肤测量温度。
附图说明
通过以下本发明的实施例并结合附图的描述，示出本发明的其它优点和特征，该实施例以实例的形式给出，但并不限于此，其中：
图1为本发明穿戴式体温传感器的结构示意图；
图2为本发明穿戴式体温传感器的制造过程中状态一的示意图；
图3为本发明穿戴式体温传感器的制造过程状态二的示意图；
图4为本发明穿戴式体温传感器的制造过程状态三的示意图；
图5为本发明穿戴式体温传感器的制造过程状态四的示意图；
图6为本发明中PDMS传感器当外界温度为24度，皮肤温度为38度时候，使用COMSOL Multiphysics的模拟仿真结果。
图7为图6模拟结果中传感器放置在PDMS里面不同位置时候的温度分布。
具体实施方式
如图1所示，一种穿戴式体温传感器，包括：上PDMS（聚二甲基硅氧烷）基层1，其内封装有环境温度传感器2，环境温度传感器2的引线3伸出上PDMS基层1的外部；下PDMS基层4，设于上PDMS基层1的下方，其内封装有皮肤温度传感器5，皮肤温度传感器5的引线6从下PDMS基层4内伸出至上PDMS基层1外部。
其中，上PDMS基层1的厚度与环境温度传感器2的上表面平齐；下PDMS基层4的厚度为高于皮肤温度传感器5的上表面不超过1cm；环境温度传感器2和皮肤温度传感器5分别可以为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻。
如图2-5所示的本发明一种穿戴式体温传感器的制造方法，包括以下步骤：
（1）准备一个平整的衬底7，将皮肤温度传感器5放置在衬底7上。
（2）准备PDMS（聚二甲基硅氧烷），将PDMS预聚体和固化剂按照质量比为5∶1～20∶1的比例混合，充分搅拌并抽真空处理以去除气泡，本实施例中，采用的是道康宁公司的产品名为sygard 184的PDMS，其出售产品即包含预聚体和固化剂；也可以采用GE公司产品名为RTV615牌号的PDMS，其出售产品即包含预聚体和固化剂。
（3）将PDMS缓慢倒在步骤（1）中放置有皮肤温度传感器5的衬底7上，用镊子将皮肤温度传感器5的引线6拉出，制得下PDMS基层4。
（4）放置在烘箱内固化PDMS，待其固化后将环境温度传感器2放置在步骤（3）所得材料的上表面，其中烘箱温度从室温到180度均可，时间视固化温度不同而不同，例如65度一般在2小时，75度为1.5小时，以PDMS完全固化，手摸不发粘为固化完全。
（5）将PDMS缓慢倒在步骤（4）中放置有环境温度传感器2的材料上，用镊子将环境温度传感器2的引线3拉出，制得上PDMS基层1。
（6）放置在烘箱内固化PDMS。
（7）去除衬底7，即得本发明穿戴式体温传感器。
其中，所述步骤（1）中的皮肤温度传感器5为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻；所述步骤（3）中的环境温度传感器2为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻；衬底7为硅片或玻璃片。
优选地，所述步骤（3）中PDMS的厚度为高于所述皮肤温度传感2器的上表面不超过1cm；所述步骤（5）中PDMS的厚度与所述环境温度传感器2的上表面平齐。
本发明穿戴式温度传感器温度补偿方法可用以下两种方法均可：1.理论和模拟仿真计算，2.直接测量法。
1．理论和模拟仿真计算：使用商售的有限元分析软件Ansys（美国Ansys公司）或Comsol Multiphysics（美国COMSOL公司）等计算软件进行模拟计算，其模拟方法为常规方法。如图6是使用Comsol Multiphysics模拟软件计算设计的PDMS温度传感器（PDMS传感器面积为2mmx2mm，厚度为1mm，）当环境温度为24度，而皮肤温度为38度时候的温度分布情况。图7为该模拟计算出来的当传感器放置在距表面不同距离时候的温度。使用软件可以算出不同设计、不同环境温度及不同皮肤温度时候的传感器温度。由于我们制作好传感器后，其PDMS尺寸、距离表面位置就确定下来了，其环境温度可以通过设计的外围环境温度测量传感器测得，而内部传感器的温度测定后，根据计算就可以推算出实际的皮肤温度。
2.直接测量法。通过实验直接测量数据，并将其储存起来，实际使用的时候可根据测量的两个传感器数据查表算得实际的皮肤温度。如可按如下方法操作：将制作的传感器放置在一个小的加热板上，并放置在烘箱内，此时加热板可模拟成人的皮肤，而烘箱类似于外部环境，分别改变加热板及烘箱温度，测得一系列的数据，如加热板温度为36度，外部温度从0度到40度变化时候两个传感器测得的数据；再升高加热板温度0.1度，仍然测外部温度从0度到40度变化时候两个传感器的数据；一直到加热板温度为40度。由此得到的一系列数据可以存储起来，当实际使用的时候，可快速根据测量的两个传感器数据查到皮肤的实际温度。
Claims (10)
1.一种穿戴式体温传感器，其特征在于，包括：
上PDMS（聚二甲基硅氧烷）基层，其内封装有环境温度传感器，所述环境温度传感器的引线伸出上PDMS基层外部；
下PDMS基层，设于上PDMS基层下方，其内封装有皮肤温度传感器，所述皮肤温度传感器的引线从下PDMS基层内伸出至上PDMS基层外部。
2.如权利要求1所述的穿戴式体温传感器，其特征在于：所述上PDMS基层的厚度与所述环境温度传感器的上表面平齐。
3.如权利要求1所述的穿戴式体温传感器，其特征在于：所述下PDMS基层的厚度为高于所述皮肤温度传感器的上表面不超过1cm。
4.如权利要求1所述的穿戴式体温传感器，其特征在于：所述皮肤温度传感器为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻；所述环境温度传感器为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻。
5.如权利要求1所述穿戴式体温传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）准备一个平整的衬底，将皮肤温度传感器放置在所述衬底上；
（2）准备PDMS（聚二甲基硅氧烷），将PDMS预聚体和固化剂按照质量比为5∶1～20∶1的比例混合，充分搅拌并抽真空处理以去除气泡；
（3）将PDMS缓慢倒在步骤（1）中放置有皮肤温度传感器的衬底上，用镊子将所述皮肤温度传感器的引线拉出；
（4）放置在烘箱内固化PDMS，待其固化后将环境温度传感器放置在步骤（3）所得材料的上表面；
（5）将PDMS缓慢倒在步骤（4）中放置有环境温度传感器的材料上，用镊子将所述环境温度传感器的引线拉出；
（6）放置在烘箱内固化PDMS；
（7）去除所述衬底，即得穿戴式体温传感器。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述步骤（1）中的皮肤温度传感器为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻；所述步骤（3）中的环境温度传感器为热电偶、铂电阻、热敏电阻或通过微加工方法制备的热电阻。
7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述步骤（3）中PDMS的厚度为高于所述皮肤温度传感器的上表面不超过1cm；所述步骤（5）中PDMS的厚度与所述环境温度传感器的上表面平齐。
8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述衬底为硅片或玻璃片。
9.如权利要求1所述穿戴式体温传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将制作的传感器放置在一个小的加热板上，并放置在烘箱内；
（2）将加热板模拟为人的皮肤，烘箱模拟为外部环境，分别改变加热板温度T皮肤和烘箱温度T环境，测得加热板温度T皮肤和烘箱温度T环 境分别取不同值时，皮肤温度传感器和环境温度传感器的数据，存储并制得对应的查询表；
（3）用于测量体温时，根据测得的皮肤温度传感器和环境温度传感器的数据，查询所述查询表，得到皮肤的实际温度。
10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于：步骤（2）中所述加热板温度T皮肤的取值范围为36-40℃，所述烘箱温度T环境的取值范围为0-40℃，精确至0.1℃。
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