CN105510388A - 可穿戴汗液pH值检测装置 - Google Patents

Abstract

一种可穿戴汗液pH值检测装置，包括前端检测颈带和后端显示控制装置，前端检测颈带和后端显示控制装置通过无线传输连接。前端检测颈带包括可穿戴颈带和前端检测装置；可穿戴颈带通过颈带两侧的两个粘扣固定于测试者颈间，前端检测装置固定于颈部中间；所述的前端检测装置包括与颈间皮肤直接接触的微型探针、pH传感器、前端集成电路板和汗液收集袋；微型探针与pH传感器相连，前端集成电路板与pH传感器相连，汗液收集袋与pH传感器相连，pH传感器用于检测汗液pH值，并且产生表示所测量pH值的电信号，经前端集成电路板放大、滤波、模数转换，将数据传输至后端显示控制装置处理、存储、显示。本发明也可用于其它体液检测。

Description

可穿戴汗液pH值检测装置

技术领域

本发明涉及一种可穿戴式体液pH值实时检测装置，尤其是利用离子敏场效应晶体管实时检测汗液pH值的功能装置。

背景技术

在人类生理机制中，汗液最主要的目的是调节温度。在体力活动中，为防止因代谢率增加导致体温过高，出汗率也随之增加。实时监测汗液组分可以提供有用的生理信息。汗液分析是非常有价值的诊断工具，并且利用汗液做生理监测有无创、易获取等优点。

汗液pH与身体健康息息相关。M.H.Schmid-Wendtner等人研究，一些皮肤病如刺激性/接触性皮炎和粉刺的发病机理会改变皮肤表面pH；Patterson等人表明摄入碳酸氢钠诱导代谢性碱中毒会导致血液和汗液pH值升高；还有研究表面孤立的汗腺中，pH值与Na+浓度相关。在运动时，对运动者汗液pH进行持续的监测，可以防止pH过高造成碱中毒，并合理给运动者提供水、养分等，提高运动表现。因此汗液pH实时检测十分重要。

正常人汗液呈弱酸性，pH值为4.5-5.5，当出汗增多，pH值随之增加，若发生代谢碱中毒，汗液pH值或达到7，因此汗液检测范围应为4-7，精度为0.1较为合适。为实现实时检测，传感器应满足小型化要求以便随身携带

pH值与待测物中H⁺浓度呈指数关系，因此可以通过测量H⁺浓度间接测量pH值。自20世纪20年代以来pH值测量一直是采用点位分析法，利用玻璃电极和参比电极与试液组成电化学电池，根据原电池的电动势与被测H⁺浓度之间的函数关系间接测定离子浓度。玻璃电极由于机械度低，易破碎，敏感部位玻璃毛细孔易污染堵塞，耐衰减老化周期短。并且不具有温度补偿功能，可靠性精确度比较差。

直到20世纪60年代晚期，离子敏场效应管晶体管(ISFET)被首次提出，利用ISFET做pH检测还仅局限于实验室和医学领域。场效应晶体管(FET)是一种电压控制的电流源，他由三部分组成——栅极、源极和漏极。栅极电压改变影响漏极电流大小。离子敏场效应晶体管(ISFET)，其栅极贴一层离子敏感膜，栅极电压随离子浓度改变。因此离子敏场效应晶体管(ISFET)具有对离子的判别能力，又具有半导体器件体积小、质量轻、响应快、易于集成化等优点，还兼有场效应器件输入阻抗高、输出阻抗低、抗电磁干扰能力强等特点。因此，ISFET作为生物传感器有很好的应用前景。

目前市场上常见的pH检测仪有pH台式检测仪、pH检测笔，台式检测仪无法随身携带；检测笔不能做到持续测量，均不满足汗液pH实时监测的要求。在pH-ISFET研究方面，Givenimaging公司研制出在市场上销售的pH传感器。尺寸13*26μm，精度0.5pH，测量pH范围1-9，取样间隔5s。传感器在pH6单点校准，可工作120个小时。正常人汗液pH在4.5-5.5之间，精度0.5显然不能满足要求。PaulA.Hammond等人设计了一个片上数字pH计系统无线诊断胶囊。灵敏度48mv/pH，反应37bits/pH，工作节点是pH为7，不满足汗液检测范围。

发明内容

为满足汗液pH值检测要求，本发明提出一种可穿戴汗液pH值检测装置。本发明可以提供基于pH值检测结果，以确定被测者生理状态。

本发明包括用于检测汗液pH值的前端检测颈带和用于显示汗液pH值的后端显示控制装置。

所述的前端检测颈带和后端显示控制装置通过无线传输连接，无线连接方式包括蓝牙传输、红外传输、WIFI传输的任意一种。

所述前端检测颈带包括可穿戴颈带和前端检测装置，可穿戴颈带通过颈带两侧的两个粘扣固定于测试者的颈间，前端检测装置固定于颈带正中间。

所述可穿戴颈带由舒适织物造成，利用粘扣调整颈带大小固定与测试者颈间，不会影响测试者正常活动，并且颈间是人体出汗较多的部位之一。

所述的前端检测装置包括与颈间皮肤表面直接接触的微型探针、pH传感器、前端集成电路板和汗液收集袋。所述微型探针与所述pH传感器相连，所述微型探针用于采集汗液，并将汗液传输至pH传感器，所述前端集成电路板与所述pH传感器相连，所述pH传感器用于检测汗液pH值，并且产生表示所测量pH值的电信号，所述汗液收集袋与所述pH传感器相连，汗液经过pH传感器检测后流进汗液收集袋，供实验室的进一步检测。

所述pH传感器用于测量汗液pH值，利用离子敏场效应晶体管(ISFET)栅极电压与离子浓度有关的特性，利用离子敏场效应晶体管(ISFET)与参比场效应晶体管(REFET)差分测量方法，精确测量汗液pH值，防止因温度变化对pH值测量结果造成的误差。

所述离子敏场效应晶体管(ISFET)与参比场效应晶体管(REFET)结构极为相似，去除参比场效应晶体管(REFET)的金属栅，在场效应晶体管栅极上生长一层敏感膜，敏感膜与汗液直接接触，使栅极电位发生变化。ISFET阈值电压与pH值成正比，汗液的pH值通过阈值电压影响ISFET器件的电流电压特性。

所述pH传感器中仅离子敏场效应晶体管(ISFET)敏感膜暴露于汗液中，其余部分均进行封装，与汗液隔离。

所述前端集成电路板包括放大滤波器、A/D转换器、前端微处理器、前端电源单元和前端无线收发装置。所述放大滤波器与所述pH传感器相连，将pH传感器发出的表示测量pH值的电信号过滤掉高阶信号，并将经过过滤的信号放大。所述A/D转换器与所述放大滤波器相连，将所述放大滤波器输出的连续模拟信号转化为数字信号。所述前端微处理器与A/D转换器相连，接收A/D转换器输出的数字信号，将代表pH值的电信号计算转化为pH值。所述前端无线收发装置与所述前端微处理器相连，将所述前端微处理器输出的pH值信号传输至后端显示控制装置，并执行后端显示控制装置传输的指令，所述前端电源单元分别与所述放大滤波器、A/D转换器、前端微处理器、前端无线收发装置相连，向其提供电能。

所述后端显示控制装置包括后端无线收发装置、显示屏、控制器、后端微处理器、存储器和后端电源单元。所述后端无线收发装置用于接受前端检测装置发来的pH值信号，并向前端检测装置发送控制指令。所述后端微处理器与所述后端无线收发装置相连，接收所述后端无线收发装置接受到的pH值信号，并处理用户的操作指令。所述显示屏与所述后端微处理器相连，将所述后端微处理器接受到的pH值显示给用户。所述控制器与所述后端微处理器相连，可以让用户发布打开和关闭、开始和结束、暂停等控制指令。所述存储器与所述后端微处理器相连，将所述后端微处理器接受的pH信号进行存储。所述后端电源单元分别与所述后端无线收发装置、显示屏、控制器、后端微处理器和存储器相连，向其提供电能。

本发明的汗液pH检测装置的前端检测装置对汗液pH值进行检测，后端显示控制装置将检测的汗液pH值进行显示和后端用户操作，对前端检测装置和后端显示控制装置发布打开和关闭、开始和结束、暂停等控制指令。

汗液经微型探针进入装前端检测装置，流经所述pH传感器的敏感膜，所述pH传感器将汗液pH值转换为电信号输出，经所述放大滤波器去除电信号中的高阶信号，并将滤波后的电信号进行放大，放大滤波后的电信号经所述A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号，并传输至所述前端微处理器，所述前端微处理器将代表pH值的电信号计算转化为pH值，并将pH值传输至所述前端无线收发装置，所述前端无线收发装置将接收的pH值传输至后端显示控制装置。

所述后端无线收发装置接收到前端检测装置发送的pH值，将pH值传输至所述后端微处理器，所述微处理器将数据传输至所述存储器和显示屏，所述存储器将pH数据进行存储，所述显示屏将汗液pH值显示给用户。

所述控制器接收到用户发布的打开和关闭、开始和结束、暂停等指令，将指令传输至所述后端微处理器，后端微处理器处理并执行操作指令，后端微处理器将处理后的操作结果通过后端无线收发装置传输至前端检测模块，前端检测装置的前端无线收发装置接受到指令，传输至所述前端微处理器，所述前端微处理器执行接收到的指令。

附图说明

图1是本发明前端检测颈带的立体图；

图2是本发明前端检测颈带的平面图；

图3是前端检测颈带的前端检测装置剖面图；

图4是后端显示控制装置立体图；

图5是前端检测装置的电路原理框图；

图6是后端显示控制装置的电路原理框图；

图7是前端检测装置中的pH传感器的平面图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明包括用于检测汗液pH值的前端检测颈带和用于显示pH值的后端显示控制装置。

本发明前端检测颈带和后端显示控制装置通过无线传输连接，无线连接方式包括蓝牙传输、红外传输、WIFI传输的任意一种。

本发明的前端检测颈带包括可穿戴颈带和前端检测装置，可穿戴颈带通过其两侧的两个粘扣固定于测试者的颈间，前端检测装置固定于颈带正中间。

所述的可穿戴颈带由舒适织物造成，利用粘扣调整颈带大小固定与测试者颈间，不会影响测试者正常活动，并且颈间是人体出汗较多的部位之一。

所述的前端检测装置包括与颈间皮肤表面直接接触的微型探针、pH传感器、前端集成电路板和汗液收集袋。所述微型探针与所述pH传感器相连，所述微型探针用于采集汗液，并将汗液传输至pH传感器，所述前端集成电路板与所述pH传感器相连，所述pH传感器用于检测汗液pH值，并且产生表示所测量pH值的电信号，所述汗液收集袋与所述pH传感器相连，用来收集pH传感器检测的汗液。

所述的前端集成电路板包括放大滤波器、A/D转换器、前端微处理器、前端电源单元和前端无线收发装置。所述放大滤波器的输入端与所述pH传感器相连，将pH传感器输出的表示测量pH值的电信号过滤掉高阶信号，并将经过过滤的信号放大。所述A/D转换器的输入端与所述放大滤波器的输出端相连，将所述放大滤波器输出的连续模拟信号转化为数字信号。所述前端微处理器的输入端与A/D转换器的输出端相连，接收A/D转换器输出的数字信号，将代表pH值的电信号计算转化为pH值。所述前端无线收发装置与所述前端微处理器的输出端相连，将所述前端微处理器输出的pH值信号传输至后端显示控制装置，并执行后端显示控制装置传输的指令。所述前端电源单元分别与所述放大滤波器、A/D转换器、前端微处理器、前端无线收发装置相连，向其提供电能。

所述的后端显示控制装置包括后端无线收发装置、显示屏、控制器、后端微处理器、存储器和后端电源单元。所述后端无线收发装置用于接受前端检测装置发来的pH值信号，并向前端检测装置发送控制指令。所述后端微处理器与所述后端无线收发装置相连，接收所述后端无线收发装置接受到的pH值信号，并处理用户的操作指令。所述显示屏与所述后端微处理器相连，将所述后端微处理器接收到的pH值显示给用户。所述控制器与所述后端微处理器相连，可以让用户发布打开和关闭、开始和结束、暂停等控制指令。所述存储器与所述后端微处理器相连，将所述后端微处理器接收的pH信号进行存储。所述后端电源单元与所述后端无线收发装置、显示屏、控制器、后端微处理器和存储器相连，向其提供电能。

图1所示为所述的前端检测颈带的立体图。可穿戴颈带1的左右两侧分别在两面固定了两个粘扣2、3，粘扣2、3可用线缝纫或用胶水固定；前端检测装置4用胶水固定在颈带1上。

图2所示为所述的前端检测颈带的平面图，可穿戴颈带1由舒适织物造成，利用粘扣调整颈带大小固定与测试者颈间，不会影响测试者正常活动。

图3所示为所述的前端检测装置4，探针410为半扁椭圆形，厚度应小于5mm，长度不超过2cm，利用毛细管虹吸原理采集汗液，汗液流进微型探针410，通过微型探针410流进pH传感器H⁺敏感层432，再进过细管411最终流进汗液收集袋440；pH传感器除H⁺敏感层432及参比电极431暴露于汗液中外，其余部分均采用封装技术与汗液隔绝。前端集成电路板420上除敏感元件，其余部分也均被胶水覆盖，与检测汗液隔绝，保证电路稳定运行。pH传感器检测汗液pH值，并由前端集成电路板进行处理传输。汗液收集袋由医用橡胶材料制作，并与毛细管411可靠黏合。

前端集成电路板420的电路原理框图如图4所示，pH传感器430检测汗液的pH值，并将其转化为电压信号输出，放大滤波器422与所述pH传感器430相连，将pH传感器430发出的表示测量pH值的电信号过滤掉高阶信号，并将经过过滤的信号放大。所述A/D转换器425与所述放大滤波器422相连，将所述放大滤波器输出的连续模拟信号转化为数字信号。所述前端微处理器423与A/D转换器425相连，接收A/D转换器425输出的数字信号，将代表pH值的电信号计算转化为pH值。所述前端无线收发装置424与所述前端微处理器423相连，将所述前端微处理器输出的pH值信号传输至后端显示控制装置，并执行后端显示控制装置传输的指令，所述前端电源单元421分别与所述放大滤波器422、A/D转换器425、前端微处理器423、前端无线收发装置424相连，向其提供电能。

图5所示为所述的后端显示控制装置5如，后端显示控制装置5由显示屏510、后盖530和后端集成电路板520组成；显示屏510为LCD或LED屏幕用来显示所测pH值，后盖530为塑料材质，后盖530与显示屏510相连，形成后端显示控制装置的外壳，后端集成电路板520负责接收并处理信号，后端集成电路板520与显示屏510相连，控制显示屏510显示所测汗液pH值。

后端显示控制装置的电路原理框图如图6所示，后端集成电路板520包括后端电源单元521、后端无线收发装置522、A/D转换器523、后端微处理器524、存储器525、显示屏510、控制器527。

其中后端无线收发装置522用于接受前端检测装置发来的pH值信号，并向前端检测装置发送控制指令。所述后端微处理器524与所述后端无线收发装置522相连，接收所述后端无线收发装置522接受到的pH值信号，并处理用户的操作指令。所述显示屏510与所述后端微处理器524相连，将所述后端微处理器524接受到的pH值显示给用户。所述控制器527与所述后端微处理器524相连，可以让用户发布打开和关闭、开始和结束、暂停等控制指令。所述存储器525与所述后端微处理器524相连，将所述后端微处理器524接受的pH信号进行存储。所述后端电源单元521分别与所述后端无线收发装置522、显示屏510、控制器527、后端微处理器524和存储器525相连，向其提供电能。

前端检测模块电路中pH传感器基于ISFET传感器，ISFET结构如图7所示。ISFET包括参比电极431、敏感层432、隔离层433、漏极435、SiO2层434、436、P型衬底437、源极438。参比电极431表面覆盖KCL凝胶置于所测溶液中，敏感层432暴露于溶液中通过溶液中H⁺浓度变化改变阈值电压影响漏源极间电压信号输出，隔离层433覆盖于434之间防止其与溶液接触，漏极435置于SiO2层434、436之间，使其与敏感层432绝缘。ISFET传感器除参比电极431、敏感层432，其他部分均与溶液隔绝，封装隔离。

Claims (4)

1.一种可穿戴汗液pH值检测装置，其特征是：该装置包括检测汗液pH值的前端检测颈带和用于显示汗液pH值的后端显示控制装置；所述的前端检测颈带和后端显示控制装置通过无线传输连接；前端检测颈带包括可穿戴颈带和前端检测装置；可穿戴颈带通过颈带两侧的两个粘扣固定于测试者的颈间，前端检测装置固定于颈带正中间；所述的前端检测装置包括与颈间皮肤表面直接接触的微型探针、pH传感器、前端集成电路板和汗液收集袋；所述微型探针与所述pH传感器相连，所述微型探针用于采集汗液，并将汗液传输至pH传感器，所述前端集成电路板与所述pH传感器相连；所述pH传感器用于检测汗液pH值，并且产生表示所测量pH值的电信号；所述汗液收集袋与所述pH传感器相连；所述后端显示控制装置包括后端无线收发装置、显示屏、控制器、后端微处理器、存储器和后端电源单元；所述后端无线收发装置用于接受前端检测装置发来的pH值信号，并向前端检测装置发送控制指令；所述后端微处理器与所述后端无线收发装置相连，接收所述后端无线收发装置接受到的pH值信号，并处理用户的操作指令；所述显示屏与所述后端微处理器相连，将所述后端微处理器接受到的pH值显示给用户；所述控制器与所述后端微处理器相连，所述存储器与所述后端微处理器相连，所述后端电源单元分别与所述后端无线收发装置、显示屏、控制器、后端微处理器和存储器相连，向其提供电能。

2.根据权利要求1所述的可穿戴汗液pH值检测装置，其特征是：所述的前端集成电路板包括放大滤波器、A/D转换器、前端微处理器、前端电源单元和前端无线收发装置；所述放大滤波器与所述pH传感器相连，所述A/D转换器与所述放大滤波器相连，所述前端微处理器与A/D转换器相连，所述前端无线收发装置与所述前端微处理器相连，将所述前端微处理器输出的pH值信号传输至后端显示控制装置，并执行后端显示控制装置传输的指令，所述前端电源单元分别与所述放大滤波器、A/D转换器、前端微处理器、前端无线收发装置相连，向其提供电能。

3.根据权利要求1所述的可穿戴汗液pH值检测装置，其特征是：所述的前端探针采用毛细管，利用虹吸原理采集汗液；汗液流进前端检测装置4，通过毛细管(413)流进pH传感器的H⁺敏感层(432)，再经过细管(411)流进汗液收集袋(440)。

4.根据权利要求1所述的可穿戴汗液pH值检测装置，其特征是：所述的pH传感器采用ISFET传感器；所述pH传感器除H⁺敏感层(432)及参比电极(431)暴露于汗液中外，其余部分均采用封装方法与汗液隔绝。