CN112903766A - 一种毛细导流的微型汗液传感器结构及微型汗液传感器 - Google Patents

一种毛细导流的微型汗液传感器结构及微型汗液传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种毛细导流的微型汗液传感器结构，包括具有容纳腔的底壳和上盖，容纳腔内设置有引流主件和电极座；引流主件紧密贴合于底壁的上表面，引流主件本体的上部设置有用于蓄积汗液进行电化学反应的反应池，本体的下部设置有第一引流针，本体上设置有通过缝，通过缝位于第一引流针根部的侧面，通过缝的上端开口位于反应池内；底壳的底壁设置有进汗孔，第一引流针伸入进汗孔设置，且第一引流针与进汗孔之间具有毛细间隙；电极座叠置于引流主件的上部，电极座下部伸出多个检测电极与反应池内的汗液进行电化学反应；该结构具有用于汗液引流的毛细流道，内部集成检测电极与电路板，汗液损耗小、检测精度高。

Description

一种毛细导流的微型汗液传感器结构及微型汗液传感器
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，具体涉及一种毛细导流的微型汗液传感器结构及微型汗液传感器。
背景技术
可穿戴设备和物联网均是近年来的市场热点，也是智能化发展的趋势之一。在健康医疗领域，在可穿戴设备上集成人体体征监测传感器，再通过可穿戴设备将监测数据发送给各类个人终端或者医疗中心，可以使佩戴者本人以及护理医生等实时、充分的了解到佩戴者的身体状况。
除血液之外，唾液、泪液、汗液中也含有生物标志物，可进行无创手段检查人体健康状况、诊断疾病以及监测疗效。
汗液由外分泌汗腺发源，由真皮管通过表皮输送到皮肤表面，每一滴汗水之中都有0.2％-1％的溶质。这些溶质包含了各种离子、氨基酸、激素、蛋白质、多肽等分泌物，人们可以从中监测电解质失衡程度、乳酸指数、汗液葡萄糖水平、脱水状况以及卡路里燃烧值。分析汗液，不仅可以帮助我们了解到身体的运动状况、水分状况和肌肉疲劳度，还可以辅助诊断一些疾病。例如，汗液中的盐浓度可能会与囊包性纤维症有关；汗液中的pH值可能会与皮肤病或糖尿病有关。
因此，采用可穿戴的汗液传感器来采集、检测汗液，具有现实的医学价值。
为了方便的采集汗液，通常需要被检测的人大量运动出汗，但是各人汗液分泌的速度、数量均不可控，检测时汗液量不足会影响到检测精度，给汗液的采集造成困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是设计一款模块化的、适于与可穿戴设备集成的，毛细导流的微型汗液传感器结构，该结构具有用于汗液引流的毛细流道，汗液损耗小、检测精度高。
一种毛细导流的微型汗液传感器结构，包括具有容纳腔的底壳和上盖，容纳腔内设置有引流主件和电极座；
引流主件紧密贴合于底壁的上表面，引流主件本体的上部设置有用于蓄积汗液进行电化学反应的反应池，本体的下部设置有第一引流针，本体上设置有通过缝，通过缝位于第一引流针根部的侧面，通过缝的上端开口位于反应池内；
底壳的底壁设置有进汗孔，第一引流针伸入进汗孔设置，且第一引流针与进汗孔之间具有毛细间隙；
进汗孔的直径直接影响与人体皮肤之间的有效吸附汗液的面积，因此进汗孔的面积太小会影响汗液吸附的效率，但是进汗孔面积超过1mm则不能有效的引发毛细现象，汗液难以导入传感器内部，所以这里采用进汗孔与第一引流针相配合的方案，兼顾汗液有效吸附面积与毛细引流两个问题；
电极座叠置于引流主件的上部，电极座下部伸出多个检测电极与反应池内的汗液进行电化学反应，通常电极成对出现，电极上附着有生物反应酶，通过检测溶解了反应酶的汗液的电流变化来检测汗液成分。
优选的，进汗孔的一侧边壁向上延伸出挡沿，挡沿的上端伸入通过缝设置；
挡沿与通过缝之间具有毛细间隙；
进汗孔的边壁的上部设置有引流倒角；
这里引流倒角的作用是扩大该部位第一引流针与进汗孔的边壁的间隙，使汗液进入进汗孔后，沿内壁与第一引流针的间隙向挡沿运动，再沿着挡沿与第一引流针的间隙通过上述通过缝进入反应池，这种设计主要目的是进一步减少对汗液的损耗。
优选的，引流主件的本体下部环绕第一引流针设置有环状台阶；
环状台阶的周侧设置有防水胶圈，当人体的汗液大量分泌时，防水胶圈使过多的汗液不可能从引流主件的边缘进入到传感器内部的电路部分；
另外防水胶圈与引流主件的接合部位容易蓄积汗液，远离进汗孔避免汗液量较少时防水胶圈吸附汗液造成浪费；
环状台阶相对降低了防水胶圈与引流主件下表面之间的高度差，避免受防水胶圈影响，引流主件和底壳的底壁之间形成吸附汗液的间隙。
优选的，反应池的中部设置有引流柱，引流柱的底部具有弧状斜坡；
电极正常工作需要一定量的反应酶与汗液发生反应，如果汗液量太少，会影响到检测精度，因此电极并非直接设置在反应池的底壁上，而是设置在反应池的上方，因此在汗液量少时，需要引流柱将反应池的汗液引上去与电极反应；
如果引流柱的根部与反应池底壁的夹角≤90°，汗液容易积蓄在夹角中，弧状斜坡更容易进行引流。
优选的，反应池的侧壁外周设置有呈环状的溢流池；
溢流池通过设置在反应池侧壁上部的溢流缺口连通，用于排泄反应池内的已受电极反应、检测的汗液。
优选的，上盖的底部设置有连通溢流池与上盖本体上部的引流管，引流管用于将溢流池的废弃汗液排出传感器内部，使汗液在传感器内部的流道中流动起来，延长可持续检测的时间；
引流管的数量至少为1个，当具有多个引流管时，部分引流管可以作为进气口使用，避免因汗液从传感器内部持续排出产生负压，影响汗液流通。
优选的，上盖的上部设置有由亲水材料制成的挥发层。
优选的，引流管内设置有第二引流针，引流管的底部开口呈半喇叭状。
优选的，第一引流针与进汗孔之间的毛细间隙和第二引流针与引流管之间的间隙均处于0.1mm～0.2mm之间。
优选的，电极座的上部还设置有电路板；
汗液检测的精度不仅与电极和汗液之间的反应有关，还与电极输出信号的受干扰程度有关；
电极的信号电流很弱，因此信号传输距离越长，受干扰越大，因此最好的解决方案就是将电极输出端与电路板集成，尽可能缩短传输距离。
微型汗液传感器，包括上述的毛细导流的微型汗液传感器结构。
本发明的有益效果是，一种毛细导流的微型汗液传感器结构，包括具有容纳腔的底壳和上盖，容纳腔内设置有引流主件和电极座；引流主件紧密贴合于底壁的上表面，引流主件本体的上部设置有用于蓄积汗液进行电化学反应的反应池，本体的下部设置有第一引流针，本体上设置有通过缝，通过缝位于第一引流针根部的侧面，通过缝的上端开口位于反应池内；底壳的底壁设置有进汗孔，第一引流针伸入进汗孔设置，且第一引流针与进汗孔之间具有毛细间隙；电极座叠置于引流主件的上部，电极座下部伸出多个检测电极与反应池内的汗液进行电化学反应；该结构具有用于汗液引流的毛细流道，内部集成检测电极与电路板，汗液损耗小、检测精度高。
附图说明
下面结合附图1-8对本发明一种毛细导流的微型汗液传感器结构作进一步说明。
图1是本发明一种毛细导流的微型汗液传感器结构的仰视角立体图。
图2是本发明一种毛细导流的微型汗液传感器结构的俯视角立体图。
图3是本发明一种毛细导流的微型汗液传感器结构的爆炸图。
图4是底壳的内部结构图。
图5是引流主件上部结构示意图。
图6是引流主件下部结构示意图。
图7是电极分布图。
图8是上盖下部示意图。
图中：
1-底壳，11-进汗孔，111-引流倒角，12-挡沿，2-上盖，21-引流管，211-第二引流针，22-挥发层，3-引流主件，31-反应池，311-引流柱，312-弧状斜坡，32-第一引流针，33-通过缝，34环状台阶，35-溢流池，36-溢流缺口，4-电极座，41-检测电极，5-防水胶圈，6-电路板。
专用术语：
毛细现象：毛细现象(capillarity)在一些线度小到足以与液体弯月面的曲率半径相比较的毛细管中发生的现象。毛细管中整个液体表面都将变得弯曲，液固分子间的相互作用可扩展到整个液体。日常生活中常见的毛细现象，如水因能润湿玻璃而会在细玻璃管中升高；反之，水银却因不能润湿玻璃而在其中下降。究其原因，全在于液体表面张力和曲面内外压强差的作用。
具体实施方式
下面结合附图1～8并通过具体实施方式来进一步说明本发明一种毛细导流的微型汗液传感器结构的技术方案。
本实施例的毛细导流的微型汗液传感器结构，防水外壳由一个具有容纳腔的圆形底壳1和上盖2组成，容纳腔内设置有引流主件3和电极座4；
引流主件3紧密贴合于底壁的上表面，引流主件3本体的上部设置有用于蓄积汗液进行电化学反应的反应池31，本体的下部设置有第一引流针32，本体上设置有通过缝33，通过缝33位于第一引流针32根部的侧面，通过缝33的上端开口于反应池31内；
底壳1的底壁设置有进汗孔11，第一引流针32伸入进汗孔11设置，且第一引流针32与进汗孔11之间具有毛细间隙；
电极座4叠置于引流主件3的上部，电极座4下部伸出多个检测电极41与反应池31内的汗液进行电化学反应。
在上述结构中，引流主件3与底壳1和上盖2配合，在汗液传感器内部形成微流道，即：汗液从传感器底部的进汗孔11进入传感器-汗液沿第一引流针32与进汗孔11之间的毛细间隙向上流动，经过通过缝33并进入反应池31汗液在反应池31内与多个检测电极41发生电化学反应。
人体的汗液并不能随个人意愿任意产生，因此需要尽可能减少检测所需的最小汗液用量，以提高检测灵敏度；本实施例中汗液进入传感器并向反应池31流动，是根据毛细现象原理实现的，如果采用亲水物质作为引流材料，亲水材料本身会吸附大量的汗液，增加检测所需的汗液量。
本实施例中，进汗孔11的一侧边壁向上延伸出挡沿12，挡沿12的上端伸入通过缝33设置；
挡沿12延长了进汗孔11的侧壁与第一引流针32的配合作用的长度，两者之间的间隙形成一个毛细通道，直至第一引流针32的根部；
挡沿12与通过缝33之间具有毛细间隙，使毛细通道延伸到反应池31，同时挡沿12内侧面与通过缝33之间间隙配合，挡沿12宽方向两侧与通过缝33之间紧密配合，起到固定作用，避免引流主件3发生位移，阻塞汗液流道。
进汗孔11的边壁的上部设置有引流倒角111。
本实施例中，引流主件3的本体下部环绕第一引流针32设置有环状台阶34；
环状台阶34的周侧设置有防水胶圈5。
本实施例中，反应池31的中部设置有引流柱311，引流柱311的底部具有弧状斜坡312；
本实施例的反应池31呈心形，引流柱311的横切面呈人字形，人字形的顶部、脚部与反应池31的侧壁距离均≤1mm，以形成三条竖向的毛细通道，使反应池内的汗液随该毛细通道向上引流至电极所在位置，弧状斜坡312减小了汗液张力，避免汗液在引流柱311的根部蓄积。
本实施例中，反应池31的侧壁外周设置有呈环状的溢流池35；
溢流池35通过设置在反应池31侧壁上部的溢流缺口36连通；
当汗液液面到达溢流缺口36的高度时，汗液会从反应池31排入溢流池35；
已经检测过的汗液不再具有检测价值，将这部分汗液排出，使新的汗液进入反应池31与电极41持续反应检测。
本实施例中，上盖2的底部设置有连通溢流池35与上盖2本体上部的引流管21；
引流管21的数量至少为1个；
当具有两个引流管21时，可以将其中一个作为进气孔。
本实施例中，上盖2的上部设置有由亲水材料制成的挥发层22；
当汗液从引流管21被排到上盖2的上表面时，可以通过擦拭或者挥发的方式，加快传感器内部的汗液流速；
当汗液传感器作为穿戴设备的组件时，例如运动手表，人在不断的运动、出汗，因此需要进行非人工的干预加快汗液的挥发，亲水材料的挥发层22将汗液迅速吸附并在挥发层22内延伸，使挥发面积可以占满整个上盖2的上表面，提高挥发效率。
本实施例中，引流管21内设置有第二引流针211，引流管21的底部开口呈半喇叭状。
本实施例中，第一引流针32与进汗孔11之间的毛细间隙和第二引流针211与引流管21之间的间隙均处于0.1mm～0.2mm之间；
经过实验，0.1mm的毛细效果好于0.2mm，现有的工艺做到0.1mm以下成本高，受设备影响产能低，为了平衡效果与成本，趋向于0.1mm效果更佳，趋向于0.2mm成本更佳，超过0.2mm导流的效果会急剧减小直至1mm。
本实施例中，电极座4的上部还设置有电路板6；
电极41的输入输出端口设置于电极座4的上部，并与电路板6直接焊接，电路板6集成有处理电极信号的芯片，最大可能的减少电极信号传输距离，减少信号衰减；
电路板6可以从上盖2的上部或者底壳1的侧面引出电源接口和信号接口，具体的位置主要取决于与本发明的汗液传感器相配套的设备，比如智能手表更适合从底壳1的侧面引出，不影响整体外观。
本发明的不局限于上述实施例，本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，另外凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种毛细导流的微型汗液传感器结构，包括具有容纳腔的底壳(1)和上盖(2)，其特征在于，所述容纳腔内设置有引流主件(3)和电极座(4)；
所述引流主件(3)紧密贴合于所述底壁的上表面，所述引流主件(3)本体的上部设置有用于蓄积汗液进行电化学反应的反应池(31)，本体的下部设置有第一引流针(32)，本体上设置有通过缝(33)，所述通过缝(33)位于所述第一引流针(32)根部的侧面，所述通过缝(33)的上端开口位于所述反应池(31)内；
所述底壳(1)的底壁设置有进汗孔(11)，所述第一引流针(32)伸入所述进汗孔(11)设置，且所述第一引流针(32)与所述进汗孔(11)之间具有毛细间隙；
所述电极座(4)叠置于所述引流主件(3)的上部，所述电极座(4)下部伸出多个检测电极(41)与所述反应池(31)内的汗液进行电化学反应。
2.如权利要求1所述毛细导流的微型汗液传感器结构，其特征在于，所述进汗孔(11)的一侧边壁向上延伸出挡沿(12)，所述挡沿(12)的上端伸入所述通过缝(33)设置；
所述挡沿(12)与所述通过缝(33)之间具有毛细间隙；
所述进汗孔(11)的边壁的上部设置有引流倒角(111)。
3.如权利要求2所述毛细导流的微型汗液传感器结构，其特征在于，所述引流主件(3)的本体下部环绕所述第一引流针(32)设置有环状台阶(34)；
所述环状台阶(34)的周侧设置有防水胶圈(5)。
4.如权利要求3所述毛细导流的微型汗液传感器结构，其特征在于，所述反应池(31)的中部设置有引流柱(311)，所述引流柱(311)的底部具有弧状斜坡(312)。
5.如权利要求4所述毛细导流的微型汗液传感器结构，其特征在于，所述反应池(31)的侧壁外周设置有呈环状的溢流池(35)；
所述溢流池(35)通过设置在所述反应池(31)侧壁上部的溢流缺口(36)连通。
6.如权利要求5所述毛细导流的微型汗液传感器结构，其特征在于，所述上盖(2)的底部设置有连通所述溢流池(35)与所述上盖(2)本体上部的引流管(21)；
所述引流管(21)的数量至少为1个。
7.如权利要求6所述毛细导流的微型汗液传感器结构，其特征在于，所述上盖(2)的上部设置有由亲水材料制成的挥发层(22)。
8.如权利要求7所述毛细导流的微型汗液传感器结构，其特征在于，所述引流管(21)内设置有第二引流针(211)，所述引流管(21)的底部开口呈半喇叭状。
9.如权利要求8所述毛细导流的微型汗液传感器结构，其特征在于，所述第一引流针(32)与所述进汗孔(11)之间的毛细间隙和所述第二引流针(211)与所述引流管(21)之间的间隙均处于0.1mm～0.2mm之间。
10.一种微型汗液传感器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述一种毛细导流的微型汗液传感器结构。
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