CN114689660A - 汗液传感器以及汗液传感系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种汗液传感器，其包括：导汗电极层，包括绝缘层、设置于所述绝缘层内的导电电极以及第一通孔，所述第一通孔贯穿所述绝缘层和所述导电电极；粘合层，设置于所述绝缘层上，且具有与所述第一通孔连通的第二通孔；吸水扩散层，设置于所述粘合层上，且覆盖所述第二通孔。还提供了一种具有多个该汗液传感器的汗液传感系统。本发明的汗液传感器能够同时对出汗量和电解质浓度进行实时连续检测，并且能够避免新旧汗液混合对电解质浓度检测造成干扰。

Description

汗液传感器以及汗液传感系统
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体地讲，涉及一种汗液传感器以及汗液传感系统。
背景技术
人体运动过程中汗液成分的异常变化和血液浓度水平相关，或可以直接指示人体的健康状况。例如，Na+是人体汗液中最多的电解质，是汗液分泌的重要基础，它的浓度可以反映人体不同类别的水盐代谢紊乱症状。如运动员、军人、工人等在极端环境中(剧烈运动、过热的火灾抢险等)工作时会发生严重脱水情况而产生高钠血症，其汗液和血液中Na+浓度远高出正常值，如果不及时判断和补充水分和电解质，很可能引起严重的生理威胁，甚至死亡。
目前，传统的汗液传感器无法实现同时对出汗量和电解质浓度进行实时连续检测，并且无法避免新旧汗液混合对电解质浓度检测造成的干扰。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种能够同时对出汗量和电解质浓度进行实时连续检测，并且能够避免新旧汗液混合对电解质浓度检测造成干扰的汗液传感器以及汗液传感系统。
根据本发明的实施例的一方面提供的汗液传感器，其包括：导汗电极层，包括绝缘层、设置于所述绝缘层内的导电电极以及第一通孔，所述第一通孔贯穿所述绝缘层和所述导电电极；粘合层，设置于所述绝缘层上，且具有与所述第一通孔连通的第二通孔；吸水扩散层，设置于所述粘合层上，且覆盖所述第二通孔。
在上述一方面提供的汗液传感器的一个示例中，所述第一通孔的中心轴线与所述第二通孔的中心轴线重合。
在上述一方面提供的汗液传感器的一个示例中，所述导电电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极位于同一平面内，并且所述第一电极的电极通孔的中心轴线、所述第二电极的电极通孔的中心轴线以及所述第一通孔的中心轴线重合。
在上述一方面提供的汗液传感器的一个示例中，所述导电电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极位于不同平面内，并且所述第一电极的电极通孔的中心轴线、所述第二电极的电极通孔的中心轴线以及所述第一通孔的中心轴线重合。
在上述一方面提供的汗液传感器的一个示例中，所述汗液传感器还包括：接触层，设置于所述绝缘层的背向所述粘合层的表面上，所述接触层中具有与所述第一通孔连通的第三通孔。
在上述一方面提供的汗液传感器的一个示例中，所述第一通孔的中心轴线与所述第三通孔的中心轴线重合。
在上述一方面提供的汗液传感器的一个示例中，所述绝缘层和/或所述接触层的材料为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶或热塑性聚酯。
在上述一方面提供的汗液传感器的一个示例中，当利用所述汗液传感器检测汗液时，根据所述导电电极记录的通过所述第一通孔的汗液的电导数值获取电导方波曲线，通过所述电导方波曲线同时获取汗液电解质总浓度和汗液总量；其中，所述电导方波曲线的幅值与所述通孔内实时的汗液电解质总浓度呈相关性，所述汗液通过所述通孔的体积和出汗速率与所述电导方波曲线中电导方波之间的时间差呈相关性。
根据本发明的另一方面提供的汗液传感系统，其包括：导汗电极层，包括绝缘层、设置于所述绝缘层内的多个导电电极以及多个第一通孔，每个第一通孔贯穿所述绝缘层以及相应的一个所述导电电极；粘合层，设置于所述绝缘层上且具有多个第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔一一对应连通；吸水扩散层，设置于所述粘合层上，且覆盖所述多个第二通孔。
在上述另一方面提供的汗液传感系统的一个示例中，每个导电电极包括第一电极和第二电极，每个导电电极的第一电极和第二电极位于不同平面内，并且各个导电电极的第一电极位于同一平面内，各个导电电极的第二电极位于同一平面内，每个导电电极的第一电极的电极通孔的中心轴线、第二电极的电极通孔的中心轴线以及相应的第一通孔的中心轴线重合；所述多个导电电极阵列排布，同一列的导电电极的第一电极连接在一起，同一行的导电电极的第二电极连接在一起。
在上述另一方面提供的汗液传感系统的一个示例中，所述汗液传感系统还包括：接触层，设置于所述绝缘层的背向所述粘合层的表面上，所述接触层中具有多个第三通孔，所述第三通孔与所述第一通孔一一对应连通。
有益效果：本发明的汗液传感器能够同时对出汗量和电解质浓度进行实时连续检测，并且能够避免新旧汗液混合对电解质浓度检测造成干扰。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的第一实施例的汗液传感器的结构示意图；
图2是具有根据本发明的第一实施例的汗液传感器的可穿戴装置置于人体皮肤表面上的状态示意图；
图3是电导方波曲线检测原理示意图以及根据本发明的实施例的汗液传感器在微流注射泵测试下获得的电导方波曲线图；
图4是根据本发明的第二实施例的汗液传感器的结构示意图；
图5是根据本发明的第三实施例的汗液传感器的结构示意图；
图6是根据本发明的实施例的汗液传感系统的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的具体实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
图1是根据本发明的第一实施例的汗液传感器的结构示意图。其中，在图1中，(B)图示出了根据本发明的第一实施例的汗液传感器的俯视图，注意在(B)图中，为了清晰显示电极结构，未示出粘合层3和吸水扩散层4；(A)图示出了沿(B)图中的a-a’线对根据本发明的第一实施例的汗液传感器进行剖切的剖切图，当然，(A)图中额外示出了人体皮肤系统。
参照图1，根据本发明的第一实施例的汗液传感器包括导汗电极层2、粘合层3和吸水扩散层4。
具体地，导汗电极层2包括绝缘层21、设置在绝缘层21内的导电电极(未标识)以及第一通孔(未标识)，其中，第一通孔贯穿绝缘层21和导电电极。在一个示例中，导电电极包括第一电极221和第二电极222，其中，第一电极221和第二电极222位于同一平面，并且第一电极221的电极通孔(未标识)的中心轴线、第二电极222的电极通孔(未标识)的中心轴线以及所述第一通孔的中心轴线重合。
在一个示例中，绝缘层21主要为柔性绝缘聚合物材料，其可以是聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、热塑性聚酯等。绝缘层21的厚度在0.1mm～2mm之间。
第一电极221和第二电极222嵌入在绝缘层21内部并位于厚度方向上的中间部分。第一电极221和第二电极222可以为碳纳米管、石墨烯、碳黑、碳纤维等材料制备的具有一定厚度和宽度的薄膜电极，也可以为金、铂、铜等电导测试用金属等其他材料制成的具有一定厚度和宽度的薄膜电极。第一电极221和第二电极222的厚度在0.01mm～1mm之间，并且第一电极221和第二电极222宽度(线宽)小于各通孔(例如电极通孔、第一通孔等)的直径。
这里，不对第一电极221和第二电极222在绝缘层21中的嵌入方法做具体限定。例如，在一个示例中，首先制备一层绝缘层21，在这层绝缘层21上通过丝网印刷等方法制备出位于同一水平面上的第一电极221和第二电极222，最后在一层绝缘层21、第一电极221和第二电极222上再制备另一层绝缘层21，最终将第一电极221和第二电极222嵌入在了绝缘层21的内部位置。在另一个示例中，首先通过机械加工的方法制备电极形状的模具模板，然后采用模板复形的方法将绝缘层21的制作材料的预聚体倒入模具模板，等固化成型后揭下来后形成具有电极形状的凹槽，在凹槽中填充制备第一电极221和第二电极222，然后在第一电极221和第二电极222之上制备另一层绝缘层21，最终将第一电极221和第二电极222嵌入在了缘层21的内部位置。
在绝缘层21以及第一电极221和第二电极222的中间位置，通过激光切割、模板方法或机械打孔的方法制备出一个通孔23(其由第一通孔、电极通孔等构成)，通孔23的直径在0.5mm～2mm之间；第一电极221和第二电极222的有效测试表面暴露于通孔23内壁表面。优选的，通孔23圆柱体内壁和暴露于通孔的第一电极221和第二电极222表面呈现疏水性质，因此可通过绝缘层21的材料和电极材料的性质选择疏水性材料，也可以通过后处理的方法实现疏水性的通孔，例如采用硅烷试剂处理。
粘合层3设置在绝缘层21上，并且粘合层3具有与第一通孔连通的第二通孔(未示出)。也就是说，通孔23贯通绝缘层21、粘合层3以及第一电极221和第二电极222；其中，通孔23在绝缘层21中的部分被设定为第一通孔，通孔23在粘合层3中的部分被设定为第二通孔，通孔23在第一电极221中的部分被设定为第一电极221的电极通孔，通孔23在第二电极222中的部分被设定为第二电极222的电极通孔。
粘合层3是固定连接导汗电极层2和吸水扩散层4之间的具有粘性的薄膜，其包括采用固定厚度的超薄双面胶(厚度为0.01mm～0.05mm)、粘弹性聚合物的预聚体等。在一个示例中，粘合层3在导汗电极层2的第一通孔的重叠位置通过激光切割、模板方法或机械打孔的方法制备出和第一通孔尺寸一样的第二通孔，使汗液从第一通孔和第二通孔流过。进一步地，第一通孔的中心轴线与第二通孔的中心轴线重合。
吸水扩散层4设置于粘合层3上，且覆盖所述第二通孔。在一个示例中，吸水扩散层4为亲水性材料薄膜，包括但不限定于衣物织物、纸基纤维素类薄膜、凝胶等吸水材料。在本实施例中，吸水扩散层4可以以衣物本身为吸水层，优选的，以透气透汗运动紧身衣物、护腕、护掌、护肘、吸汗带等为吸水层。并不限定吸水扩散层4的厚度。吸水扩散层4通过粘合层3与导汗电极层2形成一体汗液传感器。
图2是具有根据本发明的第一实施例的汗液传感器的可穿戴装置置于人体皮肤表面上的状态示意图。参照图2，根据本发明的第一实施例的汗液传感器被通过弹性的织物、弹性体材料制成的条带包裹固定，以形成可穿戴装置；而该可穿戴装置可以与运动紧身衣物、护腕、护掌、护肘、吸汗带等织物集成兼容，形成弹性吸水固定条带装置41。
当根据本发明的实施例的汗液传感器设置于人体皮肤1上时，皮肤下皮12内的汗腺14分泌出汗液13，汗液13从汗腺14分泌出时具有一定的压强，最大可以达到70000Nm-2，足以将汗液14泵入通孔23并被吸水扩散层4迅速吸收走；当汗液13通过通孔23的内壁时，暴露于通孔23内的平行电极(即第一电极221和第二电极222)会记录下实时通过汗液液体或汗液液滴的电导数值。如图3中(A)图是电导方波曲线检测原理的示意图，其中，ΔT1表示第一个电导方波持续时间，ΔT2表示第二个电导方波持续时间；而(B)图是根据本发明的实施例的汗液传感器在微流注射泵测试下获得的电导方波曲线图。
参照图3，电导方波曲线的高度或幅值与通孔23内实时的汗液电解质总浓度呈相关性，而汗液液滴通过通孔23的体积和出汗速率与下一个电导方波曲线出现之间的时间差呈相关性；因此，根据本发明的实施例提出的汗液传感器可以通过一条实时连续的电导方波曲线，将汗液电解质浓度和出汗量成功区分出来；同时具有不被新旧汗液混合干扰其准确性的优点。
图4是根据本发明的第二实施例的汗液传感器的结构示意图。其中，在图4中，(B)图示出了根据本发明的第二实施例的汗液传感器的俯视图，注意在(B)图中，为了清晰显示电极结构，未示出粘合层3和吸水扩散层4；(A)图示出了沿(B)图中的a-a’线对根据本发明的第二实施例的汗液传感器进行剖切的剖切图，当然，(A)图中额外示出了人体皮肤系统；(C)图示出了根据本发明的第二实施例的汗液传感器中的第一电极和第二电极的结构示意图。
参照图4，与图1所示的第一实施例的汗液传感器的结构不同之处在于：第一电极221和第二电极222不在同一平面上。例如，第二电极222在第一电极221的上方，因此第二电极222的电极通孔与第一电极221的电极通孔上下重叠。
图5是根据本发明的第三实施例的汗液传感器的结构示意图。其中，在图5中，(B)图示出了根据本发明的第三实施例的汗液传感器的俯视图，注意在(B)图中，为了清晰显示电极结构，未示出粘合层3和吸水扩散层4；(A)图示出了沿(B)图中的a-a’线对根据本发明的第三实施例的汗液传感器进行剖切的剖切图，当然，(A)图中额外示出了人体皮肤系统。
参照图5，与图1所示的第一实施例的汗液传感器的结构不同之处在于：根据本发明的第三实施例的汗液传感器还包括接触层24，设置于绝缘层21的背向粘合层3的表面上，并且接触层24中具有与第一通孔连通的第三通孔(未示出)。进一步地，所述第一通孔的中心轴线与所述第三通孔的中心轴线重合，也就是说，通孔23贯穿接触层24。
接触层24的作用有两个方面：一、方便调节导汗电极层2的厚度；二、当绝缘层21的硬度不适于与皮肤直接接触，可通过接触层24来实现与皮肤的良好接触贴附。接触层24的材料包括但不限定于聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、热塑性聚酯等。接触层24和绝缘层21的紧密结合可以通过常用的交联粘合等技术来实现。
图6是根据本发明的实施例的汗液传感系统的结构示意图。为了便于描述介绍，图6仅示出了导电电极和绝缘层。
参照图6，根据本发明的实施例的汗液传感系统包括多个图4所示的根据本发明的第二实施例的汗液传感器，多个所述汗液传感器阵列排布。
在这种情况下，各个汗液传感器的绝缘层21、粘合层3、吸水扩散层4和/或接触层24(如果设置有)连成一体；也就是说，多个导电电极设置于一层绝缘层21内，一层粘合层3和一层吸水扩散层4一次层叠于一层绝缘层21上，而一层接触层24设置于一层绝缘层21的背向一层粘合层3的表面上。
当然，各个通孔23也贯穿一层粘合层3以形成多个第二通孔，并且也贯穿一层接触层24以形成多个第三通孔。也就是说，第一通孔(包括各电极通孔)、第二通孔以及第三通孔一一对应并连通。
在多个所述汗液传感器阵列分布的情况下，各导电电极的第一电极位于同一平民，而各导电电极的第二电极位于同一平面，并且第一电极和第二电极位于不同平面。因此，每一列的导电电极的所有第一电极连接在一起并连接到列导电端子，而每一行的导电电极的所有第二电极连接在一起并连接到行导电端子。例如，在图6中，第一列的导电电极的所有第一电极连接在一起并连接到列导电端子223，第二列的导电电极的所有第一电极连接在一起并连接到列导电端子224，第三列的导电电极的所有第一电极连接在一起并连接到列导电端子225；第一行的导电电极的所有第二电极连接在一起并连接到行导电端子226，第二行的导电电极的所有第二电极连接在一起并连接到行导电端子227，第三行的导电电极的所有第二电极连接在一起并连接到行导电端子228。
如上提供的汗液传感系统，通过设置阵列排布的多个导电电极，可以获取多个采样点的数据，进一步提高单位面积汗液出汗量和汗液电解质浓度分析的准确性。
上述对本发明的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。
在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
以上结合附图详细描述了本发明的实施例的可选实施方式，但是，本发明的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的实施例的技术构思范围内，可以对本发明的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的实施例的保护范围。
本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (10)

1.一种汗液传感器，其特征在于，所述汗液传感器包括：
导汗电极层，包括绝缘层、设置于所述绝缘层内的导电电极以及第一通孔，所述第一通孔贯穿所述绝缘层和所述导电电极；
粘合层，设置于所述绝缘层上，且具有与所述第一通孔连通的第二通孔；
吸水扩散层，设置于所述粘合层上，且覆盖所述第二通孔。
2.根据权利要求1所述的汗液传感器，其特征在于，所述第一通孔的中心轴线与所述第二通孔的中心轴线重合。
3.根据权利要求1或2所述的汗液传感器，其特征在于，所述导电电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极位于同一平面内，并且所述第一电极的电极通孔的中心轴线、所述第二电极的电极通孔的中心轴线以及所述第一通孔的中心轴线重合。
4.根据权利要求1或2所述的汗液传感器，其特征在于，所述导电电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极位于不同平面内，并且所述第一电极的电极通孔的中心轴线、所述第二电极的电极通孔的中心轴线以及所述第一通孔的中心轴线重合。
5.根据权利要求1所述的汗液传感器，其特征在于，所述汗液传感器还包括：接触层，设置于所述绝缘层的背向所述粘合层的表面上，所述接触层中具有与所述第一通孔连通的第三通孔。
6.根据权利要求5所述的汗液传感器，其特征在于，所述第一通孔的中心轴线与所述第三通孔的中心轴线重合。
7.根据权利要求1所述的汗液传感器，其特征在于，当利用所述汗液传感器检测汗液时，根据所述导电电极记录的通过所述第一通孔的汗液的电导数值获取电导方波曲线，通过所述电导方波曲线同时获取汗液电解质总浓度和汗液总量；其中，所述电导方波曲线的幅值与所述通孔内实时的汗液电解质总浓度呈相关性，所述汗液通过所述通孔的体积和出汗速率与所述电导方波曲线中电导方波之间的时间差呈相关性。
8.一种汗液传感系统，其特征在于，所述汗液传感系统包括：
导汗电极层，包括绝缘层、设置于所述绝缘层内的多个导电电极以及多个第一通孔，每个第一通孔贯穿所述绝缘层以及相应的一个所述导电电极；
粘合层，设置于所述绝缘层上且具有多个第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔一一对应连通；
吸水扩散层，设置于所述粘合层上，且覆盖所述多个第二通孔。
9.根据权利要求8所述的汗液传感系统，其特征在于，每个导电电极包括第一电极和第二电极，每个导电电极的第一电极和第二电极位于不同平面内，并且各个导电电极的第一电极位于同一平面内，各个导电电极的第二电极位于同一平面内，每个导电电极的第一电极的电极通孔的中心轴线、第二电极的电极通孔的中心轴线以及相应的第一通孔的中心轴线重合；
所述多个导电电极阵列排布，同一列的导电电极的第一电极连接在一起，同一行的导电电极的第二电极连接在一起。
10.根据权利要求8或9所述的汗液传感系统，其特征在于，所述汗液传感系统还包括：接触层，设置于所述绝缘层的背向所述粘合层的表面上，所述接触层中具有多个第三通孔，所述第三通孔与所述第一通孔一一对应连通。
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Assignee: SUZHOU LEANSTAR ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: SUZHOU INSTITUTE OF NANO-TECH AND NANO-BIONICS (SINANO), CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Contract record no.: X2023980035237

Denomination of invention: Sweat sensor and sweat sensing system

License type: Common License

Record date: 20230505