CN115192007A - 一种利用半导体实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了将一种利用半导体实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，包括ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器，其特征在于：该方法使用所述ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器、无创测量皮肤、经皮氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压系统；该系统包括用于测量二氧化碳(CO2)和/或氧气(O2)以及其它气体的经皮测量的传感器、显示所测量分析物读数的监测器、以及传感器和监测器之间的适当连接，例如有线连接或无线连接，从而实现用非侵入方式，即经过皮肤直接测量气体。本方法是替代常规有创血气分析PaO2、PaCO2的方法，临床应用越来越广泛。且在测量的中间过程中无需多次标定，且光学连续测量时，光波加热控温简单，不会灼伤皮肤。
Description
技术领域
本发明涉及气体测量技术领域，主要提供一种利用半导体实现经皮氧分压 和二氧化碳分压的方法。
背景技术
电子装置和组件已经在化学和生物学(更一般地，“生命科学”)中得到众 多应用，特别是用于检测和测量不同的气体时，以鉴别、检测和测量不同气体 内的化合物。一种这样的电子装置被称作离子敏感的场效应晶体管，在相关文 献中经常表示为“ISFET”(或pHFET)。ISFET常规地主要在科学和研究团体中 采用，用于便利溶液的氢离子浓度(通常表示为“pH”)的测量。
但是传统的检测方法中间必须多次标定，且光学连续测量时，光波加热控 温难度大，容易灼伤皮肤，因此需要设计出一种全新的方法以解决上面提到的 技术缺陷。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统的水路设计及其换热方法的水路 设计，以解决上述背景技术中提出的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统的水路设 计及其换热方法，包括燃料电池系统，所述燃料电池系统启动后，冷却液经过 节温器走向大小循环，小循环包含加热棒，大循环包括换热装置和散热装置， 具体方案步骤如下：
一种利用半导体实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，包括ISFET离子 敏场效晶体管半导体传感器，其特征在于：该方法使用所述ISFET离子敏场效 晶体管半导体传感器、无创测量皮肤、经皮氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压系统；
所述经皮氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压系统包括用于测量二氧化碳(CO2) 和氧气(O2)的传感器、显示所测量分析物读数的监测器、以及传感器和监测器 之间利用有线连接或无线连接；
使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器连续测量氧气(O2)和二氧化碳 (CO2)分压值，原理是通过加热传感器使患者皮肤加热并动脉化，皮肤加热后， 增加皮肤血流量，并因此使经皮氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压的测量值更好地 反映血气动脉分压，从而达到无创测量血气值的目的，具体步骤如下：
第一步，先使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器检测H离子信号， 离子敏感场效应晶体管ISFET技术基础场效应晶体管(FET)是一种电压控制 的电流源，它由三部分组成：电源、漏板和闸门，闸门用于调节电场，发出源 到漏的信号；
第二步，在一个离子敏感场效应晶体管内，闸门随离子变化的离子浓度改 变，闸门的电压也随之调整，不同于一般场效应使用的金属闸门，而是用一层 绝缘材料将电源和漏板隔开，这个绝缘层直接接触到过程溶液，这样溶液本身 就充当闸门的作用，并与一个电导性“对电极”和一个参比电极相联接；
第三步，先使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器检测H离子，从而 实现检测PH值检测，再经过放大电路和算法转换成CO2分压值；
第四步，通过上述过程后，经放大电路和算法转换成CO2分压值的实现过 程。
优选的，该方法对于临床应用，常压科室和内分泌科室测量分压值范围在 PO2，0～158mmHg之间，PCO2，0～158mmHg之间，其中高压氧舱控制在0.3MPa， 海拔则控制在4000～8000M，甚至更高；只要标定时选择范围合适，PO2控制在 0～2000mmHg，PCO2控制在0～500mmHg都可以测试到数据，而且长时间测量稳定 可靠。
优选的，使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器检测H离子，可以使 用多种和H离子反应活跃的电极，也可以达到相同效果。
优选的所述ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器内设置有钝化层，所述 钝化层由离子敏感的膜构成，增强钝化层的离子灵敏度。
优选的，所述钝化层，尤其可以位于浮动栅结构上面的敏感区域，相接触 的分析物溶液，即含有目标分析物，包括离子的溶液，或被测试目标分析物存 在的溶液中的分析物，诸如离子的存在，会改变ISFET离子敏场效晶体管半导 体传感器的电特征，从而调节流过ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器的电 源和排出装置之间通道的电流。
优选的所述钝化层可以包含多种不同材料中的任一种，以促进对特定离子 的灵敏度；例如，包含氮化硅或氮氧化硅以及金属氧化物，诸如硅、铝或钽的 氧化物的钝化层通常会提供对分析物溶液中氢离子浓度(pH)的灵敏度，而包含 聚氯乙烯，含有缬氨霉素的钝化层会提供对分析物溶液中钾离子浓度的灵敏度。
优选的，适用于钝化层且对其它离子，诸如钠、银、铁、溴、碘、钙和硝 酸盐，敏感的物质是已知的，且钝化层可以包含多种材料，例如，金属氧化物、 金属氮化物、金属氮氧化物，关于在分析物溶液或钝化层界面处的化学反应， 用于ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器的钝化层的特定材料的表面可以包 括这样的化学基团：其可以为分析物溶液捐献质子，或接受来自分析物溶液的 质子，在任意给定的时间在分析物溶液界面处的钝化层的表面上剩下带负电荷 的、带正电荷的和中性的位点适用于钝化层且对其它离子，诸如钠、银、铁、 溴、碘、钙和硝酸盐，敏感的物质是已知的，且钝化层可以包含多种材料，例 如，金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物，关于在分析物溶液或钝化层界 面处的化学反应，用于ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器的钝化层的特定 材料的表面可以包括这样的化学基团：其可以为分析物溶液捐献质子，或接受 来自分析物溶液的质子，在任意给定的时间在分析物溶液界面处的钝化层的表 面上剩下带负电荷的、带正电荷的和中性的位点。
优选的，不仅可以用于临床应用，常压科室和内分泌科室,家庭使用，也可 以在高压氧舱内使用，结构紧凑，体积可以小于3立方厘米，便于经过皮肤检 测使用，由于产品体积小，质量轻，非常适合皮肤电极使用，标定一次，可以 连续超过1个月使用，减少标定次数，简化操作流程。同时也避免了频繁更换 传感器探头采集部分，功耗低，小于0.5W，使传感器和监测器之间不仅适合有 线传输，更适合无线传输测量信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实现了无创测量皮肤(尤 其是经皮O2、CO2分压)的系统和方法。该系统包括用于测量二氧化碳(CO2)和/ 或氧气(O2)以及其它气体的经皮测量的传感器、显示所测量分析物读数的监测 器、以及传感器和监测器之间的适当连接，例如有线连接或无线连接，从而实 现用非侵入方式，即经过皮肤直接测量气体。本方法是替代常规有创血气分析 PaO2、PaCO2的方法，临床应用越来越广泛。且在测量的中间过程中无需多次标 定，且光学连续测量时，光波加热控温简单，不会灼伤皮肤。
优选的，步骤五：分别计算被检测加密流量与流量模型的欧式距离，对流 量进行分类；基于上述流量模型的参数，分别计算被检测新流量与各流量模型 的欧式距离，计算方法如下：
其中，ωμ表示第j个模型的第k个度量指标，Yk表示被检测流量 的第k个度量指标，N表示步骤五中构建模型采用的度量指标总数量，优选 的N＝6。Dj表示被检测流量与第j个模型的欧式距离，如果Dj小于 某个预设的门限值Tj，则认为该流量合法，否则认为该流量为新流量模型。
优选的，对于新流量模型，将该流量设置为未知流量模型，告知网络监控 系统，将该流量设置为有限权限，可访问部分必要的网络系统资源，同时计算 其字节熵值，作为新流量模型的特征值，在累计了一定数量的新流量样本后， 计算其相应的流量模型参数值，然后将该流量模型标记为已知的流量模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种加密流量监控 方法，在实践中可使加密流量网络的可见性方法和实现算法得到增强，采用基 于数据分箱的流量模型技术，在不解密网络内容的情况下，不仅可以大大降低 监测过程的计算量，还可以检查流量是否符合预期的行为模型，达到监控识别 恶意流量的目的。
附图说明
图1为本发明电压控制的电流源流程电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种利用半导体实现经皮氧分压和 二氧化碳分压的方法，包括ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器，其特征在 于：该方法使用所述ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器、无创测量皮肤、 经皮氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压系统；
所述经皮氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压系统包括用于测量二氧化碳(CO2) 和氧气(O2)的传感器、显示所测量分析物读数的监测器、以及传感器和监测器 之间利用有线连接或无线连接；
使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器连续测量氧气(O2)和二氧化碳 (CO2)分压值，原理是通过加热传感器使患者皮肤加热并动脉化，皮肤加热后， 增加皮肤血流量，并因此使经皮氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压的测量值更好地 反映血气动脉分压，从而达到无创测量血气值的目的，具体步骤如下：
第一步，先使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器检测H离子信号， 离子敏感场效应晶体管ISFET技术基础场效应晶体管(FET)是一种电压控制 的电流源，它由三部分组成：电源、漏板和闸门，闸门用于调节电场，发出源 到漏的信号；
第二步，在一个离子敏感场效应晶体管内，闸门随离子变化的离子浓度改 变，闸门的电压也随之调整，不同于一般场效应使用的金属闸门，而是用一层 绝缘材料将电源和漏板隔开，这个绝缘层直接接触到过程溶液，这样溶液本身 就充当闸门的作用，并与一个电导性“对电极”和一个参比电极相联接；
第三步，先使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器检测H离子，从而 实现检测PH值检测，再经过放大电路和算法转换成CO2分压值；
第四步，通过上述过程后，经放大电路和算法转换成CO2分压值的实现过 程。
进一步的，该方法对于临床应用，常压科室和内分泌科室测量分压值范围 在PO2，0～158mmHg之间，PCO2，0～158mmHg之间，其中高压氧舱控制在0.3MPa， 海拔则控制在4000～8000M，甚至更高；只要标定时选择范围合适，PO2控制在 0～2000mmHg，PCO2控制在0～500mmHg都可以测试到数据，而且长时间测量稳定 可靠该方法对于临床应用，常压科室和内分泌科室测量分压值范围在PO2， 0～158mmHg之间，PCO2，0～158mmHg之间，其中高压氧舱控制在0.3MPa，海拔则 控制在4000～8000M，甚至更高；只要标定时选择范围合适，PO2控制在 0～2000mmHg，PCO2控制在0～500mmHg都可以测试到数据，而且长时间测量稳定 可靠。
进一步的，使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器检测H离子，可以 使用多种和H离子反应活跃的电极，也可以达到相同效果。
进一步的，所述ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器内设置有钝化层， 所述钝化层由离子敏感的膜构成，增强钝化层的离子灵敏度。
进一步的，所述钝化层，尤其可以位于浮动栅结构上面的敏感区域，相接 触的分析物溶液，即含有目标分析物，包括离子的溶液，或被测试目标分析物 存在的溶液中的分析物，诸如离子的存在，会改变ISFET离子敏场效晶体管半 导体传感器的电特征，从而调节流过ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器的 电源和排出装置之间通道的电流。
进一步的，所述钝化层可以包含多种不同材料中的任一种，以促进对特定 离子的灵敏度；例如，包含氮化硅或氮氧化硅以及金属氧化物，诸如硅、铝或 钽的氧化物的钝化层通常会提供对分析物溶液中氢离子浓度(pH)的灵敏度，而 包含聚氯乙烯，含有缬氨霉素的钝化层会提供对分析物溶液中钾离子浓度的灵 敏度。
进一步的，适用于钝化层且对其它离子，诸如钠、银、铁、溴、碘、钙和 硝酸盐，敏感的物质是已知的，且钝化层可以包含多种材料，例如，金属氧化 物、金属氮化物、金属氮氧化物，关于在分析物溶液或钝化层界面处的化学反 应，用于ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器的钝化层的特定材料的表面可 以包括这样的化学基团：其可以为分析物溶液捐献质子，或接受来自分析物溶 液的质子，在任意给定的时间在分析物溶液界面处的钝化层的表面上剩下带负 电荷的、带正电荷的和中性的位点。
进一步的，不仅可以用于临床应用，常压科室和内分泌科室,家庭使用，也 可以在高压氧舱内使用，结构紧凑，体积可以小于3立方厘米，便于经过皮肤 检测使用，由于产品体积小，质量轻，非常适合皮肤电极使用，标定一次，可 以连续超过1个月使用，减少标定次数，简化操作流程。同时也避免了频繁更 换传感器探头采集部分，功耗低，小于0.5W，使传感器和监测器之间不仅适合 有线传输，更适合无线传输测量信号。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技 术。术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置 关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明的简化描述， 而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员 来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部 分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用半导体实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，包括ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器，其特征在于：该方法使用所述ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器、无创测量皮肤、经皮氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压系统；
所述经皮氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压系统包括用于测量二氧化碳(CO2)和氧气(O2)的传感器、显示所测量分析物读数的监测器、以及传感器和监测器之间利用有线连接或无线连接；
使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器连续测量氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压值，原理是通过加热传感器使患者皮肤加热并动脉化，皮肤加热后，增加皮肤血流量，并因此使经皮氧气(O2)和二氧化碳(CO2)分压的测量值更好地反映血气动脉分压，从而达到无创测量血气值的目的，具体步骤如下：
第一步，先使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器检测H离子信号，离子敏感场效应晶体管ISFET技术基础场效应晶体管(FET)是一种电压控制的电流源，它由三部分组成：电源、漏板和闸门，闸门用于调节电场，发出源到漏的信号；
第二步，在一个离子敏感场效应晶体管内，闸门随离子变化的离子浓度改变，闸门的电压也随之调整，不同于一般场效应使用的金属闸门，而是用一层绝缘材料将电源和漏板隔开，这个绝缘层直接接触到过程溶液，这样溶液本身就充当闸门的作用，并与一个电导性“对电极”和一个参比电极相联接；
第三步，先使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器检测H离子，从而实现检测PH值检测，再经过放大电路和算法转换成CO2分压值；
第四步，通过上述过程后，经放大电路和算法转换成CO2分压值的实现过程。
2.根据权利要求1所述的一种利用半导体实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，其特征在于：该方法对于临床应用，常压科室和内分泌科室测量分压值范围在PO2，0～158mmHg之间，PCO2，0～158mmHg之间，其中高压氧舱控制在0.3MPa，海拔则控制在4000～8000M，甚至更高；只要标定时选择范围合适，PO2控制在0～2000mmHg，PCO2控制在0～500mmHg都可以测试到数据，而且长时间测量稳定可靠。
3.根据权利要求1所述的一种利用半导体实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，其特征在于：使用ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器检测H离子，可以使用多种和H离子反应活跃的电极，也可以达到相同效果。
4.根据权利要求1所述的一种利用半导体实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，其特征在于：所述ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器内设置有钝化层，所述钝化层由离子敏感的膜构成，增强钝化层的离子灵敏度。
5.根据权利要求4所述的一种利用半导体实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，其特征在于：所述钝化层，尤其可以位于浮动栅结构上面的敏感区域，相接触的分析物溶液，即含有目标分析物，包括离子的溶液，或被测试目标分析物存在的溶液中的分析物，诸如离子的存在，会改变ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器的电特征，从而调节流过ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器的电源和排出装置之间通道的电流。
6.根据权利要求5所述的一种利用半导体实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，其特征在于：所述钝化层可以包含多种不同材料中的任一种，以促进对特定离子的灵敏度；例如，包含氮化硅或氮氧化硅以及金属氧化物，诸如硅、铝或钽的氧化物的钝化层通常会提供对分析物溶液中氢离子浓度(pH)的灵敏度，而包含聚氯乙烯，含有缬氨霉素的钝化层会提供对分析物溶液中钾离子浓度的灵敏度。
7.根据权利要求6所述的一种利用半导体实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，其特征在于：适用于钝化层且对其它离子，诸如钠、银、铁、溴、碘、钙和硝酸盐，敏感的物质是已知的，且钝化层可以包含多种材料，例如，金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物，关于在分析物溶液或钝化层界面处的化学反应，用于ISFET离子敏场效晶体管半导体传感器的钝化层的特定材料的表面可以包括这样的化学基团：其可以为分析物溶液捐献质子，或接受来自分析物溶液的质子，在任意给定的时间在分析物溶液界面处的钝化层的表面上剩下带负电荷的、带正电荷的和中性的位点。
8.根据权利要求1所述的一种利用半导体实现相对血流量模型的方法，其特征在于：对于相对血流量模型，将控温数学模型设置为相对血流量模型，同时计算相对血流量模型的特征值，在累计了一定数量的相对血流量样本后，计算其相应的相对血流量模型参数值，然后将该相对血流量模型标记为已知的相对血流量模型。
9.根据权利要求1所述的一种利用恒温加热皮肤并实现经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，其特征在于：利用加热丝和温度传感器，实现对皮肤加热，并通过温度传感器实现恒温加热，并设有温度保护的传感器。
10.根据权利要求1所述的一种利用半导体实现在临床、家庭、高压氧舱测量经皮氧分压和二氧化碳分压的方法，其特征在于：不仅可以用于临床应用，常压科室和内分泌科室,家庭使用，也可以在高压氧舱内使用，结构紧凑，体积可以小于3立方厘米，便于经过皮肤检测使用，由于产品体积小，质量轻，非常适合皮肤电极使用，标定一次，可以连续超过1个月使用，减少标定次数，简化操作流程。同时也避免了频繁更换传感器探头采集部分，功耗低，小于0.5W，使传感器和监测器之间不仅适合有线传输，更适合无线传输测量信号。
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