单向透过式汗液传感器及其制作方法、可穿戴装置

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体地讲，涉及一种单向透过式汗液传感器及其制作方法、可穿戴装置。

背景技术

汗液是汗腺分泌到全身皮肤表面的体液，其中包括99％的水、电解质离子(Na

目前多数可穿戴式汗液检测装置将电化学传感器直接贴敷在皮肤表面，其设计由于缺少完整的汗液采集传输和排出结构，往往会导致汗液的采集转运和汗液的回流出现问题，从而导致新旧汗液浓度的混合，进而对汗液检测的准确性造成严重的影响。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种防止新旧汗液混合的单向透过式汗液传感器及其制作方法、可穿戴装置。

根据本发明的实施例的一方面提供的单向透过式汗液传感器的制作方法，其包括：制作形成用于使汗液单方向透过的单向透过式疏水通道层、透过式传感检测层以及吸水扩散层；将所述透过式传感检测层固定在所述单向透过式疏水通道层和所述吸水扩散层之间。

在上述一方面提供的单向透过式汗液传感器的制作方法中，所述单向透过式疏水通道层为多孔网络纤维结构薄膜，所述单向透过式疏水通道层的材料为聚氨酯或者聚四氟乙烯或者聚二甲基硅氧烷。

在上述一方面提供的单向透过式汗液传感器的制作方法中，所述透过式传感检测层包括透过式电化学传感器，所述透过式电化学传感器至少包括工作电极和参比电极，所述工作电极和所述参比电极均包括：多孔网络薄膜结构电极、在所述多孔网络薄膜结构电极上的传感层以及在所述多孔网络薄膜结构电极和所述传感层上的敏感材料层。

在上述一方面提供的单向透过式汗液传感器的制作方法中，所述多孔网络薄膜结构电极为碳纳米纤维薄膜电极或者碳纳米管纤维织物电极或者金属网格电极。

在上述一方面提供的单向透过式汗液传感器的制作方法中，所述传导层的材料为金纳米颗粒或者铂纳米颗粒或者普鲁士蓝纳米颗粒或者金属-有机框架材料。

在上述一方面提供的单向透过式汗液传感器的制作方法中，所述工作电极的敏感材料层的材料为氧化酶分子、壳聚糖、全氟磺酸膜或者离子选择性敏感膜；所述参比电极的敏感材料层的材料为Ag/AgCl膜、聚合物和盐颗粒的混合物薄膜或者全氟磺酸膜。

在上述一方面提供的单向透过式汗液传感器的制作方法中，所述吸水扩散层为多孔网络纤维结构薄膜，所述吸水扩散层的材料为纤维素无纺布、聚丙烯腈纺丝薄膜或者吸水性织物。

在上述一方面提供的单向透过式汗液传感器的制作方法中，利用由静电纺丝方法制备形成的粘合剂薄膜将所述透过式传感检测层固定在所述单向透过式疏水通道层和所述吸水扩散层之间。

根据本发明的实施例的另一方面提供的单向透过式汗液传感器，其由上述的单向透过式汗液传感器的制作方法制作形成。

根据本发明的实施例的又一方面提供的可穿戴装置，其包括：可穿戴衬底；以及设置于所述可穿戴衬底上的处理器和上述的单向透过式汗液传感器；其中，所述处理器用于通过所述单向透过式汗液传感器获取汗液的数据，并对所述汗液的数据进行分析处理。

有益效果：汗液按时间顺序通过透过式传感检测层被检测后，由吸水扩散层吸走，如此汗液不会残留，避免了新旧汗液的混合，并且单向透过式疏水通道层的设置也能够避免汗液回流到透过式传感检测层，从而不会影响汗液的检测准确性。

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是根据本发明的实施例的单向透过式汗液传感器的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例的单向透过式汗液传感器的制作方法的流程图；

图3是应用了根据本发明的实施例的单向透过式汗液传感器的可穿戴装置的原理示意图。

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是根据本发明的实施例的单向透过式汗液传感器的结构示意图。

参照图1，根据本发明的实施例的单向透过式汗液传感器6包括：单向透过式疏水通道层3、透过式传感检测层2以及吸水扩散层4。

具体地，单向透过式疏水通道层3用于使汗液单方向透过。这里，示出了透过式传感检测层2设置于单向透过式疏水通道层3内，单本发明并不限制于此。在另一个示例中，透过式传感检测层2也可以与单向透过式疏水通道层3和吸水扩散层4叠层设置，即单向透过式疏水通道层3、透过式传感检测层2以及吸水扩散层4顺序叠层设置。也就是说，透过式传感检测层2保持设置在单向透过式疏水通道层3和吸水扩散层4之间即可。

这里，透过式传感检测层2设置在单向透过式疏水通道层3和吸水扩散层4之间的方式包括透过式传感检测层2设置于单向透过式疏水通道层3内的方式，也包括透过式传感检测层2设置于吸水扩散层4内的方式，还包括单向透过式疏水通道层3、透过式传感检测层2以及吸水扩散层4顺序叠层设置的方式。

当根据本发明的实施例的单向透过式汗液传感器设置于人体皮肤1上时，通常是单向透过式疏水通道层3设置于或者靠近人体皮肤1的皮肤表皮11上。当皮肤下皮12内的汗腺14分泌出汗液13时，由于单向透过式疏水通道层3是允许汗液沿远离皮肤表皮11的方向，因此汗液13可以被透过式传感检测层2检测，之后吸水扩散层4将汗液13吸走。

因此，汗液按时间顺序通过透过式传感检测层2被检测后，由吸水扩散层4吸走，如此汗液不会残留，避免了新旧汗液的混合，并且单向透过式疏水通道层3的单向透过也能够避免汗液回流到透过式传感检测层，从而不会影响汗液的检测准确性。

以下对根据本发明的实施例的单向透过式汗液传感器的制作方法进行详细地描述。图2是根据本发明的实施例的单向透过式汗液传感器的制作方法的流程图。

一并参照图1和图2，在步骤S210中，制作形成用于使汗液单方向透过的单向透过式疏水通道层、透过式传感检测层以及吸水扩散层。

在一个示例中，单向透过式疏水通道层3为多孔网络纤维结构薄膜。在一个示例中，单向透过式疏水通道层3的材料为聚氨酯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷等材料。

在一个示例中，可以利用静电纺丝方法制备单向透过式疏水通道层3。以单向透过式疏水通道层3的材料为聚氨酯为例，静电纺丝方法制备材料为聚氨酯的单向透过式疏水通道层3的具体过程包括：配置聚氨酯为20％的N,N二甲基甲酰胺(DMF)纺丝液，静电纺丝条件为10kV，推注速度0.1～0.15mm/min，湿度在60％～90％；静电纺丝一定时间后，形成厚度在10～30μm厚度的聚氨酯薄膜，以形成单向透过式疏水通道层3。

在一个示例中，透过式传感检测层2包括透过式电化学传感器，该透过式电化学传感器至少包括工作电极(未示出)和参比电极(未示出)。在一个示例中，所述工作电极和所述参比电极均包括：多孔网络薄膜结构电极、在该多孔网络薄膜结构电极上的传感层以及在该多孔网络薄膜结构电极和该传感层上的敏感材料层。

在一个示例中，多孔网络薄膜结构电极为碳纳米纤维薄膜电极、碳纳米管纤维织物电极、金属网格电极等。在一个示例中，以多孔网络薄膜结构电极为碳纳米纤维薄膜电极为例，描述通过静电纺丝-碳化方法来制备该碳纳米纤维薄膜电极的方法，具体方法包括：

首先，配置聚丙烯腈为10％的N,N二甲基甲酰胺(DMF)纺丝液，静电纺丝条件为10kV，推注速度0.1～0.15mm/min，湿度在30％～60％；静电纺丝一定时间后，形成厚度在50～100μm厚度的聚丙烯腈纤维网络薄膜。

其次，通过静电纺丝制备的聚丙烯腈纤维网络薄膜，在空气中以1℃/min升温至275℃并保持2小时以进行预氧化处理，再以5℃/min升温至800～1000℃并保持2小时高温，碳化过程制备获得多孔网络结构的碳纳米纤维薄膜。

在另一个示例中，优选的，在聚丙烯腈纺丝液中均匀掺杂2％的二氧化硅纳米颗粒(粒径7～40nm)，在碳化形成碳纳米纤维薄膜后，通过碱液刻蚀的方法(2.5Mol/L的NaOH，并在50℃的温度下刻蚀15～60分钟)祛除二氧化硅纳米颗粒，最终形成表面积增大的多孔碳纳米纤维薄膜。

在一个示例中，传导层为通过原位电沉积、化学合成等方法在所述多孔网络薄膜结构电极表面上制备的纳米结构材料，包括但不限定于金、铂、普鲁士蓝、金属-有机框架材料等纳米颗粒。下面以金纳米颗粒和普鲁士蓝纳米颗粒为例，描述传导层的制备方法，具体如下：

传导层为金纳米颗粒：在0.1Mol/L的KNO

传导层为普鲁士蓝纳米颗粒：在0.01Mol/L的KCl溶液中配制5mMol/L的Fe(CN)

所述工作电极可以为酶电极或者全固态离子选择性电极。其中，酶电极的敏感材料层的敏感材料可以包括氧化酶分子、壳聚糖、全氟磺酸(Nafion)膜。

酶电极的制作方法为：配制酶溶液，包括浓度为20～50mg/ml的葡萄糖氧化酶或乳酸氧化酶和浓度为0.2～0.5wt％的壳聚糖的水溶液，在上述制备的多孔网络薄膜结构电极和传导层上滴加浸没10μL的酶溶液，室温干燥后，再滴加10μL的Nafion溶液，室温干燥。

全固态离子选择性电极的敏感材料层的敏感材料可以是离子选择性敏感膜。其中，全固态离子选择性电极的制作方法为：通过在上述制备的多孔网络薄膜结构电极和传导层上滴加离子选择性膜层，包括但不限于Na

所述参比电极可以为全固态参比电极。该全固态参比电极的敏感材料层的敏感材料可以包括Ag/AgCl膜、聚合物和盐颗粒的混合物薄膜。

全固态参比电极的制作方法为：在上述制备的多孔网络薄膜结构电极和传导层上制备Ag/AgCl膜，其中可以通过滴加涂布Ag/AgCl墨水的方法制备；之后在Ag/AgCl膜表面制备聚合物薄膜，聚合物薄膜为氯化钾和聚醋酸乙烯酯(PVA)，或氯化钾和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)的复合薄膜；聚醋酸乙烯酯和氯化钾按照4:1～1:1的比例混合组成并滴涂在所述Ag/AgCl膜层上并在紫外臭氧清洗机(UVO)处理10～30分钟至完全聚合固化成膜；氯化钾和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)按照1:1.5～1:2的比例混合在甲醇溶液中，滴加涂覆在所述Ag/AgCl膜层上并室温干燥。

由上述形成的所述透过式电化学传感器，其敏感材料和传导层材料紧密包覆在多孔网络薄膜结构电极的网络纤维上；汗液可从单向透过式疏水通道层3一侧穿透过所述透过式传感检测层2，而后进入另一侧的吸水扩散层4。

吸水扩散层4可以为多孔网络纤维结构薄膜。在一个示例中，吸水扩散层4的材料可以为纤维素无纺布、聚丙烯腈纺丝薄膜、吸水性织物等材料。这里，以静电纺丝方法等制备的吸水聚丙烯腈水解纤维薄膜为例来描述吸水扩散层4的制备方法，具体为：配置聚丙烯腈为10％的N,N二甲基甲酰胺(DMF)纺丝液，在聚丙烯腈纺丝液中均匀掺杂2％的二氧化硅纳米颗粒(粒径7～40nm)，静电纺丝条件为10kV，推注速度0.1～0.15mm/min，湿度在30％～60％；静电纺丝一定时间后，形成厚度在50～100μm厚度的薄膜；再通过碱液刻蚀的方法(2.5Mol/L的NaOH，在50℃的温度下刻蚀15～60分钟)祛除二氧化硅纳米颗粒，形成水解的多孔吸水聚丙烯腈水解纤维薄膜。

继续一并参照图1和图2，在步骤S220中，将所述透过式传感检测层固定在所述单向透过式疏水通道层和所述吸水扩散层之间。

在一个示例中，单向透过式疏水通道层3、透过式传感检测层2和吸水扩散层4可通过粘合剂紧密结合。其中，粘合剂为多孔网络结构的薄膜，优选的，利用静电纺丝方法制备一层粘合剂薄膜，厚度在1μm。

以下对应用了根据本发明的实施例的单向透过式汗液传感器的可穿戴装置进行详细描述。图3是应用了根据本发明的实施例的单向透过式汗液传感器的可穿戴装置的原理示意图。

参照图3，根据本发明的实施例的可穿戴装置包括：可穿戴衬底7；以及设置于可穿戴衬底上的处理器5和上述的单向透过式汗液传感器6，其中，处理器5用于通过所述单向透过式汗液传感器6获取汗液13的数据，并对所述汗液13的数据进行分析处理。

在一个示例中，可穿戴衬底7可以是可穿戴织物衬底。

在一个示例中，处理器5可以包括：信号采集模块，用于采集通过所述单向透过式汗液传感器6获取汗液的数据信号；信号处理模块(包括信号放大、调制和A/D转换模块)，用于放大、处理和校准所述信号采集模块采集到的电压信号，并转换为数字信号；无线通信模块，至少用于对所述信号处理模块处理的数字信号进行无线传输。

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。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

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。