具体实施方式

鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例提供了一种用于出汗量和出汗速率检测的可穿戴汗液传感器，其包括：

吸汗机构，其在吸收不同体积的汗液时能产生不同程度的形变；

传感机构，其用于监测所述吸汗机构在吸收汗液后的形变程度并产生相应的传感信号。

进一步的，所述吸汗机构包括吸汗膨胀块，所述吸汗膨胀块能够实时连续地吸收皮肤表面分泌的汗液并产生体积膨胀，且所述吸汗膨胀块的体积膨胀量与所述吸汗膨胀块所吸收汗液的体积正相关、体积膨胀速度与单位时间内所吸收汗液的体积正相关。

进一步的，所述传感机构包括应变传感器，所述吸汗膨胀块在吸收不同体积的汗液后能够驱使所述应变传感器产生不同程度的形变，从而使所述应变传感器产生相应的传感信号；

其中，所述应变传感器的形变量与所述吸汗膨胀块的体积膨胀量正相关、形变速率与吸汗膨胀块的体积膨胀速度正相关。

进一步的，所述吸汗膨胀块是薄膜状的。

优选的，所述吸汗膨胀块的厚度为0.5～3mm。

进一步的，所述应变传感器采用应变敏感薄膜传感器。

进一步的，所述传感机构为应变传感层，所述应变传感器设置于应变传感层内并与吸汗膨胀块接触，所述吸汗膨胀块在吸收汗液膨胀时能够抵推应变传感器。

进一步的，所述应变传感层包括绝缘固定层，所述绝缘固定层上开设有窗口，所述应变传感器固定设置于绝缘固定层内且局部区域从所述窗口中露出，所述吸汗膨胀块与应变传感器从所述窗口露出的局部区域接触。

当利用所述汗液传感器贴附于皮肤表面进行汗液检测时，窗口处一定面积的皮肤表面分泌的汗液实时连续地被所述吸水膨胀块吸收，所述吸水膨胀块因此体积膨胀，向上顶起所述超疏水超弹性低模量应变敏感薄膜传感器，根据所述应变敏感薄膜传感器记录的电阻变化数值，获取汗液的出汗量实时变化曲线，根据所述出汗量实时变化曲线的斜率获得汗液的出汗速率。

进一步的，所述绝缘固定层包括沿远离皮肤的方向依次设置的第一绝缘固定层和第二绝缘固定层，所述第一绝缘固定层、第二绝缘固定层上分别设有第一开口、第二开口，所述第一开口和第二开口配合形成所述窗口，所述应变传感器固定设置于第一绝缘固定层和第二绝缘固定层之间。

优选的，所述第一绝缘固定层、第二绝缘固定层的材质包括聚二甲基硅氧烷弹性薄膜。

优选的，所述第一绝缘固定层、第二绝缘固定层的厚度为0.1～3mm，面积为1～4cm²。

进一步的，所述第一开口、第二开口的中心轴线重合。

进一步的，所述吸汗膨胀块设于第一开口内，所述吸汗膨胀块与第一开口的直径相同。

进一步的，所述吸汗膨胀块的厚度与第一绝缘固定层相同。

进一步的，所述的可穿戴汗液传感器还包括与应变传感层连接的粘合层，所述粘合层用于将所述可穿戴汗液传感器贴合在皮肤表面。

其中，所述粘合层上设有第三开口，以使所述吸汗膨胀块向皮肤暴露。

在一实施方案中，所述粘合层4包括粘性薄膜。

优选的，所述粘性薄膜的厚度为10～50μm。

在一实施方案中，所述吸汗膨胀块包括负载有高吸水聚合物的多孔薄膜载体或主要由高吸水聚合物形成的多孔薄膜结构。

优选的，所述高吸水聚合物包括聚丙烯酸钠的颗粒、粉末或纤维等。

在另一实施方案中，所述吸汗膨胀块的材料包括高吸水聚合物和pH响应性染料分子的混合物。

其中，所述pH响应性染料分子包括对汗液不同pH值产生颜色变化的有机小分子。

其中，所述有机小分子包括刚果红、甲基红、百里酚蓝、溴百里酚蓝、酚酞等。

当利用所述可穿戴汗液传感器贴附于皮肤表面进行汗液检测时，汗液的出汗量、出汗速率和pH变化能够同时被获取且不发生相互干扰。

进一步的，所述应变敏感薄膜传感器包括超疏水超弹性低模量衬底和导电纳米材料，所述导电纳米材料分布在所述衬底内或覆设在所述衬底表面。

在一实施方案中，所述衬底的材料包括热塑性弹性体、热塑性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷和硅胶中的任意一种或多种的组合。

在一实施方案中，所述导电纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、银纳米线、金属纳米线和金属纳米薄膜中的任意一种。

由于应变敏感薄膜传感器具有超疏水或抗水性，因此传感器生成的传感信号不会受到水或者水汽的干扰。

在一实施方案中，所述吸汗机构和传感机构均为多个且阵列排布。

本发明实施例还提供了一种用于检测出汗量和出汗速率的装置，其包括：

至少一个上述的可穿戴汗液传感器；以及

汗液信号采集处理装置，其与所述可穿戴汗液传感器连接，并用于连续采集和分析所述可穿戴汗液传感器输出的传感信号。

进一步的，该装置还包括传感器阵列，所述传感器阵列包含阵列排布的多个可穿戴汗液传感器。

进一步的，多个可穿戴汗液传感器共用同一应变传感器。

进一步的，所述多个可穿戴汗液传感器级联设置。

利用所述可穿戴汗液传感器阵列可实现对皮肤表面更大范围区域的出汗量和出汗速率的检测。

本发明实施例还提供了一种上述的用于出汗量和出汗速率检测的可穿戴汗液传感器的制备方法，其包括：

分别制备第一绝缘固定层、第二绝缘固定层，并分别在第一绝缘固定层、第二绝缘固定层上开设第一开口、第二开口；

制作应变传感器，并将应变传感器固定设置在第一绝缘固定层、第二绝缘固定层之间，形成应变传感层；

制作吸汗膨胀块，并将所述吸汗膨胀块与应变传感层连接；

将粘合层与应变传感层连接，且使吸汗膨胀块从开设在粘合层上的第三开口处向皮肤暴露。

进一步的，所述制备方法具体包括：

将超疏水超弹性低模量衬底材料和导电纳米材料依次按比例溶解在有机溶剂中形成均质溶液，再将所述均质溶液通过喷涂或旋涂的方法制备成一定厚度的薄膜，形成应变敏感薄膜传感器；

或者，先将超疏水超弹性低模量衬底材料溶解在有机溶剂中得到热塑性弹性体溶液，再将所述热塑性弹性体溶液通过旋涂或吹泡法制备成一定厚度的超疏水超弹性低模量薄膜，然后将导电纳米材料的分散液通过喷涂的方法在所述薄膜上制备应变敏感薄膜，形成应变敏感薄膜传感器。

在一实施方案中，所述导电纳米材料分散液的的浓度为1～10mg/mL。

在一实施方案中，所述超疏水超弹性低模量薄膜的厚度为0.1～1μm。

在一实施方案中，所述应变敏感薄膜的厚度为50～150nm。

进一步的，所述膨胀块的制备方法具体包括：

将高吸水聚合物材料均匀分散地附着于无纺布薄膜上，并在所述高吸水聚合物材料上再覆盖一层无纺布薄膜，形成薄膜形态的膨胀块；

或者，将高吸水聚合物材料通过干法机械加固或热熔胶粘合的方法制备形成薄膜形态的膨胀块。

本发明实施例还提供了一种出汗量和出汗速率检测方法，其包括：

将上述的可穿戴汗液传感器贴合在选定的皮肤表面区域；

连续采集和分析所述可穿戴汗液传感器输出的传感信号，实现对该选定的皮肤表面区域内的出汗量和出汗速率的检测。

实施例1

本实施例提供的一种用于出汗量和出汗速率检测的可穿戴汗液传感器的结构如图1所示，其包括：沿远离皮肤的方向依次设置的第一绝缘固定层31和第二绝缘固定层32，第一绝缘固定层31、第二绝缘固定层32上分别设有第一开口34、第二开口35，第一开口34和第二开口35配合形成应变窗口，应变传感器32固定设置于第一绝缘固定层31和第二绝缘固定层32之间，吸汗膨胀块2设置于第一开口内并与应变传感器32接触。该可穿戴汗液传感器还包括粘合层4，通过粘合层4贴合在皮肤表面，且粘合层上设有第三开口，以使吸汗膨胀块2向皮肤暴露。

一种制备所述传感器的方法包括如下步骤：

1)选用聚二甲基硅氧烷弹性薄膜制备第一绝缘固定层31、第二绝缘固定层33，其中，第一绝缘固定层31、第二绝缘固定层33的厚度为0.1～3mm，面积为1～4cm²；

2)利用打孔器分别在第一绝缘固定层31、第二绝缘固定层33上开设圆形的第一开口34、第二开口35，所述第一开口34、第二开口35形成应变窗口，应变窗口的直径为1～10mm；

3)选用热塑性弹性体TPE为衬底材料，将热塑性弹性体颗粒充分溶解于环己烷溶剂中，配制质量百分比浓度为10～30wt％，粘度为300～10000MPa·s的热塑性弹性体溶液；

4)取20～50mL配置好的热塑性弹性体溶液倒入直径为5～10cm的平底玻璃表面皿中，用注射器抽取10～50mL空气，针尖插入溶液底部，缓慢推注空气进入溶液，使溶液鼓起完整的大气泡薄膜，用第一绝缘固定层31的一面朝向大气泡薄膜的顶面靠近并紧密贴上去，使得大气泡薄膜粘贴在第一绝缘固定层31上，并在第一绝缘固定层31的窗口区域内形成具有完整的悬空的超疏水超弹性低模量薄膜，薄膜厚度在0.1～1μm之间，该厚度由注入溶液大气泡的体积、热塑性弹性体溶液的浓度和粘度控制；

5)配置导电纳米材料分散液，优选的，配置1～10mg/mL的银纳米线水分散液，通过喷涂方法在所述超疏水超弹性低模量薄膜上制备应变敏感薄膜材料并形成应变传感器，形成的银纳米线网络结构薄膜的厚度在50～150nm；

6)在银纳米线薄膜的两端贴上导电布作为电极引线，并将引线引出至第一绝缘固定层31之外；

7)将第一绝缘固定层31形成有应变传感器32的一面与第二绝缘固定层33通过聚二甲基硅氧烷预聚体溶液进行粘贴后在烘箱中以80摄氏度的温度烘烤1小时至完全固化；

8)制备吸水膨胀块2，根据第一开口34的尺寸裁剪后嵌入第一开口34内；

9)根据第一开口34的尺寸和位置，将裁剪好的粘合层4粘贴于第一绝缘固定层31的下表面，粘合层可以是厚度为10～50μm的双面胶。

实施例2

本实施例提供的一种用于出汗量和出汗速率检测的可穿戴汗液传感器的结构及制备方法与实施例1基本相同，区别在于：

其中，所述吸汗膨胀块2的制备方法包括：

将高吸水聚合物材料均匀分散地附着于无纺布薄膜上，并在所述高吸水聚合物材料上再覆盖一层无纺布薄膜，形成无纺薄膜形态的吸汗膨胀块；

具体的，将聚丙烯酸钠的颗粒、粉末或纤维用网筛均匀分散地附着在多孔纤维无纺布薄膜载体上，再在分散好的颗粒、粉末或纤维表面覆盖一层无纺布薄膜，形成厚度范围在0.5～3mm的三明治薄膜形态的吸汗膨胀块。

实施例3

本实施例提供的一种用于出汗量和出汗速率检测的可穿戴汗液传感器的结构及制备方法与实施例2基本相同，区别在于：

其中，所述吸汗膨胀块2的制备方法包括：

将聚丙烯酸钠的颗粒、粉末或纤维等高吸水聚合物材料通过干法机械加固或热熔胶粘合的方法制备形成薄膜形态的吸汗膨胀块，其厚度为0.5～3mm。

实施例4

本实施例提供的一种用于出汗量和出汗速率检测的可穿戴汗液传感器的结构如图2所示，其包括：传感器阵列，该传感器阵列由级联设置的多个可穿戴汗液传感器构成，其中多个可穿戴汗液传感器共用同一应变传感器32。

一种制备所述传感器的方法与实施例1相似，包括：

根据所述可穿戴汗液传感器的结构设计窗口阵列；

制作应变传感层3，并根据窗口的尺寸和数量制备相应数量和尺寸的吸汗膨胀块2，该应变传感器可以是应变敏感薄膜传感器。

更为具体的，所述可穿戴汗液传感器的制备方法包括：

制作多个吸汗膨胀块2；

根据实际需求，制备第一绝缘固定层31的阵列模具，该模具的厚度为1～5cm，该模具的材质可使用模量较高的塑料、聚合物或金属材料等；

采用印章转印的方法，在所述模具的框面表面涂覆第一层环氧树脂，固化后形成第一绝缘固定层31；

将所述第一绝缘固定层31的阵列模具按压在制备好的吸汗膨胀块2上，将吸汗膨胀块2分割成相应的膨胀块阵列；

以上述的相应的方法制备应变传感器32，并在第一层环氧树脂未固化前，将应变传感器32贴附于第一层环氧树脂上；

再次采用印章转印的方法，在第一层环氧树脂上涂敷第二层环氧树脂，固化后形成第二绝缘固定层33；

根据第一开口34的尺寸和位置，将裁剪好的粘合层4贴覆于第一绝缘固定层31上。

具体的，请参阅图1，当将本发明实施例提供的用于出汗量和出汗速率检测的可穿戴汗液传感器设置于皮肤上时，皮肤下皮12的汗腺14分泌出的汗液13可以被吸汗膨胀块2迅速吸入。此时，吸汗膨胀块2发生体积膨胀，并且膨胀的体积与吸入汗液的体积成正相关，吸汗膨胀块2的体积膨胀向上顶起应变传感器32而使应变传感器发生形变，应变传感器32的形变量与吸汗膨胀块2吸入的汗液体积成正相关，形变的变化速率与吸汗膨胀块2单位时间内吸入的汗液的出汗速率成正相关。根据所述应变传感器32记录的电阻变化数值，获取汗液的出汗量实时变化曲线，根据所述出汗量实时变化曲线的斜率获得汗液的出汗速率。

在本发明中，一定面积皮肤表面分泌的汗液实时连续地被吸水膨胀块快速吸收，吸汗膨胀块因此体积膨胀，体积的变化被应变传感层实时记录转换成电阻变化曲线，汗液的出汗量和出汗速率信息分别对应于曲线的电阻值和变化斜率。

在本发明中，首次提出利用力学传感机制对汗液出汗量和出汗速率信息进行检测，同时实现对宽范围出汗速率和宽范围皮肤面积的实时监测；利用该可穿戴汗液传感器和装置可对人体不同区域的出汗速率和出汗量进行测试和数据分析，为人体汗液数据库做重要基础。

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“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。

应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。