监测方法和缓冲结构技术

提供了一种床垫组件和枕头，其包括设置在床垫组件的层上的柔性生物传感器阵列，用于感测与从床垫组件的终端用户散发的汗液相关联的电导率，并产生至少一种电解质的离子浓度；以及连接到柔性生物传感器阵列的处理器，用于解释至少一种电解质的离子浓度。还公开了用于监测和分析床垫组件和枕头的终端用户的汗液的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】监测方法和缓冲结构
本公开总体上涉及监测方法和缓冲结构，包括枕头、床垫衬垫和床垫组件。更具体地，监测方法和结构包括被构造成监测和分析缓冲结构的终端用户的汗液的各种生物传感器阵列。
技术介绍
感测系统可以与结构一起使用，以提供非侵入性的连续的健康监测。床垫中的物理传感器的商业化已经实现，而同一平台内的化学感测仍处于起步阶段。随着电子产品不断变小，传感器市场已经更深地渗透到我们的日常生活中，范围从个人使用到工业使用，还有其他应用。当今市场上的主流商业传感器主要依赖物理传感器(例如智能手机中的加速度计和陀螺仪)来跟踪运动。这种类型的可穿戴的传感器也已经出现，其允许更连续和更少侵入性的数据捕获。然而，可穿戴的化学传感器仍然是一个非常活跃的研究课题，最近的工作集中在汗液分析上以评估一个人的健康。与血液相比，汗液是一种特别有吸引力的分析物，因为它可以非侵入性地获得，并且包含具有显著生理相关性的化学标记。尽管可穿戴的传感器有许多用途，特别是当用户在输送途中并且对活动跟踪感兴趣的时候，但是存在佩戴设备是不实用的或者甚至是不可能的应用。
技术实现思路
本文公开了一种缓冲结构，例如床垫组件和/或枕头，其包括用于监测和分析终端用户散发的汗液的生物传感器阵列。通过参考以下对本公开的各种特征和其中包括的示例的详细描述，可以更容易地理解本公开。附图说明现在参考附图，其中相同的元件编号相同：图1(“图”)是根据本公开的一个或更多个实施例的用于在床垫组件和/或枕头中使用的生物传感器阵列的感测单元的剖视图；图2是根据本公开的一个或更多个实施例的用于在床垫组件和/或枕头使用的生物传感器阵列的俯视图；图3-5图示地描绘了根据本公开的一个或更多个实施例的生物传感器阵列；图6以图表的形式示出了在100nA的参考电流下，作为pH的函数的VGS；图7以图表的形式示出了生物传感器阵列对不同pH溶液的电位瞬态响应；图8以图表的形式示出了在形成Al2O3传感器电极期间，对不同的原子层沉积温度，作为pH的函数的VGS；图9以图表的形式示出了在其上提供聚乙烯醇缩丁醛涂层之前和之后的延展的时段里，Ag/AgCl参考电极在氯化钾中的漂移；图10描绘了根据本公开的一个或更多个实施例的包括生物传感器阵列的床垫衬垫的分解透视图；图11描绘了根据本公开的一个或更多个实施例的包括生物传感器阵列的枕头的分解透视图；和图12-18描绘了根据本公开的一个或更多个实施例的床垫组件的透视图，该床垫组件包括位于不同位置处的生物传感器阵列。具体实施方式本专利技术总体上涉及躺在缓冲物品上时的健康监测，缓冲物品例如是使用内置传感器的床垫结构，对于床垫应用，所述内置传感器既可用于日常睡眠分析，也可用于卧床病人的住院监测。更具体地，本专利技术涉及嵌入缓冲物品中的柔性化学传感器阵列的开发，例如用于基于汗液的健康监测的床垫组件和/或枕头。由于人类平均躺在床垫上度过人生三分之一的时间，因此它们代表了一个独特的、迄今尚未开发的机会，以用来监测人的健康，并使调整我们环境的智能家居系统能够优化我们的幸福生活。与上述可穿戴传感器不同，内置床垫传感器不需要用户安装或培训，因此使用方便。它们也不会干扰人的舒适性，或者强迫改变睡眠期间的穿着方面的习惯。如下文将更详细描述的那样，柔性化学传感器阵列已经被集成到诸如床垫材料的缓冲物品中，以检测与床垫组件的终端用户散发出的汗液相关联的电导率，该电导率对应于pH，该pH与诸如电解质和乳酸浓度等各种分析物以及其他成分相关联，即电导率提供与至少一种电解质的离子浓度相关的信息。单个传感器可以是柔性的或刚性的，例如通过柔性互连件连接的多个刚性传感器。虽然本文将参考床垫和枕头的应用，但是其他合适的缓冲物品包括但不限于座垫、沙发垫、真皮衬垫或类似的应用，其中需要汗液监测。还描述了低温和可扩张的微制造工艺，在硅和柔性聚酰亚胺衬底上展示了原型。化学传感器与三种常用的床垫织物集成在一起，以展示传感器表面合适且有效的液体吸收界面。通过利用扩展的栅极传感器构造，本文给出了这些传感器集成到床垫材料中时的性能、降低了对pH敏感的介电薄膜的沉积温度的效果以及芯片上参考电极的稳定性的结果。图1描绘了根据本专利技术的一个或更多个实施例的单个感测单元的横截面。单个感测单元10显示为与汗液吸收织物2接触，通常包括传感器电极12、参考电极14和场效应晶体管(FET)换能器16。整个平台制造在绝缘衬底18上，该绝缘衬底可以包括例如二氧化硅、聚酰亚胺、织物或类似的绝缘材料。传感器电极12包括沉积在金上的氧化铝(Al2O3)薄膜。可以使用Al2O3，因为它可以在宽的温度范围内高质量地沉积，并且已经证明对pH敏感。为了增强特定性，可以在Al2O3的顶部添加分析物特定层，这将表明在Al2O3的表面处观察到的任何电位变化是由所讨论的特定离子的浓度的变化引起的。在传感器电极附近，形成有参考电极14。示例性的参考电极是Ag/AgCl类型的，这在本领域中是众所周知的。传感器电极连接到电荷敏感的场效应晶体管(FET)16的栅极电极。FET和传感器表面的分离通常被称为扩展栅极构造，与传统的离子敏感场效应晶体管(ISFET)布局相比，它提供了两个优点：(1)通过隔离它与液相分析物的直接接触，它提高了FET的操作可靠性，以及(2)允许传感器电极独立于FET装置自身的发展。石墨烯可以用作FET的通道材料，因为它可以大面积沉积，并且已经被证明用于电位生物传感器。芯片上的金属迹线和FET由SU-8微流体隔离层22保护，该微流体隔离层是环氧树脂基负性光刻胶。SU-8微流体被图案化以具有仅位于传感器和参考电极表面处的开口。隔膜24设置在传感器电极与织物之间的开口中，以提供从织物到传感器电极的水分毛细管特性。鉴于这项工作的目的是将传感器集成到床垫中，芯片的顶部安装有床垫织物20。必须仔细选择这种材料来吸收汗液，并且因此使其与传感器的表面接触。现在参考图2，描绘了可以使用上述架构实现的示例性传感器阵列50的俯视图。为了最小化尺寸要求，常见的参考电极52被用于多个单独功能化的传感器电极54，以检测汗液的不同成分。它们中的每一个都连接到电位计56(即FET的高阻抗栅极)，其相应信号被馈送到计算机或微控制器58，计算机或微控制器处理信息并使其能够供用户分析。图3-5描绘了已经在硅(图3)、聚酰亚胺(图4)衬底上制造的封装在衬底(图5)中的各种传感器，其中各种传感器是使用无FET制造流程制造的，这通过上述扩展栅极构造而成为可能。通过使用柔性衬底，可以实现将传感器直接嵌入在床垫织物内，如图4所示。在使用硅(Si)晶圆的情况下，在金属沉积之前产生热氧化硅(SiO2)。为了在与聚酰亚胺衬底一起工作时提高金属粘附性以及对湿气过程的鲁棒性，首先衬底在真空中在200℃下退火8小时，用O2等离子体处理60秒，然后在100℃下两侧被涂覆有150nm的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅(SiNx)。厚度为25/300/2纳米(n本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种床垫组件，包括：/n柔性生物传感器阵列，其设置在床垫组件的层上，用于感测与床垫组件的终端用户散发的汗液相关联的电导率，并产生至少一种分析物的离子浓度；和/n处理器，其连接到柔性生物传感器阵列，用于解释至少一种分析物的离子浓度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180530 US 62/677,9091.一种床垫组件，包括：
柔性生物传感器阵列，其设置在床垫组件的层上，用于感测与床垫组件的终端用户散发的汗液相关联的电导率，并产生至少一种分析物的离子浓度；和
处理器，其连接到柔性生物传感器阵列，用于解释至少一种分析物的离子浓度。


2.根据权利要求1所述的床垫组件，其中，所述柔性生物传感器阵列包括多个传感器，所述多个传感器中的每一个包括感测电极和参考电极，其中所述感测电极在扩展栅极构造中连接到场效应晶体管的栅极电极。


3.根据权利要求1所述的床垫组件，其中，所述柔性生物传感器阵列是独立的，并且位于所述床垫组件的一层或更多层中间。


4.根据权利要求1所述的床垫组件，其中，所述柔性生物传感器阵列位于床垫衬垫中。


5.根据权利要求1所述的床垫组件，其中，所述柔性生物传感器阵列设置在阻燃织物或阻燃非编织结构上。


6.根据权利要求1所述的床垫组件，其中，所述柔性生物传感器阵列设置在床垫组件上或床垫组件中的面板织物上。


7.根据权利要求6所述的床垫组件，其中，所述面板织物是亲水性的。


8.根据权利要求1所述的床垫组件，其中，所述柔性生物传感器阵列设置在顶部面板织物上，其中所述柔性生物传感器阵列和所述顶部面板织物具有集成的、协调的美学设计。


9.根据权利要求1所述的床垫组件，其中，所述柔性生物传感器阵列与床垫组件中的间隔织物层集成在一起。


10.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·S·德弗兰克斯，麦肯齐·普雷斯特拉，约翰大卫·维利拉，布莱恩·安德森，凯文·奇拉卡尔，马丁·拉姆斯登，塔内卡·菲尔兹，
申请(专利权)人：美梦有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US