监测方法和缓冲结构与流程

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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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

本发明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，本发明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描绘了根据本发明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(nm)的铬/金/铝(cr/au/al)的第一金属层使用电子束蒸发来沉积，并使用剥离(lift-off)来形成图案。使用o2等离子体对铝顶部表面清除浮渣，这也促进了al2o3的后续原子层沉积(ald)的附着。al2o3层在250℃和150℃下沉积，厚度为15nm，其影响将在下面更详细地讨论。为了接近金属层，通孔被蚀刻到al2o3中。这是使用铝特定的蚀刻剂(基于磷酸)执行的，其被加热至50℃持续2.5分钟。在参考电极的电子束蒸发之前，再次用o2等离子体对样品进行清除浮渣，电子束蒸发包括沉积厚度分别为30/150nm的钛/银(ti/ag)薄膜，该薄膜也使用剥离来形成图案。然后，对可从马萨诸塞州的microchem公司购得的su8-3005进行旋涂和形成图案，得到5微米(μm)厚的微流体隔离层。最后，在用去离子水彻底冲洗之前，通过滴涂氯化铁(fecl3)基铜蚀刻剂1分钟，将暴露的银薄膜氯化成ag/agcl。

为了建立用于与微制造传感器比较的性能基线，使用荫罩制造一组芯片，并使用基于聚二甲基硅氧烷(基于pdms)的微流体进行了测试。由于最初的工艺开发是在si衬底上进行的，没有温度限制，al2o3层是在250℃沉积的。传感器电极连接到fet的栅极，而芯片上的ag/agcl参考电极被偏置，以捕获用于每个ph溶液的栅极传感器的电压(vgs)。众所周知，电介质表面上的ph变化会导致阈值电压(vth)的有效变化，这可以从fet的传输曲线中提取出来。最大灵敏度被称为能斯特极限(nernstianlimit)，其对应于59mv/ph。为了建立统计显著性，每个测量完成四次。

图6以图表的形式示出了对于100na的参考电流下的vgs的变化。由此可以发现，灵敏度为56.7mv/ph(非常接近能斯特极限)，线性拟合度为91.2％。

然后评估三个床垫材料样品与传感器集成的适用性。该测试是通过将水滴滴落在表面上，并因此确定它们是否被织物吸收或作为水滴被保留下来而进行的。被比较的三种材料是：1)纺粘非编织聚丙烯织物，2)长人造短纤维针刺非编织聚丙烯织物，3)纺粘和针刺非编织聚丙烯织物。发现只有样品2，即长人造短纤维针刺非编织聚丙烯织物，吸收了水滴。样品1和3表现出疏水性行为。鉴于样品2的亲水性行为，该特定样品被用作汗液传感器的良好顶部界面。为了解决床垫集成问题，制造具有最大薄膜沉积温度为150℃的低温传感器芯片，以便与聚酰亚胺和其他柔性衬底的热预算(thermalbudget)兼容。这些芯片首先在硅基芯片上进行表征，硅基芯片的背侧附接在软和柔性的pdms上作为支撑，而顶部覆盖有上述亲水性织物。通过使用蠕动泵，可以控制滴落在织物上的ph溶液的流速，以研究流速的影响，以及在不同的ph值之间切换，以评估灵敏度。瞬态数据在图7中以图表形式示出。从时间(t)＝0到t＝1,100秒(s)，流速从40rpm降低到3rpm。在该窗口期间，电压响应中存在可观察到的噪音。在t＝1,100秒之后，其中流速保持在3rpm，噪音显著降低。信号噪音和流速之间的关系需要进一步研究，并考虑设计技术以减少其影响。流速的控制可以通过局部的床垫加热和/或离子电渗疗法来实现。响应的灵敏度也是非线性的。对于ph＝5和ph＝7之间的过渡，灵敏度为48.2毫伏(mv)/ph。这比使用高温al2o3时观察到的略微少，但仍然足够。此外，对于在ph＝7和ph＝3之间的过渡，灵敏度增加。

这种非线性的来源是通过考查两个变量来研究的：(1)aldal2o3温度的影响，以及(2)芯片上ag/agcl参考电极在液体中的稳定性。为了隔离ald温度对ph感测性能的影响，在基于pdms的微流体结构中测试了100℃下沉积有al2o3的传感器，电流-电压(i-v)曲线从栅极连接的fet和芯片外流通的ag/agcl参考电极中提取。如图8中图表所示，发现这些膜的灵敏度为23.8mv/ph，线性拟合度显著降低，为66.6％。在文献中已经注意到，al2o3膜的氧化可以提高ph感测性能。因此，在额外测试之前，传感器在50w下经受30秒的o2等离子体。等离子体预处理导致灵敏度(34mv/ph)和线性拟合度(74.5％)的提高。需要进一步的研究来理解这种影响，尽管在这个阶段假设它可能与膜化学计量的影响有关，当在低温下沉积时，al2o3中的氧结合降低，需要通过o2等离子体来补偿而不是直接高温沉积。

文献中的大多数ph传感器依靠现成的大规模ag/agcl参考电极来展示。在台式测试场景中，这是一种可接受的方法，然而它不能在我们的应用中采用，我们的应用需要完全集成在芯片上。因此，表征我们构建的基于薄膜的参考电极的效果非常重要。图9以图表的形式说明，在5小时的时段内，在kcl溶液中受到恒定偏压的裸露ag/agcl参考电极可以展现出超过200mv的漂移(shift)。为了解决这个问题，先前的研究已经提出使用聚乙烯醇缩丁醛(pvb)涂层。我们测试了这种方法，发现它确实减少了电极达到稳定状态所需的“老化(burn-in)”时间。虽然其他研究已经考查了这些用于短期至中期使用的参考电极制备技术(例如，一次性可穿戴的)，但需要进一步研究以了解它们的长期稳定性。还必须注意表征参考电极的电位与ph和离子强度的关系，以确保对这些变化的稳定性。

如上所述，本文描述的生物传感器可以集成到床垫结构中。在一个或更多个实施例中，生物传感器阵列可以分层到床垫衬垫的填充物中。典型地，床垫衬垫具有由不同类型的纤维组成的填充物。生物传感器可以集成到这个纤维填充物层中，类似于电热毯的布线。该层将直接位于终端用户的下方，因此水分不需要移动很远来到达一个或更多个传感器。所有的传感器将通过导线连接，最终通向一根可以插入到传统插座中的线绳。传感器确实需要通电才能工作。传感器将被放置在终端用户通常出汗液的区域(例如颈部、下背部和上胸部)中的填充物的内部。

图10示出了包括顶部面板102和底部面板104的示例性床垫衬垫100，顶部面板和底部面板通常围绕周边缝合。纤维填充物和/或泡沫填充物(未示出)设置在面板之间。用于分析汗液的传感器阵列106设置在面板102、104中选定的一个面板上。

在一个或更多个实施例中，能够测量来自终端用户的汗液的ph和乳酸水平的生物传感器阵列可以集成到枕头中。例如，如图11所示，生物传感器阵列可以集成到枕头110的稀松布中。该枕头包括枕罩112和枕头外皮114，枕头外皮用于将填充材料如纤维、羽毛、泡沫或其组合装在枕头外皮内。生物传感器可以被集成到位于枕头外皮114下面的枕头稀松布116上。生物传感器阵列通过缝合、胶合或其他方式固定到位于枕头外皮(如果存在的话)和枕罩下的稀松布上。汗液从睡眠者的头部行进通过枕罩和枕头外皮至稀松布，在稀松布上可以测量汗液的ph水平。

在一个或更多个其他实施例中，生物传感器可以被集成到枕头外皮114上，枕头外皮在枕罩112的下面，并且在又一个或更多个其他实施例中，生物传感器可以被集成到枕罩112上。

如总体在图12所示的，在一个或更多个实施例中，生物传感器阵列可以被集成到智能床垫120中。可以通过将传感器印刷、胶合、层压到水分和水蒸气容易地通过的任何材料、织物或泡沫中来实现集成。生物传感器可以定位成使得生物传感器位于终端用户的颈部、下背部和上胸部区域的下方。举例来说，生物传感器阵列设置在智能床垫120的顶部表面122上。所有传感器都将通过导线连接，最终通向一根可以插入到传统插座中的电线。生物传感器阵列连接到处理器124，以用于分析从传感器接收的数据。传感器确实需要通电才能工作。生物传感器可以是更大的连接云生态系统的一部分，在该云生态系统中，来自生物传感器的数据经由无线协议流向安全云，以用于数据分析。最终，这些数据将被结构化和匿名化，以与医疗保健提供者共享。此外，这些数据将用于连接的“智能”床垫生态系统，在该床垫生态系统中，来自这些传感器的数据将有助于使连接的智能床垫、其子系统和其他连接的智能家居设备自动化。智能床垫还包括附加的传感器，例如重量传感器、运动传感器、位置传感器、接近传感器、温度传感器、压力传感器、湿度传感器、水分传感器、气体传感器、光学传感器、它们的组合等。

图13提供了独立的生物传感器阵列130的透视图，其可以被定位/使用在终端用户期望的地方。独立的传感器阵列130没有集成到床垫或任何其他床垫织物中。多个阵列可以连接到处理器，图中示出了其中两个。独立的结构允许生物传感器阵列130与床垫分开起作用，并且可以直接放置在例如任何床垫的床单下，并且定位成使得传感器位于颈部、下背部和上胸部下方。生物传感器阵列可以构建为单个睡眠者解决方案或两个睡眠者解决方案。此外，生物传感器阵列可以部署在所提供的床垫的任何位置(左、右、中)，对于床垫应用，生物传感器阵列直接位于睡眠者的下方，并且水分可以容易地到达生物传感器阵列中的一个或更多个传感器，以允许监测和分析汗液。所有的生物传感器将通过导线连接，最终通向一根可以插入到传统插座中的电线。传感器确实需要通电才能工作。传感器也可以是更大的连接的云生态系统的一部分，在该云生态系统中，来自传感器的数据通过无线协议流向安全云，以用于数据分析。最终，这些数据可以被结构化和匿名化，以与医疗保健提供者共享。此外，这些数据可用于连接的“智能”床垫生态系统，在该“智能”床垫生态系统中，来自这些传感器的数据将有助于使连接的智能床垫、其子系统和额外连接的智能家居设备自动化。

图14示出了床垫130的透视图，床垫包括生物传感器阵列132，生物传感器阵列定位在顶部面板织物134正下方的针织阻燃材料上。这样，水分在到达其目的地之前，只需要通过睡眠者的衣服、合适的床单和面板织物扩散。对床的感觉的任何负面影响都将减少，并且传感器在弯曲时将产生最小的噪音。传感器将定位在床垫的躯干区域、头部区域/颈部区域和/或手臂区域的下方，允许它们有最好的机会接触到睡眠者散发的水分。

在一个或更多个其他实施例中，生物传感器阵列132可以定位在顶部面板织物134的暴露侧。在这个实施例中，水分在到达其目的地之前只需要通过合适的床单和睡眠者的衣服扩散。该传感器可以在美学上设计成看起来对消费者友好。对床的感觉的任何负面影响都将减少，并且传感器在弯曲时将产生最小的噪音。传感器将定位在床垫的躯干区域、头部区域/颈部区域和/或手臂区域的下方，允许它们有最好的机会接触到睡眠者散发的水分。

图15描绘了其上包括生物传感器阵列142的三维针织间隔织物层140。间隔织物可以用作床垫组件内的层。间隔织物是小的相互连接的聚合物纤维的三维网络，其提供了开放式网络。由于这种类型材料的开放式结构，水分和水蒸气可以非常容易地通过它。这使得它成为生物传感器集成其上的理想表面。水分可以容易地到达传感器并使其工作。这种间隔织物层可以放在床垫结构的任何地方，包括顶部层，因为一些间隔织物具有美学成分。所有传感器都将通过导线连接，最终通向一根可以被插入的电线。传感器确实需要通电才能工作。传感器将被放置在消费者会出汗液的区域(例如颈部、下背部和上胸部)中的间隔织物上。

图16描绘了织物层150，其包括亲水性顶部表面152、疏水性底部表面154和施加到顶部表面154的生物传感器阵列156。生物传感器阵列156可以通过胶合、层压或印刷来施加。由于织物的亲水性侧的亲水特性，织物的亲水性侧将允许水分被容易地收集。然而，织物的另一侧是疏水性的，这意味着它不想与水接触。因此，这一层将防止水分移动越过这一层，从而允许生物传感器有足够量的水分来从中收集数据。该层可以放置在床垫结构中的任何位置，优选更靠近睡眠表面，以增加施加到传感器的水分量。所有传感器都将通过导线连接，最终通向一根可以被插入的电线。传感器确实需要通电才能工作。传感器将被放置在消费者出汗液的区域(例如颈部、下背部和上胸部)中的织物上。

图17描绘了用于床垫组件的聚氨酯泡沫层160。聚氨酯泡沫层包括其上的生物传感器阵列162。在一个或更多个实施例中，聚氨酯泡沫可以是粘弹性泡沫层。水分在到达其目的地之前，水分需要通过睡眠者的衣服、合适的床单、面板织物和阻燃材料扩散。对床的感觉的任何负面影响都将减少，并且传感器在弯曲时将产生最小的噪音。生物传感器阵列将被定位在床垫的躯干区域、头部区域/颈部区域和/或手臂区域的下方，从而允许它们有最好的机会接触睡眠者散发的水分。

图18描绘了其上包括生物传感器阵列172的亲水性织物层170。生物传感器阵列可以通过胶合、层压或印刷来应用。由于织物的亲水特性，亲水性织物将允许水分被容易地收集。该层可以放置在床垫结构中的任何位置，优选更靠近睡眠表面，以增加施加到生物传感器阵列的水分量。阵列内的所有传感器都将通过导线连接，最终通向一根可以插入到传统插座中的电线。传感器确实需要通电才能工作。传感器将被放置在消费者出汗液的区域(例如颈部、下背部和上胸部)中的织物上。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它实例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元素，则这些其它实例旨在权利要求的范围内。