本申请要求于2015年10月30日提交的序列号为62/248,356的美国临时申请的优先权，在此其全部公开内容通过引用并入本文。
背景技术：
汗液感测技术具有巨大的应用潜力，从田径运动到新生儿学、药理学监测、个人数字健康等，仅举几例应用。汗液含有许多与血液中携带的相同的生物标志物、化学物质或溶质，并且可以提供重要的信息，甚至使得人们可以在任何体征之前诊断疾病、健康状况、暴露于毒素、表现和其他生理属性。此外，可以测量出汗本身、出汗的动作以及表皮上面、附近或下面的其他参数、属性、溶质或特征，以进一步揭示生理信息。
如果汗液具有如感测范例那样巨大的潜力，那么为什么在婴儿氯化物化验中用于囊肿性纤维化或非法药物监测补丁的数十年之久没有出现？大多数常规应用利用如下粗糙、缓慢和不方便的处理：汗液刺激、收集样本、将样本运送到实验室，然后通过台式机器和训练有素的专家分析样本。这个过程是如此劳力密集、复杂和昂贵，以至于在大多数情况下，人们也可以实施抽血，因为它是大多数高性能生物标志物感测形式的黄金标准。因此，汗液感测尚未成为生物感测的最充分机会和能力，尤其是对于连续或重复的生物感测或监测。此外，尝试使用汗液来感测诸如葡萄糖之类的“圣杯(holygrails)”还没有成功地生产出可行的商业产品，其降低了公共感知的汗液感测能力和机会空间。
在用于生物监测的所有其他主要生理流体(例如血液、尿液、唾液)中，汗液可以说是最小的样本体积，并且对于许多应用来说，当感测技术引入人体时具有最大的价值(即，如果替代的是便携式手持设备或台式测试)。较小的样本体积通常意味着较小的电化学传感器，以便不会耗尽感兴趣的分析物。
佩戴感测装置通常意味着采样的流体和传感器会受到明显的电磁干扰。在某些情况下，传感器本身具有非常高的阻抗，并且使它们变小会增加对电磁干扰的挑战。干扰可能源自肌肉震颤、身体运动、电气接触的损失或改变、接触面积和积聚在表面的电荷的改变、接触电位的改变、表皮表面上的运动以及许多其他因素。对于生物流体型传感器而言，汗液感测比传统的生物流体和微流体传感器以及感测系统/设备具有更大的挑战性。
技术实现要素：
上述许多缺点和局限性可以通过创建化学物质、材料、传感器、电子器件、微流体、算法、计算、软件、系统以及其他特征或设计的新颖和先进的相互作用，以一种经济实惠、有效、方便、智能或可靠地将汗液感测技术带入与所生成的汗液密切接近的状态的方式得以解决。有了这样一项发明，汗液感测可能成为一种如生物感测平台一样的引人注目的新范例。
所公开的发明的实施例提供了一种汗液传感器设备，其能够消除或减少与汗液传感器设备中的传感器的电磁干扰和其他类型的电子干扰。在一个实施例中，汗液传感器设备包括屏蔽来自身体外部的干扰和来自体内或穿过身体的干扰或者通过改变与身体的接触屏蔽干扰的传感器。在另一个实施例中，提供额外的电子滤波，因为例如在一些情况下，传感器和身体之间的流体接触提供了通过身体和传感器之间的咸汗溶液路径的电路径，这可能导致干扰。在另一个实施例中，与传感器的流体接触保持恒定并且在一个或更多个传感器之间电气地保持在等电位。重要的是，这些溶液中的许多溶液可以以保留汗液感测的其他优点的方式实现，例如减少的汗量，保护传感器免受磨损以及更快的采样间隔。
附图说明
根据以下详细描述和附图将进一步理解所公开的发明的目的和优点，其中：
图1是用于汗液生物感测的现有技术的可穿戴设备的一部分的横截面图。
图2是根据本公开发明的实施例的用于汗液生物感测的设备的一部分的横截面图，该设备是电磁屏蔽的。
图3是图2的设备的内屏蔽和不透汗材料的横截面图。
图4是根据本公开发明的实施例的用于汗液生物感测的设备的一部分的横截面图，该设备是电磁屏蔽的。
图5是根据本公开发明的实施例的用于汗液生物感测的设备的一部分的横截面图，该设备是电磁屏蔽的。
图6是根据本公开发明的实施例的用于汗液生物感测的设备的一部分的横截面图，该设备是电磁屏蔽的。
图7是根据本公开发明的实施例的电子滤波的框图，以减少未被电磁屏蔽适当阻挡或衰减的干扰信号。
定义
如本文所用，“汗液”是指主要为汗液的生物流体，但也可包括生物流体(诸如汗液和血液，或汗液和间质液)的混合物，只要生物流体混合物的平流输送(例如流动)主要由汗液驱动即可。汗液可能是，例如，外分泌汗液或顶分泌汗液。
如本文所用，“微流体组件”可以由聚合物、纺织品、纸张或本领域已知用于引导流体的运动或至少部分包含流体的其他组件中的通道组成。
如本文所用，“汗液体积”是可以多种方式定义的空间中的流体积。汗液体积可以是传感器和汗液产生点或者进出来自身体或其他来源的汗液的溶质之间存在的体积。汗液体积可以包括汗液可以占据的以下之间的体积：表皮上的采样位置和表皮上的传感器之间，其中传感器在其与表皮之间没有中间层、材料或组件；或表皮上的采样位置和表皮上的传感器之间，其中传感器与表皮上的采样位置之间存在一个或更多个层、材料或组件。
如本文所用，“无汗液状态”是可以被汗液润湿、填充或部分填充的空间或材料或表面处于完全或本质上(例如，大于50％)干燥或没有汗液的状态。
如本文所用，“体积减少组件”是指为减少汗液体积而设计或实现的任何组件。在某些情况下，体积减少组件不仅仅是体积减少材料，因为体积减少材料本身可能不允许适当的设备功能。例如，体积减少材料可能需要与体积减少材料可能损坏或降解的传感器隔离，并且因此体积减少组件可包括体积减少材料和至少一个附加材料或层以隔离体积减少材料与所述传感器。体积减少组件可以包括其他组件，例如电磁屏蔽组件。
如本文所用，“电磁屏蔽”、“电磁屏蔽组件”或“屏蔽组件”是指减少电磁干扰、光学干扰、磁干扰或电子干扰的任何组件、材料或设计。在某些情况下，电磁屏蔽组件不仅仅是一种材料。电磁屏蔽组件可以包括其他组件，例如传感器或体积减小组件。
如本文所用，术语“分析物特异性(analyte-specific)传感器”或“特异于分析物的传感器”是特异于分析物的传感器并且执行分析物存在或浓度的特定化学识别(例如，离子选择性电极、酶传感器，基于电的适体传感器等)。例如，由于感测阻抗或电导将生物流体中所有离子的测量合并(即，传感器不具有化学选择性；它提供间接测量)，所以从“分析物特异性传感器”的定义中排除感测流体(例如生物流体)的阻抗或电导的传感器。传感器也可以是光学的、机械的、或者使用特定于单个分析物的其他物理/化学方法。此外，多个传感器中的每个传感器可以分别特异于多个分析物之一。
如本文所用，术语“传感器组件”是指实现特异于汗液中的分析物的传感器所需的组件。例如，传感器组件可以包括传感器、到传感器的一个或更多个电连接或导线、电连接到传感器的模拟电子器件，或者其设备中的主要目的是支持传感器的操作的其他组件。电磁屏蔽可以屏蔽传感器组件的至少一部分，该传感器组件包括特异于汗液中的分析物的至少一个传感器。
具体实施方式
本发明的实施例至少应用于测量汗液、汗液产生速率、汗液时间保证、其溶质、从表皮转移到汗液中的溶质、表皮表面的性质或其上的物质，或者表皮下的性质或物质的任何类型的汗液传感器设备。所公开的发明适用于可以采取包括贴片、绷带、条、衣服部分、可穿戴设备或可靠地使汗液刺激、汗液收集和/或汗液感测技术与随着产生而使汗液紧密接近的任何合适机制的形式的汗液感测设备。所公开的发明的一些实施例利用粘合剂将设备保持在表皮附近，但设备也可以由将设备保持抵靠表皮固定的其他机制保持，例如绷带或嵌入头盔中。
可以通过已知的方法实现汗液刺激或汗液激活。例如，可以通过简单的热刺激，化学加热垫，红外线，口服给药，通过皮内注射诸如甲基胆碱或毛果芸香碱的药物，以及通过使用离子电渗表皮引入这些药物来实现汗液刺激。例如，用于离子电渗的设备可以提供直流电并且使用衬有多孔材料的大的铅电极，其中正极用2％毛果芸香碱盐酸盐抑制，而负极用0.9％nacl溶液抑制。通过使用贴片询问受试者以制定或增加导致其出汗的活动或状况，也可以控制或创建出汗。这些技术可被称为对汗液产生速率的主动控制。
所公开发明的某些实施例将传感器示为简单的单独元件。应该理解的是，许多传感器需要两个或更多电极、参考电极或者在此描述中未捕获的附加支持技术或特征。传感器本质上优选是电的，但也可以包括光学、化学、机械或其他已知的生物感测机制。传感器可以是两个、三个或更多，以提供改进的数据和读数。传感器可以通过传感器正在感测的内容来指出，例如：汗液传感器；阻抗传感器；汗液体积传感器；汗液产生速率传感器；以及溶质产生速率传感器。在仅示出或描述了一个传感器的实施例中，该传感器可以包括多个子传感器和/或还可以表示特异于汗液中的分析物的多个传感器的位置。所公开的本发明的某些实施例示出了汗液感测设备的子组件，其具有在显而易见的各种应用(例如电池)中使用设备所需的更多子组件，并且为了简洁和专注于发明方面没有在图中明确示出或者在所公开的发明的实施例中描述。作为进一步的示例，公开的发明的许多实施例可以受益于可穿戴设备、贴片、绷带以及固定在表皮上的其他技术或材料的技术人员已知的机械手段或其他手段，以保持表皮的设备或子组件牢固地贴在表皮上或有利于与表皮持续接触或与表皮中的脊或凹槽均匀接触的压力，并且包括在本发明的范围内。本申请具有基于pct申请号为pct/us2013/35092的说明书，其公开内容通过引用整体并入本文。
参考图1，将现有技术的汗液传感器设备100放置在表皮12上或表皮12附近。在替代实施例中，汗液传感器设备可以通过微流体或其他合适的技术简单地流体连接到表皮或表皮附近的区域。设备100与读取器设备150处于有线通信152或无线通信154。在公开的发明的一个实施例中，读取器设备150可以是智能电话或便携式电子设备。在替代实施例中，设备100和读取器设备150可以组合。在进一步的替代实施例中，通信152或154不是恒定的，并且一旦完成其汗液测量，就可以是简单的从设备100的一次性数据下载。
在本发明的一个方面中，汗液感测设备包括电磁屏蔽。以下在示例1中提供了信息性示例计算，其示出了在一些情况下可能需要非常小的传感器(例如，从1到1000个μm2)，其然后可以具有非常高的阻抗，并且因此更容易受到电子或电磁干扰(“emi”)。此外，某些类型的传感器(例如离子选择性电极)可能具有非常高的阻抗并且会受到emi影响。此外，传感器和放大器之间的长通信或信号线可能会增加emi。
参照图2，在一个实施例中，设备200被配置为提供对emi的屏蔽。设备200包括至少一个分析物特异性传感器220，例如用于白蛋白的基于电化学适体(“eab”)的传感器。设备200包括汗液样本管理组件230、232、234。尽管本文中的描述集中在汗液上，但是其他生物流体样本可以由设备200感测。样本收集器234移动汗液离开表皮12的表面。样本耦合器232传输穿过传感器220的汗液。采样泵230移动来自样本耦合器232的过量或旧的汗液。采样泵230可以被设计为存储10到100μl的旧汗液，在0.5nl/min/gland下允许连续使用大于30小时(相关数据见表1)。汗液样本管理组件230、232、234可以是例如纺织品；堆叠的亲水膜滤波器；亲水珠(例如商业单分散reade二氧化硅粉)；较长链长的水凝胶；或多孔聚合物；纳米纤维素；微流体通道以及其他合适的材料。
设备200通过粘合剂210粘附到表皮12。设备200还包括外部电磁屏蔽290和内部电磁屏蔽292。外部emi屏蔽290被配置为保护传感器220免受来自身体外部的emi。外部emi包括例如模拟和数字电视传输；am、fm和卫星无线电；太阳能磁暴(其在11年的周期中达到峰值)；闪电(一种非常高的电压和高电流事件)；市电电网传输线(具有高电压、低电流和低频特性)、电力线宽带；数字信号；机场雷达；电信传输；静电放电；白噪声；地球的磁场通量(其值约为500毫高斯)；开关模式电源；弧焊机；布什电动机；电触点；甚至是高功率电磁脉冲威胁(旨在禁用电气和电子设备)。内部emi屏蔽292被配置为保护传感器220免于传播通过身体的外部emi或来自身体内的emi，其包括例如：肌肉震颤；身体运动；电气接触损失或改变；接触面积的改变和积聚在表面的电荷；接触电位的变化；穿过表皮表面的运动；和许多其他类型的生物或物理来源。在图2所示的实施例中，内部emi屏蔽292具有至少一个孔径292a。孔径292a足够宽以允许从表皮12到传感器220足够的汗液流，但是足够窄(例如，在μm或mm数量级上)以阻挡或减少至少一些类型的电磁波长或emi源。孔径292a的尺寸被配置为确保对传感器、其信号线或相关电子器件的emi暴露最小化。尽管设备200被示出为具有两个emi屏蔽290、292，取决于所使用的传感器和预期的应用，设备可以包括外部屏蔽或内部屏蔽中的一个，而不包括每个中的一个。虽然所示出的实施例示出了孔径292a，但是可以使用其他配置来提供用于向传感器输送汗液的孔径并且能够降低emi。
关于emi屏蔽(例如，内部emi屏蔽292)中的孔径尺寸，例如，孔径可以小于电磁波长的十分之一或小于二十分之一的波长。em波的波长由以下等式计算：(波长)·(频率)＝c，其中c是以米/秒为单位的光速。在期望对最高蜂窝频率(即，具有约125mm的波长的约2.4ghz)进行保护的一个实施例中，孔径292a的宽度可以至少小于约6.25mm(1/4英寸)，其是波长的1/20。在传感器(例如，传感器220)小于6.25mm的实施例中，可能需要更小的孔径来保护传感器免受emi影响。只要提供了足够的屏蔽并且汗液仍然能够到达传感器220，其他布置也是可能的。例如，传感器220可以适当地远离屏蔽放置。在一个实施例中，内部emi屏蔽292可以是具有用于汗液流的50μm宽的孔径292a的固体金属，并且传感器220可以远离(水平地)孔径50μm放置，使得穿过孔径292a的em波中的em波很少或者不会到达传感器220。在另一个实施例中，传感器220可以是环形或圆环形传感器，其中中心孔在孔径292a上对齐。
用于emi屏蔽290、292的材料包括但不限于诸如铝或铜膜的金属膜、金属网、包括高级金属合金的磁屏蔽、包括导电粒子的复合材料、金属涂覆的跟踪蚀刻膜、导电聚合物或本领域技术人员已知的任何其他合适的材料。在一个实施例中，emi屏蔽290、292可以是柔性聚酰亚胺衬底上的铜膜，并且传感器220可以制造在相同的衬底上并且折叠以与用于穿过铜膜和衬底到达传感器220的汗液流的孔径对准。在一个实施例中，外部emi屏蔽290可以是透气的(例如纺织或医用绷带覆盖材料)并且可以用厚度为1至100nm或者更多的铝或其他金属涂层进行真空涂覆。在一个实施例中，emi屏蔽290、292中的一个或两个可以涂覆有电绝缘体，以允许针对某些频率的emi进行适当的绝缘，以防止dc短路或腐蚀，并防止表皮12与emi屏蔽290、292之间的汗液电接触。电绝缘体可以是例如聚对二甲苯或阳极氧化铝。
仍然参照图2，在一个实施例中，设备200被配置成提供穿过传感器220的居中汗液流。设备200包括不透汗材料215、270。不透汗材料215、270可由例如kapton、pet塑料或其他合适的材料制成。不透汗材料215也可以用作制造衬底。在一个实施例中，图2中示出的一个或更多个组件被制造在不透汗材料215上。不透汗材料270具有孔径270a，以允许汗液从表皮12流到传感器220。在所示的实施例中，孔径270a和292a位于由轴255标记的传感器220的中心处。使汗液流位于传感器220中心可以改善针对给定汗液产生速率的汗液采样速率。例如，在传感器220是圆形传感器的实施例中，居中的汗液流可以提供比非居中的汗液流快大约2倍的采样速率。样本收集器234定位成邻近不透汗材料270的面向表皮的表面。
参考图3，在一个实施例中，不透汗材料270可以是聚合物膜，并且内部emi屏蔽292可以是涂覆在聚合物膜270上的emi屏蔽材料。内部emi屏蔽292可以包括由绝缘体层296分隔的至少两个金属层294、298。例如，内部emi屏蔽292可以部分地由涂覆在聚合物膜270上的al/阳极化al或al/聚对二甲苯组成。因此，涂覆有内部emi屏蔽292的聚合物膜270将阻止中频到高频emi。金属294的最外涂层可以与汗液接触并且将提供与汗液的电接触以便降低低频或dcemi(例如，随着设备200在表皮12上移动或弯曲而导致接触电位和电荷改变而导致的emi)。例如，在一个实施例中，传感器220可以包括一个或更多个传感器和参考电极，它们全部被汗液弄湿，汗液相对于传感器和参考电极保持在固定的电位。因此，在一个实施例中，导电材料294与邻近分析物特异性传感器220的汗液导电。导电材料294和分析物特异性传感器220可以电连接到设备200中的相同电子器件。此外，凭借样本耦合器232的芯吸强度，传感器220的所有传感器或参考电极将依然由汗液弄湿，进一步减少或消除由于接触电位或表面电荷如ζ电位引起的emi。
有几个设计考虑可能会影响电磁屏蔽的使用。例如，在一些汗液感测应用中，希望减少所需的汗液体积并增加汗液采样速率。因此，在所公开的发明的一个方面中，可能希望增加电磁屏蔽而不会过度增加所需的汗液体积。为此，电磁屏蔽可以不会消除或过度减小体积减小组件的益处的方式与体积减少部件集成。再次参照图2，设备200还包括体积减少组件，该体积减少组件包括与采样泵230流体接触的样本收集器234。样本收集器234被配置为减少在样本收集器234和表皮12表面之间的芯吸空间280的汗液体积。换句话说，样本收集器234的厚度小于芯吸空间280的高度。否则，添加样本收集器234将主要增加汗液体积，这将是不期望的，因为这将倾向于增加汗液采样间隔。传感器和设备非常松散地应用于表皮的情况是例外，但在这些情况下，汗液体积已经不切实际地很大了。纺织品、纸张或其他常见芯吸材料通常太大而不能用作样本收集器234，因为它们通常厚度大于100μm，尽管纺织品和类似材料可能适合用作样本收集器234。在一个实施例中，其中芯吸空间280由于表皮粗糙而具有50μm的平均高度，或者如果存在毛发或碎屑则高度更高，样本收集器234可以是具有弱亲水性结合剂材料的5μm厚筛网印刷纳米纤维素层，以保持将纤维素聚集在一起，因此它不会分解。在这种配置中，与没有样本收集器234的情况相比，汗液体积将减少约10％。
根据所公开的发明原理，汗液样本管理组件230、232、234和芯吸空间280的相对毛细管特性可以变化。在一个实施例中，样本耦合器232相对于汗液样本管理组件(即组件230、234)中的另一个具有最大的毛细作用力，使得传感器220保持被汗液浸湿。样本收集器234和样本耦合器232将具有比芯吸空间280更大的毛细作用力。为此，每个汗液样本管理组件230、232、234和芯吸空间280分别具有与其相关联的芯吸压力(也称为毛细作用力)-p1、p2、p3和p4。样本收集器234被配置成具有比表皮12和样本收集器234之间的芯吸空间280更强的芯吸压力。换句话说，汗液可以从汗腺14被抽出到样本收集器234而不完全填充芯吸空间280。在存在汗液的情况下，样本耦合器232将倾向于变得饱和，此时由于其毛细作用力将接近零，因此可能无法提供减少的汗液体积。因此，样本泵230被配置为从样本耦合器232芯吸汗液，以防止样本收集器234的饱和以及具有比芯吸空间280更大的毛细作用力。样本耦合器232的芯吸压力p2大于样本收集器234的芯吸压力p2，使得样本收集器234接收的任何汗液将随后被样本耦合器232快速吸收并润湿传感器220。最后，采样泵230具有大于p3且小于p2的压力p1，使得如果样本耦合器232变满，则采样泵230将拉出额外汗液用于处置(由图2中的箭头路径16指示)。重要的是，通过建立关系p4<p3<p1<p2，样本耦合器232具有最大的芯吸压力，使得传感器220将始终被最近的汗液样本弄湿。在另一个实施例中，采样泵230和样本耦合器232具有相同的毛细作用力。在另一个实施例中，采样泵230和样本耦合器232由相同的材料制成。
用于汗液样本管理组件230、232、234的合适材料包括但不限于纳米纤维素、水凝胶和织造或非织造聚酰胺或微流体组件。纳米纤维素形成凝胶状材料，即使在由于微纤维相互作用而水合时仍保持粘性(不需要粘合剂)。纳米纤维素柔软并且应该促进传感器220的润湿。另一个有吸引力的可能性是涂覆和聚合水凝胶或超多孔水凝胶的薄膜。水合凝胶在水合时可以表现出比足以用于蛋白质平流运输更多的孔隙大小。超多孔水凝胶具有物理开放的多孔网络，其可以从100纳米到几微米的尺寸进行调整。在潮湿环境下，水凝胶具有固有的柔软性，并且在轻微的压力下会保持与传感器的湿润接触，并且可以被涂覆到聚酰胺收集器上，甚至涂覆到传感器上，或者用于将两种组件粘合在一起的相容固化化学品。与许多其他聚合物相比，聚酰胺(尼龙)容易微复制、亲水，并且具有较低的蛋白质非特异性结合。能够提供足够的毛细作用力的材料包括但不限于微流体通道或空腔、水凝胶、超多孔水凝胶或聚合物、纺织品、珠或粉末、海绵、纤维垫、盐或干燥剂或其他合适的材料。通过例如控制内部毛细管几何形状或表面能量，可以操纵用于样本耦合器232的材料的毛细作用力性质以具有期望的水平。在公开的发明中也可以使用形成坚固芯吸层的其他方法和材料。所公开的发明的实施例可以包括额外的汗液体积减小特征，包括例如在pct/us15/32893中，传感器和汗腺之间的减少汗液体积的装置中教导的那些，其公开内容通过引用全部并入到本文中。
参照图4，在一个实施例中，其中相同的附图标记指代先前附图的相同特征，设备400以类似于之前图中所示的设备实施例的方式工作，但另外被配置为提供对emi的屏蔽而不需要额外的微流体或芯吸组件。设备400包括传感器420和emi屏蔽490、492。在一个实施例中，屏蔽492可以是25μm尼龙网或其他合适的网，例如由sefar公司销售的商业无纺尼龙网或其它网。尼龙网屏蔽492可以在至少一侧上涂覆有提供emi屏蔽效果的金属，并且进一步涂覆有水凝胶或亲水处理以允许汗液快速横向穿过它。因此，在一个实施例中，至少一个emi屏蔽组件对于汗液可以是多孔的。此外，在一个实施例中，至少一个emi屏蔽组件本质上可以至少部分地芯吸汗液。
参照图5，在一个实施例中，其中相同的附图标记指代先前附图中的相同特征，设备500包括传感器520和emi屏蔽590、592。emi屏蔽592是嵌入粘合剂510中的细导线网或导电纤维(例如，碳纤维、银纳米线等)的整体。粘合剂510可以是水凝胶粘合剂或其他形式的医用粘合剂，其对于水是多孔的并且至少有一种分析物在汗液中被检测到。emi屏蔽590对于汗液或水蒸气也可以是多孔的(例如，允许水从设备500内蒸发或多余的汗液排出设备500)。
参考图6，在一个实施例中，其中相同的附图标记指代先前附图中的相同特征，设备600包括承载传感器620和emi屏蔽690、692的衬底615。emf屏蔽692是共面屏蔽，其与图5中所示的位于传感器520和表皮12之间的emi屏蔽592不同。emi屏蔽692减少或消除了来自或穿过身体的emi。在一个实施例中，在衬底615上制造相对较小的(10μm×10μm)电活性适体类型传感器620。因为传感器620太小，所以它不具有大量的区域来接收和拾取emi。另外，在一个实施例中，由金膜制成的emi屏蔽692可以被制造在衬底615上并且可以本质上围绕传感器620。从传感器620到读出电子器件(未示出)的电连接可以通过衬底615连接到衬底615的背面。“共平面屏蔽”不需要完全共平面，而应该足够接近并且被几何布置，使得它类似于完美的共面布置那样有效地减少emi。例如，在emi屏蔽692位于衬底615的与图6所示相对的一侧上的实施例中，emi屏蔽692可被认为是“共平面”屏蔽。例如，emi屏蔽692可以定位在具有大约15μm厚度的衬底615上。有利地，根据各种实施例的emi屏蔽不仅屏蔽传感器免受emi影响，而且屏蔽它们的连接电线、本地模拟放大器、缓冲器或可能需要屏蔽的其他电子器件。因此，emi屏蔽可以屏蔽至少一部分传感器组件，其包括特异于汗液中分析物的至少一个传感器。例如，在一个实施例中，emi屏蔽692可以屏蔽传感器620和读出电子器件(未示出)之间的电线。
参考图7，示出了设备700的一部分的框图表示。在一个实施例中，设备700包括传感器720、电子滤波器753、emi屏蔽790、792和电子器件755。电子滤波器753分别电连接到传感器720和电子器件755，如连接752、754所示。在一个实施例中，汗液在表皮12和传感器720之间形成连续的流体连接。因为汗液是导电的，所以连续的流体连接可以允许低频或dc电信号从表皮传播到传感器720。在一个实施例中，传感器720可以是基于阻抗的传感器，其以100khz采样，并且emi屏蔽790、792阻挡大于100khz的外部高频emi。高通滤波器或电路753可以阻挡小于10khz的低频emi和dcemi信号。高通滤波器753可以是无源滤波器或有源滤波器，其可以是单位增益或放大的。在另一个实施例中，可以使用除高通滤波器以外的滤波器，诸如低通滤波器、带通滤波器或陷波滤波器。例如，低通滤波器可以与直流电压类型传感器一起使用，例如离子选择电极。如本领域技术人员已知的，放大器、缓冲器和无源或有源滤波器的许多技术和配置是可能的。如果滤波器753是有源的，则它增强信号，使得读出电子器件(例如微控制器或其他电子器件755)可以被包含在屏蔽790、792的外部。或者，emi屏蔽790、792可以屏蔽电子器件755。例如，在一个实施例中，设备700的全部或大部分电子器件755可以放置在emi屏蔽790、792内部，除了在emi屏蔽内不能正常工作的任何组件(例如通信组件，诸如天线)。这进一步示出了根据所公开的本发明的实施例内的组件也可以部分地屏蔽该设备本身的其他组件(例如，可以将传感器屏蔽于包含在相同设备中的有噪声天线)。emi屏蔽790、792可以是电绝缘的或电暴露的(与表皮或汗液导电)。在一个实施例中，emi屏蔽790、792可以被电暴露并且用于阻挡dc和高频emi两者，并且可以使用合适的带通滤波器753。本领域技术人员可以设想多种替代布置。应该认识到，各种实施例中描述的组件可以彼此组合。例如，一个实施例可以包括滤波器753和汗液样本管理组件230、232、234。
提供以下示例1以帮助说明所公开的发明，并且不以任何方式进行全面或限制。
示例1
本文的计算旨在将外分泌汗管和传感器之间的流体体积从1μl降至10nl(10-100x)，从而导致按时间顺序相关的汗液生物感测具有约2分钟的最大分辨率。所公开的发明的各方面包括消除邻近表皮表面的大于90％的死体积，减轻表面污染，并且导致跨越亚mm电化学生物传感器阵列的汗液超高效传输。超高效的汗液采样和传输对于需要微小(minute-level)分辨率的应用至关重要，即使对于那些不需要微小分辨率的应用，也能大大减少获得成活样本所需的出汗量的负担。应该认识到，下面的计算不考虑某些影响，如表面不均匀性和汗液接触角滞后。
在此处所有的计算中，芯吸压力p1、p2、p3都源自负拉普拉斯压力
设备和表皮之间的空腔。可以进行粗略的2d计算以确定将汗液收集器(例如，样本收集器234)和表皮之间的汗液体积减少到总可用体积的10％需要什么。
假设在10％体积下60μm的峰-谷表皮粗糙度，汗液将被芯吸到具有表皮和跨越约20μm的汗液收集器之间的半月板的、从表皮峰中仅延伸出20μm的空间中。假设在θskin＝0°的表皮上汗液接触角是最困难的情况(水合和肿胀；更典型的接触角约为90°)。假设汗液收集器由聚酰胺(例如尼龙、pa46)制成，其平均接触角为θpoly＝45°。用于表皮中长凹槽的芯吸压力将由单个曲率半径(rskin)支配，其可以沿着半月板边缘可视化，并且使用下面的等式1来计算：
其中h是如先前讨论的约20μm，-45°项是因为毛细管是收敛的。使用约10μm的rskin，可以计算收集器需要维持的毛细作用力。
样本收集器的芯吸压力。为了简单起见，将注意力转回到样本收集器(例如样本收集器234)的芯吸压力(p3)上，假定宽度w为1∶1的纵横比的方形微通道，为此可以计算有效的单毛细管半径rcoll为rcoll＝w/(3cos(θpoly)-1)。在上面的示例计算中，收集器的芯吸压力p3必须维持小于10％的针对皮肤的汗液体积。因此，rcoll＝rskin＝10μm的值导致约12μm的w的计算。这种通道可以使用例如卷对卷(roll-to-roll)处理以聚酰胺制造。
样本耦合器的芯吸压力。接下来，考虑具有芯吸压力p2的10μm厚度的耦合器(例如，样本耦合器232)，其总是优选保持传感器(例如，传感器220)被最近的汗液样本弄湿。为了实现这个目的，假设有效毛细管半径至少减小10x或rwick约为1μm(比容忍可能的差异所需要的更多)。有许多方法来制造具有较小毛细管半径的样本耦合器。例如，可以使用当水合时厚度为20μm的纳米纤维素或水凝胶涂层，例如筛网印刷或凹版印刷到厚度为μm的厚度。
采样泵的芯吸压力。采样泵(例如采样泵230)用于继续收集和处理多余的汗液。采样泵的芯吸压力(p1)必须大于样本收集器的芯吸压力(p3)，但不能超过样本耦合器的芯吸压力(p2)，否则会从样本耦合器中除去汗液，并留下不足的样本体积用于感测。使用例如具有良好调谐孔径大小的堆叠亲水膜滤波器；相当同性质的珠粒(例如市售单分散里德硅粉末)；较长链长的水凝胶等可以产生rpump＝2至3μm的有效芯吸半径。同样，耦合器(p2)有效的rwick可以减小到10nm或100nm，以允许采样泵(p1)的更宽范围的材料选择和有效半径rpump选择。注意，采样泵实际上会进一步减少表皮和样本收集器之间的10％体积，因为芯吸空间(例如芯吸空间280)最终与采样泵(p1)竞争，而不仅仅是与样本收集器(p3)竞争。
预期采样间隔。使用设备200的设计，预期的采样速率在表1中提供，假设：样本收集器234具有3mm的直径；设备200以150个腺体/cm2覆盖腹部或前臂并且只有三分之二的腺体活跃；样本收集器234的通道保守地包括多达表面面积的20％；并且样本耦合器232为15μm厚且由装配在具有1.6mm直径(即，传感器直径为1.6mm)的空间内的一个或更多个传感器220覆盖60％多孔。
表1
从表1可以看出，样本收集器234明显造成了最大的延迟。这也是一种最坏情况的计算，因为它假定样本收集器234被流体饱和，这在p2>p3之后在典型使用期间是不可能的。此外，可以看出，样本耦合器232和传感器220可以在其成为瓶颈之前本质上被放大。表1中的这些元件是串联的，所以它们对采样间隔的影响是不相加的(只是造成时间延迟，而不是时间展宽)。
样本体积和传感器与电子器件的相互作用。一些应用可能在传感器旁边产生非常小的样本体积，这可能是低浓度生物标志物的问题。例如，考虑具有5x1012探针/cm2(适体)的0.1mm2传感器，其是5×109探针或大约8×10-15摩尔的探针。现在，假设14.1nl溶液流过传感器(表1)和10nm皮质醇为例。即14.1-9l*10nm/l＝1.41×10-16摩尔的皮质醇。可用分析物比可用探针少60倍，并且传感器表面必须被最小化。这会降低传感器信号并可能增加emi的影响。当然，探针占用比较复杂，在某些情况下是非线性的，但是这说明低浓度标记会导致使用下列中的一种或其组合：(1)较高的出汗率；(2)较小的传感器；(3)或更大的收集器直径以收集更多的汗液；以及(4)随着传感器的小型化，emi屏蔽可以降低信噪比。现有的传感器放大器可以轻松读取10gω的传感器(0.5v时为50pa)。由于噪声可能成为问题，因此采用了用于emi屏蔽的金属薄膜。这示出了设备200的设计的初始意想不到但非常显着的益处，因为传感器和线路输出是完全电磁屏蔽的。这是将传感器直接靠在皮肤上时无法实现的。
尽管已经相当详细地描述了具体实施例来说明本发明，但是描述并不意图将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制为这样的细节。本文讨论的各种特征可以单独使用或以任何组合使用。对于本领域技术人员而言，其他优点和修改是显而易见的。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性装置和方法以及说明性示例。因此，在不脱离本发明总体构思的范围的情况下，可以从这些细节做出偏离。