技术领域
[0001] 本
发明涉及反离子
电渗抽取技术领域，具体涉及一种柔性温控系统。
背景技术
[0002] 细胞间质液存在于组织间隙中，是血液与组织细胞间进行物质交换的媒介。细胞间质液液与血液中同一物质的含量之间有着密切的联系，对细胞间质液的分析检测可以很大程度上反映出血液中相关量的情况。研究发现，细胞间质液中的
葡萄糖水平与血糖水平具有高度相关性，通过检测细胞间质液的葡萄糖浓度，可以充分反映
血糖浓度的大小及变化。对于血糖的检测可以转换成对组织液中葡萄糖的检测。检测方法主要有植入式和透皮抽取式。透皮抽取检测相对于植入式检测来说由于更安全和便捷而得到了广泛的研究。
[0003] 对于细胞间质液的透皮抽取存在较多的方法，包括红外光法，超声
光谱法，体液采集技术等，其中基于反离子电渗的细胞间质液透皮抽因为其结构简单，易于集成而得到广泛应用。其原理是通过对
皮肤施加一定的
电场，皮肤表层正常情况下带负电，而组织液主要离子是Na+和Cl-，如果在皮肤表面放置两个
电极，通过电极对皮肤施加一定
电压。在
阳极和
阴极之间就形成了一定的电场，在电场作用下，皮肤表层组织液的Cl-和Na+分别向阳极和阴极移动这样
皮下组织就形成了一个由阳极到阴极的
电流通道。由于皮肤在正常情况下带负电荷，直流电流通道的Na+作为主要的电荷载体，它的电迁移就形成了一个由阳极到阴极的离子流，反向离子电渗透技术就是利用这个离子流将皮下组织液中的中性葡萄糖分子携带到皮肤表面，用于后续测量。但是这种方法仍然存在抽取量少对皮肤有刺激等问题。抽取量少会导致试验检测结果的可靠性下降，如果加大电压来提高抽取量会给皮肤造成较强的刺激。通过合理的方法促渗是提高反离子电渗抽取的迫切问题。现有的促渗方法包括，超声促渗，空心针阵列，热
消融等。但是都存在诸如对人体有安全隐患，难以加工，不便于微型化集成等问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种柔性温控系统。
[0005] 本发明的目的是提供一种柔性温控系统，包含有柔性基底层，加热电极，检测电极，以及加热
电路、控制系统构成；
[0006] 其中加热电极与检测电极相互嵌合；加热电路将待测区域的
温度升高，检测电极通过检测电极接入位点输入
信号至控制系统，所述加热电极通过
输出信号连接位点将信号输入到加热电路，对加热电路的功率进行控制。
[0007] 所述柔性基底层包含有一层聚二甲基
硅氧烷和一层聚酰亚胺。
[0008] 所述加热电极的材料为采用包括金，
银，
铜在内的金属材料和包括
石墨烯，
碳纳米管在内的非金属材料。
[0009] 在结构上，加热电极的结构为二维空间或者三维空间上分布均匀的阿基米德螺旋线，横截面选自矩形，正方形或者半圆柱型任一种。
[0010] 所述检测电极完全嵌入到加热电极的内部，与加热电极一同构成紧凑的嵌合结构。
[0011] 所述控制系统,基于
单片机,基于PID的反馈控制电路主要包含有依次连接的
运算放大器、A/D转换芯片和控
制芯片。
[0012] 所述控制芯片型号选择STC89C52。
[0013] 本发明加热电路将待测区域的温度升高，通过检测电极接入位点接入电路，检测到温度升高导致其自身的电
阻变化导致检测电桥失衡，将电压信号输出；
[0014] 在单片机中，一方面，通过转换计算将采集到的温度数据和用户设定的温度数据通过LCD显示屏连接位点上LCD显示出来，同时，将实时检测到的数据与用户设定的温度数据通过PID
算法进行运算，得到
控制信号，通过输出信号连接位点将信号输入到加热电路，对加热电路的功率进行控制，进而控制加热区域的温度稳定。
[0015] 本发明当加热电极通电后利用导体的
电阻发热来加热待测区域皮肤，然后利用嵌入其中的检测电极的电阻会随温度变化而变化的原理，通过检测检测电极的电阻变化，再转化为对应的温度，通过这两个温度在系统平衡时相等来建立关系，得到加热电极的输入电压与检测电极的输出阻抗信号之间的关系。
[0016] 本发明提出通过发明一个柔性温控系统给待抽取区域施加一个热源，提高待抽取区域的温度，进而提高皮肤的通透性，增加反离子电渗抽取的细胞间质液的量。具体的发明内容包括一个加热电极，一个检测电极，一个基于单片机的控制系统和一个关于加热电路的电压与检测电路的检测温度之间算法的推导。其中加热电极用来加热待抽取区域的皮肤，检测电极用来检测加热区域的皮肤温度。加热电极和检测电极的材料均选用热功率高和温度变化灵敏的金属材料金，其结构选择分布均匀的阿基米德螺旋线结构。利用
传热学，电学的基本原理推导出了检测电路的输入电压与检测电极的输出温度(阻抗)数据之间的关系，来验证检测电极的加热性能和检测电极的测温性能。最后通过引入比较成熟的PID控制技术将检测电极的电阻变化信号为控制的
输入信号，将控制的输出信号输入加热电路号，来实现对于待测试区域的温度的精确控制。
[0017] 本发明的特点及有益效果：
[0018] 1、柔性温控系统用与反离子电渗的细胞间质液透皮抽取能够提高抽取的组织液的量，能够提高血糖检测的灵敏度。
[0019] 2、该柔性系统对人体无害而且易于集成，不仅可方便用于各种基于组织液透皮抽取的细胞间质液的成分的分析，也可用于其它需要一个恒温的集成测试环境。
[0020] 3、该柔性温控系统能够提高待测区域的温度，促进后续对于抽取的细胞间质液的电化学检测的反应速率。
附图说明
[0021] 图1加热电极的结构图 图2检测电极的结构图[0022] 图3加热电极和检测电极的组合图 图4电极加工实物图[0023] 图5控制系统
硬件框图 图6主要零部件的布局连接图[0024] 1：聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺复合基底 2：加热电极
[0025] 3：检测电极 4：LCD显示屏连接位点[0026] 5：控制芯片 6：输出信号连接位点[0027] 7：检测电极接入位点 8：
运算放大器[0028] 9：A/D转换芯片。
具体实施方式
[0029] 以下结合附图和具体
实施例来对本发明作进一步的说明。
[0030] 1.柔性基底的制作
[0031] 整个结构要求具有一定的柔性，采用在柔性基底也即实验室常用的聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺(除了柔性之外，也增强基底的亲水性)。先取洁净的玻璃片进行表面活化处理，然后表面图上滴上事先配比好的PDMS(聚二甲基硅氧烷)在匀胶机上以500r的转速进行
旋涂处理，处理完毕后在烘箱中90℃
固化半个小时。取出等待冷却至室温后，再在表面上涂上低温固化PI(聚酰亚胺)，以1000r的转速旋涂，然后在烘箱中50℃固化一小时，然后温度升高到80℃保温两小时，再升高温度到150℃保温一小时，再升高温度至200℃保温一至三小时后在烘箱中冷却至室温取出，至此柔性基底制作完毕。
[0032] 2.加热电极和检测电极的制作
[0033] 加热电极和检测电极的材料均为金，加工工艺选择喷墨打印，打印墨水选用UTDOT公司的金纳米颗粒墨水。通过CAD设计的检测电极和检测电极的图片分别如图1和图2所示。最终需要打印的组合图如图3所示，其中检测电极的线宽为150μm，检测电极的线宽为80μm，线厚均为1μm。在图3中
内圈(浅色)为检测电极，
外圈(深色)为检测电极。
[0034] 3.加热电极产热与检测电极测温原理推导
[0035] 加热电极作为唯一的热量来源，其产生的热量由电阻的热效应产生，对于电阻为R的电阻丝其热功率为：
[0036] P热＝I2R (1)
[0037]
[0038] 其中，I为流经电阻丝的电流。
[0039] 加热电极作为纯
电阻器件，其功率大部分用于产生热量，故由欧姆定律得：
[0040] P热＝U2/R (2)
[0041]
[0042] 其中，U为加载于加热电极的电压。
[0043] 在时间t内其产生的热量为：
[0044]
[0045] 根据加热电极与PI基底的层次关系，只有一部分热量被PI基底所吸收，这部分的热量为：
[0046]
[0047] 其中w为电阻丝的线宽，d为电阻丝的加工的厚度。
[0048] 因此根据温度与热量的关系，可以得到在时间内，
质量为m的PI基底的温度变化为：
[0049]
[0051] 由于系统该部分与
环境温度在一般情况下存在温度差，故而会造成PI基底的热量损耗，该部分热耗散符合固体对空气的
散热模型，即
对流传热。
[0052] 对流传热是热传递的一种基本方式，它是在
流体流动
进程中发生的热量传递的现象。对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位移而导致的热量传递过程。由于流体间各部分是相互
接触的，除了流体的整体运动所带来的热对流之外，还伴生有由于流体的微观粒子运动造成的热传导。
[0053] 对流传热通常用
牛顿冷却定律来描述，即当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比。用公式表示为：
[0054] Qs＝qAt (6)[0055] 其中Qs为散失的热量，A为散热面积，t为散热时间，q表示热流
密度。热流密度，也称热通量，定义为单位时间内，通过物体单位横截面积上的热量。材料的热流密度与温差，导热系数以及材料厚度h有关，用公式表示为：
[0056]
[0057] 其中T为材料表面的温度，T0为环境温度。
[0058] 由此，散失热量可以表示为：
[0059]
[0060] 故根据温度与热量的关系，可以得到在时间内，质量为m的PI基底的温度变化为：
[0061]
[0062] 根据以上分析我们可以对PI基底列写出温度变化方程如下：
[0063]
[0064] 即：
[0065]
[0066]
[0067] 可以发现，根据推导结果，得到了一个关于温度和时间的微分方程，通过求解该微分方程可以得到PI基底的温度T关于时间t的变化关系式形式如下：
[0068]
[0069] 其中：
[0070]
[0071]
[0072] 因为当系统未被启用时，系统的初始温度：
[0073] T(0)＝T0 (17)
[0074] 所以可以得到：
[0075]
[0076]
[0077] 综上所述基底温度关于时间的表达式为：
[0078]
[0079] 检测电极位于聚酰亚胺上，系统处于平衡状态时，二者的温度相同[0080] 检测电极其检测原理是利用金属电阻会随着温度升高，其中金属电阻变化与温度变化的比值为电阻温度系数。金检测电极在20℃时其电阻温度系数约为0.00349，由此，温度检测的原理公式如下：
[0081] R(T)＝R+α*(T-T0) (21)[0082] 其中α为金的电阻温度系数，R，T0分别为初始是的电阻和对应的温度。由此结合式(20)
[0083] 可以得出加热电压，检测电极的阻值，系统的温度之间的关系如下：
[0084]
[0085] 4.反馈控制系统设计
[0086] 检测电极3完全嵌入到加热电极2的内部，与加热电极2一同构成紧凑的嵌合结构。基于单片机的控制系统采用反馈控制，基于PID的反馈控制电路主要包含有运算放大器8、A/D转换芯片9、和控制芯片5。
[0087] 本发明加热电路将待测区域的温度升高，通过检测电极接入位点7接入电路，检测到温度升高导致其自身的电阻变化导致检测电桥失衡，将电压信号输出；
[0088] 在单片机中，一方面，通过转换计算将采集到的温度数据和用户设定的温度数据通过LCD显示屏连接位点4上LCD显示出来，同时，将实时检测到的数据与用户设定的温度数据通过PID算法进行运算，得到控制信号，通过输出信号连接位点6将信号输入到加热电路，对加热电路的功率进行控制，进而控制加热区域的温度稳定。
[0089] 反馈控制采用比较成熟的PID控制，将检测电极检测到的电阻变化信号转化为温度信号输入到单片机中，将运算以后的结果输出到加热电极所在的电路。通过反馈控制保证加热区域的温度恒定在设定温度。如图5所示，为了提高检测的灵敏度，采用
惠斯登电桥法来检测接入的检测电极3的微小电阻变化，同时为了适应不同的电阻的检测情况，用电位器代替定值电阻，在具体的测量前，将电位器的阻值进行设定即可。加热电极2通过电流的热效应产生热量加热特定区域皮肤，检测电极3接收到热量以后，阻抗会发生变化，导致电桥
不平衡，将
输出电压作为输入信号通过检测电极接入位点7输入到控制系统。然后依次通过运算放大器8，A/D转换芯片9，输入到控制芯片5(型号STC89C52)中，先将两个数据分别通过LCD显示屏连接位点4的LCD显示出来，同时在单片机内部结合采集到的数据和手动设置输入的数据，进行运算，并将控制信号通过输出信号连接位点6输出到加热电路控制加热电极的加热功率，最终实现控制系统温度恒定。
