CN104997485A - 基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备,属于可穿戴设备技术领域，监测设备包括：多个可移动监测点，可移动监测点佩戴在服装上附着于皮肤，可移动监测点内设有微处理器和监测待测点受到的压力大小的圆环式压力传感器，圆环式压力传感器连接微处理器，微处理器发送无线信号；处理器，无线连接可移动监测点接收微处理器发送的监测信号，处理器内设有警报单元和阈值单元，警报单元和阈值连接在处理器。本发明中通过使用圆环式压力传感器大大减小了监测点的体积，而且监测点时单独的，可选择性的使用，解决了监测点的体积和功能不能同时满足消费者的问题，具有体积小，测量精度高，功能多，而且还可以扩展的优点。

Description

基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备

技术领域

本发明属于可穿戴设备技术领域，涉及自动监测技术方向，具体涉及一种基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备。

背景技术

随着嵌入式和移动技术的发展，可穿戴设备己经逐渐进入市场。一方面，可穿戴设备由于其与用户的身体直接接触，比其他类型的用户设备(例如手持式设备)具有更为复杂的形态，例如，佩戴在用户的头部，手部或者躯干部位的可穿戴设备，往往形态差异非常大，以便于用户的佩戴。另一方面，可穿戴设备的功能也在朝着精细化分工的方向发展，例如，可穿戴设备能够对不同的对象做记录或感知，包括:环境的湿度、温度、成分、质量，以及用户的体温、血压、血氧等等。

因此，可穿戴设备的设计走向越来越趋于微型化，方便使用者携带和附着皮肤设置，有智能化手表和智能化穿戴产品问世，但功能单一不能用户需求，所以多功能的可穿戴设备的体积大小是一个亟待解决的问题。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，通过使用圆环式压力传感器大大减小了监测点的体积，而且监测点时单独的，可选择性的使用，解决了监测点的体积和功能不能同时满足消费者的问题，具有体积小，测量精度高，功能多，而且还可以扩展的优点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，所述监测设备包括：多个可移动监测点，可移动监测点佩戴在服装上附着于皮肤，可移动监测点内设有微处理器和监测待测点受到的压力大小的圆环式压力传感器，圆环式压力传感器连接微处理器，微处理器发送无线信号，圆环式压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，所述条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在圆环电容单元组外基板的四角，控制单元连接可移动监测点的微处理器；处理器，无线连接可移动监测点接收微处理器发送的监测信号，处理器内设有警报单元和阈值单元，警报单元和阈值连接在处理器，监测信号超过阈值单元设定的值，警报单元发送警报信号。

上述设备中，所述圆环电容单元组包括两对以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述条状电容单元的左差位δ_左＝右差位δ_右，且其中d₀为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中，其中，a_平为平行板的长度，r_圆为圆环电容单元圆环的宽度，a_δ圆相邻两圆环电容单元之间的电极间距。所述圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单元连接，所述圆环电容单元组的每个圆环电容单元的感应电极单独引线与控制单元连接，所述X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别通过一根引出线与控制单元连接。所述可移动监测点中还设有接收天线和触发单元，接收天线连接在微处理器上，可移动监测点通过接收天线充电，触发单元连接微处理器，触发单元控制可移动监测点的工作状态。所述可移动监测点中还设有接收天线和触发单元，接收天线连接在微处理器上，可移动监测点通过接收天线充电，触发单元连接微处理器，触发单元控制可移动监测点的工作状态。所述处理器中还包括发射天线和电源，电源和发射天线连接处理器，处理器经过发射天线进行无线充放电。所述处理器中还包括选择开关，处理器中的选择开关是对应于每个可移动监测点设置的，选择开关无线控制可移动监测点的工作状态。所述处理器中的警报单元中设有语音电路和远程信号电路，处理器通过警报单元的远程信号电路群发信息给穿戴监测设备的监护人。

本发明有益效果是:本发明中提供可移动监测点佩戴在服装上监测待测点的受力情况，根据需要可以增加其他传感器元件扩展监测点的功能，同时监测点中使用的是圆环式压力传感器，并且通过差动等方法有效解决三维力相互影响，从而使法向与切向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。同时监测点中设有天线进行无线充电，方便了充电的过程，处理器给监测点提供电能的同时也可以自身进行无线充放电。此外，当佩戴者出现意外或者主动想要发出警报信号的时候，可以群发信息给监护人，也可以取消信息的发送，避免了错误情况导致的人心焦急。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的工作结构示意图。

图2是本发明的具体实施方式的同心圆环偏移错位面积分析图。

图3是本发明的具体实施方式的为外同心圆环错位对外径圆分析图。

图4是本发明的具体实施方式的平行板电容的平面设计图。

图5是本发明的具体实施方式的驱动电极的结构图。

图6是本发明的具体实施方式的平板电容板的直角坐标系。

图7是本发明的具体实施方式的两组圆环电容组结构图。

图8是本发明的具体实施方式的差动条状电容单元的初始错位图。

图9是本发明的具体实施方式的差动条状电容单元受力后偏移图。

图10是本发明的具体实施方式的单元电容对的信号差动示意图。

图11是本发明的具体实施方式的平行板电容器剖面结构。

图12是本发明的具体实施方式的可移动监测点的工作框图。

图13是本发明的具体实施方式的处理器的工作框图。

图中1为上PCB基板，2为下PCB基板，3为驱动电极铜箔，4为感应电极铜箔，5为压力传感器。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明提供一种基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其工作示意图如图1所示，本发明中使用圆环式压力传感器组成监测设备从而大大减小监测设备的体积，通过无线供电，减小了监测点的体积，储能单元和电源的设定在一定程度上增大了监测设备的体积。而且可移动监测点通过无线充电和处理器进行连接、数据传递，避免了数据线的繁琐和使用限制，同时处理器也可以连接到计算机中进行详细的数据分析，放大数据，在处理器小小屏幕上查看数据很是劳累。

可穿戴的健康监测设备包括多个可移动监测点和处理器，可移动监测点是一个个单独的监测点，可卡合服装中附着在皮肤上，然后无线连接处理器。可移动监测点单独存在工作无线连接处理器，可移动监测点可拆卸的贴附在服装内，而且监测点体积小，厚度薄，不会造成不适感，使用方便便利，而且可拆卸更换安装位置，同时也可以自由选择可监测点的使用数量。

可移动监测点的外形是暗扣形状，体积小，主要功能是监测待监测点的受力大小，从而保护带监测点，老人或伤者穿戴时，从而时刻监测待测点的受力大小，记录待测点日常情况，从而保护使用者注意身体。可移动监测点包括采集信号的监测元件和外壳，监测元件安装在外壳内，外壳保护监测元件的同时还可以拆卸地卡合贴附安装于服装上，监测元件的一面附着于皮肤，另一面隐藏在外壳内。

可移动监测点内的监测元件包括微处理器、圆环式压力传感器、信号发射器、微型电源、接收天线，圆环式压力传感器连接微处理器的信号接入端，信号发射器连接微处理器的信号输出端，微型电源给监测点的工作提供电能，接收天线平铺安装在监测点上，连接微处理器。为了增大监测点的功能还可以安装温度传感器、心跳传感器、脉搏传感器等等监测身体信号的元件，增大使用功能，都属于本发明范围内。

本发明中的圆环式压力传感器

所述传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，所条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在基板圆环电容单元组外的四角。圆环电容单元组包括两组以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述条状电容单元的左差位δ_左＝右差位δ_右，且其中d₀为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_ymax为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中其中，a_平为平行板的长度，r_圆为圆环电容单元圆环的宽度，a_δ圆相邻两圆环电容单元之间的电极间距。所述电容单元模块采用梳齿状结构，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元，其中，a_平为平行板的长度，a_δ条为相邻两条状电容单元之间的电极间距，a₀条状电容单元的宽度。所述同心圆环电容单元的宽度r_圆和条状电容单元的宽度a₀相等；条状电容单元电极间距a_δ条和圆环电容单元电极间距a_δ圆相等，所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单元连接，所述圆环电容单元组的每个圆环电容单元的感应电极单独引线与控制单元连接，所述X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别各自通过一个引出线引出与控制单元连接。所述圆环电容单元、电容单元模块和控制单元之间分别设有中间变换器，变换器用于设置电压或频率对电容的传输系数。

下面结合附图2-11对本发明的推导和原理，对各部分形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明。

1.1电容公式及其输入输出特性

平行板的初始电容为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·A_0}{d_0}---\left(1\right)$

式中，ε₀真空介质电常数为8.85PF/m，ε_r＝2.5为电介质的相对介电常数，A₀为上下极板初始正对面积。d₀受σ_n的激励产生相对变形ε_n＝δ_n/d₀＝σ_n/E，代入(1)式得到输入输出特性

$C_n={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{A_0}{d_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_n)}={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{A_0}{d_0(1-\frac{F_n}{AE})}---\left(2\right)$

1.2法向应力作用下的线性度和灵敏度

1.2.1法向线性度

(2)式中F_n在分母中，故C_n＝f(F_n)的关系是非线性的。因转换量程中的最大值σ_nmax与介质弹性常数E相比，ε_n是个很小的量，即分母中εn<<1，将(2)式按级数展开并略去二次方以上的高阶无穷小，可简化为：

$C_n=C_0(1+\mathrm{\&epsiv;})=C_0(1+\frac{F_n}{A\&CenterDot;E})---\left(3\right)$

可见在C_n与F_n的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。

1.2.2灵敏度

按法向灵敏度的定义

而按(2)式则

$S_{n2}=\frac{{\mathrm{dC}}_n}{{\mathrm{dF}}_n}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\mathrm{\&epsiv;}}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\frac{F_n}{A\&CenterDot;E}}---\left(4\right)$

按(3)式可得线性灵敏度，

$S_{n1}=C_0/AE={\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r/d_{0}E---\left(5\right)$

S_n2随F_n而变，F_n愈大，S_n2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。

1.3切向位移和圆环电容器有效面积之间的关系

针对同心圆环电容对进行分析，如图2所示，R₁为外圆半径，R₂为内圆半径，r＝圆环宽度＝大外圆半径R₁-内圆半径R₂。给驱动电极一个切面上的力F_X，导致上下对应的驱动电极和感应电极产生一个剪切错位，设d_x为切面位移，错位面积为S_内和S_外，电极板的初始正对面积应为π(R₁ ²-R₂ ²)。图3为外同心圆环电容对外径圆分析图，移动前后两圆心距离为d_x，移动前后两圆心和两圆的交点形成一个菱形，可以计算S_外的面积：

上式中，有d_x<<R₁,所以取

由

将的泰勒级数展开，并略去高次项，

同理，可以知道，S_内＝2R₂d_x，所以同心圆环电容的错误面积为S＝2R₁d_x+2R₂d_x。1.4切向应力τ激励下的圆环电容单元组的电容变化

切向应力τ并不改变极板的几何尺寸参数A₀，对介质厚度d₀也不产生影响。然而τ_x和τ_y改变了平行板电容器的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了错位偏移。极板在τ作用下的错位偏移d_x。当τ为零时，圆环电容单元的上下电极是正对的，上下电极之间有效截面在图3中，在τ_x右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移d_x，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积由此产生的电容为：

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;({\mathrm{\&pi;R}}_1^2-{\mathrm{\&pi;R}}_2^2-2R_1{d}_x-2R_2{d}_x)}{d_0}---\left(6\right)$

根据剪切胡克定律

${\mathrm{\&tau;}}_x={\mathrm{\&gamma;}}_x\&CenterDot;\mathrm{G=G}\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_x/d_0---\left(7\right)$

将(7)代入(6)可得

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;2(R_1+R_2)d_x}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;2(R_1+R_2)F_x}{A_{\mathrm{\&tau;}}G}=C_0-\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{C\mathrm{\&pi;}(R_1-R_2)}---\left(8\right)$

(8)式即为切应力下的输入—输出特性，C_τ与τ_x呈线性关系，其灵敏度

$S_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{\&tau;}}}{{\mathrm{dF}}_x}=\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{C\mathrm{\&pi;}(R_1-R_2)}---\left(9\right)$

由公式(9)可以看出切向灵敏度和R₁-R₂有关，即切向灵敏度和圆环的宽度成反比，宽度越小灵敏度越高。

2平板电容器的设计

2.1平板电容器的设计

参见图4中的电极平面布置和图5驱动电极的结构图，在一个10×10mm²的基板上的一种圆环式接触式平行板三维压力传感器，传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，条状电容单元组用于测量切向力的方向，条状电容单元组设置在基板圆环电容单元组外的四角。这样可以有效的使用平行板的面积，圆环电容单元组铺满整个平行板，在测量三维力时，都起作用，而条状电容单元组有效利用了圆环电容单元组铺设后，平行板四角的空间，用于测量三维力切向力的方向。圆环电容单元组的驱动电极和感应电极都是由n个同心圆环组成，n为偶数，则形成n/2圆环电容单元对。影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面，其几何形状和尺寸也应在机械成型时保持精准。

参照图6的平板电容的直角坐标系，坐标系统原点在圆环电容单元组的同心圆原点，x轴和y轴分别沿平板电容的对角线方向，X方向差动电容单元组包括X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ，X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ分别位于x轴的正负半轴且沿y轴对称，Y方向差动电容单元组包括Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ，Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ分别位于y轴的正负半轴且沿x轴对称，X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ形成对τ_x做出响应的差动电容单元组合，Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ形成对τ_y做出响应的差动电容单元组合。

圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中其中，a_平为平行板的长度，r_圆为圆环电容单元圆环的宽度，a_δ圆相邻两圆环电容单元之间的电极间距。电容单元模块采用梳齿状结构，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元，其中，a_δ条为相邻两条状电容单元之间设有电极间距，a₀条状电容单元的宽度。同心圆环电容单元的宽度r_圆和条状电容单元的宽度a₀相等；条状电容单元电极间距a_δ条和圆环电容电极间距a_δ圆相等，所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。

2.2激励信号和坐标系

将圆环电容单元置于图6所示的直角坐标系中，三维激励施加于电容极板的外表面，产生的接触式作用力具有Fx、Fy和Fz三个方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X轴和Y轴，Fz的作用方向沿OZ轴即方向，法向和切向应力均为一种应力张量，从电极的引线间即可输出电容的响应；法向应力σ_n＝Fn/A，其中为极板法向受力面，Fn＝Fz为法向分量；两侧表面上产生成对的切向应力τ_切＝F_切/A。

根据弹性力学中的虎克定律，σ_n和τ_x，τ_y都将使弹性体产生相应的变形。其中，

${\mathrm{\&sigma;}}_n=E\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_n=E\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_n/d_0=\frac{F_n}{A}$

式中，E为弹性介质的杨氏模量GN/m²，G为弹性介质的抗剪模量GN/m²，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为圆环电容单元上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。

2.3法向力和切向力大小的计算

选取第n个圆环电容单元和第n/2个圆环电容单元，通过建立圆环电容单元对组成方程组进行计算，如图7所示。设电极板受到法向和切向激励作用后，设第n个圆环电容单元的输出电容为C₁，n/2个圆环电容单元输出电容为C₂，切向的位移为d_x，法向的电容极距为d_n，S₁₀为外环初始的正对面积，S₂₀为内环初始的正对面积。

$C_1=\frac{\mathrm{\&epsiv;}(S_{10}-S1)}{d_n}=\frac{\mathrm{\&epsiv;}({\mathrm{\&pi;R}}_1^2-{\mathrm{\&pi;R}}_2^2)}{d_n}-\frac{\mathrm{\&epsiv;}(2R_1{d}_x+2R_2{d}_x)}{d_n}$ ①

$C_2=\frac{\mathrm{\&epsiv;}(S_{20}-S2)}{d_n}=\frac{\mathrm{\&epsiv;}({\mathrm{\&pi;r}}_1^2-{\mathrm{\&pi;r}}_2^2)}{d_n}-\frac{\mathrm{\&epsiv;}(2r_1{d}_x+2r_2{d}_x)}{d_n}$ ②

将①-②得到：

$C_1-C_2*\frac{R_1+R_2}{r_1+r_2}=\frac{\mathrm{\&epsiv;}\mathrm{\&pi;}(R_1^2-R_2^2)}{d_n}-\frac{R_1+R_2}{r_1+r_2}*\frac{\mathrm{\&epsiv;}\mathrm{\&pi;}(r_1^2-r_2^2)}{d_n}$

设上式中的 $\frac{R_1+R_2}{r_1+r_2}=K,$ 则 $d_n=\frac{\mathrm{\&epsiv;}(S_{10}-{\mathrm{KS}}_{20})}{C_1-{\mathrm{KC}}_2}$

根据 $d_n=d_0-\mathrm{\&Delta;}d=d_0(1-\frac{F_n}{E\&CenterDot;S_0})$

可知： $F_n=\frac{(d_n-d_0)E\&CenterDot;S_0}{d_0}$

将上述的将①*C₂-②*C₁得到：

$d_x=\frac{C_2{S}_{10}-C_1{S}_{20}}{2C_2(R_1+R_2)-2C_1(r_1+r_2)};$

由 $\mathrm{\&gamma;}=\frac{\mathrm{\&tau;}}{G}=\frac{F_{\mathrm{\&tau;}}}{G\&CenterDot;S_0}=\frac{d_x}{d_0}=\frac{C_2{S}_{10}-C_1{S}_{20}}{d_{0}2C_2(R_1+R_2)-d_{0}2C_1(r_1+r_2)},$ 所以F_τ为

$F_{\mathrm{\&tau;}}=\frac{(C_2{S}_{10}-C_1{S}_{20})\&CenterDot;G\&CenterDot;S_0}{d_{0}2C_2(R_1+R_2)-d_{0}2C_1(r_1+r_2)}$

2.4切向力的方向判定

2.4.1条状电容单元组状结构和参数设计

为了实现τ_x和τ_y之间切向响应不相互产生影响，驱动电极长度两端预留差位δ₀，因此b_0驱＝b_0底+2·δ₀，其中在b_0驱两端长度预留理论上应保证 ${\mathrm{\&delta;}}_0\&GreaterEqual;d_0\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{y\max }}{G},$ 其计算值为 ${10}^{-5}\&times;\frac{70\&times;{10}^3}{2.4\&times;{10}^6}=2.9\&times;{10}^{-8}m={10}^{-2}um<<1um,$ 故在工艺上应保证b_0驱－b_0底≥0.01mm。为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应产生影响，每个条状电容单元的驱动电极与感应电极在平面布置设置一定的错位偏移，对通过差动消除相互之间的影响。

如图5所示，图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准，取感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，设每根条状电容单元宽为a₀，两条状电容单元之间的槽宽为a_δ，则每根条状电容单元的节距为a₀+a_δ。这样在计算法向电容输出响应时已能保证τ_x和τ_y不对法向电容响应产生影响。而置他们与几何基准线差距均为δ₀(0.1mm)，以保证X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ只产生对τ_x的差动电容输出响应，而Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ则只产生对τ_y的差动电容响应，设置一个初始错位偏移δ_xo，其取值应保证其计算值与δ₀类似，其初始错位偏移均设置δ_xo＝δ_yo＝0.01mm，以保证四个电容单元在τ_x和τ_y切向激励下能产生两组差动电容对。

图8中，一对电容C_L和C_R电极尺寸a₀、b₀、d₀均相同，初始错位偏移δ₀也相同，区别在于左边电容器C_L上层δ₀尖角的指向为+OX，而右边电容器C_R上层δ₀尖角指向-OX。当τ_x＝0时，即图中阴影部分所对应的电容。在此基础上，如在-Fx激励下产生±δ_x的错位偏移，形成如图9所示电容增减效果，

$C_L=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_0\&PlusMinus;{\mathrm{\&delta;}}_x)}{d_0}---\left(10\right)$

图9中，C_L和C_R差动电容对同一个τ_x将产生±δ_x和±△C_τ的响应， $\&PlusMinus;{\mathrm{\&delta;}}_x=\&PlusMinus;d_0\frac{{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}.$ δ₀的大小应满足 ${\mathrm{\&delta;}}_0\&GreaterEqual;\&PlusMinus;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{\&tau;}\max }=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{x\max }}{G}\&CenterDot;d_0,$ 可取δ₀＝10μm，由此，式(8)可修改为

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_{\mathrm{\&tau;}0}\&PlusMinus;\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}{F}_x---\left(11\right)$

式中，为切应力为零时的初始电容，(11)式即为切应力输入输出特性，C_τx与F_x是线性关系，而其灵敏度

由式(11)可知a₀愈小，切向应力响应的灵敏度越大，故本发明电容单元采用由多个条状电容组成的条状电容单元组。

2.4.2切向应力方向计算

C_Ⅰ对C_Ⅱ和C_Ⅲ对C_Ⅳ可以实现两对差动组合，如图10的单元电容对的信号差动示意图，经差动技术处理，差动输出的总响应

$O_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{2{\mathrm{mK\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{a_{0}G}{F}_x---\left(12\right)$

式中，无论是法向激励F_n或切向激励F_y均不对O_τ产生影响，即自动消除了σ_n和τ_y对δ_x的总输出的耦合或干扰。因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符合的电容变化都自动消除。而F_y和F_x对σ_n的干扰可通过上层电极在b₀方向增加几何长度2δ₀消除。

同理， $O_{\mathrm{\&tau;}y}=\frac{2{\mathrm{mK\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{a_{0}G}{F}_y;$

根据O_τx和O_τy的值计算出切向力的方向。

2.4主要材料选择及其特性参数

平行板电容器的结构剖面图类似于三明治结构如图11所示。由图11可知，1为上PCB基板，2为下PCB基板，3为驱动电极，4为感应电极，5为弹性介质。极板距d₀＝0.1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷)超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E＝6.2MPa，而其抗剪弹性模量为G＝4.1MPa，介质极化时相对介电常数ε_γ＝2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量E_铜＝103GPa，故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。

2.5电极引线设计

无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都是接地的，故驱动电极只需共用同一个引出线。圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单元连接，所述圆环电容单元组的每个圆环单独引线与控制单元连接，控制单元根据每个圆环的输出值自由组合进行计算，之后进行求平均得出切向力的大小和法向力大小，在精度要求不高的情况下，圆环电容单元组可以只选择两个最优圆环引出2根引线，通过这两个圆环求出d_x和d_n，从而得出切向力的大小和法向力大小；X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组分别各自通过一个引出线引出与控制单元连接，用于计算切向力的方向。所述控制单元和电容单元之间设有中间变换器，变换器用于设置电压或频率对电容的传输系数。整个电容组件共有至少7个管脚从平面封装的侧面引出，以便整个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。

本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设计。在10×10mm²的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，对电容求和可得到法向Fn的信息，即整个电极板都对求Fn做出贡献，同时又可获得F_x和F_y的信息，从而完整描述一个三维力，按设计参数可以提高一次转换的法向灵敏度和切向灵敏度和最大线性误差。

可移动监测点的工作结构框图如图12所示，可移动监测点中还设有信号发射器，圆环式压力传感器监测到的受力值发送到微处理器，同时，为了扩大监测点的功能，也可以增加的温度、心率或脉搏传感器，传感器均可以和圆环式压力传感器设置在一起，发送监测到的信号给微处理器。微处理器的输出端连接有信号发射器和接收天线，接收的信号经过信号发射器发送到穿戴设备的处理器中，由处理器统计监测点的检测数据并将数据存储在数据库中，方便数据导出和调用。监测点中设有微型电源进行电源供应，可移动监测点整体结构简单、耗电量小，微型电源足够支撑监测点的电能供应工作，为了方便电源充电，本发明中在监测点内设置了接收天线，进行无线充电。处理器的电源上同样设有发射天线，通过天线发射电磁波，监测点中的接收天线接收电磁波转化为电能，充电虽然可以保证监测点的电源时刻保持在满量程状态，但是时刻充电影响监测点的使用寿命，所以本发明在监测点内设置了电量监测单元，微处理器收到电量过低的信号时，会自动开启天线发射充电信号给处理器，微处理器和处理器同时打开进行充电，监测点充满电后，微处理器关闭天线，发射电满信号给处理器，处理器同样关闭发射天线，避免电磁波一直处于工作状态，影响电气元件的使用寿命。如果处理器中的电源电量不足的情况下，处理器也可以通过发射天线进行无线充电，避免了有线充电的麻烦，线路的障碍。

本发明中的处理器同样是可移动的体积小功能等同于显示器的器件，处理器可以随身携带，具有报警和记录待测点信号的功能，处理器可以和手表或手机设为一体结构，这样携带方便又美观。处理器是一个微型信号接收端，具有监测信号超过设定阈值的危险信号时发出警报的功能和存储信号数据功能，同时处理器的电源储电量比微处理器的电源储电量大，处理器作为备用电源为监测点提供电能保证。

处理器的工作结构框图如图13所示，处理器中设有天线、数据库、选择开关、电源，电源和天线连接处理器，电源为处理器工作提供能量来源，同时作为监测点的备用电源，当接收到微处理器发送的低电量信号时，处理器开启天线发送携带电能的电磁波到微处理器中给微处理器充电，当微处理器充电完成后，微处理器发送电满信号给处理器，处理器关闭电磁波信号。处理器接收到的监测点的监测信号和充电信号凡是经过处理器的信号都保存在数据库中，监测点和处理器之间是通过安装通讯协议通信的，所以数据库的数据也可以拷贝出来放在计算机中进行数据分析。选择开关无线控制监测点的工作状态，监测点中的微处理器内设有触发单元，因为监测点有多个，使用者每次可以任意选用几个，随意佩戴在待测点处，不需要每个都佩戴，所以监测点的工作状态需要控制，收到开启信号时，才处于工作状态，所以监测点中设置了触发单元。处理器中的选择开关控制触发单元，处理器中的选择开关对应了监测点进行标记设置的，多个监测点需要分别标记，以免长时间使用其中的一个而不知，或者厂家根据需要在部分在监测点钟进行了改进，这些情况下都需要对监测点进行标记，选择开关中对应了标记的监测点，监测点佩戴在待测点后，使用者在处理器中选择开关项内点击使用的监测点标记，处理器发出触发信号，监测点内的触发单元接收到触发式信号后，监测点开启处于工作状态。触发单元和选择开关的设置是为了区别监测点，记录每个监测点的使用时间，控制监测点的工作状态，避免了监测点一直处于工作状态影响使用寿命。

处理器中还设置了警报单元和阈值单元，阈值单元的数据是提前设定好的警戒线数据，一旦超过阈值数据，警报单元发出警报信号，警报单元除了发出声音警示外，能够发送远程信号到使用者的监护人手机上，警报单元内部设有群发功能，能够将警报信号群发到几个手机上，避免了一个手机恰巧关机的情况发生。处理器内还设有GPS定位单元，当处理器监测到超过阈值信号的数据时，发出的警报信息内包含有GPS定位信息，方便监护人及时找到佩戴者，避免万一情况的发生，如佩戴者受到剧烈撞击、突然昏倒等突发情况。

同时处理器中还设有手动警报按钮，当监测点的佩戴者感觉身体不适或者处于危险状态下，监测点没有及时监测出来的时候，佩戴者可以直接悄悄地按下警报按钮，监护人收到警报信号和定位信息，可以及时赶到。一旦佩戴者手误或者不小心碰到处于无碍状况下，不需要发送警报信号，但是警示声音已经响起，警报信号已经发送，为了减小大家的担心，也可以取消警报信号的发送或者发送安全信息到监护人。所以处理器上还设有一个无碍按钮，当警示声音响起，说明警报信号已经发送，佩戴者感觉身体无碍或者只是不小心，没有必要引起大家慌乱，所以可以点击无碍按钮，重新发送一次无碍信息到监护人手机上，避免监护人的担心和慌乱。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其特征在于，所述监测设备包括：多个可移动监测点，可移动监测点佩戴在服装上附着于皮肤，可移动监测点内设有微处理器和监测待测点受到的压力大小的圆环式压力传感器，圆环式压力传感器连接微处理器，微处理器发送无线信号，圆环式压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，所述条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在圆环电容单元组外基板的四角，控制单元连接可移动监测点的微处理器；

处理器，无线连接可移动监测点接收微处理器发送的监测信号，处理器内设有警报单元和阈值单元，警报单元和阈值连接在处理器，监测信号超过阈值单元设定的值，警报单元发送警报信号。

2.根据权利要求1所述的基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其特征在于，所述圆环电容单元组包括两对以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。

3.根据权利要求1所述的基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其特征在于，所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述条状电容单元的左差位δ_左＝右差位δ_右，且其中d₀为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。

4.根据权利要求1所述的基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其特征在于，所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。

5.根据权利要求1所述的基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其特征在于，所述圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中其中，a_平为平行板的长度，r_圆为圆环电容单元圆环的宽度，a_δ圆相邻两圆环电容单元之间的电极间距。

6.根据权利要求1所述的基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其特征在于，所述圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单元连接，所述圆环电容单元组的每个圆环电容单元的感应电极单独引线与控制单元连接，所述X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别通过一根引出线与控制单元连接。

7.根据权利要求1所述的基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其特征在于，所述可移动监测点中还设有接收天线和触发单元，接收天线连接在微处理器上，可移动监测点通过接收天线充电，触发单元连接微处理器，触发单元控制可移动监测点的工作状态。

8.根据权利要求1所述的基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其特征在于，所述处理器中还包括发射天线和电源，电源和发射天线连接处理器，处理器经过发射天线进行无线充放电。

9.根据权利要求1所述的基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其特征在于，所述处理器中还包括选择开关，处理器中的选择开关是对应于每个可移动监测点设置的，选择开关无线控制可移动监测点的工作状态。

10.根据权利要求1所述的基于圆环式压力传感器的可穿戴健康监测设备，其特征在于，所述处理器中的警报单元中设有语音电路和远程信号电路，处理器通过警报单元的远程信号电路群发信息给穿戴监测设备的监护人。