CN107328494B - 一种微弹体纳米压力传感器及健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微弹体纳米压力传感器及健康监测系统，其微弹体纳米压力传感器压力传感部包括第一组件和第二组件，用于监测人体呼吸、心跳、体动、咳嗽等机械运动并将其转化为电信号；其健康监测系统包括依次连接的微弹体纳米压力传感器、多级放大滤波电路、模数转换模块和通信模块；将微弹体纳米压力传感器获得的交流信号滤波得到呼吸信号、心跳信号和体动信号三路模拟电信号，进行模数转换后由通信模块发送至智能终端，通过对接收的数字信号进行处理分析可以掌握人的呼吸情况、心跳情况、体动情况，可对眠状况、身体状况进行监测，本发明具有柔性便携廉价舒适的特点，可以灵敏地实时监测多种人体生理信号，可在不直接接触人体的情况下正常工作。

Description

一种微弹体纳米压力传感器及健康监测系统

技术领域

本发明属于医学传感及智能医疗技术领域，更具体地，涉及一种微弹体纳米压力传感器及健康监测系统。

背景技术

随着移动互联、智能家居、智能医疗等领域的高速发展，能够监测人体呼吸心跳体动等生命体征信号，并反映心跳、呼吸、睡眠、生命状况的便携非接触式智能健康监护系统备受关注。一方面，通过主动健康监护可以随时知晓受测者身体状况，从而在危险来临之前，给予提醒，避免发生严重生命危险；另一方面，通过远程数据操控，亲人朋友即便身在远方也可以知晓被测者的身体状况，从而给予照顾和关爱。要实现便携非接触式智能健康监护和管理，除了要依赖于现代无线通信和互联网技术，便携、舒适、灵敏、高精度的柔性传感器作为核心部件更是重中之重。

目前，用于监测心跳的常用方法包括声(超声多普勒法)、光(依靠血液光吸收或反射的光电容积法)、电(心电信号)、力(压力传感器)四类。用于呼吸监测的包括鼻气流法、胸阻抗法和压力传感法。体动信号一般采用重力加速度或压力传感器进行检测。如何用一种柔性廉价灵敏的传感器实现对这几种信号的监测，对于集成化智能医疗来说是一个关键问题，对于实现集成化智能健康监护与管理有着极其重要的意义。

传统方法是将多种传感器集成化以实现同时监测呼吸心跳、体动等多种信号，如将监测心电信号的传感器和监测鼻气流的传感器等集成起来，其典型代表就是多导睡眠监测系统PSG。虽然其被定义为业界的金标准，但是该系统复杂昂贵，需要将很多传感器戴在身上，舒适度较低影响睡眠。另一种同时监测多种人体信号的方法是利用灵敏的压力传感器，如微动敏感床垫式睡眠检测系统，该系统主要基于聚偏氟乙烯(PVDF)柔性压力传感器。该系统凭借舒适、便捷，价格低廉、不影响睡眠、操作简单、相对比较准确，信息全面的优势，在便携非接触式柔性智能医疗领域具有很强的竞争力；但PVDF柔性压力传感器的主要缺陷在于信号输出相对较弱，对呼吸及心跳等这些小信号不够敏感，容易造成误判。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微弹体纳米压力传感器及健康监测系统，其目的在于提高现有非接触便携式多功能健康监测系统的灵敏度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微弹体纳米压力传感器，微弹体纳米压力传感器包括第一组件和第二组件；第一组件与第二组件的外侧边缘相连接；

其中，第一组件包括柔性高分子聚合物绝缘薄膜、沉积在该柔性高分子聚合物薄膜上表面的第一金属导电层、以及在第一金属导电层的边缘形成的第一电极；

第二组件包括衬底，设于衬底上表面的具有多个微弹体结构的柔性高分子聚合物薄膜、沉积在该柔性聚合物薄膜上表面的第二金属导电层、在第二金属导电层的边缘形成的第二电极和微弹体结构内部的填充物；柔性高分子聚合物绝缘薄膜的下表面和第二金属导电层的上表面相向设置。

优选的，上述微弹体纳米压力传感器，其柔性高分子聚合物绝缘薄膜的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物，或者为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物CYTOP或派瑞林的聚合物。

优选的，上述微弹体纳米压力传感器，其具有多个微弹体结构的柔性高分子聚合物薄膜的材料为聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物、氟化乙丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯，乙烯四氟乙烯共聚物或聚甲基丙烯酸甲酯。

优选的，上述微弹体纳米压力传感器，其第一金属导电层的材料为铜、铝或氧化铟锡；第二金属导电层的材料为金、银、铜或者铝。

优选的，上述微弹体纳米压力传感器，其微弹体结构内部的填充物质采用低杨氏模量的材料。

优选的，上述微弹体纳米压力传感器，其微弹体结构内部的填充物质采用空气、聚二甲基硅氧烷或共聚酯ECOFLEX；衬底采用多孔或薄膜状聚合物。

优选的，上述微弹体纳米压力传感器，其柔性高分子聚合物薄膜的微弹体结构为半球形、三角形、锥形或正方体。

优选的，上述微弹体纳米压力传感器，其形状呈长条状、圆形、正方形或长方形。

一种微弹体纳米压力传感器，通过多个上述微弹体纳米压力传感器折叠并串联构成。

为实现本发明目的，按照本发明的另一方面，基于本发明提供的微弹体纳米压力传感器提供了一种健康监测系统，包括依次连接的微弹体纳米压力传感器、多级放大滤波电路、模数转换模块和通信模块；

其中，微弹体纳米压力传感器将检测得到的交流电流信号发送给多级放大滤波电路，多级放大滤波电路用于对接收到的交流电流信号进行放大、滤波，获取体动信号、心跳信号和呼吸信号；模数转换模块用于将体动信号、心跳信号和呼吸信号进行模数转换处理，转换成数字信号后经通信模块发送到用户终端；用户终端可根据接收到的信号来分析获取被监测对象的心跳情况、呼吸情况、睡眠情况和/或生命情况；其中，多级放大滤波电路包括依次连接的多级放大电路、50Hz陷波电路和滤波电路。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明所提供的微弹体纳米压力传感器是一种机械换能装置，将人体维持其正常生命产生的机械运动转化成电信号，具有柔性，成本低，便携性强，使用周期长、信号输出大的优点；并在一定压力范围内具有很好的线性响应特性，灵敏度高，能准确监测人体睡眠时的呼吸、心跳以及体动情况；

(2)本发明基于微弹体纳米压力传感器提供了一种健康监测系统，通过将微弹体纳米压力传感器换能输出的交流电流信号进行处理分析后可以对人体呼吸状况、心脏状况、睡眠状况、生命状况进行分析判断；克服现有非接触便携式多功能健康监测系统灵敏度低的问题，从而更准确地监测人体生理信号。

附图说明

图1是实施例1提供的微弹体纳米压力传感器的截面示意图；

图2是实施例2提供的微弹体纳米压力传感器的示意图；其中，图2(a)是实施例2提供的微弹体纳米压力传感器的三维截面示意图；图2(b)是实施例2提供的微弹体纳米压力传感器的截面示意图；

图3是实施例提供的基于微弹体纳米压力传感器的多功能健康监测系统的功能框图；

图4是采用实施例提供的微弹体纳米压力传感器在受测者屏住呼吸时所采集到的心跳信号示意图；。

图5是采用实施例提供的微弹体纳米压力传感器所采集到的信号示意图；其中，图5(a)是受测者体动信号和包含呼吸心跳信息的原始信号示意图；图5(b)为从5(a)中提取的呼吸信号示意图；图5(c)为从5(a)中提取到的心跳信号示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

21-第一组件、22-第二组件、211-柔性高分子聚合物绝缘薄膜、212-第一金属导电层、221-柔性高分子聚合物薄膜、222-第二金属导电层、224-衬底、223-填充物、31-第一组件、32-第二组件、311-柔性高分子聚合物绝缘薄膜、312-第一金属导电层、321-柔性高分子聚合物薄膜、322-第二金属导电层、323-填充物、324-衬底。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是实施例1提供的微弹体纳米压力传感器的截面示意图，该微弹体纳米压力传感器包括第一组件21和第二组件22；第一组件21与第二组件22的外侧边缘相连接；

其中，第一组件21包括柔性高分子聚合物绝缘薄膜211、沉积在该柔性高分子聚合物薄膜上表面的第一金属导电层212、以及在第一金属导电层212的边缘形成的第一电极；第二组件22包括衬底224，设于衬底224上表面的具有多个微弹体结构的柔性高分子聚合物薄膜221、沉积在该柔性聚合物薄膜221上表面的第二金属导电层222、在第二金属导电层222的边缘形成的第二电极和微弹体结构内部的填充物223；柔性高分子聚合物绝缘薄膜211的下表面和第二金属导电层222的上表面相向设置。

实施例1中，柔性高分子聚合物绝缘薄膜211的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物，或者为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物CYTOP或派瑞林的聚合物。

具有多个微弹体结构的柔性高分子聚合物薄膜221的材料为聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物、氟化乙丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯，乙烯四氟乙烯共聚物或聚甲基丙烯酸甲酯。

第一金属导电层212的材料为铜、铝或氧化铟锡；第二金属导电层222的材料为金、银、铜或者铝；微弹体结构内部的填充物质223采用低杨氏模量的材质，譬如：空气、聚二甲基硅氧烷或ECOFLEX；衬底224采用多孔或薄膜状聚合物。

实施例2提供的微弹体纳米压力传感器的结构如图2所示，其中，图2(a)是实施例2提供的微弹体纳米压力传感器的三维截面示意图；图2(b)是实施例2提供的微弹体纳米压力传感器的截面示意图；通实施例2提供的这种微弹体纳米压力传感器过将实施例1提供的微弹体纳米压力传感器折叠并串联构成，可提高灵敏度，节约空间，并且便于封装。

上述实施例中，在组装成微弹体纳米压力传感器前，对柔性高分子聚合物绝缘薄膜进行极化处理，以提高微弹体纳米压力传感器对压力的输出响应；柔性高分子聚合物薄膜的微弹体结构可为半球形、三角形、锥形或正方体。

实施例提供的上述微弹体纳米压力传感器的形状可呈长条状、圆形、正方形或长方形，可通过将多个微弹体纳米压力传感器进行并联或串联以提高灵敏度。可将这种微弹体纳米压力传感器设置在枕头内部或下面，也可以放置在床垫或床单下，或者放置于办公室或者汽车座椅靠背或座位上来对人体信号进行监测。当身体由于呼吸、心跳或体动等微小动作按压或松开该压力传感器使第一、第二组件发生相对位移时，即产生具备一定强度的、携带有对应呼吸、心跳或者体动信息的交流电流信号，该交流电流信号被输送给与之电连接的多级放大滤波电路，再经过模数转换，即可得到包含多种信息的原始信号。

基于本发明提供的这种微弹体纳米压力传感器的健康监测系统的功能框图如图3所示，包括依次连接的微弹体纳米压力传感器、多级放大滤波电路、模数转换模块和通信模块；微弹体纳米压力传感器将检测得到的交流电流信号发送给多级放大滤波电路，多级放大滤波电路对接收到的交流电流信号进行放大、滤波，获取体动信号、心跳信号和呼吸信号，模数转换模块将体动信号、心跳信号和呼吸信号进行模数转换处理，转换成数字信号后经通信模块发送到用户终端；用户终端可根据接收到的信号来分析获取被监测对象的心跳情况、呼吸情况、睡眠情况和/或生命情况。其中，多级放大滤波电路包括依次连接的多级放大电路、50Hz陷波电路和滤波电路；通信模块可采用蓝牙模块来实现，用户终端可使用电脑或者智能手机。

图4所示，是采用实施例1提供的微弹体纳米压力传感器在受测者屏住呼吸时所采集到的心跳信号示意图；图5是采用实施例1提供的微弹体纳米压力传感器所采集到的信号示意图；其中，图5(a)包含是受测者体动信号和呼吸心跳信息的原始信号示意图；图5(b)为从5(a)中提取的呼吸信号示意图；图5(c)为从5(a)中提取到的心跳信号示意图。从这几个图可以看出采用该微弹体纳米压力传感器可以灵敏地对人体生理信号进行监测；通过对图4和图5的人体呼吸和心跳信号进行进一步分析可以得到人体睡眠情况及生命健康情况。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微弹体纳米压力传感器，其特征在于，包括第一组件和第二组件；第一组件与第二组件的外侧边缘相连接；

所述第一组件包括柔性高分子聚合物绝缘薄膜、沉积在所述柔性高分子聚合物绝缘薄膜上表面的第一金属导电层、以及在所述第一金属导电层的边缘形成的第一电极；所述第一组件中柔性高分子聚合物绝缘薄膜预先进行了极化处理，以提高微弹体纳米压力传感器对压力的输出响应；

所述第二组件包括衬底，设于衬底上表面的具有多个微弹体结构的柔性高分子聚合物薄膜、沉积在所述柔性高分子聚合物薄膜上表面的第二金属导电层、在所述第二金属导电层的边缘形成的第二电极和微弹体结构内部的填充物；所述第一组件中柔性高分子聚合物绝缘薄膜的下表面与第二组件中第二金属导电层的上表面相向设置；

所述微弹体结构内部的填充物采用低杨氏模量的材料。

2.如权利要求1所述的微弹体纳米压力传感器，其特征在于，所述第一组件中柔性高分子聚合物绝缘薄膜的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物，或者为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物或派瑞林的聚合物。

3.如权利要求1或2所述的微弹体纳米压力传感器，其特征在于，所述第二组件中柔性高分子聚合物薄膜的材料为聚乙烯-聚醋酸乙烯酯共聚物、氟化乙丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯，乙烯四氟乙烯共聚物或聚甲基丙烯酸甲酯。

4.如权利要求1或2所述的微弹体纳米压力传感器，其特征在于，所述第一金属导电层的材料为铜、铝或氧化铟锡；所述第二金属导电层的材料为金、银、铜或者铝。

5.如权利要求1或2所述的微弹体纳米压力传感器，其特征在于，所述低杨氏模量的材料采用空气、聚二甲基硅氧烷或共聚酯。

6.如权利要求1或2所述的微弹体纳米压力传感器，其特征在于，所述微弹体结构为半球形、三角形、锥形或正方体。

7.如权利要求1或2所述的微弹体纳米压力传感器，其特征在于，所述微弹体纳米压力传感器的形状呈长条状、圆形、正方形或长方形。

8.一种微弹体纳米压力传感器，其特征在于，由多个如权利要求1～7任一项所述的微弹体纳米压力传感器并联或串联构成。

9.一种健康监测系统，其特征在于，包括依次连接的如权利要求1～8任一项所述的微弹体纳米压力传感器、多级放大滤波电路、模数转换模块和通信模块；所述多级放大滤波电路包括依次连接的多级放大电路、50Hz陷波电路和滤波电路；

所述微弹体纳米压力传感器用于将检测得到的交流电流信号发送给多级放大滤波电路；所述多级放大滤波电路用于对接收到的交流电流信号进行放大、滤波，获取体动信号、心跳信号和呼吸信号；所述模数转换模块用于将体动信号、心跳信号和呼吸信号进行模数转换处理，转换成数字信号后经通信模块发送到用户终端；用户终端可根据接收到的信号来分析获取被监测对象的心跳情况、呼吸情况、睡眠情况和/或生命情况。

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