CN108027289A - 柔性电容性压力传感器以及使用该柔性电容性压力传感器的呼吸监视器 - Google Patents

Abstract

一种电容性压力传感器包括第一和第二可互相移位的弹性构件(100、150)，每个具有被薄弹性电介质分开的相应的导电表面。第一构件和第二构件之间的压力诱导接触区域中的变化被用来改变传感器的电容，传感器的电容允许所述两个弹性构件之间的压差的确定。所述两个弹性构件都具有相应的突起，第一弹性构件的突起被设置为与第二弹性构件的突起成互锁关系，并且被配置为使得当弹性构件被压向对方时，所述弹性构件的相应突起逐渐接合并且创建增大的接触区域。

Description

柔性电容性压力传感器以及使用该柔性电容性压力传感器的 呼吸监视器

技术领域

本发明一般地涉及使用柔性传感器将压力转换为电容，并且特别是用于使用这样的传感器来监视身体运动和呼吸的系统和方法。

背景技术

健康护理技术的快速发展增加了对于在不穿戴传感器的情况下经由人体对用具(比如床垫(在睡觉期间)、椅子和沙发)施加的压力来监视呼吸的需要。一些应用要求呼吸信号既是DC的又是质量足够高地相对无噪声的，这使得能够在呼气阶段(例如，吐气)和屏气开始时进行实时检测。这样的应用可以包括例如如用于诱导放松和治疗高血压的被称为RESPeRATE的装置所应用的、使用引导音调的呼气模式修改。该装置在美国专利No.5,800,337中被描述。对于这样的应用，传感器应是足够薄的以至于不会使使用者有任何不舒适；柔性的，因为相关用具和人体这二者通常都是可变形的且柔软的；高度灵敏的，因为呼吸所引出的压力调制是相当小的；并且是便宜的，因为主要市场是针对家用的。由于这些原因，提供AC信号的基于压电的传感器不是最佳的。

将压力转换为电容的柔性传感器似乎是适合于该目的的。一般来说，区域A的被厚度为d的电介质分开的两个导电表面产生与A/d成比例的电容C。Noda等人(美国专利No.7,641,618)公开用于在床上监视心脏/呼吸的基于电容的垫传感器，在该传感器中，电介质是柔性的，由于d在有负载时减小，导致电容C从其无负载值增大。Brunner等人(美国专利No.4,986,136)公开灵敏的基于电容的压力测量系统，该系统具有包括可变形突起的上导电表面，这些突起经由薄电介质接触平坦的下导电表面(图3a)。该结构的电容在对所施加的压力做出响应时增大，因为上导电表面和下导电表面之间的接触区域由于突起变形而增大(图3b)。可替换地，如图8所示，其上导电表面和下导电表面这二者都包含互相对置的平行的条带状逐渐变小的突起，这些突起是相对于彼此定向的，优选地成直角。上表面和下表面中的突起的相应条带是交叉的，从而形成多个电容性单元。传感器的电容因此可以被认为是平行的多行串联电容性单元的矩阵。在上表面和下表面的初始移位中，突起的尖端是无变形的，并且限定非常低的互相接触压力区域。随着表面被推向对方，突起的尖端逐渐变得平坦化，从而创建逐渐增大的压力接触区域。另外，所述两个表面之间的距离减小，这进一步使电容增大。然而，要注意的是，因为所述两个表面的突起是互相偏移的，所以根据需要，它们必须要创建电容性单元的矩阵，只有它们的相应尖端对增大压力接触区域做出贡献。因此，在传感器的使用期间没有任何阶段存在使所述两个表面的对置突起互锁或以其他方式接合的任何能力。

美国专利No.4,852,443公开一种电容性压力灵敏的感测技术和设备，其中携带二维突起阵列的弹性体导电电极紧靠固定的同延合作电极压力变形以产生信号，比如在对于乐器的应用中的音调和声音或对应于在二维表面上施加的动态压力的视觉表示。

美国专利No.4,437,138公开一种力传感器，该传感器包括由结合到可压缩弹性体电介质的金属织物形成的电容器极板。所述金属织物条带是在电介质的相对侧横向延展的条带的形式以提供力传感器的矩阵。金属织物的经线和纬线提高传感器的柔性，但是一个极板的经线和纬线不与另一个极板的经线和纬线互锁或以其他方式接合，或者影响传感器的电容，传感器的电容仅由中间电介质的压缩确定。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种更灵敏的柔性电容性压力传感器。

本发明的另一个目的是在用于以高灵敏度、非常低的信噪比并且在不约束使用者的情况下监视呼吸和其他身体产生运动的设备中使用这样的传感器。

这些目的根据本发明的广泛的方面、通过一种电容性压力传感器来实现，所述电容性压力传感器包括第一和第二可互相移位的弹性构件，每个具有被薄弹性电介质分开的相应的导电表面，其中：

第一构件和第二构件之间的压力诱导接触区域中的变化被用来改变传感器的电容，传感器的电容允许所述两个弹性构件之间的压差的确定；并且

所述两个弹性构件都具有相应的突起，第一弹性构件的突起被设置为与第二弹性构件的突起成互锁关系，并且被配置为使得当弹性构件被压向对方时，它们的相应突起逐渐接合并且创建增大的接触区域。

在一些实施方案中，突起是用凹形腔体来实现的，而在其他实施方案中，突起是用凸形突出来实现的。将意识到的是，凹形结构和凸形结构这二者都可以被认为是突起，因为它们不是形成在弹性构件的表面中的，而是由这些表面形成的。因此，突起是表现为凸形、还是凹形仅取决于对于弹性构件的查看方向：从一侧，突起将表现为凸形突出，而从相反侧，它们将表现为凹形腔体。

本描述和所附权利要求书中所使用的术语“互锁”意味着相对表面中的相应突起以它们不能通过沿着两个互相正交的轴侧向移位被完全分开这样的方式彼此接合。为了形容和阐明这，不要求互锁是紧密的，因此不要求任何程度的侧向移位必须被阻止。突起可以松散地互锁，以使得一定程度的侧向移位是可能的，但是不会达到所述两个表面可以沿着两个轴被完全间分开的程度。

根据本发明的另一方面，提供一种电容性压力传感器，所述电容性压力传感器包括第一和第二可互相移位的弹性构件，每个具有被薄弹性电介质分开的相应的导电表面，所述弹性构件中的每个具有至少一个相应的接触区域，所述相应的接触区域被配置为当压缩被应用于移位的弹性构件时实现压力诱导接触，其中：

所述两个构件之间的接触区域中的变化被用来改变电容，所述电容允许压缩的测量；

第一弹性构件和第二弹性构件的相应接触区域每个都具有至少一个有限的曲率半径；并且

在所述两个弹性构件之间的压力诱导接触的每个点处，所述两个弹性构件的相应的曲率半径全都被定向在相同的方向上。

本发明优于已知结构的主要益处是基于电容性的压力传感器的灵敏度得到提高，这主要是由于当所述表面被压在一起时，互锁突起提供每压力单位的接触面积中的增大的变化速率的事实而导致的。具体地说，突起的侧面上的区域实现互相接触，并且突起可以被成形为确保突起的明显大很多的区域即使在对相对较小的压力增大做出响应时也互相接合。这大大地提高传感器的灵敏度。

在一些实施方案中，弹性构件可以包括具有一维对称性的突起，例如，位于X-Y平面上的平行突起或管状物，或者具有二维对称性的突起，例如，突起具有在X-Y平面上按阵列布置的半椭圆体的形式，或者具有三维对称性的突起，例如，平织(plain weave)结构，或者具有上述实施方案的任何组合的突起。

在一些实施方案中，提供一种使用柔性传感器的睡眠监视器，所述柔性传感器具有至少一个感测单元，所述至少一个感测单元受到使用者身体对一般既可变形的、又是非平面的支撑物施加的压力以试图监视至少包括呼吸运动的期望变量。一些实施方案包括在床垫上或椅子或沙发的背面上使用的垫状柔性传感器；被集成到颈部支撑枕头传感器中的柔性传感器；以及带式呼吸传感器。

在柔性传感器包括多于一个的感测单元的实施方案中，单个的感测单元的电容可以经由复用器被连接到电容到数据转换器，所述复用器操作来按所述系统控制的选定的次序和时序连接感测单元。

在一些实施方案中，多个感测单元被提供来测量随着时间过去的压力分布变化，可能作为对于身体运动的测度。

在一些实施方案中，原始的或经过分析的传感器数据被发送到主机装置，所述主机装置执行以下功能中的至少一个：

·对使用者产生刺激输入，所述刺激输入可以被用来在闭环或开环中影响呼吸和其他身体运动；

●对用具产生刺激输入；向使用者提供指示输入；数据存储以及与远程站点通信；

●接收使用者命令；以及

●经由双向通信控制电子传感器电路的操作。

在原始数据被发送到主机装置的实施方案中，后者还执行数据分析以获得期望的变量。

在一些实施方案中，主机装置是可以使用Bluetooth^TM低能(BLE)技术或另一合适的短距离协议来实现与电子电路的双向通信的手持装置，比如移动电话、iPad、iPod、膝上型计算机等。

在一些实施方案中，主机装置响应于被监视的身体运动实时地产生视听或触觉刺激。使用者以逐渐地导致这些运动在已知对使用者有益的期望方向上的修改的方式与这些刺激身体运动(优选地呼吸)同步。例如，缓慢的呼吸和相对延长的呼气诱导放松和睡眠。将意识到的是，响应于单呼吸模式或多呼吸模式或非呼吸运动产生刺激对于将使用者的注意力从疑惑的想法和干扰入睡或放松的外部刺激转移开可能是有用的。

在一些实施方案中，电子电路分别根据柔性传感器是无负载的、还是有负载的来在不作用状态和作用状态之间切换其操作模式。

在一些实施方案中，来自多个传感器的感测数据的实时的或近似实时的分析被应用来试图选择提供质量最佳的期望变量的传感器。如果需要，选择过程可以被重复，并且使用者可以被通知选择是否失败。在一些实施方案中，所述期望变量指示呼吸。

在一些实施方案中，提供一种睡眠监视器，所述睡眠监视器包括具有多个感测单元的垫状柔性传感器。所述传感器包含与主机装置进行双向通信的电子电路，所述主机装置优选为用于使用自动选择的感测单元以及与呼吸无关的身体运动来监视垫上的身体压力分布、呼吸运动的移动电话。

附图说明

为了理解本发明并且领会在实践中可以如何实施本发明，现在将参照附图、仅通过非限制性的实施例来描述实施方案，其中：

图1是适合于与本发明的实施方案一起使用的现有技术的监视器的框图；

图2是用于图1的系统中所用的感测单元的结构部件的剖面图和图形命名；

图3包括现有技术的感测单元的剖面图以及描绘其在变化的压力下的性能的曲线图；

图4包括根据本发明的一个实施方案的、图1的系统中所用的感测单元的剖面图以及描绘其在变化的压力下的性能的曲线图；

图5是根据本发明的另一实施方案的、图1的系统中所用的感测单元的剖面图；

图6包括根据本发明的另一实施方案的、图1的系统中所用的感测单元的剖面图以及描绘其在变化的压力下的性能的曲线图；

图7包括根据本发明的另一实施方案的、图1的系统中所用的感测单元的剖面图以及描绘其在变化的压力下的性能的曲线图；

图8是根据本发明的另一实施方案的、图1的系统中所用的感测单元的透视图；

图9包括根据本发明的另一实施方案的、图1的系统中所用的感测单元的透视图和顶视图；

图10包括根据本发明的另一实施方案的、图1的系统中所用的感测单元的剖面图和顶视图；

图11包括根据本发明的另一实施方案的、如图4所描述的、图1的系统中所用的感测单元的剖面图和分解透视图；

图12包括根据本发明的实施方案的、在若干个在实践中受到关注的实施方案中图1的系统中所用的感测单元被附连到使用者或用具的透视图；

图13包括根据本发明的实施方案的、图1的系统中所用的柔性传感器及其经由主机装置出现的后果的示意性顶视图和框图；

图14是示出根据本发明的一个优选实施方案的、图1的系统中所用的功能单元的框图；

图15是根据本发明的一个优选实施方案的、参照图14中所用的功能单元示出涉及从感测单元得到期望变量的过程的实施例的框图；以及

图16是根据本发明的实施方案的示出在被表达为从感测单元的电容获得的频率中随着时间变化的典型的呼吸信号的曲线图。

具体实施方式

在以下对一些实施方案的描述中，出现在多于一个的图中的或共享类似的功能性的相同的组件将被用相同的编号引用。

图1图示包括柔性电容性压力传感器1的睡眠监视器，柔性电容性压力传感器1被放置在人体和一般既可变形的、又是非平面的支撑物之间，并且被人体和该支撑物压缩。传感器1包括至少一个感测单元2，每个感测单元2通过增大其电容来对局部压缩做出响应。感测单元2被连接到合适的换能器3，换能器3将电容变化转换为对应的信号。该信号通常是其频率是电容的函数的可变频率信号，并且被数据处理电路4处理以提供电容或其函数的测度。通常，数据处理电路4对信号进行采样和求取平均值，并且提供与施加于感测单元2的局部压力的时间变化相关的期望变量，例如呼吸、心跳以及从随着身体运动的压力分布推导的变量。

现在参照图2，图2提供用于图1的系统中所用的感测单元2的结构部件的图形命名以便简化各种实施方案的描述。图2a示意性地图示包括两个弹性构件100和150的感测单元2的结构，每个弹性构件分别具有可变形的弹性主体110和130以及表面120和140。表面120和140是导电的，但是通过薄弹性电介质层170彼此隔离。电介质层可以被层压在这些表面中的至少一个上以形成表面的一体部分，或者它可以是在所述两个层之间分开所述层、但不会降低它们的弹性的物理屏障。表面120和140被发现在一个或更多个接触区域处彼此接触，其中接触区域的总面积增大以使感测单元2的压缩更大。要注意的是，表面120和140至少在在期望压力范围(用粗线标记)内产生的最大接触区域处是导电的，并且每个表面中的所有导电区域都是互连的。表面120和140或主体110和130，如果导电，分别经由导体180和190被电连接到换能器3，换能器3将电容转换为数据。值得注意的是，在给定压力下，传感器对于检测压力变化的灵敏度由感测单元2的电容C与压力变化ΔP的相对变化速率(即，(ΔC/C(P))/ΔP)确定。因为感测单元2的大部分电容是在接触区域处产生的，所以该灵敏度表达总接触面积与压缩的相对变化速率。

图2b图示根据感测单元2的优选几何结构和可制造性、可以适合于感测单元2的主体和表面的若干个可选结构。这可以包括由例如注射的或挤出的热塑性弹性体制成的主体110或130填充的或空心结构以及被压印到弹性圆屋顶状突出中的由例如展性材料制成的敞开结构。在主体由导电材料(例如，导电聚亚安酯泡沫)制成的情况下，其朝向另一个主体的表面可以被盖覆薄弹性电介质膜160，例如，热层压的5-30微米的弹性体膜。在主体是绝缘体的情况下，它必须被盖覆弹性的且导电的层170，例如，弹性导电织物。将意识到的是，只有一个弹性构件必须包括电介质层160。值得注意的是，为了本发明的目的，弹性构件的良好导电性不是必需的，这可以相当大地降低传感器材料的成本。因为根据本发明，弹性构件110和130的表面彼此摩擦，所以可以存在添加用于在至少弹性构件之间的可能接触的区域中减小摩擦的薄外层165(例如，通过添加Teflon的喷涂层或膜)的优点。

图2c图示弹性构件100和150的二维阵列的实施例，其中任何相邻对(pairs)的弹性构件100和150如上面参照图2a描述的那样，分别用沿着Y方向和X方向的不同接触区域I和II进行操作，其中接触I是将被第一个建立的。如图1所示，这样的阵列可以产生柔性传感器1或传感器2。图2c中描绘的结构构思可以被扩展到三维阵列是不证自明的。

通过该理解，如果需要，以下公开的实施方案可以通过仅图示表面线、标记接触区域并且省略电导体180和190来简化。应注意的是，尽管图1和2示出本身是已知的特征，但是，就类似的特征也被用在本发明的不同实施方案中而言，相同的性质或替换物也适用于本发明。例如，电介质可以被沉积在弹性构件中的一个上，或者它可以用使极板分开、但是不会降低它们接合以及它们的相应突起互锁的能力的超薄弹性屏障来实现。

还将理解的是，以下原理在仅用于阐明这些原理的若干个实施方案中被展示，但是可以在还包括实施方案组合的其他不同实施方案中被实现。

现在参照图3a，图3a示意性地图示如美国专利No.4,986,136所示的已知的电容性传感器2的操作原理。该传感器包括导电的第一弹性构件100，包括一系列圆润的或逐渐变小的突起200，这些突起200可以表示平行结构的剖面。突起200经由电介质层与第二导电柔性弹性构件500形成压力接触。在最小压力(用箭头表示)下，接触区域I(用虚线矩形标记)被建立于突起200和弹性构件150之间。图3b图示突起200在更大的压力下的变形。结果造成的压缩使接触区域I的面积增大。图3c示出通过在表征人体在床垫上的压力范围上对这样的传感器2进行测试而产生的、每一面积单位的以微微法拉为单位的电容C的变化以及每一面积单位的以百分比为单位的灵敏度(ΔC/C(P))/ΔP。这些曲线在后面将被称为“性能曲线”。

图4a示意性地图示根据本发明的实施方案构造和操作的传感器2的结构。两个弹性构件100和150都包括相应的圆润的互锁突起200和250，这些突起可以具有或者可以不具有相同的大小和形式，但是在这里为简单起见被呈现为相同的。在最小压力下，接触区域I在突起200和250的两侧都是呈对角线的。图4b和图4c示出当增大压缩时，区域I增大，同时在某个时刻，额外的接触区域II被产生。所得的性能曲线在图4d中被示出。该实施方案的灵敏度远大于从图3c获取的并且被用虚线曲线示出的现有技术的传感器的灵敏度，尤其是在优选用于检测躺在床垫上的人中的呼吸的低压处。值得注意的是，灵敏度曲线可以通过改变突起200和250之间的间隙来修改，因为更大的间隙使接触区域II更容易出现，反之亦然。

现在参照图5a，图5a示意性地示出根据另一实施方案构造和操作的感测单元2的结构。两个弹性构件100和150分别包括圆润的互锁突起200和250，这些突起具有基本上相同的高度和近似平行的侧面。在最小压力下，突起200和250分别触摸相对的构件150和100，从而产生接触区域I，但是如所示，它们不彼此触压。图5b和图5c图示接触区域I的大小响应于压力增大而逐渐地增大，这表明在足够高的压缩下，当突起200和250彼此触压时，新的接触区域II在垂直方向上被形成。这使传感器单元2的灵敏度较于到目前为止提出的与图4所示的传感器类似的传感器提高。值得注意的是，对于这里所示的形式的变形，中空突起200和250已经被发现是特别有效的。

现在参照图6a，图6a示意性地图示根据另一实施方案构造和操作的感测单元2的结构，该结构在一个方面不同于图5a所示的形式：突起200的高度小于突起250的高度。结果，在最小压力下，接触区域I仅在弹性构件100上被产生。图6b示出在升高的压力下，接触区域II在弹性构件150上被产生。图6c示出在进一步的压缩下，图5c所示的类型的额外的接触区域III被产生。图6d示出每一cm²的电容的压力依赖性以及传感器单元2的灵敏度，该灵敏度远大于图4d所示的实施方案的现有技术的传感器(虚线)。

现在参照图7a，图7a示意性地图示根据另一实施方案构造和操作的感测单元2的结构。这里还提供一对互相互锁的部件，但是它们在以下方面不同于图3a所示的那些(现有技术)：弹性体100是不平坦的，但是包括凹形结构200，这些凹形结构200包围提供于弹性构件150中的互补凹形结构250。如前面所解释的，凹形结构和凸形结构200、250这二者都可以被认为是突起。接触区域I在最小压力下被产生。图7b图示部件200和250在更大的压力下的互相变形，该变形使接触区域I增大。图7c图示该实施方案的独特性质——检测以不同角度施加的力，即与人体的边缘对可变形支撑物(比如床垫)施加的压力相关的情况。这样的传感器位置表现为对检测呼吸最为灵敏。图6d示出该实施方案的性能曲线。灵敏度在低压处大于现有技术的传感器，但是在更高的压力下是类似的，甚至是更低的。值得注意的是，该感测单元在低压处的灵敏度是由部件200和250在区域I处的曲率和弹性之间的差异控制的。通过使单元200和250的曲率接近，即使是很小的压力也将使接触区域I的面积相当大地增大，这意味大的低压灵敏度。

现在参照图8a，图8a示意性地图示根据另一实施方案构造和操作的传感器1的结构，该结构与图7所示的实施方案共享一定的相似性。它包括被弹性构件200包围的具有圆形剖面的圆柱形弹性构件150，弹性构件200为具有比构件150的剖面尺寸大的尺寸的圆形或椭圆状剖面的空心圆柱体的形式，以使得在最小压力下，弹性构件100和150形成接触区域I。电导体180和190被示意性地标记。接触区域I在更大压力下的增大以及用于提高低压灵敏度的基本原理与图7所示的前一个实施方案中公开的是相同的。该传感器单元是自足式的，并且可以被用在有利于在沿着线的相对较长的距离上进行压力检测的应用中。两个构件100和150都可以优选地通过挤出被制造为圆柱体的形式。虽然构件150必须是空心的，但是构件100可以被填充以确保传感器在弯曲下的机械稳定性。无负载的传感器1具有由构件100和150之间的随机接触产生的最小电容。当压力仅被施加于传感器1的一部分中时，这是重要的问题。该实施方案对施加于不平行于其轴的所有方向上的力做出响应。

现在参照图9，图9示意性地图示根据另一实施方案构造和操作的感测单元2的透视图和顶视图。该实施方案与图7和图8所示的实施方案共享一定的相似性，但是不同之处在于以下特征：每个都具有互相对齐的朝向向外的突起200和200’的两个弹性构件100和100’被背靠背地并置以使得这两个构件的相应突起形成包围管状弹性构件150的“通道”。弹性构件100和100’可以根据图2b中详述的选项来制造。该实施方案可以适合于大小相对较大的感测单元2。该图还示意性地图示电导体180和190的位置，其中导体180是两个弹性构件100和100’共有的，而弹性构件150中的每个具有它自己的导体190。这样，沿着线施加的压力的加权平均值可以被检测到。

现在参照图10a，图10a示意性地图示根据另一实施方案构造和操作的具有平织结构的柔性传感器1(或感测单元2)的顶视图。所有的弹性构件150被示为X方向上的黑色条带，而弹性构件100在Y方向上。图10b图示弹性构件100和150在剖面图(顶部)和顶视图(底部)中的交点。该交点是传感器在零或最小压力下的基本感测部件，其中构件100和150在X-Z或Y-Z平面中的曲率在概念上类似于图7所示的曲率。图10c示出在使接触区域I的面积增大的升高压力下的相同结构。接触区域具有三维形式的鞍状物。在该实施方案中，传感器优选由具有圆形剖面的柔性纤维制成以确保机械稳定性，并且可以通过按照图2b中呈现的选项的挤出来制造。这种纺织品状传感器是极其柔软的，并且既对在Z方向周围以某个角度施加的压缩、又对沿着X轴或Y轴施加的张力做出响应。值得注意的是，传感器在低压下的灵敏度随着编织结构的密度增大而增大，因为构件150变得围绕构件100更多地包裹，反之亦然(图10b顶部)。

将意识到的是，其他类型的编织结构可以被本领域技术人员按照这里所描述的原理构造。

现在参照图11，图11图示被嵌入在根据本发明的实施方案构造和操作的柔性传感器1中的、如图4所描述的感测单元2的一个实施例的分解和剖面图。柔性传感器1包括非导电弹性片300，感测单元2被以机械稳定的方式附连到非导电弹性片300，并且非导电弹性片300包含电导体180和190。弹性构件150包括被附连到弹性片300的平坦的基部以及空心的突起250。弹性构件100具有平坦的顶部和空心的突起200、斜面210以及被附连到弹性片300的基部220。弹性构件100和150分别被电连接到导体180和190，例如经由点230和260处的铆钉，但不形成彼此电接触。适合于弹性构件的表面结构的选项如上面参照图2b所描述的那样。如所示，弹性构件100的结构使得无负载的感测单元2的电容能够通过保持如所示的突起200和250之间的初始间隙255而被最小化。为了在柔性传感器1上均匀地分布所施加的压力，弹性片300被覆盖传感器垫400，传感器垫400可以为泡沫或任何弹性结构，该泡沫或结构优选地具有与感测单元2的厚度对压力依赖性类似的厚度对压力依赖性，并且弹性片300被嵌入在传感器垫400中的大小适当的孔中。优选地，垫400的无负载厚度略大于感测单元2的无负载厚度，这留下间隙410，间隙410与间隙255一起确定产生接触区域所需的最小压力。

将意识到的是，图11所示的实施方案也可以与图5和图6所示的传感器单元一起使用。在与图11中描述的实现类似的另一实现中，突起250可以具有半椭球体以及根据图2中描述的原理在选定的功能域处的电介质层的形式，这些半椭球体可以被压印在弹性片300中，弹性片300由事先被覆盖弹性导电织物的热塑性弹性体制成。

现在参照图12，图12图示四个实施方案，在这些实施方案中，使用者的身体使柔性传感器受到压力，该压力的小部分是由由于呼吸运动产生的压力变化引起的。传感器输出(用箭头标记)可以用作对于需要呼吸模式的高质量监视的产品的输入。

图12a图示当以背卧位、俯卧位或侧卧位躺下时被放置在床单上方或下方的床垫500上以及使用者的躯干下方的、垫形式的柔性传感器。该传感器可以包括单个或多个感测单元2(未示出)。将意识到的是，这样的垫传感器可以具有覆盖整个床垫的床单的形式。此外，传感器垫可以被放置在具有引起呼吸相关头部运动的结构的枕头的下面或下方。

图12b图示类似的传感器垫，该传感器垫以感测单元被紧靠使用者的背部安置的方式被自由地放置在沙发510的背面上。图12c图示用于行进的颈部支撑枕头520，该枕头被使用者的颈部紧靠头部/背部支撑椅子530的背部压缩。感测单元2被附连到颈部支撑枕头520或者被集成到颈部支撑枕头520中。图12d图示通常被围绕躯干穿戴的弹性带传感器540，该传感器将由呼吸运动诱导的躯干圆周变化转换为带中的拉伸变化。集成到带中的感测单元2被同时拉伸和压缩。意识到的是，针对特定应用的特定传感器单元2的选择取决于所涉及的力的类型、幅度、方向性和空间展度以及期望的变量。

现在参照图13，图13示意性地图示包含至少一个根据本发明的实施方案构造和操作的感测单元2的柔性传感器1的大体结构。感测单元2包括经由专门的应用(“App”)与主机装置700(优选为移动电话)或具有类似功能性的任何其他装置(例如，iPad、iPod、膝上型计算机等)进行双向通信(优选无线)的传感器。意识到的是，经由线缆的有线通信也是可能的。

所述感测单元2中的每个用作传感器电路450的输入。在实践中，如所示，所述电导体180或190中的一个可以是所有感测电路2共有的。电路450至少执行将电容转换为用于选定的感测单元2的数据的电容转换功能，并且还可以对数据处理以及与移动电话700的双向通信中的一些进行处理。

电路450优选由一次性的或可再充电的电池通电。按钮460可以被提供用来手动地启动或停用所述系统，所述系统的状态可以通过动态LED的排列来向使用者指示，如果需要的话。柔性传感器1和电路450优选地被覆盖物470包围，覆盖物470保护各种传感器零部件，并且根据应用使传感器变为舒适的和美观的，例如，对于图12a和12b所示的应用，它优选地是可机洗的。

主机装置700(优选为移动电话)可以出于以下目的进一步对传感器数据进行处理：i)计算期望的变量，包括例如单呼吸模式特性和多呼吸模式特性以及对于例如确定睡眠结构和质量以及关于异常呼吸的标记可能有用的身体运动；ii)响应于经过分析的数据和使用者命令控制电路450的操作，并且向使用者提供指示输入和反馈，例如，传感器与App的连接状态、电池变化的状态和呼吸检测的状态以及呼吸特性随着时间的过去的变化水平；iii)从经过处理的数据产生对于使用者的刺激输入以便通过经由如本发明人在美国专利No.5,076,281和5,800,337中所公开的音调或其他刺激产生对于呼吸运动的引导来修改呼吸模式以诱导例如放松或趋向于引起警觉的刺激，例如，当检测到延长的呼吸暂停时唤醒使用者；iv)存储数据并且与远程站点通信，包括例如将原始的和经过分析的数据上传到iCloud、与其他使用者共享数据、以及通过互联网与技术支持通信等等；以及v)响应于通过数据分析产生的测度向用具提供刺激，这在所谓的“智能家庭”中是可能的。例如，App可以根据检测到的睡眠阶段开启/关闭灯和无线电，或者当使用者在晚上下床时开启最小灯光，并且从而使传感器卸载。

现在参照图14，图14是示出例示说明图13的系统中所用的监视器在与移动电话700进行无线通信的情况下的操作的实施方案的电路的功能单元的框图。复用器600按照选定的次序和时序将不同的感测单元连接到电容到频率转换器610。转换可以用标准方法(例如，Schmidt触发反相器振荡器)来进行，其中输出频率与感测单元电容相互相关，因此在功能上与施加于感测单元上的压力相关，如例如图6d所示的那样。

采样单元620在给定的时间窗口中对该频率进行采样，并且可以对几个连续的采样求取平均值以获得每一感测单元在该时间点的平均频率。

单元600、610和620建立图3所示的电容转换为数据电路3。这些数据被模式检测单元630分析，模式检测单元630推导期望的变量。单元630等同于图3所示的数据处理电路4。包括期望变量和各种状态指示符的数据被无线地发送到移动电话700，优选地经由Bluetooth^TM低能芯片(BLE)640。意识到的是，如上所述，模式检测单元630的功能(其全部或部分)也可以由移动电话700执行。BLE从移动电话700接收包括控制构成电路450的其他单元的操作的参数的命令。START(开始)命令可以被手动地提供给BLE，例如，通过按下按钮460，或者通过加载柔性传感器1，前提条件是电路450处于“休眠”状态。意识到的是，就单个感测单元来说，例如，就图12d所示的带传感器来说，不需要复用器。

现在参照图15，图15是示出涉及从如由采样单元620产生的对应于感测单元2测得的电容的频率信号得到期望变量的过程的实施例的框图，所述频率信号在下文中将被称为“信道”(CH)。该图是根据图15所示的本发明的实施方案构造的。在开始时，所有信道都按照给予复用器的命令被单元621循环地扫描。如果所有信道的频率都低于给定阈值，则意味着没有负载被放置在柔性传感器1上。例如，如果使用者在上床之前开启图12a所述的系统或者在使用所述系统期间离开支撑物(图12a和12b)，或者当图12d所示的带变得松散时，这可能发生。在这些情况中的任何一种情况下，单元622都将向使用者提供用于阐明情形的指示输入#1。在单元622发现至少一个CH频率大于阈值(即，至少一个感测单元2被加载)的情况下，然后三个过程同时开始：i)单元625对表示加载的感测单元的所有CH进行分析以试图检测可以表示呼吸活动的CH。这样的分析例如在美国专利No.5,800,337中被公开；ii)通过启动计时器单元623来提供对于该分析的时间限制。在使用者将柔性传感器1放置在呼吸运动不能被检测到的位置上的情况下，时间将超过预定阈值T1(单元624)，并且使用者将被用指示输入#2通知；iii)按预定时间间隔提供所有信道的值。这些值引用使用者身体对柔性传感器1产生的时间相关压力分布。该分布随着时间的变化可以被用来监视已知与睡眠结构和质量相关联的身体运动。该任务由单元634处理。在单元625在若干个信道中检测到呼吸活动的情况下，单元626选择最适合于呼吸监视的CH，例如，选择具有最大稳定性或信噪比的CH。在单元634确定的压力分布的时间变化比呼吸所需的压力分布的时间变化慢得多或者没有关系的情况下，选择呼吸监视CH的单元可以向复用器提供仅连接选定的CH的命令。注意的是，本流程图被连续地应用，所以被检测的呼吸的任何损失都使检测呼吸所需的过程的相关部分重新开始。单元632和634提供的数据(原始的和经过分析的这二者)用作BLE的输入。意识到的是，该流程图的所有或一些部分可以由一般说是主机装置700或具体说是移动电话处理，并且BLE作用仅仅是发送信道的频率，该频率是由单元620产生的。还意识到的是，在柔性传感器1包括单个感测单元2的情况下，不需要复用器，并且在图14和图15中呈现的方案中存在其他明显的简化。

现在参照图16，图16图示根据本发明的实施方案的使用者在自发呼吸下的典型的呼吸信号，该信号被表达为在从感测单元2的电容获得的频率中的随着时间的变化。值得注意的是，呼吸振幅为对应于大约15gm/cm²的压力的平均频率的大约3％，该压力是根据本发明构造的感测单元尤其灵敏的低压范围。此外，如所示的呼吸信号表示没有滤波或其他过程已经被应用于其的原始数据。

将意识到的是，柔性传感器1可以以使得能够确定心率的方式频繁地检测心跳。然而，这不是检测心跳的最佳方式。因此，还将意识到的是，额外的传感器可以被集成到柔性传感器1中。例如，有效地监视心率和身体运动的压电膜。这样的组合对于一些健康护理应用可以是重要的。

将进一步意识到的是，柔性传感器1如果足够大，例如为大床垫上的床单的形式，那么可以在多于一个的使用者(例如，母亲和她的孩子)中检测期望的变量。被同时监视的使用者之间的区别可以通过使用在不同位置处被集成到柔性传感器1中的心率监视器来容易地进行。

将意识到的是，通过柔性传感器1的分析而产生的额外的期望变量可以是呼吸结构(单模式和多模式)和压力分布模式中的动态变化之间的时间相关性。例如，婴儿中的咳嗽、呕吐和窒息有可能由这样的相关性体现，这表明本发明对于可能导致死亡的高风险状态(例如，婴儿猝死综合征(SIDS))的早期检测具有可能性。

还要注意的是，虽然已经提及本发明优于现有技术的各种区别，但是这些区别不应被解释为优于现有技术的仅有区别。

本领域技术人员将意识到的是，本发明不受上面已经具体示出和描述的内容的限制。相反，本发明的范围仅由所附的权利要求书限制。

Claims (15)

1.一种电容性压力传感器，所述电容性压力传感器包括第一和第二可互相移位的弹性构件(100、150)，所述弹性构件每个具有被薄弹性电介质分开的相应的导电表面，其中：

所述第一构件和所述第二构件之间的压力诱导接触区域中的变化被用来改变所述传感器的电容，所述传感器的电容允许所述两个弹性构件之间的压差的确定；并且

所述两个弹性构件都具有相应的突起，所述第一弹性构件的所述突起被设置为与所述第二弹性构件的所述突起成互锁关系，并且被配置为使得当所述弹性构件被压向对方时，所述弹性构件的相应突起逐渐接合并且创建增大的接触区域。

2.如权利要求1所述的传感器，其中所述第一弹性构件的相应突起是凸形的，并且所述第二弹性构件的相应突起要么是凸形的，要么是凹形的。

3.如权利要求1所述的传感器，其中所述第一构件的相应突起具有指向第一方向的曲率半径，并且所述第二构件的相应突起具有指向与所述第一方向相反的第二方向的曲率半径。

4.如权利要求1所述的传感器，其中所述第一构件和所述第二构件的相应突起具有指向相同方向的曲率半径。

5.如权利要求1至4中任一项所述的传感器，其中所述压力诱导接触区域是非平面的。

6.如前述任一项权利要求所述的传感器，其中所述第一弹性构件和所述第二弹性构件(100、150)是管状的，并且所述第二弹性构件被设置在所述第一弹性构件之内。

7.如权利要求1至6中任一项所述的传感器，包括至少一对所述第一弹性构件(100、100’)，其中：

所述第一弹性构件(100、100’)中的每个具有互相对齐的朝向向外的突起(200、200’)，所述突起(200、200’)被背靠背地并置以使得所述两个构件的相应突起形成容纳相应的第二弹性构件(15)的通道；并且

所述第二弹性构件(150)中的每个是管状构造。

8.如权利要求1至7中任一项所述的传感器，其中所述第一弹性构件和所述第二弹性构件是圆柱形，并且被编织结构互锁。

9.如权利要求1至8中任一项所述的传感器，其中所述第一弹性构件和所述第二弹性构件是彼此移位的，并且被配置为只响应于大于第一预定阈值的压力形成初始压力接触。

10.如权利要求1至9中任一项所述的传感器，其中最初彼此移位的所述第一弹性构件和所述第二弹性构件的相应区域被配置为只响应于大于第二预定阈值的压力形成初始压力接触。

11.一种电容性压力传感器，所述电容性压力传感器包括第一和第二可互相移位的弹性构件(100、150)，所述弹性构件每个具有被薄弹性电介质分开的相应的导电表面，所述弹性构件中的每个具有至少一个相应的接触区域，所述相应的接触区域被配置为当压缩被应用于所述移位的弹性构件时实现压力诱导接触，其中：

所述两个构件之间的所述接触区域中的变化被用来改变电容，所述电容允许所述压缩的测量；

所述第一弹性构件和所述第二弹性构件的相应接触区域每个都具有至少一个有限的曲率半径；并且

在所述两个弹性构件之间的压力诱导接触的每个点处，所述两个弹性构件的相应的曲率半径全都被定向在相同的方向上。

12.如权利要求11所述的传感器，其中所述第一弹性构件和所述第二弹性构件是彼此移位的，并且被配置为只响应于大于第一预定阈值的压力形成初始压力接触。

13.如权利要求11或12所述的传感器，其中最初彼此移位的所述第一弹性构件和所述第二弹性构件的相应区域被配置为只响应于大于第二预定阈值的压力形成初始压力接触。

14.一种用于监视呼吸或身体压力分布的设备，所述设备包括如前述任一项权利要求所述的电容性压力传感器。

15.如权利要求14所述的设备，至少部分是由可编程手持装置实现的，所述可编程手持装置比如为计算机或智能电话。