CN108051107A - 一种柔性温度阵列传感器及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性温度阵列传感器及监测系统，热敏电阻测量点、金属电极引线和柔性基底层，多个热敏电阻测量点在柔性基底层的上表面呈阵列排布，每个热敏电阻测量点为将金属半导体材料溅射在柔性基底层的上表面形成的区域；每个热敏电阻测量点的下表面引出多条金属电极引线，热敏电阻测量点的上表面和柔性封装层贴合。本发明能实现多点测量温度且灵敏度高，体积小，制造简便；能实现可穿戴，便于保存、携带与运输，适于大规模的生产制造。

Description

一种柔性温度阵列传感器及监测系统

技术领域

本发明涉及温度检测领域，更具体地，涉及一种柔性温度阵列传感器及监测系统。

背景技术

一直以来体温为医生提供了患者相关的生理信息，因此作为医疗诊断中最重要的参数之一受到重点关注。特别是对于实现人体温度持续监测，随时掌握病人温度变化情况，对于及时治疗和用药有重大的医学意义。另外，对于儿童或长期患病者在家里进行体温监测，可以及时有效地发现健康状况的变化，提前做出预防性措施。

常用的体温测量方法为水银温度计、热敏电阻温度计和红外温度计等。水银温度计主要由于存在水银泄漏的风险容易对人体产生二次伤害，反应时间长，需要手动固定测量。红外温度计容易受到环境变化的影响而精度较低，结构复杂，体积较大，不能持续检测。

目前采用可弯曲柔性热敏电阻式温度计，能对人体温度长期持续测量，满足穿戴需求，一般的热敏电阻温度计单点测量的方法容易受到偶然因素影响，测量结果不准确，可能对最终的诊断产生较大的影响；且一般通过涂覆法制作热敏电阻温度计，使得热敏电阻传感温度计薄膜较厚也不均匀，使得热敏电阻温度计灵敏度较低，不适于温度变化较小的环境测量；不适于用作穿戴式体温测量场景。

发明内容

为了解决目前热敏电阻温度计多采用涂覆法制作而使得不适于温度变化较小的环境测量，同时多采用单点测量使测量结果不准确的问题，一方面，本发明提供了一种柔性温度阵列传感器，包括：热敏电阻测量点、金属电极引线和柔性基底层，多个互相分隔的热敏电阻测量点在柔性基底层的上表面呈阵列排布，每个热敏电阻测量点为将金属半导体材料溅射在柔性基底层的上表面形成的区域；每个热敏电阻测量点的下表面引出多条金属电极引线。

优选地，本柔性温度阵列传感器还包括：柔性封装层，柔性封装层与热敏电阻测量点的上表面贴合。

优选地，柔性基底层为聚甲基二硅烷、聚亚酰胺、耐高温聚酯或聚对二甲苯；柔性基底层为长方形、正方形或圆形；柔性基底层厚度为0.05-0.5mm。

优选地，热敏电阻测量点为钒氧化物、Mn-Co-Ni-O系过渡族金属氧化物、Co-Mn过渡金属氧化物、Mn-Co-Ni-Cu-O金属氧化物；热敏电阻测量点为圆形、方形、之字形或正弦形。

优选地，金属电极引线通过粘贴或印刷的方式从热敏电阻测量点的下表面引出并与柔性基底层的上表面固定连接，金属电极引线的直径为0.01-0.05mm；金属电极引线为铝、铜、金或银。

另一方面，本发明还提供了一种包括本柔性温度阵列传感器的柔性温度阵列监测系统，包括：柔性温度阵列传感器、外围柔性电路和信号接收与显示设备，外围柔性电路分别与柔性温度阵列传感器和信号接收与显示设备连接，

柔性温度阵列传感器，用于采集多个热敏电阻测量点的温度值，并传输给外围柔性电路；

外围柔性电路，用于处理柔性温度阵列传感器采集的温度值；

信号接收与显示设备，用于接收并显示外围柔性电路处理后的温度值，且根据外围柔性电路处理后的温度值实现判断和预警功能。

优选地，外围柔性电路包括：依次连接的微处理模块、电池和电源管理模块和无线通信传输模块；微处理模块、电池和电源管理模块和无线通信传输模块分别与柔性基底层的表面贴合；柔性温度阵列传感器包括金属电极引线，金属电极引线从热敏电阻测量点的下表面引出并与微处理模块连接；微处理模块用于将多个热敏电阻测量点的温度值与预设数值对比，去除奇异点后取平均值；奇异点为与预设数值相差10％以上的热敏电阻测量点的温度值；无线通信传输模块用于将微处理器模块处理后的温度值传输给信号接收与显示设备；电池和电源管理模块用于为柔性温度阵列传感器和外围柔性电路提供电能。

优选地，柔性温度阵列传感器、外围柔性电路和信号接收与显示设备之间通过有线或无线方式进行信号传输。

本发明提供了一种柔性温度阵列传感器及监测系统，通过将金属半导体材料溅射在柔性基底层的上表面形成多个互相分隔的呈阵列排布的热敏电阻测量点，从每个热敏电阻测量点的下表面引出多条金属电极引线，热敏电阻测量点的上表面和柔性封装层贴合。本发明能实现多点测量温度且灵敏度高，体积小，制造简便；能实现可穿戴，便于保存、携带与运输，适于大规模的生产制造。

附图说明

图1为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列传感器的结构示意图；

图2为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列传感器的侧视图；

图3为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列传感器的俯视图；

图4为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列传感器的俯视图；

图5为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列监测系统的组成示意图；

图6为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列监测系统的外围柔性温度的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

目前采用可弯曲柔性热敏电阻式温度计，能对人体温度长期持续测量，满足穿戴需求，一般的热敏电阻温度计单点测量的方法容易受到偶然因素影响，测量结果不准确，可能对最终的诊断产生较大的影响；且一般通过涂覆法制作热敏电阻温度计，使得热敏电阻传感温度计薄膜较厚也不均匀，使得热敏电阻温度计灵敏度较低，不适于温度变化较小的环境测量；不适于用作穿戴式体温测量场景。

图1为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列传感器的结构示意图，如图1所示，一方面，本发明提供了一种柔性温度阵列传感器，包括：热敏电阻测量点1、金属电极引线2和柔性基底层6，多个互相分隔的热敏电阻测量点1在柔性基底层6的上表面呈阵列排布，每个热敏电阻测量点1为将金属半导体材料溅射在柔性基底层6的上表面形成的区域；每个热敏电阻测量点1的下表面引出多条金属电极引线2。

其中，溅射是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，而上世纪70年代发展起来的磁控溅射法更是实现了高速、低温、低损伤。因为是在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。

溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E(电场)×B(磁场)所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。

溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。

具体地，柔性基底层6的表面呈阵列排布多个热敏电阻测量点1，热敏电阻测量点1为通过溅射的方法在柔性基底层6的表面的一层薄膜区域，通过溅射的方法获得的薄膜纯度高、致密性好且厚度均匀，与柔性基底层6结合较好；且溅射镀膜工艺简单方便。

通过在柔性基底层6的表面溅射形成多个热敏电阻测量点1，减小传感点的体积，且可根据实际情况在每个需要测量温度的位置设置一个热敏电阻测量点1，方便灵活；且能根据多个热敏电阻测量点1，实现多点测量，使测量结果更为准确。

本发明提供了一种柔性温度阵列传感器及监测系统，通过将金属半导体材料溅射在柔性基底层的上表面形成多个互相分隔的呈阵列排布的热敏电阻测量点，从每个热敏电阻测量点的下表面引出多条金属电极引线，热敏电阻测量点的上表面和柔性封装层贴合。本发明能实现多点测量温度且灵敏度高，体积小，制造简便；能实现可穿戴，便于保存、携带与运输，适于大规模的生产制造。

为保证热敏电阻测量点1的热敏性能，热敏电阻测量点1选取金属氧化物半导体材料，例如钒氧化物、Mn-Co-Ni-O系过渡族金属氧化物、Co-Mn过渡金属氧化物或Mn-Co-Ni-Cu-O金属氧化物等。

以上金属氧化物半导体材料通过溅射的方式在柔性基底层6形成薄膜，能测量较小范围的温度变化，灵敏度高。

进一步地，本实施例中热敏电阻测量点1排布阵列的具体形式并不局限，每排可分布多个热敏电阻测量点1，可为多排，多排为两排或两排以上。可具体根据需要测量温度的位置设置多个热敏电阻测量点1的排布阵列。

进一步地，本实施例中热敏电阻测量点1的形状并不局限，可以为圆形、方形、之字形、正弦形中的一种。

进一步地，本实施例中通过溅射制备的每个热敏电阻测量点1的厚度为0.01-0.5mm。

基于上述实施例，图2为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列传感器的侧视图，图3为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列传感器的俯视图，图4为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列传感器的俯视图，如图2、图3和图4所示，本柔性温度阵列传感器还包括：金属电极引线2。金属电极引线2通过粘贴或印刷的方式从热敏电阻测量点的下表面引出并与柔性基底层6的上表面固定连接，方便传输热敏电阻测量点1采集的温度。

进一步地，如图3和图4所示，金属电极引线2的形状可为直线型或曲线型，可根据热敏电阻测量点1的排布阵列灵活布线；金属电极引线2的材料为铝、铜、金或银中的任一种，可根据实际成本预算和测量环境要求灵活选取材料。金属电极引线2的直径为0.01-0.05mm。

基于上述实施例，如图2所示，本柔性温度阵列传感器还包括：柔性封装层7，柔性封装层7与热敏电阻测量点1的上表面贴合。

具体地，在本柔性温度阵列传感器中加装柔性封装层7，柔性封装层7的材料为塑料或陶瓷；使柔性封装层7与热敏电阻测量点1的上表面贴合。将本柔性温度阵列传感器通过封装技术用绝缘的塑料或陶瓷材料打包，使本柔性温度阵列传感器内部与外部空气隔离，防止空气中的杂质对内部电路腐蚀而造成电气性能下降；同时也使得本柔性温度阵列传感器便于安装和运输。

进一步地，柔性基底层6为长方形、正方形或圆形；柔性基底层6为聚甲基二硅烷、聚亚酰胺、耐高温聚酯或聚对二甲苯；柔性基底层6厚度为0.05-0.5mm。

基于上述实施例，图5为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列监测系统的结构示意图，如图5所示，另一方面，本发明还提供了一种柔性温度阵列监测系统，包括：柔性温度阵列传感器、外围柔性电路和信号接收与显示设备，外围柔性电路分别与柔性温度阵列传感器和信号接收与显示设备连接，柔性温度阵列传感器，用于采集多个热敏电阻测量点1的温度值，并传输给外围柔性电路；外围柔性电路，用于处理柔性温度阵列传感器采集的温度值；信号接收与显示设备，用于接收并显示外围柔性电路处理后的温度值，且根据外围柔性电路处理后的温度值实现判断和预警功能。

具体地，基于本柔性体温阵列传感器的柔性温度阵列监测系统，该柔性温度阵列监测系统包括柔性温度阵列传感器、外围柔性电路和信号接收与显示设备。外围柔性电路分别与柔性温度阵列传感器和信号接收与显示设备连接。

其中，柔性温度阵列传感器用于采集多个热敏电阻测量点1的温度值，并传输给外围柔性电路。外围柔性电路，用于处理柔性温度阵列传感器采集的温度值。信号接收与显示设备，用于接收并显示外围柔性电路处理后的温度值，且根据外围柔性电路处理后的温度值实现判断和预警功能，当外围柔性电路传输的温度值与预设数值相差10％以上时，发出预警信号，提示操作人员警示。

基于上述实施例，图6为根据本发明的一个优选实施方式中的一种柔性温度阵列监测系统的外围柔性温度的结构示意图，如图6所示，外围柔性电路包括：依次连接的微处理模块3、电池和电源管理模块4和无线通信传输模块5；微处理模块3、电池和电源管理模块4和无线通信传输模块5分别与柔性基底层6的表面贴合；柔性温度阵列传感器包括金属电极引线2，从热敏电阻测量点1的下表面引出并与微处理模块3连接。

具体地，在柔性基底层6表面贴合两两互相间隔且依次连接的微处理模块3、电池和电源管理模块4和无线通信传输模块5；柔性温度阵列传感器通过将热敏电阻测量点1的下表面引出的金属电极引线2，与微处理模块3连接，从而与外围柔性电路连接，如此将采集的温度值通过金属电极引线2传输到外围柔性电路。

其中，微处理模块3用于将多个热敏电阻测量点1的温度值与预设数值对比，去除奇异点后取平均值；奇异点为与预设数值相差10％以上的热敏电阻测量点1的温度值。

具体地，本柔性温度阵列传感监测系统使用时，直接将该系统穿戴在人体相应的测试部位，柔性温度阵列传感器感知多点温度后传输到外围柔性电路，经过外围柔性电路的微处理器分析处理得到平均值，这样可以避免单点测量中产生较大的偶然误差。

进一步地，无线通信传输模块5用于将微处理器模块处理后的温度值传输给信号接收与显示设备。

具体地，本柔性温度阵列传感监测系统采用无线通信，将微处理模块3处理后的温度值传输给信号接收与显示设备。

进一步地，电池和电源管理模块4用于为柔性温度阵列传感器和外围柔性电路提供电能。

基于上述实施例，将金属半导体材料溅射在柔性基底层6的上表面形成多个互相分隔的呈阵列排布的热敏电阻测量点1的步骤包括：

S1、将所使用的金属半导体的原料粉体混合，以无水乙醇作为溶剂，用湿法球磨，之后烘干样品；

S2、将样品手工研磨，将粉体过筛，进行粉体预烧。将样品溶解在无水乙醇中，用湿法球研磨，再次进行烘干，研磨成粉，之后油压成型；

S3、冷等静压，然后进行靶材烧结，并将靶材的表面打磨抛光；

S4、将柔性基底层6固定在基片台上，将已打磨抛光后的靶材放置在靶材托盘上，并使靶材和靶材托盘之间的挡板闭合；

S5、封闭磁控溅射腔体，将腔体内气压抽至1Pa左右，打开磁阀，之后将腔体内气压抽至10^-4Pa左右；

S6、调节柔性基底层6的温度，使其达到预期温度并稳定。向腔体内通入预定比例的气体，使腔体内压强达到0.1-10Pa范围内；

S7、打开溅射电源开关，调整入射功率和反射功率的比例，达到预定时间后，关闭仪器，取出样品，之后在大气环境下进行退火。

其中，镀膜靶材是通过磁控溅射、多弧离子镀或其他类型的镀膜系统在适当工艺条件下溅射在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。简单说的话，靶材就是高速荷能粒子轰击的目标材料，用于高能激光武器中，不同功率密度、不同输出波形、不同波长的激光与不同的靶材相互作用时，会产生不同的杀伤破坏效应。例如：蒸发磁控溅射镀膜是加热蒸发镀膜、铝膜等。更换不同的靶材(如铝、铜、不锈钢、钛、镍靶等)，即可得到不同的膜系(如超硬、耐磨、防腐的合金膜等)。

本发明提供了一种柔性温度阵列传感器及监测系统，通过将金属半导体材料溅射在柔性基底层的上表面形成多个互相分隔的呈阵列排布的热敏电阻测量点，从每个热敏电阻测量点的下表面引出多条金属电极引线，热敏电阻测量点的上表面和柔性封装层贴合。本发明能实现多点测量温度且灵敏度高，体积小，制造简便；能实现可穿戴，便于保存、携带与运输；同时，能完成对体验信号的处理、传输和判断预警功能，智能化水平高，且制造简单，操作方便，成本低廉，适合于大规模生产制造。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性温度阵列传感器，其特征在于，包括：热敏电阻测量点、金属电极引线和柔性基底层，多个所述热敏电阻测量点在所述柔性基底层的上表面呈阵列排布，每个所述热敏电阻测量点为将金属半导体材料溅射在所述柔性基底层的上表面形成的区域；每个所述热敏电阻测量点的下表面引出多条所述金属电极引线。

2.根据权利要求1所述的一种柔性温度阵列传感器，其特征在于，还包括：柔性封装层，所述柔性封装层与所述热敏电阻测量点的上表面贴合。

3.根据权利要求1所述的一种柔性温度阵列传感器，其特征在于，所述柔性基底层为聚二甲基硅烷、聚亚酰胺、耐高温聚酯或聚对二甲苯；所述柔性基底层为长方形、正方形或圆形；所述柔性基底层的厚度为0.05-0.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种柔性温度阵列传感器，其特征在于，所述金属半导体材料为钒氧化物、Mn-Co-Ni-O系过渡族金属氧化物、Co-Mn过渡金属氧化物、Mn-Co-Ni-Cu-O金属氧化物；所述热敏电阻测量点为圆形、方形、之字形或正弦形。

5.根据权利要求1所述的一种柔性温度阵列传感器，其特征在于，所述金属电极引线通过粘贴或印刷的方式从所述热敏电阻测量点的下表面引出并与所述柔性基底层的上表面固定连接，所述金属电极引线的直径为0.01-0.05mm；所述金属电极引线的材料为铝、铜、金或银。

6.一种包括权利要求1-5任一项所述的柔性温度阵列传感器的柔性温度阵列监测系统，其特征在于，包括：所述柔性温度阵列传感器、外围柔性电路和信号接收与显示设备，所述外围柔性电路分别与所述柔性温度阵列传感器和所述信号接收与显示设备连接；

所述柔性温度阵列传感器，用于采集多个热敏电阻测量点的温度值，并传输给所述外围柔性电路；

所述外围柔性电路，用于处理所述柔性温度阵列传感器采集的温度值；

所述信号接收与显示设备，用于接收并显示所述外围柔性电路处理后的温度值，且根据所述外围柔性电路处理后的温度值实现判断和预警功能。

7.根据权利要求6所述的一种柔性温度阵列监测系统，其特征在于，所述外围柔性电路包括：依次连接的微处理模块、电池和电源管理模块和无线通信传输模块；所述微处理模块、电池和电源管理模块和无线通信传输模块分别与所述柔性基底层的表面贴合；所述金属电极引线与所述微处理模块连接；

所述微处理模块用于将多个所述热敏电阻测量点的温度值与预设数值对比，去除奇异点后取平均值；所述奇异点为与所述预设数值相差10％以上的所述热敏电阻测量点的温度值；

所述无线通信传输模块用于将所述微处理器模块处理后的温度值传输给所述信号接收与显示设备；

所述电池和电源管理模块用于为所述柔性温度阵列传感器和所述外围柔性电路提供电能。

8.根据权利要求6所述的一种柔性温度阵列监测系统，其特征在于，所述柔性温度阵列传感器、外围柔性电路和信号接收与显示设备之间通过有线或无线进行信号传输。