CN109738105B - 监测冲击波强度的皮肤电子器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种监测冲击波强度的皮肤电子器件，将压电传感系统、数据采集系统、无线传输系统、电源、可拉伸导线等封装在封装结构内，这一抗冲击设计，有效增加了这些部件的抗冲击能力。各个部件之间采用可拉伸导线进行连接，提高了该皮肤电子器件的可拉伸性能及穿着舒适性。本发明的监测冲击波强度的皮肤电子器件可实时监测用户所受冲击波强度，节省了伤情判定时间，可用于化工厂、爆炸现场搜救、战场及易发生爆炸的其他高危作业场合。
Description
技术领域
本发明涉及爆炸冲击波监测技术领域，尤其涉及一种监测冲击波强度的皮肤电子器件，该监测冲击波强度的皮肤电子器件可集成在可穿戴设备上。
背景技术
冲击波强度是评价炸药性能及武器爆炸威力的重要手段。在爆炸场合，烈性炸药爆炸的瞬间，会释放出巨大的能量，形成一种介质状态(包括压力、密度、温度等)突跃变化的强扰动传播，即冲击波，其传播速度大于声速。冲击波作用于人体造成的损伤称为冲击伤。冲击伤常表现为体表损伤轻微而内部损伤严重，如心肺震荡、肺挫伤、肺破裂、肝脾破裂、颅骨骨折、脑挫伤、颅内出血、鼓膜破裂穿孔、鼓室出血等。因此，冲击伤往往被人们忽略，易造成漏诊与误诊；同时，伤情较严重且复杂，伤情发展迅速，如不及时救治可致迅速死亡。因此，冲击伤治疗的关键是早期、正确的诊断。
然而，在爆炸场合，针对例如爆炸现场的施救人员或战场上作战人员的救助，由于缺乏先进的医疗设备进行全面检查，救助主要凭借经验。由于冲击伤的特殊性，这种施救方式无法准确判断伤员的受伤程度，容易耽误最佳的救治时间。因此，如何对冲击伤进行及时判定是爆炸现场救治中亟待解决的问题。
为此，有必要提供一种监测冲击波强度的皮肤电子器件，便于在特定场合穿戴的同时，能够协助快速进行伤情判定。
发明内容
本发明提供一种监测冲击波强度的皮肤电子器件，其特征在于：包括封装结构、数据采集系统、电源、无线传输系统、多个与信号处理系统相关联的压电传感系统、以及与该多个压电传感系统相关联的信号处理系统，该压电传感系统包括第一电极、第二电极以及位于该第一电极及该第二电极之间的压电薄膜，且该多个压电传感系统阵列分布于该封装结构内，并分别被该封装结构隔开，该多个压电传感系统分别通过可拉伸导线与外部连接，该可拉伸导线被封装在该封装结构内，彼此绝缘，该封装结构上，在第一电极、第二电极及导线之外的区域设置多孔结构，该可拉伸导线均为弯曲导线，该封装结构贴敷于皮肤表面；该压电传感系统与该信号处理系统通过可拉伸导线电性连接；该数据采集系统与该压电传感系统通过可拉伸导线电性连接，该数据采集系统具有数据输出端口，该信号处理系统可拆卸地与该数据输出端口连接；该电源与该数据采集系统之间通过可拉伸导线连接，对该数据采集系统及该多个压电传感系统进行供电；该数据采集系统、电源及可拉伸导线设置在该封装结构内；该无线传输系统与该信号处理系统之间通讯连接，与该数据采集系统通过可拉伸导线电性连接；该无线传输系统及连接该数据采集系统的可拉伸导线设置在该封装结构内；该压电薄膜的材质为石英晶体、压电陶瓷或者聚偏氟乙烯薄膜，其直径为5mm-10mm，厚度为10-100μm；该封装结构为聚合物或者SiOx、SiNx薄膜，和/或该封装结构的厚度为10微米到20微米之间；该监测冲击波强度的皮肤电子器件集成在可穿戴设备的头部、后背部、前襟部、臂部、腿部或者足部。
本发明还提供一种监测冲击波强度的皮肤电子器件，包括封装结构、阵列分布于该封装结构内的多个压电传感系统以及与该压电传感系统相关联的信号处理系统，该压电传感系统包括第一电极、第二电极以及位于该第一电极及该第二电极之间的压电薄膜，且该多个压电传感系统分别被该封装结构隔开并彼此绝缘，该多个压电传感系统分别通过可拉伸导线连接至信号处理系统。
本发明的监测冲击波强度的皮肤电子器件，将压电传感系统、数据采集系统、无线传输系统、电源、可拉伸导线等封装在该封装结构内，这一抗冲击设计，有效增加了这些部件的抗冲击能力，降低了冲击波对电源、数据采集系统、无线传输系统的损伤，同时提高了该监测冲击波强度的皮肤电子器件的整体性及重复使用率。其次，各个部件之间采用可拉伸导线进行连接，避免了用户在正常活动中因该皮肤电子器件接触皮肤或者正常运动而引起的拉伸，提高了该皮肤电子器件的可拉伸性能及穿着舒适性。再次，该压电传感系统采用均匀阵列式布置，提高了数据的可靠性。因此，本发明的监测冲击波强度的皮肤电子器件直接贴附在皮肤表面，不影响用户的运动，可实时监测用户所受冲击波强度，为爆炸后的救助提供了准确可靠的诊疗数据，节省了伤情判定时间。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明第一实施例的监测冲击波强度的皮肤电子器件的俯视示意图；
图2为图1中A区域的放大示意图；
图3为图1所示的监测冲击波强度的皮肤电子器件沿B-B方向的剖面示意图；
图4为该监测冲击波强度的皮肤电子器件的制备原理示意图；
图5为图1中一个压电传感系统的工作原理示意图；
图6为本发明第二实施例的监测冲击波强度的皮肤电子器件的俯视示意图；
图7为本发明第三实施例的监测冲击波强度的皮肤电子器件的俯视示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对本发明详细说明如下。
如图1所示为本发明第一实施例的监测冲击波强度的皮肤电子器件的俯视示意图，如图2所示为图1中的A区域的放大示意图。如图1所示，该监测冲击波强度的皮肤电子器件100包括封装结构110以及多个压电传感系统120。该多个压电传感系统120阵列分布于该封装结构110内，优选为均匀阵列分布，并分别被该封装结构110隔开，由此造成每个压电传感系统120彼此绝缘。在本申请中，该多个压电传感系统120分别通过可拉伸导线130与其他部件连接。另外，该监测冲击波强度的皮肤电子器件100还包括信号处理系统140，在本申请中，每个该压电传感系统120均通过直接或间接的方式与该信号处理系统140相关联。在本实施例中，各个该压电传感系统120分别与该信号处理系统140通过可拉伸导线130电性连接。该可拉伸导线130被封装在该封装结构110内，彼此绝缘。
如图2所示，本发明中，该可拉伸导线130均为弯曲导线，例如波浪形、S形、蛇形、Z字形等，用以实现各个器件的柔性可拉伸，以便穿着时不影响运动。该导线130的材料不受限制，例如可以选自铜、银、镍等金属材料，或者碳纳米线等材料，只要保证材料的导电性能良好，不影响信号的传输准确性即可。本领域技术人员应理解，任何能够实现可拉伸特性的导线均可用于本发明，因此，该可拉伸导线130还包括柔性导线及后续可预见的材质的可拉伸导线。
如图3所示为图1所示的监测冲击波强度的皮肤电子器件100沿B-B方向的剖面示意图。如图3所示，该监测冲击波强度的皮肤电子器件100的压电传感系统120封装固定于该封装结构110中，该压电传感系统120包括第一电极1220、第二电极1230以及位于该第一电极1220及该第二电极1230之间的压电薄膜1240。
该封装结构110的材质为聚合物，例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺等；该封装结构110的材质还可为等离子体气相沉积制备的SiOx、SiNx薄膜。该封装结构110的作用是对封装于其内的压电传感系统120进行包裹保护，阻挡汗液、水汽、氧气等小分子进出该压电传感系统120，防止对该压电传感系统120造成氧化或者腐蚀。另外，在保证该压电薄膜1240、第一电极1220、第二电极1230以及导线130等结构耐冲击的情况下，封装薄膜1240要尽量薄，避免影响该压电传感系统120的测量精度。在本发明中，该封装薄膜的厚度为10微米到20微米之间。
可选地，为了提高用户体验，提高长时间穿戴的舒适性，在该封装结构110上、在第一电极1220、第二电极1230及导线130之外的区域设置多孔结构，便于皮肤呼吸。
如图4所示为该监测冲击波强度的皮肤电子器件100的制备原理示意图。本发明的监测冲击波强度的皮肤电子器件100(除该信号处理系统140外)的第一种制备方法如下所述：
首先，制作具备所需形状、厚度及尺寸的压电薄膜1240。该压电薄膜1240采用压电常数高的压电材料，例如石英晶体、压电陶瓷、聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜等。该压电薄膜1240的制备包括如下步骤：首先，通过真空镀膜法、溅射镀膜法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、水热法、电泳沉积法或者静电纺丝法制备出压电薄膜板。其次，将该压电薄膜板切割成直径为5mm-10mm的圆形，形成本实施例所需的压电薄膜1240。该压电薄膜1240的直径决定着本实施例中的压电传感系统120的打印形状和尺寸大小；同时，该直径还影响所制备的压电传感系统120的压电效果，直径低于5mm时，材料的应力集中太大，影响该皮肤电子器件100上的压电传感系统120的测量准确性；直径大于10mm时，该皮肤电子器件100上的压电传感系统120的排列阵列较为分散，不仅影响测量准确性，同时还会影响整体器件的拉伸性能。该压电薄膜1240的厚度为10-100μm，在该厚度范围内，其压电性能较少受到其界面或者表面的影响，能产生较大的驱动力，且具有更宽的工作频率。
在上述所列方法中，采用静电纺丝法制备的压电薄膜具有很高的压电性能，但是静电纺丝法仅适用于PVDF的制作。采用上述其他方法制备的压电薄膜板则几乎没有压电性能，需要进一步进行极化处理。
为达到更好的压电效果，对切割所形成的该压电薄膜1240的边角以及该压电薄膜1240的表面进一步进行打磨处理，以保证该压电薄膜1240的表面平整无褶皱，从而消除该压电薄膜1240的应力集中。
接着，如图4所示，打印底层的封装基底1210；然后在该封装基底1210上指定位置打印第一电极1220，并在每个该第一电极1220上打印与该第一电极1220连接的第一导线130(图未示)；接着，在该第一电极1220上铺设上述制备好的压电薄膜1240，并在该封装基底1210上的各个压电薄膜1240所形成的阵列的间隙处填充封装材料，该封装材料与该封装基底1210的材质相同；随后，在该压电薄膜1240上打印第二电极1230，并在每个该第二电极1230上打印与该第二电极1230连接的第二导线130(图未示)；最后，再用封装材料对所有压电传感系统120进行整体封装(图未示)。该封装材料与该封装基底1210的材料相同，共同构成如图3的该封装结构110。
在该制作过程中，该第一电极1220、第一导线、第二电极1230、第二导线、封装结构110均采用打印的方式完成，所述的“打印”通过打印设备完成，例如诺信EFD打印机(型号PRO4L/A)、Microplotter II微纳米材料沉积喷墨系统、SIJ超高分辨材料沉积(喷墨打印)系统等。在该打印过程中，该第一电极1220、第一导线、第二电极1230、第二导线、封装结构110的厚度、形状、尺寸均预先输入该打印设备内，由此形成所需的压电传感系统120的阵列。该压电传感系统120的直径为5mm-10mm。
本领域技术人员可以理解，该压电传感系统120的形状不仅限于圆形，还可以是心形、椭圆形、菱形、纺锤形等各种形状。在该压电传感系统120的形状不为圆形时，上述对该压电薄膜的切割，也需要相应改为切割成对应的形状。同时，预先输入该打印设备内的该第一电极1220、第一导线、第二电极1230、第二导线、封装结构110的形状也需要改为与该压电传感系统120对应的形状。另外，该压电传感系统120所形成的阵列在本实施例中为均匀排列，但是也不仅限于均匀排列，也可为其他形式的不均匀排列的阵列。此时，预先输入该打印设备内的打印位置所形成的阵列需要改为与该压电传感系统120的排列相一致。
本发明的监测冲击波强度的皮肤电子器件100的第二种制备方法采用本申请人的另一专利技术，利用电流体动力学(EHD)喷墨打印设备在同一制程内完成该皮肤电子器件100的全部打印过程。具体步骤包括：
首先，将需要打印的图案用绘图软件绘制好，并导入该EHD喷墨打印设备中，导入的图案用于在打印过程中指引该喷嘴150将该所需的材料打印到所需的位置。此处所说的“图案”为包括图1所示的该压电传感系统120、导线130及封装结构110的位置，也包括如图3所示的压电传感系统120以及该封装结构110的形状、尺寸、厚度等。
其次，在该EHD喷墨打印设备的各个打印喷头内分别装入封装打印浆料、导电打印浆料、压电打印浆料。
然后，启动电源，对该EHD喷墨打印设备的喷嘴施加高电压，例如1.5-2.0kV。
随后，正式启动打印。该打印在预先输入的该图案的指引下进行。具体到本实施例，包括如下步骤：
第一，在预先导入的图案的指引下，使装有封装打印浆料的打印喷头对准该EHD喷墨打印设备的接收基板，打印该底层的封装基底1210。
第二，切换至装有导电打印浆料的打印喷头，在该封装基底1210上，在预先导入的图案的指定位置处打印第一电极1220，并在每个该第一电极1220上打印与该第一电极1220连接的第一导线130(图未示)。
第三，切换至装有压电打印浆料的打印喷头，在该第一电极1220上打印压电薄膜1240；
第四，切换至装有封装打印浆料的打印喷头，在该封装基底1210上的各个压电薄膜1240所形成的阵列的间隙处填充封装材料，该封装材料与该封装基底1210的材质相同。
第五，切换至装有导电打印浆料的打印喷头，在该压电薄膜1240上打印第二电极1230，并在每个该第二电极1230上打印与该第二电极1230连接的第二导线130(图未示)。
最后，切换至装有封装打印浆料的打印喷头，对所有压电传感系统120进行整体封装(图未示)。该封装材料与该封装基底1210的材料相同，共同构成如图3的该封装结构110。
采用上述第二种方法制备的压电传感系统120具有很高的压电性能，无须进行极化处理。同时，采用该第二种制备方法打印的压电传感系统120的形状、尺寸均与预先导入的图案一致。因此，预先导入的图案决定着各个压电传感系统120的形状以及其形成的阵列，还决定着该压电传感系统120的各层结构的厚度等。
如图5所示为图1中一个压电传感系统120的工作原理示意图。如图所示，该压电薄膜1240具有正压电效应，其材质例如为PVDF，当PVDF受到某固定方向的外力作用时，内部就产生电极化现象，在相对的两个表面上同时产生符号相反的电荷；当外力撤去时，PVDF又恢复到不带电的状态。当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变。PVDF受力所产生的电荷量与外力的大小呈正比。
如图6所示为本发明第二实施例的监测冲击波强度的皮肤电子器件的俯视示意图。与第一实施例不同之处在于，第二实施例中，该监测冲击波强度的皮肤电子器件200还包括与各个压电传感系统120电性连接的数据采集系统150，以及对该数据采集系统150进行供电的电源160，该数据采集系统150与该电源160之间通过可拉伸导线130电性连接。该数据采集系统150具有数据输出端口172，用于在需要时对外进行数据输出；该电源160还包括电源充电端口174，用于在需要时对该电源160进行充电。该信号处理系统140可拆卸地与该数据输出端口172连接。当爆炸发生后，需要进行伤情判定时，将该信号处理系统140连接在该数据输出端口172，使得该数据采集系统150的数据传输至该信号处理系统140，快速进行伤情判定。
为了增强抗冲击性，该数据采集系统150及该电源160、导线130均设置在该封装结构110内，被该封装结构110封装包裹。由此，在强冲击场合，由于该封装结构110为聚合物材质，弹性大，能够有效降低冲击波的强度，并减小该数据采集系统150及该电源160的振动，削弱冲击波对该数据采集系统150及该电源160的损伤。同时，采用可拉伸导线130，可以适应由于冲击波的作用，该数据采集系统150及该电源160产生的相对位移。
在本实施例中，该监测冲击波强度的皮肤电子器件200穿戴在用户身上，该信号处理系统140通常随身携带，而是通过该数据采集系统150实时采集所需的冲击波强度数据。该实施例的好处在于：首先，该信号处理系统140只有在爆炸发生时为了对伤情进行判定时，才需要用到。在数据采集系统150存在的前提下，无须随身携带该信号处理系统140。其次，这样的方案可以减轻该监测冲击波强度的皮肤电子器件200的整体重量。再次，在该信号处理系统140存在的场合，该信号处理系统140与该压电传感系统120之间通过可拉伸导线130电性连接，该可拉伸导线130的裸漏处易于用户的皮肤产生接触和摩擦，影响用户的穿着体验，对其工作效率产生不良的影响。最后，该监测冲击波强度的皮肤电子器件200的应用场合，用户通常是处于不断运动状态，容易损坏该可拉伸导线130，影响数据的准确性。
本领域技术人员可以理解，该信号处理系统140可拆卸地连接至该数据输出端口172，并不排除将该信号处理系统140随时携带的使用。由于可拆卸，用户可以选择将该信号处理系统140不随身携带，当然也可以选择将该信号处理系统140随身携带，均在本发明的范围内。
如图7所示为本发明第三实施例的监测冲击波强度的皮肤电子器件的俯视示意图。与第二实施例不同之处在于，该监测冲击波强度的皮肤电子器件300的数据采集系统150不包括数据输出端口172，与此相对地，该监测冲击波强度的皮肤电子器件300还包括与该数据采集系统150通过导线130电性连接的无线传输系统180，该信号处理系统140与该无线传输系统180之间通讯连接。该无线传输系统180为蓝牙等具有无线传输功能的装置，该无线传输系统180与该数据采集系统150之间的导线也采用本发明的可拉伸导线130，同时该无线传输系统180、以及导线130同样设置在该封装结构110内，用以提高抗冲击性。
为了提高无线传输系统180的抗电磁干扰性，对该无线传输系统180进行自适应调频技术，促使其在不同环境下对自身频率范围进行自动调节，实现对电磁干扰的有效规避及抵抗，提升跳帧的针对性。所谓自适应跳频技术，是建立在自动信道质量分析基础上的一种频率自适应和功率自适应控制相结合的技术。它能使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频点，并以最小的发射功率、最低的被截获概率，达到在无干扰的跳频信道上长时间保持优质通信的目的。
该实施例的优点在于，通常该监测冲击波强度的皮肤电子器件300需要与皮肤接触，贴身穿着，在需要进行伤情判定的场合，就需要该信号处理系统140进行查看，需要脱下该监测冲击波强度的皮肤电子器件300；或者为了找到该数据输出端口172，将该信号处理系统140进行连接，也需要脱下该监测冲击波强度的皮肤电子器件300。这两种情况都耗费宝贵的救助时间。而采用本实施例的方案，通过无线传输系统180，随时将该数据采集系统150收集的冲击波强度数据传输至远端的信号处理系统140，则解决了这一问题，节省了救助时间，便于快速进行伤情判定，做出救助方案。
本发明的监测冲击波强度的皮肤电子器件100、200、300均集成在可穿戴设备上，例如集成在头盔上，与额头的皮肤接触；或者集成在服装上，与胸部的皮肤接触，还可集成在可穿戴设备的头部、后背部、前襟部、臂部、腿部或足部，让该封装结构110贴敷于皮肤表面。本发明的监测冲击波强度的皮肤电子器件100、200、300可用于容易或可能发生爆炸的各种场合，例如化工厂、爆炸现场搜救、战场及易发生爆炸的其他高危作业场合。
综上所述，本发明的监测冲击波强度的皮肤电子器件100将压电传感系统120、数据采集系统150、无线传输系统180、可拉伸导线130等分布于该封装结构110内，这一抗冲击设计，有效增加了这些部件的抗冲击能力，降低了冲击波对电源、数据采集系统、无线传输系统的损伤，同时提高了该皮肤电子器件100的整体性及重复使用率。其次，各个部件之间采用可拉伸导线130进行连接，避免了用户在正常活动中因该皮肤电子器件100接触皮肤表面而引起的拉伸，提高了该监测冲击波强度的皮肤电子器件100的可拉伸性能及穿着舒适性。再次，该压电传感系统120采用阵列式布置，提高了数据的可靠性。因此，本发明的监测冲击波强度的皮肤电子器件直接贴附在皮肤表面，不影响用户的运动，可实时监测用户所受冲击波强度，为爆炸后的救助提供了准确可靠的诊疗数据，节省了伤情判定时间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (1)
1.一种监测冲击波强度的皮肤电子器件，其特征在于：包括封装结构、数据采集系统、电源、无线传输系统、多个与信号处理系统相关联的压电传感系统、以及与该多个压电传感系统相关联的信号处理系统，该压电传感系统包括第一电极、第二电极以及位于该第一电极及该第二电极之间的压电薄膜，且该多个压电传感系统阵列分布于该封装结构内，并分别被该封装结构隔开，该多个压电传感系统分别通过可拉伸导线与外部连接，该可拉伸导线被封装在该封装结构内，彼此绝缘，该封装结构上，在第一电极、第二电极及导线之外的区域设置多孔结构，该可拉伸导线均为弯曲导线，该封装结构贴敷于皮肤表面；该压电传感系统与该信号处理系统通过可拉伸导线电性连接；该数据采集系统与该压电传感系统通过可拉伸导线电性连接，该数据采集系统具有数据输出端口，该信号处理系统可拆卸地与该数据输出端口连接；该电源与该数据采集系统之间通过可拉伸导线连接，对该数据采集系统及该多个压电传感系统进行供电；该数据采集系统、电源及可拉伸导线设置在该封装结构内；该无线传输系统与该信号处理系统之间通讯连接，与该数据采集系统通过可拉伸导线电性连接；该无线传输系统及连接该数据采集系统的可拉伸导线设置在该封装结构内；该压电薄膜的材质为石英晶体、压电陶瓷或者聚偏氟乙烯薄膜，其直径为5mm-10mm，厚度为10-100µm；该封装结构为聚合物或者SiOx、SiNx薄膜，和/或该封装结构的厚度为10微米到20微米之间；该监测冲击波强度的皮肤电子器件集成在可穿戴设备的头部、后背部、前襟部、臂部、腿部或者足部。
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