CN110013234A - 一种柔性压力传感器及脉诊仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，公开了一种柔性压力传感器及脉诊仪。柔性压力传感器包括第一驻极体层、第二驻极体层、中间层、第一电极层及第二电极层，中间层固定于第一驻极体层与第二驻极体层之间，第一电极层固定于第一驻极体层上，第二电极层固定于第二驻极体层上，中间层上设有若干通孔。脉诊仪包括上述柔性压力传感器，还包括腕带，腕带设于柔性压力传感器的外部以将柔性压力传感器固定于待测量处。上述柔性压力传感器的厚度小，且柔性好，灵敏度高，测量结果准确；脉诊仪能准确的捕捉到人体的脉搏波信号，易与皮肤实现完全贴合，长时间佩戴不易引起不适。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性压力传感器及脉诊仪。
背景技术
传感器作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并将感受到的信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录及控制等要求。压力传感器是传感器中较为常见的一种，其广泛应用于多个领域，压力传感器主要利用压电效应进行工作，能感受外部压力信号，并按照一定的规律将压力信号转换成输出的电信号。如今，用于人体健康检测的可穿戴式测量设备已逐渐进入我们的生活，以便于准确的监测我们的身体健康状况，为我们带来了极大的便利。这些设备通常是利用传感器捕捉各种人体生理信号，将其经过处理后变换为各类直观的指标参数如心率、血压等，使我们了解自己的身体状态。
但是，目前的检测设备所使用的传感器大都属于硬质传感器，其柔性不足，且厚度较大。因此，在佩戴时无法完全贴合人体待测量处，导致其无法达到较高的灵敏度，对于一些较微弱的生理信号难以精确的捕捉到，从而使测量结果的准确度受到极大的限制，并且会影响佩戴时的舒适性，不适于长时间使用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种柔性压力传感器及脉诊仪，该柔性压力传感器的厚度小，且柔性好，灵敏度高，测量结果准确；该脉诊仪能准确的捕捉到人体的脉搏波信号，易于与皮肤实现完全贴合，长时间佩戴不易引起不适。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供了一种柔性压力传感器，包括第一驻极体层、第二驻极体层、中间层、第一电极层及第二电极层，所述中间层固定于所述第一驻极体层与所述第二驻极体层之间，所述第一电极层固定于所述第一驻极体层上，所述第二电极层固定于所述第二驻极体层上，所述中间层上设有若干通孔。
作为上述技术方案的改进，使所述通孔内的空气被电离，以产生能够附着于所述第一驻极体层与所述第二驻极体层上的电荷。
作为上述技术方案的进一步改进，所述中间层上的孔洞率范围为10％-70％。
作为上述技术方案的进一步改进，所述通孔的直径范围为1-5㎜，相邻的所述通孔的中心间距范围为1.2-30mm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述中间层的厚度范围为100-500μm，所述第一驻极体层与所述第二驻极体层的厚度范围为10-50μm。
作为上述技术方案的进一步改进，所述中间层的材质为Ecoflex、聚二甲基硅氧烷、苯乙烯嵌段共聚物或铂金固化液体有机硅化合物。
还提供了一种脉诊仪，包括上述的柔性压力传感器，还包括腕带，所述腕带设于所述柔性压力传感器的外部以将所述柔性压力传感器固定于待测量处。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括定点加压装置，所述定点加压装置包括刚性的定位件，在所述定位件内形成容置空间，所述定位件上设有与所述容置空间连通的孔位，所述柔性压力传感器置于所述孔位内，所述腕带固定于所述定点加压装置的外部，所述腕带能够向所述柔性压力传感器施加朝向所述容置空间的作用力。
作为上述技术方案的进一步改进，包括阵列化分布的若干个所述柔性压力传感器。
本发明的有益效果是：本发明中的柔性压力传感器的厚度小，且柔性好，灵敏度高，测量结果准确；脉诊仪能准确的捕捉到人体的脉搏波信号，易于与皮肤实现完全贴合，长时间佩戴不易引起不适。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明一个实施例中柔性压力传感器的结构示意图；
图2是本发明一个实施例中柔性压力传感器的俯视图；
图3是图2中沿A-A方向的剖视图；
图4是本发明一个实施例中柔性压力传感器的中间层的结构示意图；
图5是本发明一个实施例中脉诊仪的信号反馈框图；
图6是本发明一个实施例中定点加压装置的第一种结构；
图7是本发明一个实施例中定点加压装置的第二种结构；
图8是本发明一个实施例中定点加压装置的第三种结构。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
参照图1至图3，示出了本发明一个实施例中柔性压力传感器的结构示意图、俯视图及剖视图。柔性压力传感器包括中间层1、第一驻极体层2、第二驻极体层3、第一电极层4及第二电极层5。中间层1固定于第一驻极体层2与第二驻极体层3之间。第一电极层4固定于第一驻极体层2的外表面，第二电极层5固定于第二驻极体层3的外表面。在第一电极层4与第二电极层5上分别引出导线与外部电路相连。
中间层1的厚度范围为100-500μm，优选的，厚度为150μm。第一驻极体层2与第二驻极体层3的厚度范围为10-50μm。第一电极层4的厚度为50nm，第二电极层5的厚度为10μm。由此可见，整个传感器的厚度极其小。
参照图4，示出了本发明一个实施例中柔性压力传感器的中间层的结构示意图。在中间层1上均匀分布有若干通孔11。中间层1上的孔洞率为10-70％。通孔11的直径范围1-5mm，相邻通孔11的中心间距范围为1.2-30mm。优选的，通孔11的直径为2mm，相邻通孔的中心间距为3mm。通孔11的形状优选为圆形，当然，也可以为正多边形或其他不规则形状。对于正多边形孔或其他不规则形状的孔来说，孔径以其内切圆的直径为准。
中间层1的材质可选用Ecoflex等超软性加成固化硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等硅橡胶、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)等热塑性弹性体或铂金固化液体有机硅化合物(DragonSkin)等硅胶，但不限于上述列举的几种类型。由于中间层1采用上述柔性较好的材质制得，且设置通孔11进一步增强了其柔性。使制得的传感器具有良好的柔性，能根据不同的应用场合设计加工成不同形状，在测量时能够进行更大的形变，可更好的与待测量处的皮肤贴合，以提高其灵敏度，确保测量结果的准确性。
制作该柔性压力传感器时，在中间层1上打孔，经表面改性后与第一驻极体层2、第二驻极体层3进行化学键合。通过磁控溅射方法在第一驻极体层2的外表面涂覆Au薄层，以形成第一电极层4。将Al带粘附到第二驻极体层3的外表面以形成第二电极层5，并起到对其顶部各层的机械支撑作用。
通过使用高压电源(直流高压)、电晕针和接地电极的高压电晕充电方法形成大气电偶极子。键合完成后，中间层1上的通孔11内留有大量空气。将上述制得的半成品置于接地电极顶部，并位于电晕针尖下方3cm处。向电晕针施加15-30kV的高电压以电离通孔11内的空气。
由于驻极体具有良好的保存静电荷的能力，可以长期稳定的存储电荷，故上述电离出的自由电荷将被第一驻极体2与第二驻极体3的内表面捕获。第一驻极体2与第二驻极体3之间类似于一个以通孔内空气为介质的电容。由于C＝Q/U＝εS/d。当对传感器施加压力时，中间层1被压缩而使其上的通孔11变小，相当于两极板间的距离d变小，从而使电容C变小。由于第一驻极体2与第二驻极体3上所带的电量Q不变，故外电路中的电压U会产生变化，以此实现机械变形与电信号之间的转换。
可将上述柔性压力传感器运用于脉诊仪中。参照图5，示出了本发明一个实施例中脉诊仪的信号反馈框图。该脉诊仪除了包括上述柔性压力传感器，还包括腕带、自动加压模块、处理器、信号处理模块、存储模块及显示模块。信号处理模块与柔性压力传感器、处理器均电连接。自动加压模块与腕带、处理器均电连接。存储模块、显示模块均与处理器电连接。
测量时，将柔性压力传感器置于待测量处，并将腕带套设于柔性压力传感器外固定其位置。自动加压模块通过来自处理器的信号控制，对腕带施加自动、连续的压力。在施压过程中，通过柔性压力传感器测量在不同压力下的脉搏波信号。其测得的脉搏波信号通过信号处理模块进行放大与滤波后传输至处理器。处理器将脉搏波信号传送至存储模块进行储存，并通过显示模块进行显示，或者，也可以将测得的脉搏波信号通过无线通信装置发送至移动终端。自动加压模块还包括一个静态压力传感器，使自动加压模块可对测量过程中施加的压力进行实时测量，并通过反馈自动调节压力。
此外，可在脉诊仪中设置阵列化分布的若干个柔性压力传感器。阵列分布的设计可减小“寸、关、尺”脉搏点与传感器错位导致的偏差，提高测量的精确性。其阵列方式可根据实际使用需要进行设计。
由于使用上述脉诊仪进行中医脉诊时，通常需要对桡动脉上的“寸、关、尺”三个脉搏点进行“浮、中、沉”三种不同力度的诊断，在不同力度作用下感知患者的脉象变化。故提供一种定点加压装置，以使得在测量时施压位置更精确，测量结果更真实准确。
与现有技术中通过整片腕带进行的大范围施压不同，本方案中的定点加压装置能够仅对“寸、关、尺”三个脉搏点处进行精确的定点加压。
参照图6，示出了本发明一个实施例中定点加压装置的第一种结构。定点加压装置61包括第一定位件611与第二定位件612，二者可拆卸的连接。当第一定位件611与第二定位件612连接后，其内部会形成一个容置空间，该容置空间用于容置使用者的手腕。在第一定位件611上设有第一孔位6113、第二孔位6114及第三孔位6115。上述三个孔位的位置与使用者手腕桡动脉处的寸、关、尺三个部位依次对应。且上述孔位与容置空间之间连通，设置三个上述的柔性压力传感器，三个柔性压力传感器可分别穿过上述三个孔位贴合于寸、关、尺三个部位。
第一定位件611与第二定位件612可通过卡扣结构实现连接。第一定位件611的两端分别设有第一凸块6111与第一凹槽6112，第二定位件612的两端分别设有第二凹槽6121与第二凸块6122。第一凸块6111与第二凹槽6121匹配，第一凹槽6112与第二凸块6122匹配。穿戴时，将第一定位件611与第二定位件612均套设于手腕待测量区域，并使对应位置的凸块与凹槽卡合，从而将该定点加压装置固定于手腕上。
参照图7，示出了本发明一个实施例中定点加压装置的第二种结构。其与第一种结构的区别仅在于第一定位件与第二定位件间的连接方式。其包括第一定位件621与第二定位件622，二者可拆卸的连接。在第一定位件621的端部固定有第一磁性件6211，且第一磁性件6211的外端62111伸出第一磁性件6211的端部之外。第二定位件622的端部固定有第二磁性件6221，且第二磁性件6221的外端面与第二定位件622的外端面之间具有容纳部6222。穿戴时，将第一磁性件6211的外端62111置于容纳部6222内，第一磁性件6211与第二磁性件6221之间相互吸引，从而实现固定。
参照图8，示出了本发明一个实施例中定点加压装置的第三种结构。其与第一、二种结构的区别仅在于第一定位件与第二定位件间的连接方式。在本实施例中，将第一定位件与第二定位件合为一体，使整个定位件63呈“C”形。定位件63的第一端631与第二端632可张开与复位。对第一端631与第二端632施加朝外的力即可将其打开，去除施加的力后实现复位。将其打开后使手腕放入其中，复位后即实现固定。
此外，还可使第一定位件的第一端与第二定位件的第一端铰接，第一定位件的第二端可绕二者连接处进行转动，且第一定位件的第二端与第二定位件的第二端通过卡扣结构实现连接。穿戴时，将第一定位件与第二定位件套设于手腕待测量区域，并使第一定位件的第二端与第二定位件的第二端卡合，从而将该定点加压装置固定于手腕上。
当然，除了上述的几种连接方式，其他可实现固定的连接结构亦可，例如各类手镯、手表等物品的固定方式。在上述穿戴过程中，需保证定点加压装置上的三个孔位分别与使用者寸、关、尺的位置对应后再进行固定。
该定点加压装置可通过3D打印的方式针对不同使用者进行个性化定制。从而使定位件的内壁形状与使用者手腕上待测量区域的形状相匹配，并使三个孔位的位置与使用者寸、关、尺的位置相对应，以保证该装置在测量过程中与使用者手腕完全贴合，提高脉诊的准确性。
在使用脉诊仪时，先找准待测量者桡动脉处寸、关、尺的位置，将上述定点加压装置套设于使用者手腕待测量区域，使定点加压装置上的三个孔位分别对准寸、关、尺的位置并将其固定好，再将三个柔性压力传感器分别放入三个孔位内，将腕带固定在定点加压装置外。通过腕带对三个柔性压力传感器施压，施压过程中，腕带将对三个柔性压力传感器进行挤压，使其分别在定位件上的三个孔位内紧密贴合于使用者的手腕上以进行测量。柔性压力传感器与孔位之间的间隙范围以0.3mm-1.0mm为宜。
该定点加压装置采用具有一定刚性的材质制成，例如塑料、有机玻璃或树脂等。因此，在对腕带施压过程中，压力仅会通过三个探头施加于寸、关、尺三个位置，其他部位由于定点加压装置的支撑不会受到压力，从而减小干扰与误差，提高脉诊的准确性。当然，上述的刚性并非是在受到外力时绝对不产生形变，只要满足使其发生形变的力远大于通过腕带施加的力即可。此外，在第三个实施例中，还可以采用两种材质拼接的方法制得，其两个端部使用具有一定弹性的材质制得，其中间部分为不易变形的材质制得。
以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括第一驻极体层、第二驻极体层、中间层、第一电极层及第二电极层，所述中间层固定于所述第一驻极体层与所述第二驻极体层之间，所述第一电极层固定于所述第一驻极体层上，所述第二电极层固定于所述第二驻极体层上，所述中间层上设有若干通孔。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，使所述通孔内的空气被电离，以产生能够附着于所述第一驻极体层与所述第二驻极体层上的电荷。
3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述中间层上的孔洞率范围为10％-70％。
4.根据权利要求3所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述通孔的直径范围为1-5㎜，相邻的所述通孔的中心间距范围为1.2-30mm。
5.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述中间层的厚度范围为100-500μm，所述第一驻极体层与所述第二驻极体层的厚度范围为10-50μm。
6.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述中间层的材质为Ecoflex、聚二甲基硅氧烷、苯乙烯嵌段共聚物或铂金固化液体有机硅化合物。
7.一种脉诊仪，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的柔性压力传感器，还包括腕带，所述腕带设于所述柔性压力传感器的外部以将所述柔性压力传感器固定于待测量处。
8.根据权利要求7所述的脉诊仪，其特征在于，还包括定点加压装置，所述定点加压装置包括刚性的定位件，在所述定位件内形成容置空间，所述定位件上设有与所述容置空间连通的孔位，所述柔性压力传感器置于所述孔位内，所述腕带固定于所述定点加压装置的外部，所述腕带能够向所述柔性压力传感器施加朝向所述容置空间的作用力。
9.根据权利要求7所述的脉诊仪，其特征在于，包括阵列化分布的若干个所述柔性压力传感器。
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