CN111195127B - 一种监测驾驶员眼动行为的可拉伸电子装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驾驶员眼动行为实时监测装置，包括一可拉伸弹性基板，在弹性基板上集成了温度、出汗、眼电图等感知单元；本发明提供的可拉伸眼动行为监测装置贴合在眼角或者额头等部位表面，感知并记录驾驶员的生理信号。本发明还提供驾驶员眼动行为监测装置的制备方法，得到与柔性皮肤兼容的电子皮肤系统。本发明眼动行为监测装置贴合在眼角部位，不影响驾驶员的正常行驶，并且实时获取驾驶员的生理信号，大大提高了眼动行为监测装置的便携性。

Description

一种监测驾驶员眼动行为的可拉伸电子装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性电子与可穿戴电子领域，特别涉及一种面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤设计及其制备方法。

背景技术

可拉伸电子当前柔性电子的一种重要发展趋势，在很多情形下具有独特的优势，具有优异的变形性能，可拉伸电子器件具有良好的拉伸变形能力，主动适应柔性皮肤表面并与之保持共形接触，减小电子器件与皮肤表面的运动滑移，同时减小由于运动摩擦引起的静电，提高电子器件记录生理信号的稳定性。可拉伸电子器件贴合在柔软皮肤表面，记录驾驶员的生理信息，实现驾驶员眼动行为的监测，在可穿戴电子与柔性电子领域将得到更加广泛的应用，将逐渐渗透到人类生活、工作的各个领域，对人类的生活产生深远的影响。

柔性电子技术为可拉伸电子皮肤的设计与制备提供了理想的解决方案，电子皮肤与人体无缝集成在一起，长时间地、稳定地记录驾驶员的生理状态信号，实现驾驶员眼动行为的监测，对驾驶员的疲劳模式提供准确的判定依据，推动可拉伸电子皮肤在生理健康监测、安全驾驶等领域的应用。当前可拉伸电子皮肤在驾驶员眼动行为监测的应用还是一片空白，人体的温度、汗液等生理信息同样影响驾驶员的眼动行为，眼动行为与驾驶员的多种生理信号之间的内在关系有待进一步揭示，驾驶员的眼动行为识别与疲劳驾驶问题有待深入。

实际中，越来越多的领域对电子器件具有大变形能力提出了需求，例如电子产品的个性化、多样化程度的提高以及生物兼容性与舒适性的要求，电子器件应用在一些复杂工况、复杂曲面和柔软物体表面上对电子器件的变形能力都提出了要求和挑战。利用弹性基底制备的可拉伸电子皮肤具有很好的拉伸性能，在研究以及实际应用中得到了广泛的关注，但是存在的最大问题是电子皮肤在驾驶员眼动行为监测中如何提供稳定记录驾驶员的生理信号，设计与制备可拉伸电子皮肤，并与皮肤表面保持共形接触的电子皮肤，实现温度、出汗、眼电图等信号实时监测的可拉伸电子皮肤是面临的主要问题。解决可拉伸电子皮肤人体兼容性与可穿戴性将为面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤产品化提供技术支持。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于提供一种面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统，可拉伸电子皮肤系统包括温度、出汗、眼电图等感知单元，感知单元采用由曲线段形成的网状结构，并且均集成同一块可拉伸弹性基板上；可拉伸电子皮肤贴合在皮肤表面，特别是驾驶员的眼角或者额头等部位，并与之保持共形接触，提高实时记录驾驶员的体温、出汗、眼电图等信号的精度；分析不同动作下的驾驶员对应的生理信号，建立相应的匹配关系，完成驾驶员眼动行为的识别。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于提供一种面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统的结构设计方法，包括温度、出汗、眼电图等感知模块由曲线段生成的网状结构，一般采用二阶自相似马鞍形结构，提高电子皮肤的拉伸变形能力；并且均集成在同一块超薄可拉伸弹性基板上，实现可拉伸电子皮肤与驾驶员皮肤表面保持共形接触，减小电子器件与皮肤表面之间的运动滑移，尽量减小电子器件与皮肤之间由于摩擦产生的静电荷，提高可拉伸电子皮肤记录驾驶员的生理信号稳定性与精度。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第三目的在于提供一种面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统的制备方法，制备得到集成温度、出汗、眼电图等感知模块的可拉伸电子皮肤，感知功能模块均是图案化的金属薄膜形成的；加工工艺过程主要包括金属薄膜图案化与电子器件转移到柔性基底两部分，转印工艺工程在于采用临时衬底作为牺牲层，实现电子器件从硅基衬底上的释放并转印到柔性衬底上。

一种面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统，包括温度、出汗、眼电图等感知单元和全柔性印刷电路板采集、信号调理部分，其特征在于，所有感知功能单元均集成在同一块可拉伸弹性基板上，方便同时记录驾驶员的多种生理状态信息。当可拉伸电子皮肤贴合在驾驶员皮肤表面记录生理状态信息时，电子皮肤能够主动适应柔性皮肤表面，与之保持接触，并且跟随皮肤表面的运动变形而变形，大大提供驾驶员汽车驾驶过程生理健康监测的舒适性和电子皮肤系统的可穿戴性。

进一步地，所述面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统由温度、出汗、眼电图等感知单元构成。

进一步地，所述感知单元为曲线段形成的网状结构。

进一步地，所述网状结构为三角形栅格结构。

进一步地，所述曲线段为二阶自相似马鞍形结构。

一种面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统的制备方法，包括以下步骤：

（1）在硅基衬底上，均匀贴合一层临时衬底，然后在上面通过磁控溅射或者蒸镀制备一层金属薄膜；

（2）利用高精密机械加工或者激光加工，完成金属薄膜的图案化，生成对应的感知功能单元；

（3）运用胶带将可拉伸电子器件从临时衬底上拾取成功，完成器件与临时衬底的分离；

（4）将胶带上的电子器件转印到可拉伸弹性基板上；

（5）运用相应的物理作用实现器件与胶带之间的分离，完成可拉伸弹性基板的电子器件制备；

（6）利用导电银胶实现可拉伸电子皮肤与全柔性印刷电路板相连，引出可拉伸电子皮肤的信号引脚；

（7）将电子皮肤贴合在皮肤表面，并与之保持共形接触，完成驾驶员的生理信号的实时采集，完成驾驶员眼动行为的监测。

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，由于本发明面向驾驶眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统，具有大拉伸变形能力，能主动适应柔软皮肤表面；当可拉伸电子皮肤贴合在皮肤表面时，并与皮肤保持共形接触，跟随表面的变形而变形，减小电子器件与皮肤表面之间的运动滑移，提高电子器件记录电生理信号的稳定性与精度，实现驾驶员眼动行为的监测。进一步地，本发明面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统采用由马鞍形形成的网状结构形成，其存在较大的变形冗余，能够承受较大拉伸，具有很大的弯曲变形能力，满足复杂变形需求。该结构能够保证电子皮肤的拉伸变形能力，同时与皮肤表面保持共形接触，提高驾驶员眼动行为识别的成功率。

本发明面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统采用金属薄膜图案化和转印工艺制备，加工成合适的形状大小，其设计加工简单易操作，易于卷到卷工艺集成，便于可拉伸电子皮肤的大规模连续制造。

本发明面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统，采用有机高分子聚合物进行封装，这种聚合物具有很大的弹性变形能力，同时也具有很大的弯曲变形能力，从而使其可以贴在人体皮肤、服装等可能产生复杂弹性变形的物体表面，拓展了可拉伸电子皮肤的应用范围。

综上所述，本发明可拉伸电子皮肤系统采用曲线结构，结合柔性薄膜材料既能提供较好的拉伸和压缩性能，实现在拉伸过程中电子皮肤记录生理信号的稳定性。

附图说明

图1为本发明面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统结构示意图，其中，包括温度、出汗、眼电图等感知单元的可拉伸电子皮肤图案。

图2为温度感知单元示意图。主要由二阶自相似结构首尾相连形成的线圈热敏电阻构成。

图3为出汗感知单元示意图。主要通过同轴共心电容功能模块。

图4为眼电图感知单元示意图。包括参考电极、接地电极和测量电极。其基本结构形式为二阶自相似马鞍形结构。

图5为本发明可拉伸电子装置制备流程图，其中，（1）在硅基衬底上，均匀贴合一层临时衬底，然后在上面通过磁控溅射或者蒸镀制备一层金属薄膜；（2）利用高精密机械加工或者激光加工，完成金属薄膜的图案化，生成对应的感知功能单元；（3）运用胶带将可拉伸电子器件从临时衬底上拾取成功，完成器件与临时衬底的分离；（4）将胶带上的电子器件转印到可拉伸弹性基板上；（5）运用相应的物理作用实现器件与胶带之间的分离，完成可拉伸弹性基板的电子器件制备；（6）利用导电银胶实现可拉伸电子皮肤与全柔性印刷电路板相连，引出可拉伸电子皮肤的信号引脚；（7）将电子皮肤贴合在皮肤表面的示意图。

图6表示一段时间内可拉伸电子皮肤同时记录驾驶员眼动行为的生理信号。包括温度、出汗情况和眼电图监测结果图。

图中符号意义说明如下：

11-可拉伸弹性薄膜；12-可拉伸眼电图记录模块；13-可拉伸温度感知模块；14-可拉伸皮肤出汗检测模块；15-二阶自相似马鞍形结构；16-功能模块的金属引脚。

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。

参见图1，本发明面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统包括温度、出汗、眼电图等感知单元和全柔性印刷电路板。当前感知单元结构均集成在同一可拉伸弹性基板上，图1为本发明面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统结构示意图，包括温度、出汗、眼电图等感知单元的可拉伸电子皮肤图案。

图2为温度感知单元示意图。制备金属图案化薄膜形成绕圈电阻结构，制备的金属薄膜电阻具有热敏特性，能够记录人体皮肤表面的温度变化信息。

图3为出汗感知单元示意图。通过制备的同心共轴电容结构，其贴合在皮肤表面，皮肤表面在不同出汗情况下，会影响皮肤表面的汗水量，从而改变所制备到电容结构的阻抗值。通过测试与皮肤表面之间的接触阻抗值，反算得到皮肤表面的含水量，也就是完成皮肤表面出汗情况的监测。

图4为眼电图感知模块示意图。包括参考电极、接地电极和测量电极。在测试过程中，参考电极与测量电极通过差分方式感知皮肤表面的电生理势情况。其基本结构均是采用二级自相似马鞍形结构构成，最终形成典型网状可拉伸电子皮肤系统。

图5为本发明中的面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤系统的制备方法，包括以下步骤：

（1）在硅基衬底上，均匀贴合一层临时衬底，然后在上面通过磁控溅射或者蒸镀制备一层金属薄膜；

（2）利用高精密机械加工或者激光加工，完成金属薄膜的图案化，生成对应的感知功能单元；

（3）运用胶带将可拉伸电子器件从临时衬底上拾取成功，完成器件与临时衬底的分离；

（4）将胶带上的电子器件转印到可拉伸弹性基板上；

（5）运用相应的物理作用实现器件与胶带之间的分离，完成可拉伸弹性基板的电子器件制备；

（6）利用导电银胶实现可拉伸电子皮肤与全柔性印刷电路板相连，引出可拉伸电子皮肤的信号引脚；

（7）将电子皮肤贴合在皮肤表面，并与之保持共形接触，完成驾驶员的生理信号的实时采集，完成驾驶员眼动行为的监测。

本发明中，眼电图感知单元包括参考电极，接地电极和测量电极。这个三个电极之间的间距相等，成均匀布置，具体生理信号记录过程，参考电极与测量电极采用差分采集模式，减小噪声影响，提高信号采集的精度。

用一种导电银胶实现感知单元与全柔性印刷电路板之间的相连接，保证可拉伸电子皮肤记录生理信号的稳定性。通过有机聚合物密封电子皮肤的银胶，保证互连的可靠性，本发明中，这种有机聚合物密封材料选用聚二甲基硅氧烷。

制备方法实例：

下面结合具体实例和图5对本发明作进一步说明。

图5为本发明可拉伸制备流程图，其中，（1）在4英寸硅基衬底上，均匀贴合一层临时衬底，然后在上面通过磁控溅射（功率为100瓦，工作压力为0.8帕，溅射时间为10分钟）制备得到厚度为200纳米的金属薄膜；

（2）在Auto CAD软件上设计出指定图案的眼动行为监测器件的图案，利用高精密机械加工或者激光加工（功率1.5瓦），加工的线宽为100微米，得到对应的感知功能单元；

（3）运用热敏胶带将可拉伸电子器件从临时衬底上拾取成功，完成器件与临时衬底的分离；

（4）将胶带上的电子器件转印到可拉伸聚二甲基硅氧烷弹性基板上；

（5）将热敏胶带在70℃的热板上，加热烘烤10分钟，实现器件与热敏胶带之间的分离，完成电子器件与可拉伸弹性基板之间的集成；

（6）利用导电银胶（南京航硕电子）实现可拉伸电子皮肤与全柔性印刷电路板相连，引出可拉伸电子皮肤的信号引脚，完成面向驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤设计与制备。

电子皮肤记录驾驶员生理信号实例说明：

图6表示一段时间内可拉伸电子皮肤同时记录驾驶员眼动行为的生理信号。所述装置能同时记录驾驶员的温度、出汗和眼电图等生理信息。图6中的上图为驾驶员在长时间驾驶过程中运用眼动监测装置记录到的皮肤表面温度信息；中图为驾驶员在长时间驾驶过程中对应的电子皮肤与皮肤表面水合阻抗变化，主要反映驾驶员的出汗情况；下图为驾驶员对应的眼电图信息，在长时间眨眼下其对应的生理信号特征明显。所述多功能生理健康监测装置同时记录多种生理信号，分析相应的信号特征，为准确提取驾驶员的眼动行为提供依据，有助于揭示人体在同一时间段内不同生理信号之间的对应的关系，进一步揭示驾驶员疲劳驾驶的特征情况，为安全驾驶提供更加准确的判定依据。

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 (1)

1.一种驾驶员眼动行为实时监测装置，包括温度、出汗、眼电图感知单元，其特征在于，所有感知单元均集成在同一块可拉伸弹性基板上，感知单元通过金属薄膜的图案化实现，通过转印操作实现图案化金属薄膜与可拉伸弹性基板的无缝集成；

所述感知单元为曲线段形成的网状结构，所述曲线段采用二阶自相似马鞍形结构，提高电子皮肤的拉伸变形能力；其中，温度感知单元由二阶自相似马鞍形结构首尾相连形成的线圈热敏电阻构成；出汗感知单元通过同轴共心电容功能模块构成；眼电图感知单元为二阶自相似马鞍形结构，包括参考电极、接地电极和测量电极；

所述监测装置的制备方法包括以下步骤：

（1）在硅基衬底上，均匀贴合一层临时衬底，然后在上面通过磁控溅射或者蒸镀制备一层金属薄膜；

（2）利用高精密机械加工或者激光加工，完成金属薄膜的图案化，生成对应的感知单元，得到可拉伸电子器件；

（3）运用胶带将可拉伸电子器件从临时衬底上拾取成功，完成可拉伸电子器件与临时衬底的分离；

（4）将胶带上的可拉伸电子器件转印到可拉伸弹性基板上；

（5）运用相应的物理作用实现可拉伸电子器件与胶带之间的分离，得到可拉伸电子皮肤；

（6）利用导电银胶实现可拉伸电子皮肤与全柔性印刷电路板相连，引出可拉伸电子皮肤的信号引脚，完成用于驾驶员眼动行为监测的可拉伸电子皮肤的制备；

所述临时衬底用作牺牲层，实现图案化金属与柔性基板的兼容；

当所述可拉伸电子皮肤贴合在驾驶员的眼角或者额头时，对驾驶员在驾驶过程的生理信号实时监测，并通过全柔性印刷电路板完成驾驶员生理信号的采集，并传输到手机或者汽车的显示屏上。

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