CN111387645A - 一种足底压力实时监测的智能鞋垫 - Google Patents

一种足底压力实时监测的智能鞋垫 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种足底压力实时监测的智能鞋垫，包括：底部电极层(1)；中间介质层(2)设于底部电极层(1)的上表面，其为多孔结构，多孔结构为通孔并垂直于底部电极层(1)，中间介质层(2)的材料为Ecoflex硅胶，其形状为鞋垫形；顶部电极层(3)，设于中间介质层(2)的上表面，与底部电极层(1)形成电容结构；屏蔽层(4)，设于顶部电极层(3)的上表面，其为导电结构。采用激光切割技术来得到中间介质层的多孔结构提高传感器的灵敏度，并采用这种技术制备了一体化足底压力实时监测的智能鞋垫。具有成本低廉、可大规模制备以及可客户化订制等优点；且采用无线传输以及接收模块，实现可穿戴和无线传输等特点。

Description

一种足底压力实时监测的智能鞋垫
技术领域
本申请涉及智能传感技术领域，尤其涉及足底压力实时监测的智能鞋垫。
背景技术
随着科技水平和医疗能力的提高，人类寿命延长，人口出生率降低，老龄化是亟需解决的问题之一，对于疾病早期的诊断和预防也越来越重要。目前，采用无创的方式，可通过穿戴健康监控智能设备来监控各种生理信号从而达到提前诊断或预防的效果。
电容传感器由于其结构简单、功率低、易于大面积制备以及稳定性好等优点而被用作压力传感模块，常采用杨氏模量较低的弹性体作为中间介质层不仅可以提高灵敏度还有舒适度，经常采用泡沫结构或各种微结构来增加介质层的空气率进一步提高传感器的灵敏度。一般在弹性介质层里微结构制备工艺复杂，造成更多材料的浪费及成本的提高，且传统的智能鞋垫一般是将各种电子元件组装在鞋垫中，鞋垫厚度以及体积增加，影响用户的舒适性和体验感。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种足底压力实时监测的智能鞋垫，至少解决以上技术问题。
(二)技术方案
一种足底压力实时监测的智能鞋垫，包括：底部电极层1，底部电极层1接地；中间介质层2，设于底部电极1的上表面，其为多孔结构，多孔结构为通孔并垂直于底部电极层1，中间介质层2的材料为Ecoflex硅胶，其形状为鞋垫形；顶部电极层3，设于中间介质层2的上表面，与底部电极层1形成电容结构；屏蔽层4，设于顶部电极层3的上表面，其为导电结构；顶部电极层3与屏蔽层4之间设有绝缘层，绝缘层的厚度小于1mm。
可选地，中间介质层2包括24个圆柱体阵列，每一圆柱体均为多孔结构。
可选地，多孔结构均匀设于所述圆柱体。
可选地，圆柱体的半径为2.5mm，多孔结构中每一孔的半径为600μm。
可选地，每一圆柱体上的孔数为7个，在圆柱体上呈六方排布。
可选地，顶部电极层3为圆形板阵列结构，每一圆形板与一圆柱体对应。
可选地，圆形板阵列与底部电极层1形成电容阵列，电容阵列分成两份分别与一AD7147芯片的采集接口连接，AD7147芯片的AC shield引脚与所述屏蔽层4连接。
可选地，AD7147芯片将采集的电容数据合并成一帧数据，AD7147芯片还包括SCI异步串行接口和无线串口，AD7147芯片将合并后的数据经过SCI异步串行接口发送至无线串口，以使数据以无线电波方式输出。
可选地，该足底压力实时监测的智能鞋垫还包括显示终端，用于将电容数据转换为压力数据并可视化显示所述电容数据和压力数据。
(三)有益效果
本公开提供了一种足底压力实时监测的智能鞋垫，采用激光切割技术来得到中间介质层的多孔结构提高传感器的灵敏度，并采用这种技术制备了足底压力实时监测的智能鞋垫，用于足部动态压力的实时模拟和传感，该智能鞋垫在受到外界压力时，鞋垫上的电容传感器阵列点的中间介质层发生变化，导致电容值发生变化，因此根据鞋垫上阵列点的传感器的电容值的变化就可以得到足底压力分布的大小。具有成本低廉、可大规模制备以及可客户化订制等优点；且采用无线传输以及接收模块，实现可穿戴和无线传输等特点。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的足底压力实时监测的智能鞋垫的结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的中间介质层的结构示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的具有多孔结构的单个电容传感器与不具有多孔结构的单个电容传感器相比的电容变化率；
图4示意性示出了根据本公开实施例的一圆形板的结构示意图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的电容传感器阵列的工作原理图；
图6示意性示出了本公开实施例的单个电容传感器按外加应力逐渐增加和减小情况下的电容传感器电容变化率的响应曲线；
图7示意性示出了本公开实施例与图6对应的的单个电容传感器按外加应力逐渐增加和减小情况下的电容传感器电容变化率的回复性曲线；
图8示意性示出了本公开实施例的单个电容传感器施加和卸去应力情况下的电容传感器的响应时间；
图9示意性示出了本公开实施例的在50kPa的压力下，15000次相对电容的变化循环情况；
图10示意性示出了本公开实施例的人穿上该足底压力实时监测的智能鞋垫后行走过程中足底的压力分布动态实时模拟。
具体实施方式
一种足底压力实时监测的智能鞋垫，如图1所示，包括：底部电极层1，底部电极层1接地；中间介质层2，设于底部电极1的上表面，其为多孔结构，多孔结构为通孔并垂直于底部电极层1，中间介质层2的材料为Ecoflex硅胶，其形状为鞋垫形；顶部电极层3，设于中间介质层2的上表面，与底部电极层1形成电容结构；屏蔽层4，设于顶部电极层3的上表面，其为导电结构；顶部电极层3与屏蔽层4之间设有绝缘层，绝缘层的厚度小于1mm。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本公开中的足底压力实时监测的智能鞋垫，当人行走时，对该鞋垫施压，使得该鞋垫产生压缩变形，从而改变该鞋垫的电容，通过电容转换为压力变化获得作用于该鞋垫的压力变化。
底部电极层1，可以选择柔性极好的工业化的导电布，采用激光切割技术进行图案化。底部电极层1为接地电极，用于屏蔽地面干扰。
中间介质层2，设于底部电极1的上表面，其为多孔结构，多孔结构垂直于底部电极层1，中间介质层2的材料为Ecoflex硅胶，Ecoflex硅胶具有较低的杨氏模量和舒适性，适合做电容器结构的压力传感器的介电层。该中间介质层2可以由多个圆柱体组成，如本公开实施例中采用24个，该24个圆柱体组成圆柱体阵列，每一圆柱体均为多孔结构，多孔均匀设于圆柱体内，并垂直于底部电极层1。中间介质层2形状为鞋垫形可以采用激光切割技术在中间介质层2内制备多孔结构，该多孔结构可以有效地提高电容传感器的灵敏度，且此技术可以个性化制备一体阵列化的中间介质层1，可以调整阵列化的个数以及位置，制备工艺简单、成本低，并且易于个性化定制，具有较高的工业利用价值。
如图2所示，图2示意性示出了根据本公开实施例的中间介质层的结构示意图，该圆柱体的结构材料为Ecoflex硅胶，其半径为2.5mm，其内的多孔结构中每一孔的半径为600μm。圆柱体上的孔数为7个，在圆柱体上呈六方排布。
图3示意性示出了根据本公开实施例的具有多孔结构的单个电容传感器与不具有多孔结构的单个电容传感器相比的电容变化率。可以看出，与没有垂直多孔结构相比，呈六方排布且孔径大小为600μm的电容传感器的灵敏度在0～200kPa上有较明显的提升，且在0～200kPa上有较好的线性度。
顶部电极层3，设于中间介质层2的上表面，与底部电极层1形成电容结构。顶部电极层3可以选用工业定制金属印刷焊接电极，由于其存在焊接孔，可以将导线焊接在上面，形成非常稳定的连接方式，利于鞋垫稳定性。顶部电极层3为圆形板阵列结构，每一圆形板与一圆柱体对应。如图4所示，图4示意性示出了根据本公开实施例的一圆形板的结构示意图。与图对应的，该圆形板的半径为2.5mm，该圆形板为圆形印刷焊接电极，焊接方式可以提高整个鞋垫的稳定性。
由上可知，可以形成电容传感器阵列。图5示意性示出了根据本公开实施例的电容传感器阵列的工作原理图。本公开实施例以该电容传感器阵列包括24个电容传感器为例对其进行介绍。该24个电容传感器分为两份，如其中12个电容传感器与一AD7147芯片的采集接口(CIN X)连接，AD7147芯片的AC shield引脚与屏蔽层4连接。AD7147芯片是美国模拟器件公司的可编程电容数字转换器，具有fF级别的分辨率，分布有12个电容传感器输入端，片上自动校准逻辑能自动补偿环境变化，自适应阈值调整。工作电压2.6V至3.3V，低工作电流(全功率模式＜1mA)。PIC16F1526是美国微芯公司的一款中档MCU，具有2个SPI同步串行接口，可接2个AD7147，2个SCI异步串行接口，可用于上位机通信。数据传输采用SPI兼容的同步串行接口。电容传感器数据通过SPI同步串行接口传送至MCU，MCU将两片AD7147芯片传过来的24路电容传感器数据进行“扣背景”等相关处理，合并成一帧数据，然后通过SCI异步串行接口送往无线串口，以使数据以无线电波方式输出。
屏蔽层4选用柔性较好的工业化导电布，可以采用激光切割技术定制为鞋垫形状覆盖于顶部电极层3的上表面，作为屏蔽层。顶部电极层3与屏蔽层4之间设有绝缘层，绝缘层的厚度小于1mm。
本公开实施例的足底压力实时监测的智能鞋垫还包括显示终端，该显示终端可以将电容数据转换为压力数据并可视化显示该电容数据和压力数据。
本公开的另一实施例，足底压力实时监测的智能鞋垫包括传感器模块以及数据采集和发射模块，其中：
传感器模块包括电容传感器阵列，其中该电容传感器阵列中每一电容传感器的两极板之间设有具有多孔结构的圆柱体形介质层，一极板上还设有金属屏蔽层，其中多孔结构与两极板垂直，圆柱体形介质层材料为Ecoflex硅胶。Ecoflex硅胶具有较低的杨氏模量和舒适性，适合做电容器结构的压力传感器的介电层。多个圆柱体组成圆柱体阵列，每一圆柱体均为多孔结构，多孔均匀设于圆柱体内。可以采用激光切割技术在圆柱体内制备多孔结构，该多孔结构可以有效地提高电容传感器的灵敏度，且此技术可以个性化制备一体阵列化的中间介质层，可以调整阵列化的个数以及位置，制备工艺简单、成本低，并且易于个性化定制，具有较高的工业利用价值。
数据采集和发射模块，其为多通道数据采集芯片和无线发射器。数据采集和发射模块是以两片AD7147芯片为核心。该芯片是美国模拟器件公司的可编程电容数字转换器，具有fF级别的分辨率，分布有12个电容传感器输入端，片上自动校准逻辑能自动补偿环境变化，自适应阈值调整。本系统前12路和后12路电容数据分别连接两片AD7147的采集接口，屏蔽层连接到芯片的AC shield引脚。数据传输采用SPI兼容的同步串行接口。工作电压2.6V至3.3V，低工作电流(全功率模式＜1mA)。PIC16F1526是美国微芯公司的一款中档MCU，具有2个SPI同步串行接口，可接2个AD7147，2个SCI异步串行接口，可用于上位机通信。两片AD7147分别接12个电容传感器，电容传感器数据通过SPI同步串行接口传送到MCU，MCU把2片AD7147传过来的24路电容传感器数据进行“扣背景”等相关的处理，合并成为一帧数据，然后通过SCI异步串行接口送往无线串口，以无线电波方式与个人电脑等显示终端通信。
图6示意性示出了本公开实施例的单个电容传感器按外加应力逐渐增加和减小情况下的电容传感器电容变化率的响应曲线。其中外力分别为4.5kPa、16kPa、35.7kPa、56kPa、94kPa、128kPa、158kPa、200kPa、236kPa。
图7示意性示出了本公开实施例与图6对应的的单个电容传感器按外加应力逐渐增加和减小情况下的电容传感器电容变化率的回复性曲线。可以看出该电容传感器具有很好的回复性。
图8示意性示出了本公开实施例的单个电容传感器施加和卸去应力情况下的电容传感器的响应时间。可以可出响应时间很短，响应迅速灵敏。
图9示意性示出了本公开实施例的在50kPa的压力下，15000次相对电容的变化循环情况。插图为50-70次以及14420-14440次的电容相对变化率曲线，可以看出传感器有较好的稳定性。
图10示意性示出了本公开实施例的人穿上该足底压力实时监测的智能鞋垫后行走过程中足底的压力分布动态实时模拟。
综上所述，本公开采用激光切割技术来得到中间介质层的多孔结构提高传感器的灵敏度，并采用这种技术制备了足底压力实时监测的智能鞋垫，用于足部动态压力的实时模拟和传感，该智能鞋垫在受到外界压力时，鞋垫上的电容传感器阵列点的中间介质层发生变化，导致电容值发生变化，因此根据鞋垫上阵列点的传感器的电容值的变化就可以得到足底压力分布的大小。具有成本低廉、可大规模制备以及可客户化订制等优点；且采用无线传输以及接收模块，实现可穿戴和无线传输等特点。
还需要说明的是，实施例中提到的方向术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种足底压力实时监测的智能鞋垫，从下至上依次包括：
底部电极层(1)，所述底部电极层(1)接地；
中间介质层(2)，设于所述底部电极(1)的上表面，其为多孔结构，所述多孔结构为通孔并垂直于所述底部电极层(1)，所述中间介质层(2)的材料为Ecoflex硅胶，其形状为鞋垫形；
顶部电极层(3)，设于所述中间介质层(2)的上表面，与所述底部电极层(1)形成电容结构；
屏蔽层(4)，设于所述顶部电极层(3)的上表面，其为导电结构；
所述顶部电极层(3)与屏蔽层(4)之间设有绝缘层，所述绝缘层的厚度小于1mm。
2.根据权利要求1所述的智能鞋垫，所述中间介质层(2)包括24个圆柱体阵列，每一所述圆柱体均为多孔结构。
3.根据权利要求2所述的智能鞋垫，所述多孔结构均匀设于所述圆柱体。
4.根据权利要求2或3所述的智能鞋垫，所述圆柱体的半径为2.5mm，所述多孔结构中每一孔的半径为600μm。
5.根据权利要求2所述的智能鞋垫，每一所述圆柱体上的孔数为7个，在所述圆柱体上呈六方排布。
6.根据权利要求2所述的智能鞋垫，所述顶部电极层(3)为圆形板阵列结构，每一圆形板与一所述圆柱体对应。
7.根据权利要求6所述的智能鞋垫，所述圆形板阵列与所述底部电极层(1)形成电容阵列，所述电容阵列分成两份分别与一AD7147芯片的采集接口连接，所述AD7147芯片的ACshield引脚与所述屏蔽层(4)连接。
8.根据权利要求7所述的智能鞋垫，所述AD7147芯片将采集的电容数据合并成一帧数据，所述AD7147芯片还包括SCI异步串行接口和无线串口，所述AD7147芯片将合并后的数据经过SCI异步串行接口发送至无线串口，以使所述数据以无线电波方式输出。
9.根据权利要求8所述的智能鞋垫，还包括显示终端，用于将所述电容数据转换为压力数据并可视化显示所述电容数据和压力数据。
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