CN111513418B - 一种智能鞋垫及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能鞋垫，包括柔性电路板、多孔结构的传感层及包裹它们的封装部，柔性电路板包括设置在柔性衬底第一表面上的第一电极阵列，设置在与第一表面相对的第二表面上的第一感应电极层，封装部包括覆盖第一表面的第一封装层及覆盖第二表面的第二封装层，沿柔性衬底向第一封装层的方向，第一电极阵列及传感层依次层叠嵌设在第一封装层中。第一感应电极层和第二封装层用于构成摩擦纳米发电机，柔性衬底、第一电极阵列和传感层用于构成柔性压力传感器阵列。该智能鞋垫的结构简单、成本低廉、穿着舒适度高，既可实现自供能，又可检测人足底受压情况。本发明还提供了该智能鞋垫的制备方法及智能鞋子、自供能步态信息采集系统。

Description

一种智能鞋垫及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，尤其涉及一种智能鞋垫及其制备方法和应用。

背景技术

目前，常见的智能鞋通常具有内置电池或发电装置，内置电池的受体积限制，电池容量往往达不到较长时间的续航；而常规的发电装置(如包括踏压转动机构、传动机构、微型发电机)不仅结构复杂、体积庞大、成本高，而且发电效率低，且鞋底发生较大变形，走路时容易产生不适感。此外，现有的智能鞋中的姿态传感器(如压力传感器)与上述发电装置集成到鞋垫中的难度高，且多为硬质材料，且舒适度低。

因此，有必要提供一种成本低、结构简单、舒适度高，并集成采集压力和自供能的智能鞋垫及系统。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种具有大量程的柔性压力传感器和高性能摩擦纳米发电机的智能鞋垫、智能鞋子及相关系统，以解决智能鞋垫中供电设备的续航性差、体积大、发电效率低的问题及目前压力传感器难集成到鞋垫中的问题。

具体地，本发明第一方面提供了一种智能鞋垫，包括柔性电路板、传感层及包裹所述柔性电路板和传感层的封装部，其中，所述柔性电路板包括设置在柔性衬底的第一表面上的第一电极阵列，以及设置在与所述第一表面相对的第二表面上的第一感应电极层，所述封装部包括相对设置的第一封装层和第二封装层，所述第一封装层覆盖所述第一表面，所述第二封装层覆盖所述第二表面，沿所述柔性衬底向所述第一封装层的方向，所述第一电极阵列和所述传感层依次层叠嵌设在所述第一封装层中，所述传感层具有多孔结构；其中，所述第一感应电极层和所述第二封装层用于构成摩擦纳米发电机，所述柔性衬底、第一电极阵列和传感层用于构成柔性压力传感器阵列。

本发明第一方面提供的智能鞋垫中，融入了结构简单的摩擦纳米发电机及大量程的柔性压力传感器阵列，且二者之间的结合紧密、可被封装部较好地保护，所形成的智能鞋垫的稳定性高、一体性强；其中，柔性压力传感器阵列的衬底柔软、传感层具有多孔结构，可使得柔性压力传感器阵列较柔软，进而使所述智能鞋垫穿着舒适，且还能通过大量程的柔性压力传感器真实反映其穿着者的步态信息；而所述封装部的第二封装层还作为所述摩擦纳米发电机的摩擦层，在人穿着智能鞋垫走路的过程中，因外力的施加和撤去，所述第二封装层会得到电子产生负电荷，并且通过静电感应原理使所述第一感应电极层产生正感应电荷，从而产生电势差，使得所述摩擦纳米发电机输出电能，实现将人行走过程中产生的机械能高效率地转化为电能，避免了浪费。

可选地，所述传感层的多孔结构的孔径为50-500μm。进一步地，所述传感层的厚度为1-5mm。例如1mm、2mm、3mm、4mm、5mm等。若所述传感层的厚度太薄，则会造成传感不灵敏。

本发明中，所述传感层包括阵列排布的多个传感单元，每个传感单元均是具有多孔结构。其中，柔性衬底上的一个传感单元和位于该传感单元之下的一个第一电极构成了一个柔性压力传感器。

可选地，所述第二封装层的厚度为≥1mm。这样可减少其与地面摩擦所到导致的磨损。进一步地，所述第二封装层的厚度不超过5mm，以尽可能保证摩擦纳米发电机对外力的响应较灵敏，使其具有较好的摩擦电性能。

可选地，所述封装部具有多孔结构。这样可使得所述智能鞋垫穿着较舒适。进一步地，所述封装部的多孔结构的孔径为100-300μm。

本发明中，所述封装部作为智能鞋垫的外层，其大小、形状可定制；其中，所述柔性电路板的形状也可根据人脚轮廓来定制。其中，所述柔性衬底的材质为绝缘材料，可以选自聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯中的一种或多种，但不限于此。

其中，所述第一电极阵列的材质独立地选自铜、铝、银、铂、金、钛、铱、钯、铌、钽及其合金、氮化钛(TixNy)、氧化铱(IrOx)、氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺氟二氧化锡(FTO)和掺磷二氧化锡(PTO)中的至少一种，但不限于此。优选为价格低廉的铜。

本发明中，所述第一电极阵列是间隔设置在柔性衬底上，而所述第一感应电极层是整面设置在所述柔性衬底的第二表面。所述传感层的多个传感单元与多个第一电极的排布方式(如位置、数量)相同。可选地，所述第一电极阵列中的每个第一电极和第一感应电极层分别引出有导线，以便于与下文所述的处理模块或供能模块电连接。

在本发明一实施方式中，所述第一电极阵列的每个第一电极具有叉指图案。即，每个第一电极为叉指电极。此时，所述柔性压力传感器阵列包括压阻式柔性压力传感器；从每个第一电极处引出有两根导线。可便于后续在每个第一电极之间加载每个压阻式柔性压力传感器工作所要的能源，以及下文的处理模块电连接。

对于压阻式柔性压力传感器而言，所述传感层的多孔传感材料可以包括导电材料和聚合物弹性体。其中，所述聚合物弹性体为绝缘材料，可以选自聚氨酯(PU)类弹性体、聚二甲基硅氧烷(PDMS)类弹性体、聚烯烃类弹性体中的一种或多种；所述导电材料可以选自导电炭黑、碳纳米管、石墨烯片和金属纳米材料(如金纳米颗粒、银纳米颗粒、银纳米片等)中的一种或多种。所述传感层的构成材料中的聚合物弹性体可以与所述封装部之间实现良好的贴合效果。其中，对于聚烯烃类可以列举SEBS(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物)、SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、POE(乙烯-辛烯共聚物)、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)。

可选地，所述传感层的厚度与所述第一电极阵列的厚度之和小于或等于所述第一封装层的厚度。进一步可选地，所述传感层的厚度与所述第一电极阵列的厚度之和等于所述第一封装层的厚度。此时，所述传感层的上表面(背离所述第一电极阵列的一面)与所述第一封装层的上表面齐平(即，所述传感层的上表面从所述第一封装层中露出)。这样所述智能鞋底在穿着过程中可较好地保持整体形状的稳定、厚度的均一性，不易因传感层、封装部的弹性模量不一致而造成坍塌。

在本发明其他实施方式中，所述第一电极阵列的每个第一电极不具有叉指图案。此时，所述传感层上还设有与所述第一电极阵列相对应的第二电极阵列，所述第二电极阵列也嵌设在所述第一封装层中。此种情况下，所述柔性压力传感器阵列包括所述柔性衬底、第一电极阵列、传感层和第二电极阵列。所述第二电极阵列与第一电极阵列的材质可以相同或不同。

进一步地，若所述传感层的构成材料为多孔PU类弹性体、PDMS类弹性体、EVA泡棉等介电材料，则该柔性压力传感器阵列为电容式压力传感器阵列；若所述传感层的材料为PZT、PVDF等柔性压电材料，则该柔性压力传感器为压电式压力传感器阵列。此时，所述第一电极阵列中的每个第一电极、第二电极阵列中的每个第二电极分别引出有导线，其中，当柔性压力传感器阵列为电容式时，每个第一电极和与其对应的第二电极之间加载每个电容式柔性压力传感器工作所要的能源。

可选地，所述第一电极阵列、所述传感层、所述第二电极阵列的厚度之和小于或等于所述第一封装层的厚度。进一步可选地，所述第二电极阵列的上表面(背离所述传感层的一面)与所述第一封装层的上表面齐平(即，所述第二电极阵列的上表面从所述第一封装层中露出)。这样所述智能鞋底在穿着过程中可较好地保持整体形状的稳定、厚度的均一性。

在本发明另一实施方式中，所述摩擦纳米发电机还包括第二感应电极层，其嵌设在所述第二封装层远离所述第一感应电极层的一面，且所述第一感应电极层与所述第二封装层不接触层叠设置(即，二者是间隔设置)。此时，所述摩擦纳米发电机为双电极式。其中，所述第一感应电极层与所述第二封装层的不接触层叠设置可通过空气、弹性层(如弹簧)等实现间隔。在人穿着智能鞋垫走路的过程中，因外力的施加和撤去，使第一感应电极层与第二封装层不断分离和接触，进而使第一感应电极层与第二感应电极层之间产生电势差，从而对外输出电能。

可选地，本发明中，所述第一感应电极层、所述第二感应电极层的材质独立地选自金属薄膜、导电氧化物薄膜。

本发明第二方面提供了一种智能鞋垫的制备方法，包括以下步骤：

(1)在柔性衬底的第一表面上制备第一电极阵列、在与所述第一表面相对的第二表面上制备第一感应电极层，得到柔性电路板；

(2)将所述柔性电路板置于定制的模具中，倒入封装部浆料进行发泡，发泡结束后取出，得到包裹有所述柔性电路板的封装部，其中，所述封装部包括相对设置的第一封装层和第二封装层，所述第一封装层覆盖所述第一表面，所述第二封装层覆盖所述第二表面，且所述第一封装层具有孔阵列，所述第一电极阵列的第一电极从所述孔阵列的孔中露出；

(3)将含有牺牲性材料的传感层浆料填充到步骤(2)得到的封装部的所述孔阵列的孔中，加热固化，再浸入水中以溶解脱除所述牺牲性材料，干燥后形成具有多孔结构的传感层，完成智能鞋垫的制作；其中，沿所述柔性衬底向所述第一封装层的方向，所述第一电极阵列和所述传感层依次层叠嵌设在所述第一封装层中；所述第一感应电极层和所述第二封装层用于构成摩擦纳米发电机，所述柔性衬底、第一电极阵列和传感层用于构成柔性压力传感器阵列。

本发明中，所述封装部浆料在受热过程中自动填充整个模具，将置于模具中的柔性电路板包裹，得到与所述模具的模腔形状相同的封装部。

本发明一实施方式中，所述封装部浆料包括异氰酸酯、发泡聚合物、发泡剂、交联剂、催化剂、溶剂。其中，所述发泡聚合物选自热塑性聚烯烃弹性体(如EVA)、热塑性聚氨酯(PU)类弹性体和聚二甲基硅氧烷(PDMS)类聚合物中的一种或多种。

可选地，所述异氰酸酯选自甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)等中的一种或多种。所述发泡剂选自聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物、偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈，偶氮二甲酸钡，4,4’-氧代双苯磺酰肼、对甲苯磺酰肼、碳酸氢钠、柠檬酸钠、碳酸氢铵、可膨胀微球等中的一种或多种。所述交联剂选自过氧化二异丙苯、双叔丁基过氧化异丙基苯、偶氮二异丁腈、偶氮异丁氰基甲酰胺、偶氮二环己基甲氰、偶氮二异丁酸二甲酯等中的一种或多种。所述催化剂选自叔胺、季胺、胺盐、亚锡化合物(如辛酸亚锡)、锡化合物等中的一种或多种。

当然，所述封装部浆料还可以包括填料(如氧化锌、海泡石、木质素)、发泡稳定剂(如二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等)、抗氧化剂(如抗氧剂300)、紫外线吸收剂(如UV-327)等组分。

其中，所述牺牲性材料选自氯化钠、氯化钾和蔗糖中的一种或多种。所述柔性传感器浆料中牺牲性材料的存在，可在后续浸入水后溶解脱除掉，留下空位，形成具有多孔结构的传感层。进一步地，所述牺牲性材料的粒径为50-500μm。即，所述传感层的多孔结构的孔径为50-500μm。

可选地，所述传感层浆料除包括牺牲性材料外，还包括导电材料、聚合物弹性体和溶剂。其中，所述溶剂包括但不限于二甲基甲酰胺、甲苯和乙酸乙酯等中的一种或多种。其中，所述传感层浆料的填充方式包括涂布、流延等。

在本发明一实施方式中，所述传感层浆料充满所述孔阵列的孔。此时，所述传感层与所述第一电极阵列的厚度之和等于所述第一封装层的厚度。

在本发明另一实施方式中，在形成所述传感层之后，所述制备方法还包括：在所述孔阵列的孔内制备第二电极，以形成第二电极阵列。这样所述第二电极阵列就位于所述传感层之上。所述第二电极阵列的制备方式包括印刷、打印、磁控溅射等。

在本发明又一实施方式中，所述智能鞋垫还包括第二感应电极层，其嵌设在所述第二封装层远离所述第一感应电极层的表面中；且所述第一感应电极层与所述第二封装层不接触层叠设置。

本发明第二方面提供的智能鞋垫的制备方法，简便易操作，可快速制备集成度高而结构简单的智能鞋垫，制作成本低，所得智能鞋垫既可通过其摩擦纳米发电机收集电荷、输出电能，又可通过具有多孔结构的传感层实现对人体足底压力的检测。

本发明第三方面提供了一种自供能步态信息采集系统，包括本发明第一方面所述的智能鞋垫、整流滤波电路、供能模块、处理模块、无线传输模块和上位机，所述供能模块包括储能元件，其中，所述摩擦纳米发电机通过其第一感应电极层与所述整流滤波电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与所述储能元件连接，所述摩擦纳米发电机产生的交流电经过所述整流滤波电路之后转变为直流电，并被存储在所述储能元件中；所述柔性压力传感器阵列通过其第一电极阵列依次与所述处理模块、所述无线传输模块顺次连接；所述柔性压力传感器阵列用于将受到的多个第一压力数据分别转换为第一电信号，所述处理模块用于将所述第一电信号处理成第一数字信号，所述无线传输模块用于接收来自所述处理模块的第一数字信号，并通过无线通信的方式传输给所述上位机。

本发明中，由于摩擦纳米发电机因摩擦产生的电流是交流电，所以用到整流滤波电路转化为较为稳定的直流电，转换完的直流电可以存储到所述储能元件中。可选地，所述整流滤波电路包括整流桥(如四个两两对接的二极管构成的全桥电路、两个背对背的二极管构成的半桥电路)和与整流桥连接的滤波模块(如电容)。其中，整流桥是用于将交流电变为脉动直流电，滤波电容是将脉动直流电转变为比较平滑的直流电。

本发明中，所述供能模块可以向所述柔性压力传感器、处理模块、无线传输模块供电。其中，所述供能模块包括储能元件(如超级电容、可充电电池)。可选地，所述供能模块还可以包括供电电源(如锂电池、干电池等化学电池)。

其中，所述处理模块将所述第一电信号处理成第一数字信号，具体包括：所述处理模块将所述第一电信号进行放大、调理、再转换为第一数字信号。

其中，所述无线传输模块包括蓝牙模块、WIFI模块、红外遥控模块、NFC模块、Zigbee模块、3G/4G模块。

本发明中，所述上位机主要用于周期性地将接收到的所述第一数字信号转换回对应的第一压力数据，并进行显示。具体地，所述上位机将接收到的所述第一数字信号转换成所述第一电信号；并根据预存的柔性压力传感器的压力与电信号之间的映射关系，确定与所述第一电信号对应的所述第一压力数据；所述上位机使用N次多项式(比如，N＝2)插值方法对周期性获得的多个第一压力数据进行插值处理，得到每个柔性压力传感器受到的压力随时间变化的曲线图；并以伪彩色图的方式对多个柔性压力传感器的受力情况进行实时显示。

本发明第三方面提供的自供能步态信息采集系统，既通过其智能鞋垫中的摩擦纳米发电机将人行走过程中产生的机械能高效率地转化为电能，又可通过其具有多孔结构的大量程传感层实现对人体足底压力的检测，反映人步态信息。

本发明第四方面提供了一种智能鞋子，包括本发明第一方面所述的智能鞋垫。所述智能鞋垫垫设在所述智能鞋子的鞋底内表面上。

其中，所述智能鞋子还包括容置在所述智能鞋子的鞋底内整流滤波电路、供能模块、处理模块和无线传输模块。具体来说，所述智能鞋子的鞋底内可以设有安装腔体，它们容置在所述安装腔体内。

其中，所述供能模块包括储能元件，所述摩擦纳米发电机通过其第一感应电极层与所述整流滤波电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与所述储能元件连接，所述摩擦纳米发电机产生的交流电经过所述整流滤波电路之后转变为直流电，并被存储在所述储能元件中；所述柔性压力传感器阵列通过其第一电极阵列依次与所述处理模块、所述无线传输模块顺次连接，所述柔性压力传感器阵列用于将受到的多个第一压力数据分别转换为第一电信号，所述处理模块用于将所述第一电信号处理成第一数字信号，所述无线传输模块用于接收到的所述第一数字信号传输出去。

本发明第四方面提供的智能鞋子结构简单，既可以将人行走过程中产生的机械能高效率地转化为电能，又可实现对穿着该智能鞋子的人体足底进行受压情况检测。

本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。

附图说明

图1为本发明实施例1中智能鞋垫的俯视图；

图2为本发明实施例1中智能鞋垫的截面示意图；

图3为被平面基板承载的图2柔性电路板的正面图(a)和反面图(b)；其中，方框圈出的为柔性电路板；

图4为实施例1智能鞋垫的单个压阻式压力传感器的压强-电阻变化关系曲线；

图5为含有实施例1智能鞋垫的自供能步态信息采集系统的结构示意图；

图6为实施例1中智能鞋垫的摩擦纳米发电机(简写为TENG)的储能过程；

图7为本发明实施例4中智能鞋垫的结构示意图；

图8为本发明实施例5中智能鞋垫的结构示意图；

图9为本发明实施例6中智能鞋垫的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1

一种智能鞋垫100，其结构示意图如图1-图2所示，该智能鞋垫包括柔性电路板1、传感层31及包裹柔性电路板1和传感层31的封装部2。柔性电路板1包括柔性衬底10，柔性衬底10具有相对设置的第一表面101和第二表面102，第一表面101上设置有第一电极阵列11，第二表面102上设置有第一感应电极层12；封装部2包括相对设置的第一封装层21和第二封装层22，第一封装层21覆盖第一表面101，第二封装层22覆盖第二表面102。传感层31对应设置在第一电极阵列11之上，即，沿柔性衬底101向第一封装层21的方向，第一电极阵列11及传感层31依次层叠嵌设在第一封装层21中。传感层31具有多孔结构，具体是由具有多孔结构的多个传感单元阵列排布而成。

其中，第一感应电极层12和第二封装层22用于构成摩擦纳米发电机4，第二封装层22作为摩擦纳米发电机4的摩擦层；所述柔性衬底10、第一电极阵列11和传感层31用于构成柔性压力传感器阵列。

图3为图2中柔性电路板3的正面图(a)和反面图(b)。第一感应电极层12是整面设置在柔性电路板1的反面，其轮廓为人足底，第一电极阵列11位于柔性电路板1的正面，其由多个第一电极间隔排布而成。图3中，第一电极阵列11的每个第一电极具有叉指图案，柔性电路板1的正面设置的是32路的叉指电极。第一电极的尺寸及分布情况可根据不同鞋型需求进行调整；每个第一电极处均引出有两根导线。可便于后续为每个第一电极加载每个压阻式柔性压力传感器工作所要的能源(如加载图5的供能模块600)，以及与处理模块200电连接。

可选地，第一电极阵列11的厚度为1-500μm，优选为20-500μm。第一感应电极层12的厚度为1-500μm，优选为20-500μm。柔性衬底10的厚度为1-1000μm。优选为100-1000μm。优选地，柔性电路板3的最大厚度不超过1mm。

传感层31位于第一电极阵列11的正上方，构成传感层31的多个多孔传感单元的排布方式与第一电极阵列11的每个第一电极的排布方式(如位置、数量)相同(参见图2与图3中(a))。传感层31的上表面与第一封装层21的上表面齐平，从图2智能鞋垫正面的俯视图可以看出，传感层31从第一封装层21的表面露出。其中，传感层31的厚度与第一电极阵列11的厚度之和等于所述第一封装层11的厚度。例如，传感层31的厚度为4mm，第一电极阵列11的厚度为0.2mm，第一封装层11的厚度为4.2mm。第二封装层22的厚度为3mm。较薄的第二封装层22可以提升擦纳米发电机4的灵敏度及发电性能。

实施例1的智能鞋垫可以采用以下制备方法制备，具体包括：

(1)利用涂布、3D打印或丝网印刷工艺，在任意平面基板上涂布、打印或印刷设计好的柔性衬底10(其材质具体可为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，其轮廓类似人足底部形状)，该在该柔性衬底10的一面打印或印刷设计好的第一电极阵列11，在其另一面上制作第一感应电极层12，得到柔性电路板1，参见图3。

(2)配置封装部浆料，具体包括：将黑料(异氰酸酯)和白料(EVA泡棉、发泡剂、催化剂、表面活性剂、交联剂、水)搅拌均匀后，得到封装部浆料；其中，该封装部浆料中，各组分的重量配比如下：异氰酸酯100份，EVA 100份，发泡剂(具体为偶氮二甲酰胺(AC))1份，催化剂(具体为N-甲基二环己胺)0.1份、交联剂(具体为过氧化二异丙苯)1份、水1份。

将柔性电路板1置于定制的模具中，使第一电极阵列11朝下，该模具的底部设置有阻隔柱，该阻隔柱用于暂时抵住第一电极阵列11的各电极，以便在发泡过程中形成下文所述的孔阵列；向该模具中倒入上述封装部浆料在温度为50℃下进行发泡，发泡结束后取出，得到包裹有柔性电路板1的封装部2，其中，封装部2包括相对设置的第一封装层21和第二封装层22，且第一封装层21具有孔阵列(该孔阵列即是原先被模具的阻隔柱所占据的地方)，第一电极阵列11的各个第一电极从该孔阵列的对应孔中露出。

(3)配置传感层浆料：将粒径约为100μm的氯化钠颗粒与20-100nm粒径的炭黑粒子按质量比81:4混合搅拌均匀，得到混合粉料；将热塑性聚氨酯弹性体橡胶颗粒(Elastollan35A，德国BASF)溶解至二甲基甲酰胺溶剂中(热塑性聚氨酯弹性体橡胶颗粒与二甲基甲酰胺溶剂的质量比为1:2)，密闭条件下搅拌混合均匀并放置24h以上，得到混合溶液；然后将混合粉料和混合溶液按85:15的质量比用行星搅拌混合均匀，获得用于制备压阻式柔性传感器的传感层浆料。

将上述传感层浆料通过流延的方式填满步骤(2)得到的封装部的孔阵列的孔，加热固化，之后再浸入水中进行脱盐(氯化钠)处理，干燥后形成嵌设在所述第一封装层21中的多孔传感层31，完成智能鞋垫的制作。其中，所述传感层31由多孔传感材料(炭黑和热塑性聚氨酯弹性体的复合)阵列排布而成；所述第一感应电极层12和所述第二封装层22构成摩擦纳米发电机4，柔性衬底10、第一电极阵列11和传感层31构成柔性压力传感器阵列。

图4为实施例1中智能鞋垫的单个压阻式压力传感器的压强-电阻变化关系曲线。在0～60kPa范围内，单个传感器的灵敏度为1.12kpa^-1。同时，该传感器可测量范围在20Pa～1.2MPa的压力。

该实施例1的智能鞋垫100中，多个压阻式柔性压力传感器构成的传感器阵列3可以较真实反映其穿着者的足底所承受的压力信息，进而反映出穿着者的步态信息。且传感层31具有大量多孔结构，可保证较好的穿着舒适度。在穿着该智能鞋垫100的过程中，封装部2的第二封装层22还兼作摩擦纳米发电机4的摩擦层，在其与地面发生接触/分离的过程中，表面因得到电子产生负电荷，并且通过静电感应原理使所述第一感应电极层12产生正感应电荷，从而产生电势差，使得该摩擦纳米发电机4产生电能(交流电)，实现将人行走过程中产生的机械能高效率地转化为电能，避免了浪费。

实施例2

请参见图5，一种自供能步态信息采集系统1000，包括实施例1所述的智能鞋垫100、流滤波电路500、供能模块600、处理模块200、无线传输模块300和上位机400。其中，供能模块600包括储能元件601，智能鞋垫100的摩擦纳米发电机4通过其第一感应电极层12引出的导线与整流滤波电路500的输入端连接，整流滤波电路500的另一输入端接地(参见图6)，整流滤波电路500的输出端与储能元件601连接，摩擦纳米发电机4产生的交流电经过整流滤波电路500之后转变为直流电，并被存储在储能元件601中。

智能鞋垫100的压阻式柔性压力传感器阵列3通过其第一电极阵列11引出的多条导线与处理模块200的输入端连接，处理模块200的输出端连接无线传输模块300；柔性压力传感器阵列3用于将受到的第一压力数据转换为第一电信号(具体为电阻信号)，处理模块200用于将所述第一电信号进行放大、调理后、转换成第一数字信号，无线传输模块300用于接收来自处理模块200的第一数字信号，并通过无线通信的方式将该第一数字信号传输给所述上位机。

摩擦纳米发电机4因摩擦产生的电流是交流电，需要通过整流滤波电路转化为较为稳定的直流电，转换完的直流电可以存储到储能元件601中。可选地，参见图6，所述整流滤波电路包括整流桥(如四个两两对接的二极管构成的全桥电路)和与整流桥连接的滤波模块(如电容)。其中，整流桥是用于将交流电变为脉动直流电，滤波电容用于将脉动直流电转变为比较平滑的直流电。

储能元件601可以是超级电容、可充电电池等，以将摩擦纳米发电机4产生的电能以直流电的形式存储起来，进而向柔性压力传感器阵列3、处理模块200、无线传输模块300供电。

供能模块600用于向柔性压力传感器阵列3、处理模块200、无线传输模块300供电。可选地，供能模块600还包括供电电源602(如锂电池、干电池等化学电池)，以弥补该系统在特殊情况下的自供能不足(如湿度、温度不适宜时等)。此外，由于图1中的每个柔性压力传感器为压阻式，第一电极阵列11的每个第一电极上加载有供能模块600(供电电源602、储能元件601)。

本实施例提供的自供能步态信息采集系统1000，既通过其智能鞋垫中的摩擦纳米发电机4将人行走过程中产生的机械能高效率地转化为电能，并供给供能模块600，又可通过其具有多孔结构的大量程传感层实现对人体足底压力的检测，反映人步态信息。

实施例3

一种智能鞋垫的制备方法，其与实施例1的区别在于：步骤(2)中，在将柔性电路板1置于定制的模具中时，使第一电极阵列11朝上，在第一电极阵列11的各电极上放置阻隔柱，然后向该模具中倒入封装部浆料进行发泡；步骤(3)中，传感层浆料的配置过程如下：将粒径约为150μm的蔗糖与碳纳米管(管径3-80nm、长度为5-30μm)按质量比85:5混合搅拌均匀，得到混合粉料；将聚二甲基硅氧烷类弹性体(Sylgard 184，道康宁)溶解至乙酸乙酯溶剂中(聚二甲基硅氧烷类弹性体与乙酸乙酯溶剂的质量比为1:2.4)，密闭条件下搅拌混合均匀并放置24h以上，得到混合溶液；然后将混合粉料和混合溶液按90:10的质量比混合均匀，获得用于制备柔性压阻式传感器的传感层浆料。

实施例3制得的智能鞋垫的结构示意图与图1相同。

实施例4

一种智能鞋垫，其结构示意图如图7所示，其与图1所示的智能鞋垫的区别在于：所述传感层31上还设有与第一电极阵列11相对应的第二电极阵列32，第二电极阵列32也嵌设在第一封装层21中；且第一电极阵列11的每个第一电极和第二电极阵列32的每个第二电极均无叉指图案。此时，柔性压力传感器阵列包括柔性衬底10、第一电极阵列11、传感层31和第二电极阵列32。可选地，第二电极阵列32的厚度为1-500μm。优选为20-500μm。

图7中，第二电极阵列32的上表面与第一封装层21的上表面齐平(即，传感层31从第一封装层21的表面露出)。即，第二电极阵列32、传感层31、第一电极阵列11三者的厚度之和等于第一封装层21的厚度。当然，在本发明的其他实施例中，第二电极阵列32、传感层31、第一电极阵列11三者的厚度之和也可以小于封装部2的第一封装层21的厚度。

此外，当将图7所示的智能鞋垫用到图5所示的自供能步态信息采集系统中时，其柔性压力传感器阵列通过第一电极阵列11的第一电极和第二电极阵列32的第二电极所引出的多条导线与处理模块200连接。

进一步地，若传感层31的构成材料为多孔PU类弹性体、PDMS类弹性体、EVA泡棉等介电材料，则该柔性压力传感器为电容式压力传感器。此时，还需要在第一电极阵列11的第一电极与其对应的第二电极之间加载供能模块600，以使每个电容式柔性压力传感器正常工作。若传感层31的构成材料为PZT、PVDF等柔性压电材料，则该柔性压力传感器为压电式压力传感器，无需在其第一电极阵列11与第二电极阵列32之间加载供能模块600。

此外，图7所示的智能鞋垫的制备方法，与实施例1的区别主要在于：步骤(3)中，先将相应的传感层浆料通过涂布的方式填充到步骤(2)得到的封装部2的孔阵列的孔(注意不要将孔填满)，待加热固化、浸水以脱盐(氯化钠)形成嵌设在第一封装层21中的多孔传感层31后，再在未填满的封装部2的孔阵列中形成第二电极阵列32，以使第二电极阵列32的上表面与第一封装层21的上表面齐平。

实施例5

一种智能鞋垫，其结构示意图如图8所示，其与图1所示的智能鞋垫的区别在于：所述摩擦纳米发电机4还包括第二感应电极层41，其嵌设在第二封装层22远离第一感应电极层12的表面中，且所述第一感应电极层12与第二封装层22不接触层叠设置。图8中二者是通过间隔层42(例如空气、弹簧)间隔开来。此时，所述摩擦纳米发电机4为双电极式。可选地，第二感应电极层41的厚度为1-500μm。优选为50-500μm。

在人穿着图8的智能鞋垫走路的过程中，因外力的施加和撤去，使第一感应电极层12与第二封装层22不断分离和接触，进而使第一感应电极层12与第二感应电极层22之间产生电势差，从而对外输出电能。

此外，当将图8所示的智能鞋垫用到图5所示的自供能步态信息采集系统中时，其摩擦纳米发电机4通过第一感应电极层12、第二感应电极层41引出的导线与整流滤波电路的2个输入端连接。

当间隔层42为空气时，图8的智能鞋垫可以采用以下方法制备，包括：

(1)制备柔性电路板1，步骤同实施例1；

(2)将上述柔性电路板1置于定制的模具中，采用与上述实例1中相同的发泡工艺对倒入的含牺牲性材料的封装部浆料进行发泡，使柔性电路板1的第一表面被第一封装层21包裹，其中第一封装层21具有孔阵列，第一电极阵列11的各个第一电极从该孔阵列的对应孔中露出；

(3)将传感层浆料通过流延的方式填入步骤(2)得到的封装部的孔阵列的孔，加热固化后再浸入水中脱除牺牲性材料，干燥后形成嵌设在第一封装层21中的多孔传感层31；

(4)采用同样的发泡工艺制备包裹第二感应电极层41的第二封装层22；

(5)最后用EVA双面胶将包裹有柔性电路板1的第一封装层21与包裹第二感应电极的第二封装层22粘在一起，并在第一感应电极12和第二封装层22相对应的地方留下空隙(即，EVA双面胶仅设置在相对设置的第一封装层21和第二封装层22的外围，参见图8虚线处)，形成完整的封装部2，完成智能鞋垫的制作。

实施例6

一种智能鞋垫，其结构示意图如图9所示，与图8所示的智能鞋垫的区别在于：第一感应电极层12与第二封装层22是通过弹簧作间隔层42’来实现间隔。

图9所示的智能鞋垫的制备方法，与实施例1的区别主要在于：在步骤(1)得到的柔性电路板1的第一感应电极层12上设置弹簧作为弹性层42’，之后再按实施例1的方式进行步骤(2)的封装部制作、步骤(3)的多孔传感层制作，最后在第二封装层22远离第一感应电极层12的表面上制作凹槽，并在凹槽内制备第二感应电极层41。

以上所述实施例仅表达了本发明的示例性实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种智能鞋垫，其特征在于，包括柔性电路板、传感层及包裹所述柔性电路板和传感层的封装部，其中，所述柔性电路板包括设置在柔性衬底的第一表面上的第一电极阵列，以及设置在与所述第一表面相对的第二表面上的第一感应电极层；所述封装部包括相对设置的第一封装层和第二封装层，所述第一封装层覆盖所述第一表面，所述第二封装层覆盖所述第二表面，沿所述柔性衬底向所述第一封装层的方向，所述第一电极阵列和所述传感层依次层叠嵌设在所述第一封装层中，所述传感层具有多孔结构；其中，所述第一感应电极层和所述第二封装层用于构成摩擦纳米发电机，所述柔性衬底、第一电极阵列和传感层用于构成柔性压力传感器阵列；所述第二封装层的厚度在大于或等于1mm至小于或者等于5mm的范围内。

2.如权利要求1所述的智能鞋垫，其特征在于，所述传感层的厚度与所述第一电极阵列的厚度之和小于或等于所述第一封装层的厚度。

3.如权利要求2所述的智能鞋垫，其特征在于，所述第一电极阵列的每个第一电极具有叉指图案，所述传感层的材料包括导电材料和聚合物弹性体；其中，所述聚合物弹性体选自聚氨酯类弹性体、聚二甲基硅氧烷类弹性体、聚烯烃类弹性体中的一种或多种；所述导电材料选自导电炭黑、碳纳米管、石墨烯片和金属纳米材料中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的智能鞋垫，其特征在于，所述传感层上还设有与所述第一电极阵列相对应的第二电极阵列，所述第二电极阵列嵌设在所述第一封装层中；所述传感层的材料为聚合物弹性体，或者为压电材料。

5.如权利要求2所述的智能鞋垫，其特征在于，所述摩擦纳米发电机还包括第二感应电极层，其嵌设在所述第二封装层远离所述第一感应电极层的一面，且所述第一感应电极层与所述第二封装层不接触层叠设置。

6.如权利要求1-5任一项所述的智能鞋垫，其特征在于，所述传感层的厚度为1-5mm；所述封装部具有多孔结构。

7.一种智能鞋垫的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在柔性衬底的第一表面上制备第一电极阵列、在与所述第一表面相对的第二表面上制备第一感应电极层，得到柔性电路板；

(2)将所述柔性电路板置于定制的模具中，倒入封装部浆料进行发泡，发泡结束后取出，得到包裹有所述柔性电路板的封装部，其中，所述封装部包括相对设置的第一封装层和第二封装层，所述第一封装层覆盖所述第一表面，所述第二封装层覆盖所述第二表面，且所述第一封装层具有孔阵列，所述第一电极阵列的第一电极从所述孔阵列的孔中露出；所述第二封装层的厚度在大于或等于1mm至小于或者等于5mm的范围内；

(3)将含有牺牲性材料的传感层浆料填充到步骤(2)得到的封装部的所述孔阵列的孔中，加热固化，再浸入水中以溶解脱除所述牺牲性材料，干燥后形成具有多孔结构的传感层，完成智能鞋垫的制作；其中，沿所述柔性衬底向所述第一封装层的方向，所述第一电极阵列和所述传感层依次层叠嵌设在所述第一封装层中；所述第一感应电极层和所述第二封装层用于构成摩擦纳米发电机，所述柔性衬底、第一电极阵列和传感层用于构成柔性压力传感器阵列。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述牺牲性材料选自氯化钠、氯化钾和蔗糖中的一种或多种；所述牺牲性材料的粒径为50-500μm。

9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在形成所述传感层之后，所述制备方法还包括：在所述孔阵列的各孔内制备第二电极，以在所述传感层上形成第二电极阵列。

10.一种自供能步态信息采集系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的智能鞋垫、整流滤波电路、供能模块、处理模块、无线传输模块和上位机，所述供能模块包括储能元件，其中，所述摩擦纳米发电机通过其第一感应电极层与所述整流滤波电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与所述储能元件连接，所述摩擦纳米发电机产生的交流电经过所述整流滤波电路之后转变为直流电，并被存储在所述储能元件中；所述柔性压力传感器阵列通过其第一电极阵列依次与所述处理模块、所述无线传输模块顺次连接，所述柔性压力传感器阵列用于将受到的多个第一压力数据分别转换为第一电信号，所述处理模块用于将所述第一电信号处理成第一数字信号，所述无线传输模块用于接收来自所述处理模块的第一数字信号，并通过无线通信的方式传输给所述上位机。

11.如权利要求10所述的自供能步态信息采集系统，其特征在于，所述上位机用于将接收到的所述第一数字信号转换成所述第一电信号；并根据预存的柔性压力传感器的压力与电信号之间的映射关系，确定与所述第一电信号对应的所述第一压力数据；所述上位机使用N次多项式插值方法对周期性获得的多个第一压力数据进行插值处理，得到每个柔性压力传感器受到的压力随时间变化的曲线图；并以伪彩色图的方式对多个柔性压力传感器的受力情况进行实时显示。

12.一种智能鞋子，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的智能鞋垫。

13.如权利要求12所述的智能鞋子，其特征在于，还包括容置在所述智能鞋子的鞋底内的整流滤波电路、供能模块、处理模块和无线传输模块；

其中，所述供能模块包括储能元件，所述摩擦纳米发电机通过其第一感应电极层与所述整流滤波电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与所述储能元件连接，所述摩擦纳米发电机产生的交流电经过所述整流滤波电路之后转变为直流电，并被存储在所述储能元件中；所述柔性压力传感器阵列通过其第一电极阵列依次与所述处理模块、所述无线传输模块顺次连接，所述柔性压力传感器阵列用于将受到的多个第一压力数据分别转换为第一电信号，所述处理模块用于将所述第一电信号处理成第一数字信号，所述无线传输模块用于接收到的所述第一数字信号传输出去。

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