CN111707183B - 一种柔性可穿戴设备及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性可穿戴设备及其制备方法，该柔性可穿戴设备包括聚酰亚胺薄膜基底、聚合物弹性体、敏感导电材料和柔性处理电路，敏感导电材料设在聚合物弹性体中并暴露于聚合物弹性体的表面，聚酰亚胺薄膜基底层叠在聚合物弹性体上，聚酰亚胺薄膜设置有开口区域，敏感导电材料通过开口区域向外暴露，并在敏感导电材料基础上形成基于聚酰亚胺薄膜基底的柔性应变传感器，柔性处理电路包括贴装到聚酰亚胺薄膜基底的表面上的芯片，柔性应变传感器与柔性处理电路相连。柔性传感器和柔性电路板一体化的该柔性可穿戴设备能够显著地降低可穿戴设备的复杂性，有利于小型化，扩大应用范围，增加适用性和灵活性，改善用户佩戴的舒适度，及降低产品成本。

Description

一种柔性可穿戴设备及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性可穿戴设备及其制备方法。

背景技术

近年来，对可穿戴设备的需求不断增长，全球可穿戴市场的出货量的增长已证明这一点，2019年预计将达到2.229亿台，这一数据将在2023年增长至3.023亿台，5年内复合增长率7.9％。与此同时，人们更加注重自己的生理健康状况。因此，需要可穿戴医疗设备，用于改善家庭护理，该设备是为患有已知健康问题的患者量身定制的，可以从常规甚至连续监测中受益。

常规基于硅的设备笨重和刚性性质可能会阻碍其在表皮和可植入医疗传感中的应用。为了提升使用者的佩戴舒适度，柔性材料(例如塑料和弹性体基材)被用于制备可穿戴设备，其本质上是保形的，轻巧的，因此可与人体皮肤和软组织的更好的共形接触。然而，大多数柔性传感器缺乏现场电路。它们需要与外部电化学工作站或分析仪进行有线连接以进行信号采集和处理，这极大地增加了系统的复杂性和可穿戴应用的局限性。同时，对于将传感器与集成电路结合在一起的测试系统，采用板载电池供电是必不可少的。但是，像锂离子电池这样的刚性电池在很大程度上限制了可穿戴设备的小型化，并且不能满足柔性设计的要求。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述技术缺陷中的至少一种，提供一种柔性可穿戴设备及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性可穿戴设备，包括聚酰亚胺薄膜基底、聚合物弹性体、敏感导电材料和柔性处理电路，所述敏感导电材料设在所述聚合物弹性体中并暴露于所述聚合物弹性体的表面，所述聚酰亚胺薄膜基底层叠在所述聚合物弹性体上，所述聚酰亚胺薄膜设置有开口区域，所述敏感导电材料通过所述开口区域向外暴露，并在所述敏感导电材料基础上形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底的柔性应变传感器，所述柔性处理电路包括贴装到所述聚酰亚胺薄膜基底的表面上的芯片，所述柔性应变传感器与所述柔性处理电路相连。

进一步地：

所述柔性应变传感器为所述敏感导电材料和聚合物弹性体的复合物。

所述敏感导电材料为多孔石墨烯、碳纳米管或银纳米线。

所述聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷PDMS、生物降解塑料Ecoflex或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SEBS。

所述柔性应变传感器为电阻式应变传感器。

所述电阻式应变传感器的厚度为50-150μm，所述聚酰亚胺薄膜基底的厚度为25μm。

所述柔性处理电路包括模数转换模块、微控制单元、稳压模块、NFC模块和柔性天线；其中，所述模数转换模块与所述柔性应变传感器相连，用于采集模拟信号进行数字编码；所述微控制单元与所述模数转换模块相连，用于数据的接收和发送的调配机制；所述NFC模块与所述微控制单元相连，将数字传感信号按NFC通讯协议进行编码，控制收发的时序，所述NFC模块具有电能转换单元；所述柔性天线与所述NFC模块相连，用于与带有NFC功能的移动终端电磁感应建立无线连接，实现系统供能和无线通讯；所述稳压模块与电能转换单元的输出端相连，用于为所述模数转换模块和微控制单元提供工作电压。

所述柔性天线材料为铜箔，厚度为50-100μm。

一种所述的柔性可穿戴设备的制备方法，包括如下步骤：

S1、在聚酰亚胺薄膜基底的一侧表面上制备敏感导电材料；

S2、在所述聚酰亚胺薄膜基底的所述一侧表面上涂覆一层聚合物弹性体并覆盖所述敏感导电材料；

S3、对所述聚酰亚胺薄膜基底的另一侧刻蚀部分聚酰亚胺薄膜，从所述聚酰亚胺薄膜基底的所述另一侧暴露出所述敏感导电材料，利用所述敏感导电材料形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底的柔性应变传感器；

S4、将芯片贴装到所述聚酰亚胺薄膜基底的所述另一侧的表面上，进而形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底的柔性处理电路，所述柔性应变传感器与所述柔性处理电路通过印制导线电气相连。

进一步地，步骤S4中，通过PCB贴片工艺将所述芯片焊接到所述聚酰亚胺薄膜基底上。

本发明具有如下有益效果：

本发明的柔性可穿戴设备包括聚酰亚胺薄膜基底、聚合物弹性体、敏感导电材料和柔性处理电路，所述敏感导电材料设在所述聚合物弹性体中并暴露于所述聚合物弹性体的表面，所述聚酰亚胺薄膜基底层叠在所述聚合物弹性体上，所述聚酰亚胺薄膜设置有开口区域，所述敏感导电材料通过所述开口区域向外暴露，并在所述敏感导电材料基础上形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底的柔性应变传感器，所述柔性处理电路包括贴装到所述聚酰亚胺薄膜基底的表面上的芯片，所述柔性应变传感器与所述柔性处理电路相连，由此，本发明的方案提供了一种将柔性传感器和柔性电路板一体化的柔性可穿戴设备，相对于传统的现场电路与柔性传感器分离来实现的可穿戴设备，本发明的柔性可穿戴设备能够显著地降低可穿戴设备的复杂性，有利于可穿戴设备的小型化，扩大可穿戴设备的应用范围，增加其适用性和灵活性，也有利于改善用户佩戴的舒适度。此外，本发明将柔性传感器和柔性电路板一体化的柔性可穿戴设备的结构简单紧凑，制备工艺简单，实现成本低。

在优选的实施例中，本发明实现免电池供电无线柔性可穿戴设备，无需在穿戴系统上布置板载电池，该系统无需电池供电，可以实时地将传感器感知的信号通过NFC传输到移动终端进行分析显示。

附图说明

图1为本发明实施例的柔性可穿戴设备的剖面示意图；

图2为本发明实施例的柔性可穿戴设备的结构示意图；

图3为本发明实施例的柔性可穿戴设备的电路连接图；

图4为本发明实施例的柔性可穿戴设备的原理模块图；

图5为本发明实施例的柔性可穿戴设备的制备流程图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1和图2，本发明实施例提供一种柔性可穿戴设备，包括聚酰亚胺薄膜基底12、聚合物弹性体14、敏感导电材料13和柔性处理电路，所述敏感导电材料13设在所述聚合物弹性体14中并暴露于所述聚合物弹性体14的表面，所述聚酰亚胺薄膜基底12层叠在所述聚合物弹性体14上，所述聚酰亚胺薄膜设置有开口区域，所述敏感导电材料13通过所述开口区域向外暴露，并在所述敏感导电材料13基础上形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底12的柔性应变传感器1，所述柔性处理电路包括贴装到所述聚酰亚胺薄膜基底12的表面上的芯片15，所述柔性应变传感器1与所述柔性处理电路相连。

在优选的实施例中，所述柔性应变传感器1为所述敏感导电材料13和聚合物弹性体14的复合物。

在一些实施例中，所述敏感导电材料13为多孔石墨烯、碳纳米管或银纳米线。

在一些实施例中，所述聚合物弹性体14为聚二甲基硅氧烷PDMS、生物降解塑料Ecoflex或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SEBS。

在一些实施例中，所述柔性应变传感器1为柔性电阻式应变传感器。在优选实施例中，柔性电阻式应变传感器为多孔石墨烯和聚二甲基硅氧烷PDMS的复合物。

在优选的实施例中，所述电阻式应变传感器的厚度为50-150μm，所述聚酰亚胺薄膜基底12的厚度为25μm。

参见图3和图4，在优选的实施例中，所述柔性处理电路包括模数转换模块2、微控制单元3、稳压模块6、NFC模块4和柔性天线5；其中，所述模数转换模块2与所述柔性应变传感器1相连，用于采集模拟信号进行数字编码；所述微控制单元3与所述模数转换模块2相连，用于数据的接收和发送的调配机制；所述NFC模块4与所述微控制单元3相连，将数字传感信号按NFC通讯协议进行编码，控制收发的时序，所述NFC模块4具有电能转换单元；所述柔性天线5与所述NFC模块4相连，用于与带有NFC功能的移动终端电磁感应建立无线连接，实现系统供能和无线通讯；所述稳压模块6与电能转换单元的输出端相连，用于为所述模数转换模块2和微控制单元3提供工作电压。

进一步地，所述微控制单元3可以内置数据存储单元，用于暂存转换完成的传感器信号。所述模数转换模块2可以为阻抗转换电路惠斯通电桥或分压电路中的一种，优选为分压电路。所述稳压模块6可以为模数转换模块2和微控制单元3提供稳定的2.4V工作电压。

所述柔性天线5形状可以为矩形线圈或环形线圈。所述柔性天线5设计谐振频率例如为13.56MHz。所述柔性天线5与NFC模块4的电能转换单元相结合，可以输出2.7V-3.3V电压。在优选的实施例中，所述柔性天线5材料为铜箔，厚度为50-100μm。在一个具体实施例中，所述柔性天线5为矩形线圈，设计的谐振频率为13.56MHz，设计的匝数为5匝，设计的尺寸为长×宽：3cm×2cm。

本发明实施例还提供一种制备所述的柔性可穿戴设备的制备方法，实现柔性传感器与柔性电路板的一体化制备，包括如下步骤：

S1、在聚酰亚胺薄膜基底12的一侧表面上制备敏感导电材料13；

S2、在所述聚酰亚胺薄膜基底12的所述一侧表面上涂覆一层聚合物弹性体14并覆盖所述敏感导电材料13；

S3、对所述聚酰亚胺薄膜基底12的另一侧刻蚀部分聚酰亚胺薄膜，从所述聚酰亚胺薄膜基底12的所述另一侧暴露出所述敏感导电材料13，利用所述敏感导电材料13形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底12的柔性应变传感器1；

S4、将芯片15贴装到所述聚酰亚胺薄膜基底12的所述另一侧的表面上，进而形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底12的柔性处理电路，所述柔性应变传感器1与所述柔性处理电路通过印制导线电气相连。

进一步地，步骤S4中，通过PCB贴片工艺将所述芯片焊接到所述聚酰亚胺薄膜基底12上。

以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征和优点。

参阅图1和图2，实施例的柔性可穿戴设备包括聚酰亚胺薄膜基底12、聚合物弹性体14、敏感导电材料13和柔性处理电路。在聚酰亚胺薄膜基底12上实现柔性可穿戴设备的柔性印制电路板，可采用焊接的方法将芯片焊接至柔性印制电路板上。

参阅图5，一种将柔性传感器与柔性电路板一体化制备的柔性可穿戴设备方法，包括以下步骤：

S1、在聚酰亚胺薄膜基底12的一侧制备敏感导电材料13，本实施例为利用激光诱导石墨烯；

S2、在聚酰亚胺薄膜基底12的一侧旋涂一层聚二甲基硅氧烷PDMS，形成聚合物弹性体14；

S3、在聚酰亚胺薄膜基底12的背面利用紫外光释放胶带作为掩膜，利用湿法刻蚀的方法刻蚀部分聚酰亚胺薄膜基底12，完成柔性应变传感器制备；

S4、将需要的芯片15利用PCB贴片工艺焊接到由聚酰亚胺薄膜基底12形成的柔性电路板上，完成无线柔性可穿戴设备。

参见图3和图4，系统涉及电路结构、控制逻辑和软件。电路结构实现传感信号的采集和与手机NFC功能建立电磁感应无线连接，从而实现可穿戴系统供能和无线通讯。控制逻辑设计是针对微控制单元的编程。本发明在保证采样精度的前提下设计的ADC采样率为0-2000S/s，通过中值滤波算法或平局滤波算法中的一种对采集的数据进行滤波处理，利用DMA控制将数据存储到相对的存储位置。与此同时，CPU控制I²C总线将数据实时的发送到NFC模块4，以便于手机接收。软件设计是对手机APP的编写，通过NFC通讯协议接收可穿戴系统发送过来的数据。根据信号处理需求采用低通、带通或高通FIR滤波器中的一种，对数据实时处理后以波形的方式呈现到手机屏幕。同时采用峰值检索算法找出波形的波峰位置，计算出波峰距离来推算心跳频率。所采集到的波形可以存储到移动终端的SD卡中保存。

在具体的实施例中，柔性天线5和手机之间的距离为0-6cm,柔性天线5正常工作的最小曲率半径为10mm。本系统使用的过程如下:

1.将可穿戴系统在液体敷料的辅助下，粘贴到测试部位；

2.启动手机APP，手机靠近可穿戴系统的柔性天线5；

3.线圈通过电磁感应产生电流，通过NFC模块为可穿戴系统供电，系统开始采集信号并发送。

本发明的柔性可穿戴设备为有利于佩戴舒适度的柔性器件，摒弃了传统的板载电池，利用NFC电磁感应方式实现了无电池供电和无线传输数据。该发明在远程医疗和家庭医疗有很大的应用前景。

该柔性可穿戴设备无需额外的电池供电，通过在具有NFC功能的移动设备上运行应用程序APP，可以实时的读出应变传感器信号并对信号进行统计分析和存储。

本发明实施例的柔性可穿戴设备，无需在可穿戴系统上布置板载电池，有利于整个系统的小型化和佩戴舒适度。打开带有NFC功能手机上的APP，靠近柔性可穿戴设备的柔性天线5，即可完成信号读取，使用方便。该柔性可穿戴设备可以搭配任意柔性电阻式应变传感器使用，应用范围广。柔性可穿戴设备重量可实现仅约为1.30g，可借助少量液体敷带与人体皮肤共形的贴合，适于长期佩戴。本发明可穿戴系统特别适用于穿戴式生理信号(呼吸、脉搏波、心音等)监测。将可穿戴系统贴在劲动脉、桡动脉和中部心前区位置，可以结合手机APP实时观测到脉搏波和心音波形，同时统计出心跳频率，用于健康状况评估。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (9)

1.一种柔性可穿戴设备的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在聚酰亚胺薄膜基底的一侧表面上制备敏感导电材料；

S2、在所述聚酰亚胺薄膜基底的所述一侧表面上涂覆一层聚合物弹性体并覆盖所述敏感导电材料；

S3、对所述聚酰亚胺薄膜基底的另一侧刻蚀部分聚酰亚胺薄膜，从所述聚酰亚胺薄膜基底的所述另一侧暴露出所述敏感导电材料，利用所述敏感导电材料形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底的柔性应变传感器；

S4、将芯片贴装到所述聚酰亚胺薄膜基底的所述另一侧的表面上，进而形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底的柔性处理电路，所述柔性应变传感器与所述柔性处理电路通过印制导线电气相连。

2.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法，其特征在于，步骤S4中，通过PCB贴片工艺将所述芯片焊接到所述聚酰亚胺薄膜基底上。

3.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法，其特征在于，所述柔性应变传感器为所述敏感导电材料和聚合物弹性体的复合物。

4.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法，其特征在于，所述敏感导电材料为多孔石墨烯、碳纳米管或银纳米线。

5.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法，其特征在于，所述聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷PDMS、生物降解塑料Ecoflex或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物SEBS。

6.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法，其特征在于，所述柔性应变传感器为电阻式应变传感器。

7.如权利要求6所述的柔性可穿戴设备的制备方法，其特征在于，所述电阻式应变传感器的厚度为50-150μm，所述聚酰亚胺薄膜基底的厚度为25μm。

8.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法，其特征在于，所述柔性处理电路包括模数转换模块、微控制单元、稳压模块、NFC模块和柔性天线；其中，所述模数转换模块与所述柔性应变传感器相连，用于采集模拟信号进行数字编码；所述微控制单元与所述模数转换模块相连，用于数据的接收和发送的调配机制；所述NFC模块与所述微控制单元相连，将数字传感信号按NFC通讯协议进行编码，控制收发的时序，所述NFC模块具有电能转换单元；所述柔性天线与所述NFC模块相连，用于与带有NFC功能的移动终端电磁感应建立无线连接，实现系统供能和无线通讯；所述稳压模块与电能转换单元的输出端相连，用于为所述模数转换模块和微控制单元提供工作电压。

9.如权利要求8所述的柔性可穿戴设备的制备方法，其特征在于，所述柔性天线材料为铜箔，厚度为50-100μm。

Images