CN111938610A - 一种气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，包括气囊、PCB线路软板，所述气囊与导气管连通，所述气囊的人体接触面上开设有测试区域，所述测试区域内嵌入有与所述PCB线路软板相连的传感器阵列；所述传感器阵列包括多个传感器，所述传感器的敏感面与所述气囊的人体接触面近似在一个平面。本发明能够提高测量的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构。
背景技术
传统中医脉诊是医生用手指切按患者特定部位的动脉，依应指形象了解病情，辨别病证的诊察方法，与望诊、闻诊、问诊并列为中医四大诊断方式，是中医的核心诊断方式之一。但是传统中医脉诊是通过医生的触觉进行探测，主观判断后再通过自然语言进行记录的。由于每个人的触觉感知能力不同以及自然语言的模糊性和广泛存在的一字多义现象，每个人对同一医案有不同的理解，缺乏共识，也无法证明或证伪，造成了中医虽然有几千年的实践、积累的案例汗牛充栋，但是仍然备受质疑的现状。随着现代科技的发展，传统中医脉诊与现代技术相结合，现代脉诊仪有望实现脉象信息的客观化读取与数字化记录，是实现中医脉诊信息化的关键设备。
中医寸口三部九候脉诊的核心思想是对寸口桡动脉施加浮、中、沉等不同压力的同时，测量桡动脉寸、关、尺位置的脉搏波，并根据不同压力下脉搏宽度、长度、脉搏波波形等证象作出诊断。因此中医脉诊与西医脉搏波测量的一个关键不同在于，中医脉诊必须对桡动脉施加压力，而不是测量无干扰状态下的脉搏波波形。
第一代脉诊仪脉搏采集装置的探头为单点采集，后发展为阵列式采集，当传感探头对人体桡动脉006处施加压力时，桡动脉处的人体软组织005会发生变形，传统气囊1与传感器4叠加的检测原理及受力分析如图1所示，传感器4凸出处向下挤压腕部使得人体软组织005变形，从而在肌肤表面变形处产生皮肤张力。对传感器4进行受力分析可得，气囊1对传感器4的压力，血管对传感器4的支撑力及皮肤张力三者达到力平衡，由于皮肤张力的计算与变形区域面积及角度有关，而变形区域面积及角度二者参数无法准确获取，因此该方式测量结果与脉搏波真实值存在较大误差，无法定量测量不同压力下的脉搏波信号，对阵列式采集结果的精确度影响较大。
此外，现有脉诊仪采集装置的探头为定性测量受压下脉搏波信号，对探头或传感器尺寸作出了限制，现有中医脉图采集设备国家行业标准，要求探头或传感器不太大也不太小，即探头或传感器下表面面积近似等于测量时人体软组织变形的面积，国标要求中标注尺寸太小的传感器将很难压紧脉管，从而无法准确采集脉压，受人体桡动脉处骨骼结构的限制，尺寸太大的传感器无法有效压紧桡动脉。然而由于无法采用小探头或传感器，也就无法采用传感器阵列进行脉搏宽度的测量，也就无法完整得到中医脉诊信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，能够提高测量的精确度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，包括气囊、PCB线路软板，所述气囊与导气管连通，所述气囊的人体接触面上开设有测试区域，所述测试区域内嵌入有与所述PCB线路软板相连的传感器阵列；所述传感器阵列包括多个传感器，所述传感器的敏感面与所述气囊的人体接触面近似在一个平面。
所述传感器的尺寸小于桡动脉的外径，且所述传感器阵列在与桡动脉垂直方向上的线密度满足在桡动脉的外径范围内至少有3个所述传感器。
所述传感器与人体软组织的接触面积和未与所述气囊接触的人体软组织面积之和不大于传感器与人体软组织的接触面积的1.1倍。
所述气囊设有第一窗口，所述PCB线路软板上设有第二窗口，所述PCB线路软板位于所述第一窗口的位置，且使得所述第二窗口位于测试区域的位置，所述传感器呈凸形结构，所述传感器的凸起部分嵌入在所述第二窗口中，且所述凸起部分的高度与所述气囊的气囊壁的厚度相同。
所述气囊设有第一窗口，所述PCB线路软板上设有第二窗口，所述PCB线路软板位于所述第一窗口的位置，且使得所述第二窗口位于测试区域的位置，所述传感器贴在第二窗口的下表面，位于所述气囊的内侧，所述传感器和第二窗口之间的凹陷通过胶填充，填充后的胶表面与所述气囊的气囊壁的外表面在一个平面，所述填充后的胶表面作为所述传感器的敏感面。
所述气囊设有第一窗口，所述PCB线路软板上设有第二窗口，所述PCB线路软板位于所述第一窗口的位置，且使得所述第二窗口位于测试区域的位置，所述第二窗口的下表面贴有基板，所述基板与第二窗口之间的凹陷中嵌入有所述传感器，所述传感器的厚度和所述气囊的气囊壁的厚度相同。
所述传感器为带TSV转接板的传感器，所述传感器的敏感面贴于所述气囊的测试区域的内表面，所述传感器的背面通过所述TSV转接板与所述PCB线路软板相连。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明定量考虑人体软组织在受压时变形引起的测量偏差，将传感器嵌入到气囊内部，使得传感单元敏感面和气囊与人体的接触面相平，使人体软组织变形可忽略，肌肤表面引起的张力几乎是平的，测得的压强与人体脉搏波压强更为一致，从而提高了测量的精确度。由于传感器不会对待测对象皮肤表面软组织造成挤压，因此使用舒适性更高。
本发明中的传感器尺寸显著小于桡动脉的外径，可通过高密度传感器阵列检测脉搏宽度，得到更为完整的中医脉诊信息，且采用传感器阵列可降低取脉难度，更易找到脉搏波位置，方便非专业人士的使用。
本发明中气囊与传感器一体化设计，保证每个传感器都垂直受压，可避免传感器在外加气囊的挤压下发生位移，造成的传感器受力不均匀，确保了传感阵列的一致性。且传感器在气囊内部，减少外界环境对传感器的沾污破坏，有效保护器件，提高传感器的稳定性和耐用性。另外，由于气囊表面为柔软曲面，且不存在传感器的凸出起伏，可以完美贴合手臂曲面，可以更好的与人体腕部血管部位接触，形成灵敏度高的触觉传感器。
附图说明
图1是现有技术中传感器与气囊叠加测量原理及受力分析示意图；
图2是本发明的测量原理及受力分析示意图；
图3是本发明的三维结构示意图，其中，(a)是气囊在桡动脉处测量示意图，(b)是该气囊与人体接触面的结构示意图；
图4为本发明中阵列传感器尺寸与桡动脉宽度示意图；
图5-图6为本发明中触觉传感器与被测物体接触面与气囊上表面相平示意图，其中图5是传感器和柔性PCB线路板的连接示意图，图6是柔性PCB线路板和气囊的连接示意图；
图7为实施例1提供的“凸”形传感器制作工艺流程图；
图8为实施例1提供的柔性PCB线路板制作工艺流程图；
图9为实施例1提供的传感器与柔性PCB线路板结合工艺流程图；
图10为实施例1提供的传感器与柔性PCB线路板结合成品示意图；
图11为实施例1提供的气囊结构示意图；
图12为实施例1提供的柔性PCB线路板与气囊气密性结合示意图；
图13为实施例2提供的柔性PCB线路板制作工艺流程图；
图14为实施例2提供的传感器与柔性PCB线路板结合工艺流程图；
图15为实施例2提供的气囊结构示意图；
图16为实施例2提供的柔性PCB线路板与气囊气密性结合示意图；
图17为实施例2提供的硅胶自流平使传感器测量面与气囊上表面相平示意图；
图18为实施例3提供的转移到力学支撑基板上的传感器与气囊结合示意图；
图19为实施例4提供的带TSV转接板的传感器与气囊结合示意图；
图中，1-气囊；2-导气管；3-PCB线路软板；4-传感器；5-传感器阵列输出总线；6-气囊和PCB线路软板的胶粘区域；7-传感器和PCB线路软板的电学连接点；8-胶粘密封剂；9-传感器的敏感面；001-测试区域；002-掩膜；003-第二窗口；004-第一窗口；005-人体软组织；006-桡动脉。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，如图3所示，包括气囊1、PCB线路软板3，所述气囊1与导气管2连通，所述气囊1的人体接触面上开设有测试区域001，所述测试区域001内嵌入有与所述PCB线路软板3相连的传感器阵列；所述传感器阵列包括多个传感器4，所述传感器4的敏感面与所述气囊的人体接触面近似在一个平面。其中，导气管2远离测试区域001，为了将检测到的数据能够实时输出，所述PCB线路软板还连接有传感器阵列输出总线5，该传感器阵列输出总线同样远离测试区域001。
如图2所示，本实施方式的触觉传感阵列结构在加压状态下，传感器处的人体软组织变形面积与传感器面积近似相等，从而实现加压状态下脉诊信号的精确测量，由于传感器嵌入在气囊内部，传感器的敏感面与气囊的人体接触面相平，从而能够完美贴合腕部曲线，使人体软组织变形可忽略，肌肤表面引起的张力几乎是平的，因此可采用小尺寸传感器进行测量，利用高密度传感阵列实现脉宽、脉长等信息的测量。
本实施方式中可以采用尺寸显著小于桡动脉006外径的传感器，并实现高密度集成。传感阵列在与桡动脉006垂直方向上的线密度满足在桡动脉的外径范围内至少有3个传感器4同时工作，从而实现脉搏宽度的测量。从图4(a)中可以看出，传感器4尺寸显著小于桡动脉006的外径，在桡动脉006的外径范围内集成至少3个触觉传感器，沿截线0得到如图4(b)所示的剖面图，通过集成至少3个传感器4实现脉搏宽度的测量。
本实施方式中，传感器的受力介质面与气囊的人体接触面近似在一个平面内，使气囊对人体施加最大压强时，单个传感器与人体软组织的接触面积和未与所述气囊接触的人体软组织面积之和不大于单个传感器与人体软组织的接触面积的1.1倍。具体地如图5-图6所示，图5是传感器和柔性PCB线路板的连接示意图。从图中可以看出，传感器4的敏感面9(即与被测物体的作用面)和柔性PCB线路板3的上表面基本相平，在传感器4的肩部位置布金属pad与PCB线路软板3实现电学连接，传感器4和PCB线路软板3的电学连接点7处还通过胶粘密封剂8进行密封，以保证气密性并加强传感器4和PCB线路软板3连接的机械强度。图6是PCB线路软板和气囊的连接示意图。布线后的PCB线路软板3通过胶粘密封剂与气囊1实现气密性拼接，其中结构6为气囊1和PCB线路软板3的胶粘区域，从图中可以看出PCB线路软板3与气囊固定后，传感器4的敏感面9，与气囊1的人体接触面基本相平，两者之间的误差很小几乎可以忽略。
下面通过4个具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1：
本实施例中，所述气囊1设有第一窗口004，所述PCB线路软板3上设有第二窗口003，所述PCB线路软板3位于所述第一窗口004的位置，且使得所述第二窗口003位于测试区域001的位置，所述传感器4呈凸形结构，所述传感器4的凸起部分嵌入在所述第二窗口003中，且所述凸起部分的高度与所述气囊1的气囊壁的厚度相同。本实施例的具体工艺实施步骤如下：
步骤1，选用(111)硅片制作触觉传感器。其中传感单元边长为200μm-600μm，该传感器制作工艺为MEMS常规工艺，其具体工艺非本申请重点，故不作详细叙述。在触觉传感器4完成最后一步金属布线前，利用光刻胶做掩膜002，图形化然后利用等离子体深刻蚀技术(ICP-DRIE)刻蚀形成“凸”形的传感器，其中刻蚀深度为20μm-40μm，如图7(a)所示。然后刻蚀出引线孔，然后再通过金属溅射和图形化在“凸”形传感器肩部位置形成金属引线，金属线成分Cr/Pt/Au，各组分厚度为
如图7(b)所示，凸起结构中的凸台部分的上表面为传感器与被测物体的作用面9。
步骤2，制作PCB柔性线路板，如图8所示。该工艺为集成电路常规工艺，其具体工艺非本申请重点，故不作详细叙述。在柔性PCB线路板3上制作正方形的第二窗口003，窗口尺寸与“凸”形传感器凸台尺寸一致，传感器与被测物体的作用面9可以通过第二窗口003与被测对象直接接触，其中柔性PCB线路板3的厚度与“凸”形传感器的台阶高度一致，或者比“凸”形传感器的台阶高度小1-2μm。
步骤3，将制作好的“凸”形传感器4与PCB柔性线路板3结合，制作工艺如图9-10所示。本实施例选用表面贴装工艺，将各向异性导电胶涂覆或者贴合于“凸”传感器4的台阶处与柔性PCB线路板3之间，经过加热加压作用，导电颗粒随着树脂流动而填充到pad区域，实现电学连接。传感器4与被测物体的作用面9与PCB柔性线路板3的上表面相平。然后在传感器4四周均匀涂抹胶粘密封剂，本实施例中，胶粘密封剂可以选用树脂，保证气密性并加强连接强度。
步骤4，将结合传感器4后的PCB线路板3与气囊1气密性结合，柔性PCB线路板3作为气囊1的一个面，制作工艺如图11-12所示。将气囊1远离测试区域001的一端接入导气管2，实现气密性连接，在气囊1上方根据柔性PCB线路板3的尺寸和形状制作第一窗口004，如图11所示；在胶粘区域6将步骤3)制作好的PCB线路板3与气囊1通过胶粘密封剂实现气密性结合，胶粘密封剂要满足较强的粘接力，气密性要求，以及固化后有一定的柔软度和伸延率，无刺激性气味等。本实施例中胶粘密封剂选用UV胶，在紫外灯照射下固化5分钟可达到实际使用强度，可以满足强的粘接力及气密性要求，以及固化后完全透明，有一定的柔软度和伸延率，无刺激性气味，可与人体皮肤直接接触。最后将制作好的器件通过传输线引出接入后续处理电路，制作好的器件结构如图12所示。
实施例2：
本实施例中，所述气囊1设有第一窗口004，所述PCB线路软板3上设有第二窗口003，所述PCB线路软板3位于所述第一窗口004的位置，且使得所述第二窗口003位于测试区域001的位置，所述传感器4贴在第二窗口003的下表面，位于所述气囊1的内侧，所述传感器4和第二窗口003之间的凹陷通过胶自流平的方式填充，填充后的表面与所述气囊的气囊壁的外表面在一个平面，所述填充后的表面作为所述传感器的敏感面9。本实施例的具体工艺实施步骤如下：
步骤1，选用(111)硅片制作触觉传感器。其中，传感单元尺寸为200μm-600μm，该传感器制作工艺为MEMS常规工艺，其具体工艺非本申请重点，故不作详细叙述，pad区域位于传感器四周。
步骤2，制作PCB柔性线路板，如图13-图14所示。该工艺为集成电路常规工艺，其具体工艺非本申请重点，故不作详细叙述。在柔性PCB线路板3上制作正方形的第二窗口003，第二窗口003尺寸与传感器敏感面积尺寸一致。本实施例选用表面贴装工艺，将各向异性导电胶涂覆或者贴合于传感器4的pad区域处与柔性PCB线路板3内表面，经过加热加压作用，导电颗粒随着树脂流动而填充到pad区域，实现电学连接然后在传感器四周均匀涂抹胶粘密封剂8，本实施例中胶粘密封剂8选用树脂，保证气密性并加强连接强度。
步骤3，将结合传感器后的PCB线路板3与气囊1气密性结合，柔性PCB线路板3作为气囊的一个面，制作工艺如图15-16所示。将气囊1远离测试区域001的一端接入导气管2，实现气密性连接，在气囊1上方根据柔性PCB线路板3的尺寸和形状制作第一窗口004，如图11所示；在胶粘区域6将步骤3)制作好的PCB线路板3与气囊1通过胶粘密封剂实现气密性结合，本实施例中胶粘密封剂选用UV胶，在紫外灯照射下固化5分钟可达到实际使用强度，可以满足强的粘接力及气密性要求，以及固化后完全透明，有一定的柔软度和伸延率，无刺激性气味，可与人体皮肤直接接触。
步骤4，最后利用胶自流平工艺对第二窗口003处进行填充，使填充后的传感器4与被测物体的作用面9比气囊1的上表面基本相平，或高出1-2微米，制作工艺如图17所示。本实施例中，采用的胶可以为软胶，其杨氏模量远小于硅。
实施例3：
本实施例中，所述气囊1设有第一窗口004，所述PCB线路软板3上设有第二窗口003，所述PCB线路软板3位于所述第一窗口004的位置，且使得所述第二窗口003位于测试区域001的位置，所述第二窗口003的下表面贴有基板，所述基板与第二窗口003之间的凹陷中嵌入有所述传感器4，所述传感器4的厚度和气囊1的气囊壁的厚度相同。本实施例的具体工艺实施步骤如下：
步骤1，选用一触觉传感器，采用临时键合工艺对传感器4进行减薄，然后将减薄后的传感器4转移到力学支撑基板上，其中传感器4减薄后的厚度与气囊厚度相同，或比气囊厚度高1-2微米。该传感器制作及减薄工艺为MEMS常规工艺，其具体工艺非本申请重点，故不作详细叙述。
步骤2，制作PCB柔性线路板，并实现传感器和PCB柔性线路板的结合。该步工艺与实施例2中的步骤2相同，在此不再赘述。
步骤3，将结合传感器后的PCB线路板与气囊气密性结合，该制作工艺与实施例2中的步骤3相同，结合后的传感器4与被测物体的作用面9与气囊上表面相平，或比气囊上表面高出1-2微米，如图18所示。
实施例4：
本实施例中，所述传感器4为带TSV转接板的传感器，所述传感器4的敏感面贴于所述气囊1的测试区域001的内表面，所述传感器4的背面通过所述TSV转接板与所述PCB线路软板3相连。本实施例的具体工艺实施步骤如下：
步骤1，制作一带TSV转接板的触觉传感器，其中传感器4的敏感面9通过硅胶粘贴在气囊1内表面，气囊1表面保持完整性，不需要开窗口。将传感器4通过TSV转接板与柔性电路基板3实现电学连接，柔性电路基板3表面保持完整性，不需要开窗口，本实施例中选用表面贴装工艺，将各向异性导电胶涂覆在TSV转接板pad区域处与柔性PCB板表面，经过加热加压作用，导电颗粒随着树脂流动而填充到pad区域，实现二者的连接。本实施例中，其中各向异性导电胶为软胶，其杨氏模量远小于硅。气囊采用均质材料，其杨氏模量远小于硅。
步骤2，将结合传感器后的PCB线路板与气囊在边缘处实现气密性结合。将结构1气囊远离测试区域端接入结构2导气管，实现气密性连接。
Claims (7)
1.一种气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，包括气囊(1)、PCB线路软板(3)，所述气囊(1)与导气管(2)连通，其特征在于，所述气囊(1)的人体接触面上开设有测试区域(001)，所述测试区域(001)内嵌入有与所述PCB线路软板(3)相连的传感器阵列；所述传感器阵列包括多个传感器(4)，所述传感器(4)的敏感面与所述气囊(1)的人体接触面近似在一个平面。
2.根据权利要求1所述的气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，其特征在于，所述传感器(4)的尺寸小于桡动脉(006)的外径，且所述传感器阵列在与桡动脉(006)垂直方向上的线密度满足在桡动脉的外径范围内至少有3个所述传感器(4)。
3.根据权利要求1所述的气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，其特征在于，所述传感器(4)与人体软组织(005)的接触面积和未与所述气囊(1)接触的人体软组织(005)面积之和不大于传感器(4)与人体软组织(005)的接触面积的1.1倍。
4.根据权利要求1所述的气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，其特征在于，所述气囊(1)设有第一窗口(004)，所述PCB线路软板(3)上设有第二窗口(003)，所述PCB线路软板(3)位于所述第一窗口(004)的位置，且使得所述第二窗口(003)位于测试区域(001)的位置，所述传感器(4)呈凸形结构，所述传感器(4)的凸起部分嵌入在所述第二窗口(003)中，且所述凸起部分的高度与所述气囊(1)的气囊壁的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，其特征在于，所述气囊(1)设有第一窗口(004)，所述PCB线路软板(3)上设有第二窗口(003)，所述PCB线路软板(3)位于所述第一窗口(004)的位置，且使得所述第二窗口(003)位于测试区域(001)的位置，所述传感器(4)贴在第二窗口(003)的下表面，位于所述气囊(1)的内侧，所述传感器(4)和第二窗口(003)之间的凹陷通过胶填充，填充后的胶表面与所述气囊(1)的气囊壁的外表面在一个平面，所述填充后的胶表面作为所述传感器(4)的敏感面(9)。
6.根据权利要求1所述的气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，其特征在于，所述气囊(1)设有第一窗口(004)，所述PCB线路软板(3)上设有第二窗口(003)，所述PCB线路软板(3)位于所述第一窗口(004)的位置，且使得所述第二窗口(003)位于测试区域(001)的位置，所述第二窗口(003)的下表面贴有基板，所述基板与第二窗口(003)之间的凹陷中嵌入有所述传感器(4)，所述传感器(4)的厚度和所述气囊(1)的气囊壁的厚度相同。
7.根据权利要求1所述的气囊一体化的脉诊仪触觉传感阵列结构，其特征在于，所述传感器(4)为带TSV转接板的传感器，所述传感器(4)的敏感面(9)贴于所述气囊(1)的测试区域(001)的内表面，所述传感器(4)的背面通过所述TSV转接板与所述PCB线路软板(3)相连。
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