CN112450896A - 睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，包括传感器模块，包括：压力传感单元，其图案化敏感层的材料为石墨烯和金属混合材料；夹层，包括本体和第一孔体，本体上固设有压力传感单元；底板，设在夹层的第一表面的一侧，在底板的同一表面设有凸起和第一凹槽，凸起的位置和大小与第一孔体相适配；顶板，设在夹层的第二表面的一侧，顶板设有中心孔及第一凹槽；弹性体，具有相对的第三表面和第四表面，第三表面固定在第一表面上，靠近第四表面的一端插入到第一凹槽中，第一凹槽的形状与大小与未发生弹性形变的弹性体相同；压块，固设在夹层的第二表面上并通过顶板的中心孔伸出。本发明还公开了一种睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器的应用。

Description

睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器及应用

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器及应用。

背景技术

随着人们对健康、对生活质量要求的不断提高，睡眠监测，如心跳、呼吸、睡姿成为人们追求健康生活的需求。传感器成为实现睡眠监测的选择之一。

目前市场上主流的传感器产品的核心技术主要为：1)光纤传感器，依据物理变化量测定，如温度、压力会改变光的波长。其缺点是：尺寸较大，且需要光信号，需要光源，光源发生器，一旦回路发生损坏，或光源不能传播，测量信号就无法回收，测试不能完成，成本较高；结构复杂，需要两套传感器，温度与压力耦合；计算繁琐，需要同时知道两组传感器的4个参数以及2个监测量。2)压电传感器，依据物理变化量测定，物理变化量引起材料内部电荷分布发生变化。其缺点是：无法测量静态姿势，静态物理量；且干扰较大，容易受静电电荷等影响干扰；输出信号属于非线性，对于后期计算测试非常不利。3)智能手环-光电传感器，利用光的反射，根据血液中透光率的脉动变化，折算成电信号，再运用一定的算法折算成心率。其缺点是：需要光照射、且干扰性大，属于二次信号监测；用光的反射，根据血液中透光率的脉动变化，折算成电信号，再运用一定的算法折算成心率；只能测血液心率，无法满足睡眠姿势运动等测量。4)心电信号测量，类似ECG(心电图)，这种方法是用人体的电位差进行心率检测。其缺点是：需要将人体接入导体，形成电流回路，对人体有损伤，不是一种健康的监测方法，需要侵入人体完成测量。

发明内容

基于此，有必要针对传统传感器不适用于睡眠监测的问题，提供一种新的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器及应用。

一种睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，包括传感器模块，所述传感器模块包括：

压力传感单元，所述压力传感单元依次包括：绝缘层、图案化敏感层、设在所述图案化敏感层上的电极以及保护层，所述保护层覆盖所述图案化敏感层未被所述电极遮挡的部分，所述图案化敏感层的材料为石墨烯和金属混合材料；

夹层，包括本体和第一孔体，所述本体包括相对的第一表面和第二表面，所述第一孔体贯穿所述第一表面和所述第二表面设置，所述本体的所述第一表面和所述第二表面的相对位置上分别固设有压力传感单元；

底板，设在所述夹层的所述第一表面的一侧，在所述底板的同一表面设有凸起和第一凹槽，所述凸起设在所述第一凹槽的外部，所述凸起的位置和大小与所述第一孔体相适配；

顶板，设在所述夹层的所述第二表面的一侧，所述顶板设有中心孔并设有第二凹槽，所述第二凹槽用于容纳所述凸起；

弹性体，具有相对的第三表面和第四表面，所述第三表面固定在所述第一表面上，靠近所述第四表面的一端插入到所述底板的所述第一凹槽中，所述第一凹槽的形状与大小与未发生弹性形变的所述弹性体相同；

压块，固设在所述夹层的所述第二表面上并通过所述顶板的所述中心孔伸出。

在其中一个实施例中，所述第一表面和所述第二表面上分别设有偶数个所述压力传感单元，偶数个的所述压力传感单元呈对称式排布。

在其中一个实施例中，所述第一凹槽的深度沿着所述底板的边缘到所述底板的中心逐渐增加。

在其中一个实施例中，所述第一凹槽整体呈拱形。

在其中一个实施例中，所述压块呈球缺形。

在其中一个实施例中，所述夹层上以中心对称方式布置有四个所述第一孔体，所述底板上设有四个与所述第一孔体对应的所述凸起，横向与纵向相邻两个第一孔体之间分别形成第一横向细臂和第一纵向细臂，横向与纵向相邻两个凸起之间分别形成第二横向细臂和第二纵向细臂。

在其中一个实施例中，所述第一凹槽设在所述第二横向细臂和第二纵向细臂上，所述第一凹槽为十字形第一凹槽，所述弹性体为十字形弹性体。

在其中一个实施例中，所述夹层的第一表面和所述第二表面上分别设有两个所述压力传感单元，两个所述压力传感单元对称设在所述第一纵向细臂的两端。

在其中一个实施例中，所述第一表面和所述第二表面的共四个所述压力传感单元连接为惠斯通电桥。

在其中一个实施例中，所述夹层的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种；和/或，所述底板的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种；和/或，所述顶板的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种；和/或，所述压块的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种；和/或，所述弹性体的材料选自橡胶，优选为硅橡胶。

在其中一个实施例中，还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述压力传感单元电连接，所述信号处理模块用于将所述压力传感单元的压力信号转换为电信号。

在其中一个实施例中，所述传感器模块有多个，多个所述传感器模块呈阵列式排布并分别与所述信号处理模块电连接。

一种所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器在监测心跳、呼吸或睡姿上的应用。

含有所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器的床垫、褥子或床板。

本发明通过压力传感单元的电阻栅形变来监测信号，是一种直接监测方法，能够提高监测准确性与灵敏度，避免了由于电磁干扰、二次信号变换引起的误差，提高信号变化的精密性。由于该测量方法只需测量得到由于电阻栅形变引起的电压输出信号值，通过对信号振幅与周期的判断来完成监测，并不需要具体的数值大小，故测量形式简单，测量参数较少。该方法简单、易于实现，成本较低，不需要精密的仪器与分析方法。该睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器能够同时完成心跳、呼吸速率、睡眠姿势以及睡眠运动方向测量。

附图说明

图1为本发明一实施例的传感模块的结构示意图；

图2为本发明一实施例的结合有弹性体与压块的复合阶层结构示意图；

图3为本发明一实施例的安装有压力传感单元的夹层的结构示意图；

图4为本发明一实施例的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器的结构示意图；

图5为本发明一实施例的夹层的结构示意图；

图6为本发明一实施例的底板的结构示意图；

图7为本发明一实施例的弹性体的结构示意图；

图8为本发明一实施例的顶板的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1～3，本发明实施例提供一种睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，包括传感器模块100，所述传感器模块100包括：

压力传感单元110；

夹层120，包括本体和第一孔体122，所述本体包括相对的第一表面和第二表面，所述第一孔体122贯穿所述第一表面和所述第二表面设置，所述本体的所述第一表面和所述第二表面的相对位置上分别固设有压力传感单元110；

底板130，设在所述夹层120的所述第一表面的一侧，在所述底板130的同一表面设有凸起132和第一凹槽134，所述凸起132设在所述第一凹槽134的外部，所述凸起132的位置和大小与所述第一孔体122相适配；

顶板140，设在所述夹层120的所述第二表面的一侧，所述顶板140设有中心孔144并设有第二凹槽142，所述第二凹槽142用于容纳所述凸起132；

弹性体150，具有相对的第三表面和第四表面，所述第三表面固定在所述第一表面上，靠近所述第四表面的一端插入到所述底板130的所述第一凹槽134中，所述第一凹槽134的形状与大小与未发生弹性形变的所述弹性体150相同；

压块160，固设在所述夹层120的所述第二表面上并通过所述顶板140的所述中心孔144伸出。

本发明通过压力传感单元110的电阻栅形变来监测信号，是一种直接监测方法，能够提高监测准确性与灵敏度，避免了由于电磁干扰、二次信号变换引起的误差，提高信号变化的精密性。由于该测量方法只需测量得到由于电阻栅形变引起的电压输出信号值，通过对信号振幅与周期的判断来完成监测，并不需要具体的数值大小，故测量形式简单，测量参数较少。该方法简单、易于实现，成本较低，不需要精密的仪器与分析方法。该睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器能够同时完成心跳、呼吸速率、睡眠姿势以及睡眠运动方向测量。

本发明的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器可用于监测心跳、呼吸或睡姿。

床垫、褥子或床板中可设置有所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器。

请参阅图4，在一些实施例中，该睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器还包括信号处理模块200，所述信号处理模块200与所述压力传感单元110电连接，所述信号处理模块200用于将所述压力传感单元110的压力信号转换为电信号。

在一实施例中，信号处理模块200包括依次连接的信号收集器210、放大器220、滤波器230、A/D转化器240及PC电脑终端250，传感器模块100通过压力传感单元110将监测信号传输至信号收集器210，并依次经放大器220、滤波器230、A/D转化器240后传输至PC电脑终端250，将PC得到的监测数据与大数据对比后，将PC得到的监测数据与大数据对比后，可得到相应睡眠监测结果的判断与建议采取的措施等。

在一些实施例中，所述第一表面和所述第二表面上分别设有偶数个所述压力传感单元110，偶数个的所述压力传感单元110呈对称式排布。多个压力传感器可以增加压力传感的位置精度，放大压力的局部和整体变化，提高实时监测的准确性。对称式排布能够降低位置偏差，有利于后续的信号处理和分析。

在一些实施例中，所述压力传感单元110为多层膜结构，依次包括：绝缘层、图案化敏感层、设在所述图案化敏感层上的电极以及保护层，所述保护层覆盖所述图案化敏感层未被所述电极遮挡的部分。

多层薄膜结构可通过气相沉积方法制备得到。敏感层具有一定图案，包括薄膜电阻栅和与其相连的薄膜导线。敏感层的电阻栅图案可通过刻蚀方法获得。薄膜导线一端与电阻栅连接，另一端与信号处理模块200中信号收集器的输入端连接。

在一些实施例中，所述图案化敏感层的材料为石墨烯和金属混合材料。具体的，金属可选自镍铬合金、康铜中的任意一种或多种。

进一步地，所述图形化敏感膜层的厚度为100nm～1000nm。

进一步地，所述绝缘层的材料可以为Al₂O₃、SiO₂、Si₃N₄、YSZ中的任意一种或几种，厚度为1μm～5μm。

进一步地，所述保护层的材料可以为Al₂O₃、SiO₂、Si₃N₄、YSZ中的任意一种或几种，厚度为1μm～5μm。

压力传感单元110为传统的薄膜压力传感器结构，这里不再赘述。

请参阅图5～6，在一具体实施例中，所述夹层120上布置有四个所述第一孔体122。所述底板130上设有四个与所述第一孔体122对应的所述凸起132。四个凸起132的位置和形状与四个第一孔体122的位置和形状相对应，保证夹层120组装到底板130上之后四个凸起132能够恰好从第一孔体122中伸出。优选的，四个第一孔体122以环形对称方式排布，即，四个第一孔体122中心对称，即，四个第一孔体122组成正方形区域，每个孔体分别分布在其中的四分之一区域内，并且横向和纵向相邻的第一孔体122对称分布。四个凸起132在底板130上以相同的环形对称方式排布。夹层120的横向与纵向相邻两个第一孔体122之间分别形成第一横向细臂124和第一纵向细臂126。底板130的横向与纵向相邻两个凸起132之间分别形成第二横向细臂134a和第二纵向细臂134b。

在一些实施例中，所述第一凹槽134的深度沿着所述底板130的边缘到所述底板130的中心逐渐增加，弹性体150与第一凹槽134的形状相匹配。优选的，所述第一凹槽134的深度略小于未发生弹性形变的所述弹性体150的深度，从而使得弹性体150能够紧紧抵触在第一凹槽134中。这样，当压力施加到该传感器模块100上时，整个弹性体150的受力更均匀，与等深度的第一凹槽134，本实施例的第一凹槽134与凸起132的结构使得压力传感单元110更灵敏、更精确。在一些实施例中，所述第一凹槽134整体呈拱形。即，形成中间深，两边逐渐变浅的第一凹槽134。

在具体实施例中，所述夹层120上布置有四个所述第一孔体122，横向与纵向相邻两个第一孔体122之间分别形成第一横向细臂124和第一纵向细臂126。所述底板130上设有四个与所述第一孔体122对应的所述凸起132，横向与纵向相邻两个凸起132之间分别形成第二横向细臂134a和第二纵向细臂134b。所述第一凹槽134设在所述第二横向细臂134a和第二纵向细臂134b上，所述第一凹槽134为十字形第一凹槽134，十字型第一凹槽134的横向和纵向分别沿所述第二横向细臂134a和第二纵向细臂134b延伸。优选的，所述十字形第一凹槽134整体为拱形，即十字型第一凹槽134的横向和纵向交叉点位置深度最大，交叉点向边缘的方向深度逐渐减小。同理，请参阅图7，所述弹性体150为十字形弹性体150，与第一凹槽134的结构一致，不再赘述。

在其中一个实施例中，所述夹层120的第一表面和所述第二表面上分别设有两个所述压力传感单元110，两个所述压力传感单元110对称设在所述第一纵向细臂126的两端。优选的，所述第一表面和所述第二表面的共四个所述压力传感单元110连接为惠斯通电桥。惠斯通电桥自身带有温度补偿效果，省去后期电路补偿，大大简化电路。

请参阅图8，顶板140的第二凹槽142可以为一个整体的凹槽，用于容纳底板130的凸起132。在凸起132为多个时，凹槽可以分隔为相同个数的子凹槽，每个子凹槽分别容纳一个凸起132。子凹槽的排布与凸起132的排布一致。第二凹槽142的深度与凸起132的高度相等或第二凹槽142的深度略小于凸起132的高度，使得第二凹槽142的深度与凸起132为过盈配合，即凸起132是紧紧扣入第二凹槽142。所述中心孔144开设在所述第二凹槽142的底面上。

压块160的形状与顶板140的中心孔144相匹配。在一些实施例中，所述压块160呈球缺形，例如半球形。球缺形的受力面积小，压强更大，引起的该传感器模块100的形变更大、更灵敏。

在一些实施例中，所述夹层120的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种。

在一些实施例中，所述底板130的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种。

在一些实施例中，所述顶板140的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种。

在一些实施例中，所述压块160的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种。

在一些实施例中，所述弹性体150的材料选自橡胶，优选为硅橡胶。

所述传感器模块100的各组件之间固定连接，例如通过胶水、粘接剂等方式粘结固定，或者通过相互支架的凸台过盈配合。

在一些实施例中，所述传感器模块100有多个，多个所述传感器模块100呈阵列式排布并分别与所述信号处理模块200电连接。多个传感器模块100在同一个夹层120阵列布置，阵列布置的多个传感器模块100组成一个整体的传感器模块100系统。多个传感器模块100将监测信号传输至信号处理模块200，传感器模块100监测数据与大数据对比后，可得到相应睡眠监测结果的判断与建议采取的措施等。优选的，该多个传感器模块100共同固定在一个支撑结构上，形成一个整体的传感器系统，便于使用时的装配、移动等。

系统工作时，该睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器固定埋入床垫内部，靠近人体接触床垫表面的一侧，传感器安装平面与床垫平面统一。其安装位置靠近人体平躺时肩膀所在位置附近。传感器模块100系统能够完全覆盖人体肩膀占用面积。以下为采用图4所示的传感器进行睡眠检测的实际操作。

(1)心跳监测：

当人体心跳时，周期性的心跳行为会对传感器模块100系统中的压块160产生一个周期性的冲击，此时，压块160带动夹层120表面的4个压力传感单元110挤压弹性体150，由于弹性体150有一定的弹性，所以压力传感单元110能够周期性的产生形变与恢复初始状态，这样压力传感单元110内部的4个薄膜电阻栅也会周期性的发生形变，由4个薄膜电阻栅组成的惠斯通桥电路将这一应变信号转化为电压信号，电压信号经信号处理模块200电路处理后，最终得到心跳监测所对应电压信号的幅值与周期，通过判断电压信号的周期从而得到心跳速率。

(2)呼吸监测：

当人体呼吸时，与心跳监测原理一致，但此时电压信号的幅值比监测心跳时得到的电压信号的幅值要大，此时输出的信号通过滤波器将心跳电压信号滤波后，输出单独的呼吸信号，根据分析得到的呼吸信号，获得呼吸频率，从而实现呼吸监测。

(3)睡眠姿势及睡眠运动方向监测：

当人体睡眠姿势发生改变时，肩膀范围内接触与挤压到的压力传感单元110的数量与压力传感单元110所处的位置会发生改变，此时压力传感单元110中薄膜电阻栅的形变也会发生变化，此时通过对比传感器系统中的输出信号，可以判断系统中每一个传感器所处状态。由于睡眠姿势发生改变时，人体肩膀对所接触到的压力传感单元110的挤压力度较大，与监测心跳、呼吸时的输出信号相比较，传感器模块100的相应输出信号最大，这样，将此时通过传感器模块100得到的电压信号经信号处理模块200电路处理后，能够过滤掉心跳、呼吸信号等干扰，最终得到由于睡眠姿势改变及睡眠运动引起的电压输出信号，根据分析布置在肩膀周围不同位置处的压力有无输出信号，来判断人体睡眠姿势，根据输出信号变化趋势来判断人体睡眠运动方向。

该睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器可同时实现心跳、呼吸和睡姿的检测。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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 (10)

1.一种睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，其特征在于，包括传感器模块，所述传感器模块包括：

压力传感单元，所述压力传感单元依次包括：绝缘层、图案化敏感层、设在所述图案化敏感层上的电极以及保护层，所述保护层覆盖所述图案化敏感层未被所述电极遮挡的部分，所述图案化敏感层的材料为石墨烯和金属混合材料；

夹层，包括本体和第一孔体，所述本体包括相对的第一表面和第二表面，所述第一孔体贯穿所述第一表面和所述第二表面设置，所述本体的所述第一表面和所述第二表面的相对位置上分别固设有压力传感单元；

底板，设在所述夹层的所述第一表面的一侧，在所述底板的同一表面设有凸起和第一凹槽，所述凸起设在所述第一凹槽的外部，所述凸起的位置和大小与所述第一孔体相适配；

顶板，设在所述夹层的所述第二表面的一侧，所述顶板设有中心孔并设有第二凹槽，所述第二凹槽用于容纳所述凸起；

弹性体，具有相对的第三表面和第四表面，所述第三表面固定在所述第一表面上，靠近所述第四表面的一端插入到所述底板的所述第一凹槽中，所述第一凹槽的形状与大小与未发生弹性形变的所述弹性体相同；

压块，固设在所述夹层的所述第二表面上并通过所述顶板的所述中心孔伸出。

2.根据权利要求1所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面上分别设有偶数个所述压力传感单元，偶数个的所述压力传感单元呈对称式排布。

3.根据权利要求1所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，其特征在于，所述第一凹槽的深度沿着所述底板的边缘到所述底板的中心逐渐增加；所述第一凹槽整体呈拱形。

4.根据权利要求1所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，其特征在于，所述压块呈球缺形。

5.根据权利要求1～4任一项所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，其特征在于，所述夹层上以中心对称方式布置有四个所述第一孔体，所述底板上设有四个与所述第一孔体对应的所述凸起，横向与纵向相邻两个第一孔体之间分别形成第一横向细臂和第一纵向细臂，横向与纵向相邻两个凸起之间分别形成第二横向细臂和第二纵向细臂；所述第一凹槽设在所述第二横向细臂和第二纵向细臂上，所述第一凹槽为十字形第一凹槽，所述弹性体为十字形弹性体；和/或，所述夹层的第一表面和所述第二表面上分别设有两个所述压力传感单元，两个所述压力传感单元对称设在所述第一纵向细臂的两端；所述第一表面和所述第二表面的共四个所述压力传感单元连接为惠斯通电桥。

6.根据权利要求1～4任一项所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，其特征在于，所述夹层的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种；和/或，所述底板的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种；和/或，所述顶板的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种；和/或，所述压块的材料选用聚酰亚胺类、聚酯类中的至少一种；和/或，所述弹性体的材料选自橡胶。

7.根据权利要求1～4任一项所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，其特征在于，还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述压力传感单元电连接，所述信号处理模块用于将所述压力传感单元的压力信号转换为电信号。

8.根据权利要求7所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器，其特征在于，所述传感器模块有多个，多个所述传感器模块呈阵列式排布并分别与所述信号处理模块电连接。

9.一种如权利要求1～8任一项所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器在监测心跳、呼吸或睡姿上的应用。

10.含有如权利要求1～8任一项所述的睡眠监测用石墨烯金属薄膜传感器的床垫、褥子或床板。

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