CN112568553A - 智能鞋垫及其制备方法和足部压力监测系统 - Google Patents

智能鞋垫及其制备方法和足部压力监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种智能鞋垫及其制备方法和足部压力监测系统。上述智能鞋垫包括依次层叠的第一电路板、填充层、传感器和第二电路板。第一电路板上设有多个第一焊点以及用于连接第一焊点的第一导线；填充层设有多个间隔的镂空部，第一电路板上与各镂空部对应的位置处至少有一个第一焊点；传感器包括多个间隔设置的阵列单元，每个阵列单元设置在一个镂空部内，每个阵列单元均包括依次层叠的第一电极、介电层和第二电极，第一电极和第二电极的材料均为离子凝胶；第二电路板上设有多个第二焊点以及用于连接第二焊点的第二导线。上述智能鞋垫的弹性模量低、柔韧性高且稳定性高。

Description

智能鞋垫及其制备方法和足部压力监测系统
技术领域
本发明涉及柔性穿戴技术领域，特别是涉及一种智能鞋垫及其制备方法和足部压力监测系统。
背景技术
随着人们健康监测意识的日益增加，人们对于柔性可穿戴设备在健康方面的应用需求日渐增加。智能电子鞋垫作为一种柔性可穿戴设备，能够实时、准确、动态地监测人体运动以及步态，从而达到监测人体健康的目的。目前现有的智能鞋垫主要基于电阻或电容式传感，大多具有实时监控、成本低，可动态监测运动信号等功能。然而，采用的传感器材料普遍具有较大的弹性模量、柔韧性低，导致鞋垫舒适度较低，极大地影响了穿着舒适度。另外，传统的智能鞋垫的稳定性低，在多次循环后，测试结果变化大，难以实现长时间高精度的传感。
发明内容
基于此，有必要提供一种弹性模量低、柔韧性高且稳定性高的智能鞋垫及其制备方法。
此外，还有必要提供一种足部压力监测系统。
一种智能鞋垫，包括：
第一电路板，所述第一电路板上设有多个第一焊点以及用于连接所述第一焊点的第一导线；
填充层，所述填充层层叠在所述第一电路板设有所述第一焊点的一侧，且所述填充层设有多个间隔的镂空部，所述第一电路板上与各所述镂空部对应的位置处至少有一个所述第一焊点；
传感器，所述传感器包括多个间隔设置的阵列单元，每个所述阵列单元设置在一个所述镂空部内，每个所述阵列单元均包括依次层叠的第一电极、介电层和第二电极，所述第一电极和所述第二电极的材料均为离子凝胶，制备所述离子凝胶的原料包括离子液体和聚合物单体，所述聚合物单体为丙烯酸酯类化合物；及
第二电路板，所述第二电路板上设有多个第二焊点以及用于连接所述第二焊点的第二导线，所述第二电路板层叠在所述传感器上，且所述第二电路板设有所述第二焊点的一侧朝向所述传感器，所述第二电路板上与各所述阵列单元对应的位置处至少有一个所述第二焊点。
在其中一个实施例中，所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐及1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种；及/或，制备所述离子凝胶的原料还包括光引发剂和交联剂；及/或，所述第一电极的厚度为0.1mm～1mm；及/或，所述第二电极的厚度为0.1mm～1mm；及/或，所述聚合物单体选自丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯及甲基丙烯酸乙酯中的一种。
在其中一个实施例中，所述介电层的材料选自有机硅弹性体、热塑性弹性体及聚氨酯类弹性体中的一种；及/或，所述介电层的厚度为0.05mm～1mm。
在其中一个实施例中，所述介电层的材料为聚甲基硅氧烷，制备所述介电层的原料包括质量比为10∶1～30∶1的聚甲基硅氧烷前驱体和固化剂；及/或，所述介电层的厚度为0.4mm～0.6mm。
在其中一个实施例中，在所述传感器中，所述阵列单元的个数为9个～64个；及/或，所述传感器的总厚度与所述填充层的厚度相同。
在其中一个实施例中，所述第一电路板和所述第二电路板均为柔性电路板；及/或，所述第一电路板的厚度为0.1mm～0.5mm；及/或，所述第二电路板的厚度为0.1mm～0.5mm。
一种智能鞋垫的制备方法，包括如下步骤：
制作第一电路板和第二电路板，所述第一电路板上设有多个第一焊点以及用于连接所述第一焊点的第一导线，所述第二电路板上设有多个第二焊点以及用于连接所述第二焊点的第二导线；
在所述第一电路板上设有所述第一焊点的一侧形成填充层，所述填充层设有多个间隔的镂空部，所述第一电路板上与各所述镂空部对应的位置处至少有一个所述第一焊点；
在每个所述镂空部处依次形成第一电极、介电层和第二电极，得到多个阵列单元，所述第一电极和所述第二电极的材料均为离子凝胶，制备所述离子凝胶的原料包括离子液体和聚合物单体；所述聚合物单体为丙烯酸酯类化合物；及
在所述阵列单元远离所述第一电路板的一侧盖设所述第二电路板，所述第二电路板设有所述第二焊点的一侧朝向所述阵列单元，且所述第二电路板上与各所述阵列单元对应的位置处至少有一个所述第二焊点。
在其中一个实施例中，制备所述离子凝胶的原料还包括光引发剂和交联剂，形成所述第一电极的步骤包括：将所述离子液体、所述聚合物单体、所述光引发剂和所述交联剂混合，制备混合液；然后将所述混合液加入所述镂空部，再进行紫外光照处理，制备所述第一电极。
在其中一个实施例中，所述紫外光照处理的功率为5W～50W，时间为1min～20min；及/或，所述第一电极的厚度为0.1mm～1mm；及/或，所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐及1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。
在其中一个实施例中，形成所述介电层的步骤包括：将聚合物前驱体和固化剂混合并加入到所述第一电极远离所述第一电路板的一侧，然后加热固化，制备所述介电层。
在其中一个实施例中，所述聚合物前驱体和所述固化剂的质量比为10∶1～30∶1；及/或，所述介电层的厚度为0.4mm～0.6mm；及/或，所述聚合物前驱体为聚甲基硅氧烷前驱体。
一种足部压力监测系统，包括：上述的智能鞋垫或上述的智能鞋垫的制备方法制备的智能鞋垫和数据采集处理器，所述数据采集处理器与所述智能鞋垫电连接，且用于对所述智能鞋垫在受到压力时产生的电信号进行采集和分析处理。
在其中一个实施例中，所述数据采集处理器包括数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元能够将采集到的数据传输给所述数据处理单元，所述数据采集单元的输入端与所述第一导线连接，所述数据采集单元的输出端与所述第二导线连接，或者，所述数据采集单元的输入端与所述第二导线连接，所述数据采集单元的输出端与所述第一导线连接。
上述智能鞋垫以特定材料的离子凝胶为电极的材料，该离子凝胶具有较低的弹性模量、高导电性以及高韧性，作为传感器的电极材料能够大大提高鞋垫可承受的压强范围、灵敏度以及鞋垫的舒适度。且实验证明，上述智能鞋垫在一定压力下进行多次循环时，电容相对变化率低，具有较高的稳定性。因此，上述智能鞋垫的弹性模量低、柔韧性高且稳定性高，能够用于足部压力检测中。
附图说明
图1为一实施方式的智能鞋垫的第一电路板的一种结构示意图；
图2为一实施方式的智能鞋垫的第一电路板的另一种结构示意图；
图3为一实施方式的智能鞋垫的一种爆炸结构示意图；
图4为图3所示的智能鞋垫的剖面图；
图5为智能鞋垫的电路测试原理图；
图6为实施例2的智能鞋垫的压力响应曲线；
图7为实施例2的智能鞋垫在133kPa压力下，10000次～100000次循环过程中的电容变化率曲线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明的较佳的实施例。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。
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地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
一实施方式的智能鞋垫，包括依次层叠的第一电路板、填充层、传感器及第二电路板。
其中，第一电路板上设有多个第一焊点以及用于连接第一焊点的第一导线。具体地，第一电路板为柔性电路板。例如，第一电路板的材料为PI或PET。具体地，第一电路板的厚度为0.1mm～0.5mm。
第一电路板中第一焊点的个数及分布与传感器中阵列单元的数量及分布相关，传感器中阵列单元的数量决定了对足底压力检测的空间分辨度，因此可根据需要调整传感器中阵列单元的个数为9个、16个、25个、36个或64个。进一步地，第一焊点的直径为0.5mm～3mm。可以理解，第一焊点的直径不限于为0.5mm～3mm，还可以根据第一导线的直径以及实际情况等进行调整。
第一导线的材料为铜。第一导线的宽度为0.1mm～1mm。可以理解，导线的材料不限于为铜，还可以为本领域常用的能够导电的材料。
进一步地，第一电路板的形状为鞋垫的形状。
在其中一个实施例中，请参阅图1，第一电路板110中设有15个第一焊点112，15个第一焊点112中每2个或1个构成9个预留区116，每3个预留区116经第一导线114串联在一起，最终从第一电路板110引出3根第一导线114。9个预留区116对应填充层中9个镂空部以及传感器中的9个阵列单元。可以理解，在其他实施例中，第一电路板110中第一焊点112及第一导线114的个数及分布情况不限于此，还可以形成36个预留区116，如图2所示。
填充层层叠在第一电路板设有第一焊点的一侧。填充层的形状与第一电路板的形状相同，均为鞋垫的形状，可以根据受试者脚步特征确定。具体地，填充层的材料为弹性聚合物。例如，填充层的材料为有机硅弹性体或弹性胶带。采用弹性聚合物为填充层的材料能够与传感器配合进一步提高智能鞋垫的柔软性。
具体地，填充层设有多个间隔的镂空部，第一电路板上与各镂空部对应的位置处至少有一个第一焊点。镂空部贯穿填充层的厚度方向。在填充层上设置镂空部的目的是便于填充后续的传感器，且填充层与传感器配合使鞋垫外观为平面结构，不会因为踩踏过程中出现塌陷等。进一步地，填充层的厚度为1mm～5mm。
传感器包括多个间隔设置的阵列单元，每个阵列单元设置在一个镂空部内，每个阵列单元均包括依次层叠的第一电极、介电层和第二电极。第一电极和第二电极的材料均为离子凝胶。具体地，制备离子凝胶的原料包括聚合物单体和离子液体。聚合物单体为丙烯酸酯类化合物。进一步地，聚合物单体选自丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯及甲基丙烯酸甲酯中的一种。离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐及1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。
在其中一个实施例中，离子凝胶通过聚合物单体和离子液体进行光交联反应而得到。制备离子凝胶的原料还包括光引发剂和交联剂。例如，光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮等。交联剂为聚乙二醇二甲基丙烯酸酯等。在其中一个实施例中，聚合物单体和交联剂的摩尔比为1000∶3，聚合物单体与光引发剂的摩尔比为10∶1。聚合物单体与离子液体的摩尔比为1∶(1～2)。可以理解，离子液体的加入能够提高导电性，可以根据本领域对导电性的要求添加离子液体。通过调整聚合物单体、离子液体、光引发剂和交联剂的种类及比例，可以实现离子凝胶柔韧性和导电性的可调，进而实现传感器柔韧性和压强范围整体可调。
具体地，第一电极的厚度为0.1mm～1mm。第二电极的厚度为0.1mm～1mm。可以理解，第一电极的厚度和第二电极的厚度可以相等，也可以不等。第二电极的材料及制备过程与第一电极的材料及制备过程相同，在此不再赘述。
介电层的材料为聚合物弹性体。具体地，介电层的材料选自有机硅弹性体、热塑性弹性体(TPE)及聚氨酯类弹性体(PU)中的一种。有机硅弹性体可以为聚甲基硅氧烷(PDMS)或Ecoflex。介电层的材料对智能鞋垫的灵敏度、耐久性和透明度有一定影响，可以选择不同的介电层材料来进一步提高智能鞋垫的灵敏度等性能。例如，可以采用具有微结构的介孔材料，如金字塔型、微球型和多孔型材料。进一步地，介电层的材料为PDMS。PDMS具有较低的弹性模量和高韧性，作为传感器的介电层能够与第一电极和第二电极配合，进一步提高智能鞋垫的柔韧性和舒适性。
在其中一个实施例中，制备介电层的原料包括PDMS前驱体和固化剂。PDMS前驱体和固化剂的质量比为10∶1～30∶1。进一步地，PDMS前驱体和固化剂的质量比为20∶1。介电层的厚度为0.05mm～1mm。更进一步地，介电层的厚度为0.4mm～0.6mm。实验证明，在一定范围内，智能鞋垫的响应灵敏度随介电层膜厚的增加而减小，随PDMS前驱体和固化剂的质量比的增加而增加。当PDMS前驱体和固化剂的质量比为20∶1，介电层的厚度为0.4mm～0.6mm时，响应灵敏度较好。
进一步地，传感器中阵列单元的个数为9个～64个。更进一步地，传感器中阵列单元的个数为9个、16个、25个、36个或64个。阵列单元的个数与镂空部的个数相同。
进一步地，传感器中阵列单元的厚度与填充层的厚度相同，以使智能鞋垫整体呈现平面结构。
第二电路板上设有多个第二焊点以及用于连接第二焊点的第二导线，第二电路板层叠在传感器上，且第二电路板设有第二焊点的一侧朝向传感器。第二电路板上与各阵列单元对应的位置处至少有一个第二焊点。
具体地，第二电路板均为柔性电路板。例如，第二电路板的材料为PI或PET等。第二电路板的厚度为0.1mm～0.5mm。第二电路板中，第二焊点的个数及分布与传感器中阵列单元的数量及分布相关，传感器中阵列单元的数量决定了对足底压力检测的空间分辨度，因此可根据需要调整传感器中阵列单元的个数为9个、16个、25个、36个或64个。进一步地，第二焊点的直径为0.5mm～3mm。可以理解，第二焊点的直径不限于为0.5mm～3mm，还可以根据第二导线的直径以及实际情况等进行调整。
第二导线的材料为铜。第二导线的宽度为0.1mm～1mm。可以理解，导线的材料不限于为铜，还可以为本领域常用的能够导电的材料。进一步地，和第二电路板的形状为鞋垫的形状。
进一步地，第二电路板的结构与第一电路板的结构相同。第二电路板中第二焊点的个数、分布以及第二导线的个数、分布与第一电路板中第一焊点的个数、分布以及第一导线的个数、分布均一一对应。
在其中一个实施例中，智能鞋垫的爆炸图如图3所示。在图3所示的智能鞋垫中100，包括依次层叠的第一电路板110、填充层120、传感器130和第二电路板140。填充层120的镂空部的个数和传感器130的阵列单元的个数相同，均为9个，且一一对应。可以理解，在其他实施例中，填充层120的镂空部的个数、传感器130的阵列单元的个数及分布情况不限于为图3所示，还可以根据所要测试的实际情况进行调整。
图3所示的智能鞋垫的一种剖面图如图4所示。具体地，剖面选择为三点一排处。在第一电路板110和第二电路板140之间设置填充层120以及传感器130。传感器130的第一电极132设在第一电路板110上，第二电极136与第二电路板140层叠，介电层134设置第一电极132和第二电极136之间。智能鞋垫100中由第一焊点第二焊点分别连接第一电极132和第二电极136，且第一电极132和第二电极136之间通过介电层134导通，形成电容型传感器130。当智能鞋垫100的上下受力后，会导致电容的变化，从而可以根据电容的变化监测人体运动及足底压力情况。
上述智能鞋垫在用于监测人体运动时，将智能鞋垫的第一电路板的第一导线和第二电路板的第二导线中的一个与微控板的输入端连接，另一个与微控板的输出端连接，微控板与电脑终端连接，通过软件处理可以实现实时色度图显示传感情况。
上述智能鞋垫至少具有以下优点：
(1)上述智能鞋垫以离子凝胶为电极的材料，离子凝胶具有较低的弹性模量、高导电性以及高韧性，作为电极大大的提高了鞋垫可承受的压强范围、灵敏度以及鞋垫的舒适度。且实验证明，上述智能鞋垫在进行多次相对电容变化的循环时，电容相对变化率低，仍具有较高的稳定性。且通过调整离子凝胶中离子液体、聚合物单体的配比，能够调节鞋垫的柔韧性和导电性，满足不同的生产需要。
(2)上述智能鞋垫以聚合物弹性体为介电层及填充层的材料，能够进一步提高鞋垫的舒适度。且通过调整介电层的组成、配比以及厚度，能够实现较大的压强测量范围，提高鞋垫的响应灵敏度。
(3)上述智能鞋垫能够用于受试者足底压力分布检测，体态变化分析，运动疲劳检测和康复管理等。
一实施方式的智能鞋垫的制备方法，包括如下步骤：
步骤S110：制作第一电路板和第二电路板，第一电路板上设有多个第一焊点以及用于连接第一焊点的导线，第二电路板上设有多个第二焊点以及用于连接第二焊点的第二导线。
其中，第一电路板和第二电路板均为柔性电路板。例如，第一电路板和第二电路板的材料为PI或PET等。具体地，第一电路板的厚度为0.1mm～0.5mm。第二电路板的厚度为0.1mm～0.5mm。
第一电路板中，第一焊点的个数及分布与传感器中阵列单元的数量及分布相关，传感器中阵列单元的数量决定了对足底压力检测的空间分辨度，因此可根据需要调整传感器中阵列单元的个数为9个、16个、25个、36个或64个。进一步地，第一焊点的直径为0.5mm～3mm。可以理解，第一焊点的直径不限于为0.5mm～3mm，还可以根据第一导线的直径以及实际情况等进行调整。第二电路板中第二焊点的个数及分布与第一焊点的个数及分布情况相同。
第一导线的材料为铜。第一导线的宽度为0.1mm～1mm。可以理解，第一导线的材料不限于为铜，还可以为本领域常用的能够导电的材料。第二导线的材料及宽度与第一导线的材料及宽度相同，在此不再赘述。
进一步地，第一电路板和第二电路板的形状均为鞋垫的形状。
步骤S120：在第一电路板设有第一焊点的一侧形成填充层，填充层设有多个间隔的镂空部，第一电路板上与各镂空部对应的位置处至少有一个第一焊点。
填充层的材料为弹性聚合物。例如，填充层的材料为有机硅弹性体或弹性胶带。例如，填充层的材料为3M VHB胶带，此时可直接将3M VHB胶带贴附在第一电路板上。采用弹性聚合物为填充层的材料能够与传感器配合进一步提高智能鞋垫的柔软性。
具体地，填充层设有多个间隔的镂空部，每个镂空部对应的第一电路板处至少有一个第一焊点。镂空部贯穿填充层的厚度方向。在填充层设置镂空部的目的是便于填充后续的传感器，且使鞋垫主体为平面结构。进一步地，填充层的厚度为1mm～5mm。
步骤S130：在每个镂空部处依次形成第一电极、介电层和第二电极，得到多个阵列单元。
其中，第一电极和第二电极的材料为离子凝胶。具体地，制备离子凝胶的原料包括聚合物单体和离子液体。具体地。聚合物单体为丙烯酸酯类化合物。具体地，聚合物单体选自丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯及甲基丙烯酸甲酯中的一种。离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐及1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。
在其中一个实施例中，离子凝胶通过聚合物单体和离子液体进行光交联反应而得到。制备离子凝胶的原料还包括光引发剂和交联剂。例如，光引发剂为2-羟基-2-甲基苯丙酮等。交联剂为聚乙二醇二甲基丙烯酸酯等。在其中一个实施例中，聚合物单体和交联剂的摩尔比为1000∶3。聚合物单体与光引发剂的摩尔比为10∶1。聚合物单体与离子液体的摩尔比为1∶(1～2)。可以理解，离子液体的加入能够提高导电性，可以根据本领域对导电性的要求添加离子液体。通过调整聚合物单体、离子液体、光引发剂和交联剂的种类及比例，可以实现离子凝胶柔韧性和导电性的可调，进而实现传感器柔韧性和压强范围整体可调，满足不同的应用场景。
离子凝胶的制备方法具体如下：将聚合物单体在离子液体中通过光固化交联得到。具体地，紫外光波长为365nm，功率为5W～50W，光照时间1min～20min。原位的光固化过程可以实现离子凝胶和FPC电路板的可靠连接。进一步地，离子凝胶第一电极的厚度为0.1mm～1mm。先在焊点上涂覆微量银浆，再将制备好的凝胶贴在焊点上。银浆是微量，功能仅是为了跟焊点更好连接，增加导电性，厚度很小。
通过光固化工艺，可以实现电极的大面积高效生产，在光固化离子凝胶时通过使用不同的光掩模板，可以固化出不同图案的电极，从而实现产品的可定制，尺寸亦可以根据需求调节。另外，离子凝胶的制备方法不限于为光固化，亦可通过打印、印刷的方法实现。
具体地，第一电极的厚度为0.1mm～1mm。第二电极的厚度为0.1mm～1mm。可以理解，第一电极的厚度和第二电极的厚度可以相等，也可以不等。第二电极的材料及制备过程与第一电极的材料及制备过程相同，在此不再赘述。
介电层的材料为聚合物弹性体。具体地，介电层的材料选自有机硅弹性体、热塑性弹性体(TPE)及聚氨酯类弹性体(PU)中的一种。有机硅弹性体可以为聚甲基硅氧烷(PDMS)或Ecoflex。介电层的材料对智能鞋垫的灵敏度、耐久性和透明度有一定影响，可以选择不同的介电层材料来进一步提高智能鞋垫的灵敏度等性能。例如，可以采用具有微结构的介孔材料，如金字塔型、微球型和多孔型材料。进一步地，介电层的材料为PDMS。PDMS具有较低的弹性模量和高韧性，作为传感器的介电层能够与第一电极和第二电极配合，进一步提高智能鞋垫的柔韧性和舒适性。
在其中一个实施例中，制备介电层的材料包括PDMS前驱体和固化剂。PDMS前驱体和固化剂的质量比为10∶1～30∶1。进一步地，PDMS前驱体和固化剂的质量比为20∶1。介电层的厚度为0.05mm～1mm。更进一步地，介电层的厚度为0.4mm～0.6mm。实验证明，在一定范围内，智能鞋垫的响应灵敏度随介电层膜厚的增加而减小，随PDMS前驱体和固化剂的质量比的增加而增加。当PDMS前驱体和固化剂的质量比为20∶1，介电层的厚度为0.4mm～0.6mm时，响应灵敏度较好。
进一步地，传感器中阵列单元的厚度与填充层的厚度相同，以使智能鞋垫整体呈现平面结构。
步骤S140：在阵列单元远离第一电路板的一侧盖设第二电路板，且第二电路板设有第二焊点的一侧朝向阵列单元，第二电路板上与各阵列单元对应的位置处至少有一个第二焊点。
上述智能鞋垫的制备方法至少具有以下优点：
(1)上述智能鞋垫采用紫外光固化的方法制备第一电极和第二电极，通过调整光固化时间、聚合物单体、离子液体和交联剂的种类及比例，可以实现离子凝胶柔韧性和导电性的可调，进而实现智能鞋垫柔韧性和压强范围整体可调。
(2)上述智能鞋垫的工艺简单，可以实现大面积、可定制、高效的生产。
一实施方式的足部压力监测系统，包括上述实施方式的智能鞋垫或由上述实施方式的智能鞋垫的制备方法制备的智能鞋垫和数据采集处理器。
其中，数据采集处理器与智能鞋垫电连接，且用于对智能鞋垫在收到压力时产生的电信号进行采集和分析处理。进一步，数据采集处理器与智能鞋垫的第一导线和第二导线连接，用于将智能鞋垫产生的压力信息转化为电容信息。具体地，数据采集处理器包括数据采集单元和数据处理单元。数据采集单元能够将采集到的数据传输给数据处理单元。数据采集单元的输入端与第一导线连接，数据采集单元的输出端与第二导线连接，或者，数据采集单元的输入端与第二导线连接，数据采集单元的输出端与第一导线连接。
在其中一个实施例中，数据采集单元为包括芯片的微控板。数据处理单元为电脑终端。数据采集单元通过有线或无线的方式将采集到的数据传输给数据处理单元。例如，通过USB或蓝牙的方式将数据传输给数据处理单元。
上述压力测量系统用于监测足底压力时，工作过程具体如下：将智能鞋垫中的导线与多个焊点连接，以使多个阵列单元之间连接。将第二导线和第一导线的另一端分别与数据采集处理器的输入端和输出端连接，对智能鞋垫施加压力，传感器之间形成电容。用数据采集处理器对传感器产生的电容值进行测试及处理。
以下以智能鞋垫中阵列单元为9个为例，对上述工作过程进行详细介绍。根据图3中给出的智能鞋垫的第二电路板和第一电路板的结构，第一电路板中的导线将9个第一电极中的每3个串联在一起，形成三根导线。同样第二电路板中的导线将9个第二电极中的每3个串联在一起，形成三根导线。将第一电路板中的三根导线和第二电路板中的三根导线中的一组导线与数据采集处理器的输入端连接，另一组导线与数据采集处理器的输出端连接。
具体地，其中一组导线与ATmega328芯片的IO口连接，该组IO口定为数字输出模式；另一组连接线与芯片的模拟输入模式IO口连接。根据如下测试电路所示原理进行芯片计算处理，得出各单元电容值。实现智能鞋垫上各个传感器对应的电学数据能够采集，并且将测试结果通过USB或者无线方式上传至PC端，使用matlab与其连接串口通信。在matlab上位机中对获取的数据进行读取和实时显示。通过Matlab实时读取数据，每次读入9个单元数据作为一帧作图显示，显示出不同脚部动作下的足底压力的分布情况(例如脚前倾、后仰或平踩)以及实现鞋垫压力响应与运动情况(例如骑单车，划船机)的同步动态显示。
测试原理具体如下：请参阅图5，采用电容分压法，对传感器的电容CX进行测试。传感器的电容接入的两个IO口(IO1和IO2)各自有电容值C1和C2。IO1口为数字输出模式，IO2口为模拟输入模式。S1控制输出高低电平。Uadc的电压接入ADC进行模数转换。在S1从低电平接入高电平时，C1被充满，C2与CX串联被充满。可以得出：
CX＝C2×Uadc/(5v-Uadc)
最后，由ADC特性D/1024＝Uadc/5v得出CX测试结果：
CX＝C2×D/(1024-D)，其中，D为ADC数值。
通过上述压力的测量系统能够在人运动或站立时对智能鞋垫施压，从而对传感器形成作用压强，使传感器发生形变改变传感器电容，通过电容值的变化体现压力的变化，实现对足底压力的动态监测以及对运动状态的实时监测。
以下为具体实施例部分：
实施例1
本实施例的智能鞋垫的结构如图3所示，包括第一电路板、填充层、传感器和第二电路板。其中，传感器包括9个阵列单元，每个阵列单元均包括第一电极、介电层和第二电极。填充层的材料为3M VHB胶带。
本实施例的智能鞋垫的制备过程具体如下：
(1)采用与FPC第一电路板对应的设有9个镂空部的3M VHB胶带作为填充层，用于传感器在FPC第一电路板上的定位，粘接在FPC第一电路板上，9个镂空部将FPC第一电路板上的第一焊点镂空。
(2)在镂空部处依次形成第一电极、介电层和第二电极，得到9个阵列单元构成的传感器。具体步骤如下：将离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、丙烯酸甲酯、交联剂聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮按摩尔比为10∶10∶0.03∶1混合，然后在每个镂空部均匀加入定量的上述混合液，在波长为365nm，功率为20瓦的紫外光下照射15分钟，固化得到厚度为0.5mm的第一电极。然后沉积一层厚度为1mm的PDMS膜。最后采用与第一电极同样的方法形成厚度为0.5mm的第二电极。
(4)将FPC第二电路板盖设在FPC第一电路板形成有传感器的一侧，使第二电路板上第二焊点和第二导线的位置与第一电路板上第一焊点和第一导线的位置一一对应，制备智能鞋垫。
实施例2～实施例9
实施例2～实施例9的智能鞋垫的结构、制备过程均与实施例1的智能鞋垫的结构、制备过程相似，区别在于：介电层的材料及厚度不同。实施例2～实施例9的介电层的材料及厚度数据如下表1所示。
表1实施例的介电层的材料及厚度
实施例 PDMS前驱体和固化剂质量比 介电层厚度/μm
实施例2 20∶1 426
实施例3 20∶1 692
实施例4 20∶1 1270
实施例5 20∶1 1841
实施例6 10∶1 692
实施例7 15∶1 692
实施例8 20∶1 692
实施例9 30∶1 692
以下为测试部分：
1、弹性模量测试
对实施例1的智能鞋垫中的第一电极的弹性模量进行测试，测试结果为：第一电极的弹性模量为1.1MPa，弹性模量较低，较常用的智能鞋垫中的电极材料的弹性模量(一般为几十MPa到GPa级)明显较低，因此，由实施例中的基于特定凝胶的材料作为电极材料，所制备的智能鞋垫的弹性模量更低。
2、响应灵敏度测试
将实施例2制备的智能鞋垫进行压力测试，测定其响应压力范围为0～2MPa，其响应曲线如图6所示。
同样，将实施例3～实施例5制备的智能鞋垫进行压力测试，压力响应范围为0～2MPa，在一定范围内，智能鞋垫的响应灵敏度随着介电层厚度的增加而减少，实施例2中介电层的厚度为426μm时，智能鞋垫的响应灵敏度最好。
将实施例6～实施例9制备的智能鞋垫进行压力测试，压力响应范围为0～2MPa，在一定范围内，智能鞋垫的响应灵敏度随着介电层中PDMS前驱体和固化剂的质量比的增加而增加，实施例8的介电层中，PDMS前驱体和固化剂的质量比为20∶1时，智能鞋垫的响应灵敏度最高。
3、稳定性测试
将实施例2中的传感器在133kPa的压力下，进行了100000次相对电容变化的循环，图7为10000次～100000次的电容变化率曲线。从图7中可以看出，实施例2的传感器具有较高的稳定性。
实验证明，实施例1、实施例3～实施例12的传感器的稳定性与实施例2相当，在此不再赘述。
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 (13)

1.一种智能鞋垫，其特征在于，包括：
第一电路板，所述第一电路板上设有多个第一焊点以及用于连接所述第一焊点的第一导线；
填充层，所述填充层层叠在所述第一电路板设有所述第一焊点的一侧，且所述填充层设有多个间隔的镂空部，所述第一电路板上与各所述镂空部对应的位置处至少有一个所述第一焊点；
传感器，所述传感器包括多个间隔设置的阵列单元，每个所述阵列单元设置在一个所述镂空部内，每个所述阵列单元均包括依次层叠的第一电极、介电层和第二电极，所述第一电极和所述第二电极的材料均为离子凝胶，制备所述离子凝胶的原料包括离子液体和聚合物单体，所述聚合物单体为丙烯酸酯类化合物；及
第二电路板，所述第二电路板上设有多个第二焊点以及用于连接所述第二焊点的第二导线，所述第二电路板层叠在所述传感器上，且所述第二电路板设有所述第二焊点的一侧朝向所述传感器，所述第二电路板上与各所述阵列单元对应的位置处至少有一个所述第二焊点。
2.根据权利要求1所述的智能鞋垫，其特征在于，所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐及1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种；及/或，制备所述离子凝胶的原料还包括光引发剂和交联剂；及/或，所述第一电极的厚度为0.1mm～1mm；及/或，所述第二电极的厚度为0.1mm～1mm；及/或，所述聚合物单体选自丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯及甲基丙烯酸乙酯中的一种。
3.根据权利要求1所述的智能鞋垫，其特征在于，所述介电层的材料选自有机硅弹性体、热塑性弹性体及聚氨酯类弹性体中的一种；及/或，所述介电层的厚度为0.05mm～1mm。
4.根据权利要求1所述的智能鞋垫，其特征在于，所述介电层的材料为聚甲基硅氧烷，制备所述介电层的原料包括质量比为10∶1～30∶1的聚甲基硅氧烷前驱体和固化剂；及/或，所述介电层的厚度为0.4mm～0.6mm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的智能鞋垫，其特征在于，在所述传感器中，所述阵列单元的个数为9个～64个；及/或，所述传感器的总厚度与所述填充层的厚度相同。
6.根据权利要求1～4任一项所述的智能鞋垫，其特征在于，所述第一电路板和所述第二电路板均为柔性电路板；及/或，所述第一电路板的厚度为0.1mm～0.5mm；及/或，所述第二电路板的厚度为0.1mm～0.5mm。
7.一种智能鞋垫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制作第一电路板和第二电路板，所述第一电路板上设有多个第一焊点以及用于连接所述第一焊点的第一导线，所述第二电路板上设有多个第二焊点以及用于连接所述第二焊点的第二导线；
在所述第一电路板上设有所述第一焊点的一侧形成填充层，所述填充层设有多个间隔的镂空部，所述第一电路板上与各所述镂空部对应的位置处至少有一个所述第一焊点；
在每个所述镂空部处依次形成第一电极、介电层和第二电极，得到多个阵列单元，所述第一电极和所述第二电极的材料均为离子凝胶，制备所述离子凝胶的原料包括离子液体和聚合物单体；所述聚合物单体为丙烯酸酯类化合物；及
在所述阵列单元远离所述第一电路板的一侧盖设所述第二电路板，所述第二电路板设有所述第二焊点的一侧朝向所述阵列单元，且所述第二电路板上与各所述阵列单元对应的位置处至少有一个所述第二焊点。
8.根据权利要求7所述的智能鞋垫的制备方法，其特征在于，制备所述离子凝胶的原料还包括光引发剂和交联剂，形成所述第一电极的步骤包括：将所述离子液体、所述聚合物单体、所述光引发剂和所述交联剂混合，制备混合液；然后将所述混合液加入所述镂空部，再进行紫外光照处理，制备所述第一电极。
9.根据权利要求8所述的智能鞋垫的制备方法，其特征在于，所述紫外光照处理的功率为5W～50W，时间为1min～20min；及/或，所述第一电极的厚度为0.1mm～1mm及/或，所述离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐及1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的至少一种。
10.根据权利要求7所述的智能鞋垫的制备方法，其特征在于，形成所述介电层的步骤包括：将聚合物前驱体和固化剂混合并加入到所述第一电极远离所述第一电路板的一侧，然后加热固化，制备所述介电层。
11.根据权利要求10所述的智能鞋垫的制备方法，其特征在于，所述聚合物前驱体和所述固化剂的质量比为10∶1～30∶1；及/或，所述介电层的厚度为0.4mm～0.6mm；及/或，所述聚合物前驱体为聚甲基硅氧烷前驱体。
12.一种足部压力监测系统，其特征在于，包括：权利要求1～6任一项所述的智能鞋垫或权利要求7～11任一项所述的智能鞋垫的制备方法制备的智能鞋垫和数据采集处理器，所述数据采集处理器与所述智能鞋垫电连接，且用于对所述智能鞋垫在受到压力时产生的电信号进行采集和分析处理。
13.根据权利要求12所述的足部压力监测系统，其特征在于，所述数据采集处理器包括数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元能够将采集到的数据传输给所述数据处理单元，所述数据采集单元的输入端与所述第一导线连接，所述数据采集单元的输出端与所述第二导线连接，或者，所述数据采集单元的输入端与所述第二导线连接，所述数据采集单元的输出端与所述第一导线连接。
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