CN112857633A - 压力传感器、测量人体脉搏波装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种压力传感器、测量人体脉搏波装置，从而提供了一种实现压力传感器直接测量被测物体的方式。使所述压力传感器还能用于医疗行业，测量人体脉搏波的微小波动。其中，压力传感器，包括：外壳；压力敏感芯片，设置在外壳内部；封装膜片，覆盖压力敏感芯片；传压介质，设置在所述压力敏感芯片和封装膜片之间；防护膜，覆盖封装膜片，与外壳形成容纳封装膜片的安全空间。测量人体脉搏波装置，包括：采集装置，用于采集目标对象产生的脉搏跳动信号；处理装置，用于将所述脉搏跳动信号进行分析处理，生成目标脉搏数据；显示装置，用于根据所述目标脉搏数据，显示所述目标对象脉搏跳动频率或波形。其中，所述采集装置包括上述压力传感器。
Description
技术领域
本申请涉及医用技术领域，尤其涉及一种压力传感器、测量人体脉搏波装置。
背景技术
现有技术中，压力传感器用于测量连续变化的微小压力，其原理是利用压阻效应，以单晶硅为基体，采用先进的离子注入工艺和微机械加工工艺，制成具备惠斯凳电桥和精密力学结构的压力敏感芯片。但是此压力敏感芯片十分脆弱，易被硬物划伤损坏力学特性，因此不能直接面对被测物体，一般要对压力敏感芯片进行封装，通过气体、液体或固体将压力均匀传递到压力敏感芯片，制作成压力传感器。
在实现现有技术的过程中，发明人发现：
目前封装后的压力传感器仍然无法直接暴露在外测量由于物体表面形变产生的压力，比如人体脉搏的波动。因为不锈钢波纹膜片为了更好的传递微小压力变化，一般设计得都非常薄，因此容易破损。
压力传感器的膜片破损将直接影响测量的精度和灵敏度。
在使用过程中，指甲、钥匙等硬物就可能对传感器造成不可逆的损坏。
因此，需要提供一种压力传感器、测量人体脉搏波装置，用于解决压力传感器不能直接测量被测物体的技术问题。从而拓展了压力传感器应用范围，使其还能用于医疗行业，测量人体脉搏波的微小波动。
发明内容
本申请实施例提供一种压力传感器、测量人体脉搏波装置，用于解决压力传感器不能直接测量被测物体的技术问题，使其还能用于医疗行业，测量人体脉搏波的微小波动。
在本申请提供的一种压力传感器，包括：
外壳；
压力敏感芯片，设置在外壳内部，用于将压力转换成电信号；
封装膜片，覆盖压力敏感芯片，用于保护压力敏感芯片；
传压介质，设置在所述压力敏感芯片和封装膜片之间，用于均衡分散传递至压力敏感芯片的压力；
防护膜，覆盖封装膜片，与外壳形成容纳封装膜片的安全空间。
进一步的，所述防护膜的材料为弹性体或弹性胶体中至少一种具有生物相容性的材料。
进一步的，所述防护膜的劲度系数与压力传感器的劲度系数呈现线性迟滞；
所述压力传感器具有补偿系数，使得所述压力传感器安装防护膜之前的压力值与形变量线性相关时，在安装防护膜之后的压力值与形变量仍然线性相关。
进一步的，所述防护膜至少设有一层；所述防护膜为弹性胶体或弹性膜。
进一步的，所述防护膜为弹性胶体层，所述弹性胶体层灌注厚度为0.5mm至3mm。
进一步的，所述防护膜为弹性膜层，所述弹性膜层厚度为0.025mm至0.5mm。
一种测量人体脉搏波装置，包括：
采集装置，用于采集目标对象产生的脉搏跳动信号；
处理装置，用于将所述脉搏跳动信号进行分析处理，生成目标脉搏数据；
显示装置，用于根据所述目标脉搏数据，显示所述目标对象脉搏跳动频率或波形。
进一步的，所述采集装置包括压力传感器；
所述压力传感器包括：
压力敏感芯片，设置在外壳内部，用于将压力转换成电信号；
封装膜片，覆盖压力敏感芯片，用于保护压力敏感芯片；
传压介质，设置在所述压力敏感芯片和封装膜片之间，用于均衡分散传递至压力敏感芯片的压力；
防护膜，覆盖封装膜片，与外壳形成容纳封装膜片的安全空间。
进一步的，所述防护膜的材料为弹性体或弹性胶体中至少一种具有生物相容性的材料。
进一步的，所述防护膜至少设有一层；所述防护膜为弹性胶体或弹性膜。
本申请提供的实施例至少具有以下有益效果：
延长传感器的使用寿命。通过灌注硅橡胶或覆盖塑胶膜片，保护了原压力传感器脆弱的压力膜片，却不影响测量精度和灵敏度。
扩大了应用领域。使得原本只能测量气体压力、液体压力的压力传感器，转变为能够直接测量被测物体。
本申请还提供了一种简单、低成本的测量人体脉搏波装置，能使在工业领域上已成熟应用的压力传感器，用于医疗行业。免去了单独再开发全新的针对医疗行业的传感器，从而降低了成本和节省了社会资源。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的压力传感器的结构示意框图。
图2为本申请实施例提供的压力传感器与未实施本申请技术方案的压力传感器测量的测量值折线图的图示。
图3为本申请实施例提供的实现测量人体脉搏波装置的结构示意框图。
附图标记：
100 压力传感器装置
110 外壳
120 压力敏感芯片
130 封装膜片
140 传压介质
150 防护膜
200 测量人体脉搏波装置
210 采集装置
220 处理装置
230 显示装置
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参照图1，本申请提供了一种压力传感器100，包括：
外壳110；
压力敏感芯片120，设置在外壳110内部，用于将压力转换成电信号；
封装膜片130，覆盖压力敏感芯片120，用于保护压力敏感芯片120；
传压介质140，设置在所述压力敏感芯片120和封装膜片130之间，用于均衡分散传递至压力敏感芯片120的压力；
防护膜150，覆盖封装膜片130，与外壳110形成容纳封装膜片130的安全空间。
压力传感器100可以具有多种形态，在具体的场景中可以表现为应变片压力传感器100、陶瓷压力传感器100、扩散硅压力传感器100、蓝宝石压力传感器100、压电压力传感器100等。
其中，应变片压力传感器100通过粘结在弹性元件上的应变片的阻值变化来测量压力值。基本原理是导体受机械变形时，应变片压力传感器100电阻值发生变化。
陶瓷压力传感器100的压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变。厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号。
扩散硅压力传感器100工作原理也是基于压阻效应，利用压阻效应原理。被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化。利用电子线路检测这一变化，转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
蓝宝石压力传感器100利用应变电阻式工作原理，采用硅—蓝宝石作为半导体敏感元件，其计量特性高。
压电压力传感器100的主要工作原理是压电效应，利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。
压力敏感芯片120设置在外壳110内部，用于将压力转换成电信号。如上文所述的多种形态的压力传感器100，其工作都离不开压力敏感芯片120将受到的压力转换成电信号。
由于压力传感器100的形态不同，所述压力敏感芯片120也有多种选材。
在具体的场景中可以表现为以导电性金属为基本材料的金属电阻压力敏感芯片120；以硅单晶为基本材料的扩散硅压力敏感芯片120；以硅—蓝宝石为基本材料的蓝宝石压力敏感芯片120；以半导体材料为基本材料的半导体压力敏感芯片120。其工作原理均是发生压阻效应，当压力发送变化时，压力敏感芯片120的电阻值也相应发生变化，从而将压力转换成电信号。
封装膜片130覆盖压力敏感芯片120，用于保护压力敏感芯片120。由于压力敏感芯片120十分脆弱，易被硬物划伤而损坏其力学特性。
因此压力敏感芯片120不能直接接触被测物体，需要封装膜片130要对压力敏感芯片120进行封装。
其中，封装膜片130的形态可以采用波纹膜片或平膜片，封装覆盖压力敏感芯片120。
传压介质140设置在所述压力敏感芯片和封装膜片之间，用于均衡分散接传递的压力。压力敏感芯片120封装后，封装膜片130提供压力接触部。封装膜片130接触到的压力需要通过传压介质140将压力均匀传递到压力敏感芯片120。因此，传压介质140设置在压力敏感芯片120与封装膜片130之间。
需要指出的是，所述传压介质140可以是气体、液体或固体至少一种形态的物质。
具体的，所述传压介质140可以是氮气、氩气、氦气、甘油、煤油、航空汽油、石油醚、戊烷、异戊烷、硅油、叶蜡石、白云石、滑石、立方氮化硼、氯化银、无定形硼、氯化钠、氯化锂中至少一种介质。
需要指出的是，目前封装膜片130为了更好的传递微小压力变化，一般设计得都非常薄，因此容易破损。
例如，在使用过程中，指甲、钥匙等硬物就可能对传感器造成不可逆的损坏。
而封装膜片130破损将直接影响测量的精度和灵敏度。
因此，需要防护膜150覆盖封装膜片130，与外壳110形成容纳封装膜片130的安全空间。
具体的，所述防护膜150设置在封装膜片外侧，覆盖封装膜片130，以此保护封装膜片130。
需要指出的是，所述防护膜150的材料为弹性体或弹性胶体，用于对封装膜片130进行保护，又能减小对压力的测量灵敏度影响。
需要特别强调的是，所述防护膜130的劲度系数与压力传感器的劲度系数呈现线性迟滞。
所述压力传感器具有补偿系数，使得所述压力传感器100安装防护膜150之前的压力值与形变量线性相关时，在安装防护膜150之后的压力值与形变量仍然线性相关。
具体的，以每次测量值做折线图，同一压力传感器100设置防护膜150前后测量值的线性度没有影响，同时线性的斜率差别也不大，即灵敏度和精度都影响较小。
在本申请提供的具体实施方式中，所述防护膜150的材料可以是橡胶材料、树脂材料、涤纶材料中至少一种生物相容性材料，不刺激人体皮肤，不引起人体过敏。从而实现压力传感器100能够直接测量被测物体，又不会损坏封装膜片130，导致传感器损坏。同时这样的处理也大大拓展了应用范围，使其能用于医疗行业，例如测量人体脉搏波的微小波动。
具体的，所述防护膜150可以是一层灌注的弹性胶体，也可以是一层覆盖封装膜片130的弹性薄膜。
可以理解的是，所述防护膜150也可以设置多层。例如在本申请提供的具体实施方式中，防护膜150可以是在压力传感器100上灌注硅橡胶，同时在硅橡胶上覆盖PET材料的塑胶膜片。这样处理也起到了形成容纳封装膜片130的安全空间，更保护了压力传感器100，也避免了刺激人体等作用。
需要特别强调的是，所述灌注的硅橡胶和硅橡胶上覆盖的PET材料的塑胶膜片均视为防护膜150。
在本申请提供的一种具体实施方式中，压力传感器100的压力敏感芯片120为扩散硅压力敏感芯片，所述封装膜片130为不锈钢波纹膜片，所述传压介质140为硅油。
所述扩散硅压力敏感芯片120设置在不锈钢外壳中。
扩散硅压力敏感芯片120上覆盖封装膜片130。
扩散硅压力敏感芯片120与封装膜片130间在设置硅油140。
在不锈钢波纹膜片130上灌注3mm的硅橡胶，并在硅橡胶上覆盖一层厚度为0.5mm的光滑塑胶膜片作为防护膜150。
所述防护膜150覆盖封装膜片130，与外壳110形成容不锈钢波纹膜片130的安全空间。
该压力传感器100可以直接接触待测对象。
待测对象施加的压力先通过防护膜150传递到不锈钢波纹膜片120上。
再通过不锈钢波纹膜片120，传递到内部密封的硅油介质130上。
之后经硅油介质130均匀传递到扩散硅压力敏感芯片120上。
在本申请提供的具体测试实验中，记录外加压强从0mmgh逐渐增加到100mmgh，同一压力传感器100设置防护膜150前后输出的电压。
由测试结果可分析出，设置防护膜150的压力传感器100，其灵敏度和精度仅下降10％，可满足测量微小压力的需求，比如测量人体脉搏波。
之后降低灌胶的厚度至1mm，灵敏度和精度将损失减小至5％以内。
请参照图2，以同一压力传感器100设置防护膜150前后测量值做折线图。
具体的，所述压力传感器100安装防护膜之前的压力值与形变量线性相关，在安装防护膜之后的压力值与形变量仍然线性相关。
图中，起点为0.39的线段是压力传感器100未设置防护膜150的压力变化测量值。
起点为-1.28的线段是压力传感器100设置防护膜150的压力变化测量值。
比较两条线段可发现，同一压力传感器100设置防护膜150前后测量值的线性度没有影响，同时线性的斜率差别也不大，即灵敏度和精度都影响较小。
需要指出的是，经发明人实验测试，在同一压力传感器100的封装膜片130上灌注0.5mm的硅橡胶，并在硅橡胶上覆盖一层厚度为0.025mm的光滑塑胶膜片作为防护膜150，能保证所述压力传感器100的灵敏度和精度损失减小至3％以内。
为提高生产效率，降低生产成本，本申请优选灌注厚度为1.5mm的硅橡胶，并在硅橡胶上覆盖一层厚度为0.1mm的光滑塑胶膜片作为防护膜150。这样保证了压力传感器100能直接接触待测目标，又保证了压力传感器100的工作性能。在具体应用场景中，可通过控制电路或者采用算法模型，对测量出的压力值进行补偿。
请参照图3，本申请还提供了一种测量人体脉搏波装置200，包括：
采集装置210，用于采集目标对象产生的脉搏跳动信号；
处理装置220，用于将所述脉搏跳动信号进行分析处理，生成目标脉搏数据；
显示装置230，用于根据所述目标脉搏数据，显示所述目标对象脉搏跳动频率或波形。
需要指出的是，所述采集装置包括压力传感器100。
具体的，所述压力传感器100包括：
外壳110；
压力敏感芯片120，设置在外壳110内部，用于将压力转换成电信号；
封装膜片130，覆盖压力敏感芯片120，用于保护压力敏感芯片120；
传压介质140，设置在所述压力敏感芯片120和封装膜片130之间，用于均衡分散传递至压力敏感芯片120的压力；
防护膜150，覆盖封装膜片130，与外壳110形成容纳封装膜片130的安全空间；
其中，所述防护膜150的材料为具有生物相容性的PET材料，与人体接触时不产生人体免疫。
需要指出的是，所述脉搏跳动信号为压力传感器100受到人体脉搏跳动产生相应的电信号。
具体的，采集装置210在进行人体脉搏波测量时，通过压力传感器100与目标对象直接接触。
所述压力传感器100的压力敏感芯片120为扩散硅压力敏感芯片，所述封装膜片130为不锈钢波纹膜片，所述传压介质140为硅油。
所述扩散硅压力敏感芯片120设置在不锈钢外壳中。
扩散硅压力敏感芯片120上覆盖封装膜片130。
扩散硅压力敏感芯片120与封装膜片130间在设置硅油140。
在不锈钢波纹膜片130上覆盖一层厚度为0.5mm的光滑PET材料膜片作为防护膜150。所述防护膜150覆盖封装膜片130，与外壳110形成容不锈钢波纹膜片130的安全空间。
该压力传感器100可以直接接触目标对象，并与目标对象接触时不产生人体免疫。
人体脉搏跳动产生的压力先通过防护膜150传递到不锈钢波纹膜片120上。
再通过不锈钢波纹膜片120，传递到内部密封的硅油介质130上。
之后经硅油介质130均匀传递到扩散硅压力敏感芯片120上。
扩散硅压力敏感芯片120将受到人体脉搏跳动产生的压力，转化为相应的电信号。
处理装置220，用于将所述脉搏跳动信号进行分析处理，生成目标脉搏数据。
需要指出的是，处理装置220将所述脉搏跳动信号转换成相应的脉搏位移信号，并进行放大处理，生成目标脉搏数据。
显示装置230，用于根据所述目标脉搏数据，显示所述目标对象脉搏跳动频率或波形。
需要指出的是，显示装置230将所述目标脉搏数据传输到预设的显示电路，并将所述目标脉搏数据进行数字化显示。
在本申请提供的一种具体实施方式中，使用测量人体脉搏波装置200进行人体脉搏波测量时，采集装置210中的压力传感器100直接接触目标对象。
具体的，采集装置210直接接触目标对象桡动脉、颈动脉等人体体表易于获取脉搏波的位置。
之后采集装置210受目标对象脉搏跳动产生相应的电信号。
具体的，所述压力传感器100的压力敏感芯片120为扩散硅压力敏感芯片，所述封装膜片130为不锈钢波纹膜片，所述传压介质140为硅油。
所述扩散硅压力敏感芯片120设置在不锈钢外壳中。
扩散硅压力敏感芯片120上覆盖封装膜片130。
扩散硅压力敏感芯片120与封装膜片130间在设置硅油140。
在不锈钢波纹膜片130上先后覆盖厚度为1.0mm的硅橡胶和0.1mm的光滑PET材料膜片覆盖一层厚度为0.5mm的光滑PET材料膜片作为防护膜150。所述防护膜150覆盖封装膜片130，与外壳110形成容不锈钢波纹膜片130的安全空间。
该压力传感器100可以直接接触目标对象，并与目标对象接触时不产生人体免疫。
人体脉搏跳动产生的压力先通过防护膜150传递到不锈钢波纹膜片120上。
再通过不锈钢波纹膜片120，传递到内部密封的硅油介质130上。
之后经硅油介质130均匀传递到扩散硅压力敏感芯片120上。
扩散硅压力敏感芯片120将受到人体脉搏跳动产生的压力，转化为相应的电信号。
之后处理装置220将所述脉搏跳动信号转换成相应的脉搏位移信号，并进行放大处理，生成目标脉搏数据。
最后显示装置230将所述目标脉搏数据传输到预设的显示电路，并将所述目标脉搏数据进行数字化显示。
本申请提供了一种简单、低成本的测量人体脉搏波装置，能使在工业领域上已成熟应用的压力传感器，用于医疗行业。免去了单独再开发全新的针对医疗行业的传感器，减少了成本。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
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)
1.一种压力传感器，其特征在于，包括：
外壳；
压力敏感芯片，设置在外壳内部，用于将压力转换成电信号；
封装膜片，覆盖压力敏感芯片，用于保护压力敏感芯片；
传压介质，设置在所述压力敏感芯片和封装膜片之间，用于均衡分散传递至压力敏感芯片的压力；
防护膜，覆盖封装膜片，与外壳形成容纳封装膜片的安全空间。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述防护膜的材料为弹性体或弹性胶体中至少一种具有生物相容性的材料。
3.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述防护膜的劲度系数与压力传感器的劲度系数呈现线性迟滞；
所述压力传感器具有补偿系数，使得所述压力传感器安装防护膜之前的压力值与形变量线性相关时，在安装防护膜之后的压力值与形变量仍然线性相关。
4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述防护膜至少设有一层；
所述防护膜为弹性胶体或弹性膜。
5.如权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述防护膜为弹性胶体，所述弹性胶体灌注厚度为0.5mm至3mm。
6.如权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述防护膜为弹性膜，所述弹性膜厚度为0.025mm至0.5mm。
7.一种测量人体脉搏波装置，其特征在于，包括：
采集装置，用于采集目标对象产生的脉搏跳动信号；
处理装置，用于将所述脉搏跳动信号进行分析处理，生成目标脉搏数据；
显示装置，用于根据所述目标脉搏数据，显示所述目标对象脉搏跳动频率或波形；
其中，所述采集装置包括压力传感器；
所述压力传感器包括：
压力敏感芯片，设置在外壳内部，用于将压力转换成电信号；
封装膜片，覆盖压力敏感芯片，用于保护压力敏感芯片；
传压介质，设置在所述压力敏感芯片和封装膜片之间，用于均衡分散传递至压力敏感芯片的压力；
防护膜，覆盖封装膜片，与外壳形成容纳封装膜片的安全空间。
8.如权利要求7所述的测量人体脉搏波装置，其特征在于，所述防护膜的材料为弹性体或弹性胶体中至少一种具有生物相容性的材料。
9.如权利要求7所述的测量人体脉搏波装置，其特征在于，所述防护膜至少设有一层；
所述防护膜为弹性胶体或弹性膜。
10.如权利要求7所述的测量人体脉搏波装置，其特征在于，所述防护膜的劲度系数与压力传感器的劲度系数呈现线性迟滞；
所述压力传感器具有补偿系数，使得所述压力传感器安装防护膜之前的压力值与形变量线性相关时，在安装防护膜之后的压力值与形变量仍然线性相关。
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