CN112968682B - 微弱电流放大电路及传感器系统 - Google Patents

Abstract

一种微弱电流放大电路及传感器系统，该微弱电流放大电路具有交叉设置的两级放大和两级滤波结构，包括相连接的电荷放大器、第一级滤波器、第二级放大器以及带阻滤波器，电荷放大器将微弱电流转换为放大后的电压输出，第一级滤波器对电荷放大器输出的电压进行低通、带通、高通滤波中的至少一种，第二级放大器执行第二级放大过程，第二级放大器具有两级差分放大器电路，其中前级通过同相差分输入方式对差模输入信号放大，并对共模输入信号起跟随作用，以提高送至后级的差模信号与共模信号的幅值比，带阻滤波器用于滤除50Hz工频噪声干扰。该微弱电流放大电路克服了以往的放大电路噪声强、存在工频干扰、输出端阻抗不匹配、运放的输出饱和等问题。

Description

微弱电流放大电路及传感器系统

技术领域

本发明涉及一种微弱电流放大电路及具有该微弱电流放大电路的传感器系统。

背景技术

实际应用中，经常面临着对微光强、微磁场、微位移、微压力、微温差等微弱信号的精密测量。经常使用光电传感器、磁强计、位移传感器、压电传感器和热电传感器实现对这些待测物理量的感测。由于待测信号十分微弱，传感器直接得到的输出电流往往只有pA～nA量级。这么微弱的电流信号十分难以处理，在线路传输的过程中很容易被噪声淹没，往往还需要进一步的放大滤波才可在仪器仪表的表头上显示。因此对pA～nA级微弱电流的放大具有十分重要的现实意义。

但常规的放大电路噪声强，不适合于微电流的放大。比如常规的运算放大器的失调电压在μV量级，偏置电流在nA量级，远大于需要放大的pA～nA级微弱电流，这样会使待放大的微电流完全淹没在噪声中，无法获得良好的放大输出效果。另外，在实际的应用中会发现50Hz的工频干扰是最大的噪声来源。比如使用柔性压力传感器测量人体的生理信号，传感器需要直接接触人体表面，进而进入强烈的工频干扰。另外，在不同的应用场合中，经过电路的放大滤波处理后，得到的输出信号需要连接表头、DAQ、微处理器等不同的后端设备。这些后端设备的输入阻抗差异很大，输出信号若不经过特殊的处理，在这些不同的应用中输出效果将相差很大。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术存在的问题，提供一种微弱电流放大电路及具有该微弱电流放大电路的传感器系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微弱电流放大电路，具有交叉设置的两级放大和两级滤波结构，包括依次连接的电荷放大器、第一级滤波器、第二级放大器以及带阻滤波器，所述电荷放大器用于将微弱电流转换为放大后的电压输出，所述第一级滤波器用于对所述电荷放大器输出的电压进行低通、带通、高通滤波中的至少一种，所述第二级放大器用于执行第二级放大过程，所述第二级放大器具有两级差分放大器电路，其中前级通过同相差分输入方式对差模输入信号放大，并对共模输入信号起跟随作用，以提高送至后级的差模信号与共模信号的幅值比，所述带阻滤波器用于滤除50Hz工频噪声干扰。

进一步地：

还包括连接在所述带阻滤波器的输出端的输出缓冲，所述输出缓冲用于阻抗匹配以适应不同类型的输出后端。

所述带阻滤波器为陷波器。

还包括电源管理模块，用于电源正负极性的反转，将单电源供电转换为正负双电源供电。

一种传感器系统，包括传感器和所述微弱电流放大电路，所述传感器的输出端连接所述微弱电流放大电路的输入端，所述微弱电流放大电路的输出端连接后端设备。

进一步地：

所述传感器为柔性压力传感器，包括依次层叠在一起的第一金属电极层、第一驻极体层、第二驻极体层以及第二金属电极层，所述第一驻极体层与所述第二驻极体层之间具有空气腔，所述空气腔内的空气经电晕极化电离出的正负电荷分别由所述第一驻极体层和所述第二驻极体层捕获而形成电荷偶极子，初始状态下所述电荷偶极子与所述第一、第二金属电极层上的感应电荷形成电场平衡，当所述传感器受压变形时，偶极矩改变，所述感应电荷转移而在外电路上形成电流，当释放压力时，所述传感器由于自身弹性恢复原状，在外电路上形成反向的电流并恢复所述电场平衡。

所述第一驻极体层和/或所述第二驻极体层的内表面上具有凹槽。

所述第一驻极体层的内表面上具有相互平行的多个第一条形凹槽，所述第二驻极体层的内表面上具有相互平行的多个第二条形凹槽，所述第一条形凹槽和所述第二条形凹槽彼此相对，优选还彼此垂直。

所述第一驻极体层和/或所述第二驻极体层的材料选自氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)；所述第一金属电极层和/或所述第二金属电极层的材料选自金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、铬(Cr)。

由所述第一驻极体层与所述第二驻极体层共同形成封闭的空气腔。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提出一种具有交叉设置的两级放大和两级滤波结构的微弱电流放大电路，其中电荷放大器进行第一级放大，将微弱电流转换为放大后的电压输出，第一级滤波器对所述电荷放大器输出的电压进行第一级滤波，第二级放大器执行第二级放大过程，第二级放大器具有两级差分放大器电路，其中前级通过同相差分输入方式对差模输入信号放大，并对共模输入信号起跟随作用，以提高送至后级的差模信号与共模信号的幅值比，实现更好的共模抑制能力，带阻滤波器进行第二级滤波，滤除50Hz工频噪声干扰。本发明可输入来自于传感器的pA～nA微弱电流，经过交叉逐级放大滤波处理后，可输出到表头、DAQ、微处理等不同的后端设备，解决了以往的微弱电流放大电路噪声强、存在工频干扰、输出端阻抗不匹配等问题，并适应不同场合的应用需求。本发明中，交叉进行的逐级放大滤波效果，还可以避免一直的放大过程会造成的运算放大器的输出饱和。此外，电路各部分的可移植性好，便于使用者的个性化设计。

本发明的微弱电流放大电路可用于对压电传感器、光电传感器、热电传感器等传感前端输出的pA～nA级微弱电流的放大滤波，所设计电路放大的增益倍数、滤波的截止频率都可以容易地调节，使得该电路可广泛地适用于不同强度、不同频带的弱电流信号的放大滤波。电路中设计了针对50Hz工频干扰的处理模块，有效地消除了人体噪声来源。优选地，设置针对不同后端的输出缓冲，增加了所设计电路的实用性。此外，电源管理模块降低了所设计电路对外接电源的依赖程度，使得该电路更容易被移植到可穿戴设备等便携式测量装置中。

本发明传感器系统优选实施例的柔性压力传感器中具有长时间稳定储存电荷的能力，这使得该传感器可以长期使用而不会有性能上的衰减，即具有优异的稳定性，能够长时间地稳定测量脉搏等微弱压力信号。另外，该传感器灵敏度高，能够以很小的面积测量脉搏，这对于指尖脉搏、静脉脉搏的测量十分有利。本发明的传感器可实现十分轻薄，具有很好的柔性，可以与皮肤表面良好地接触以获得更清晰的脉搏信号，而且在长时间佩戴时不会给使用者造成不适感。便于同时制作多个传感器，满足实际应用对大批量生产、快速制作成型的需求。

附图说明

图1为本发明实施例的具有微弱电流放大电路在传感器系统示意图。

图2为本发明实施例的微弱电流放大电路的功能模块示意图。

图3为本发明一个实施例的微弱电流放大电路的具体电路结构图。

图4为本发明一种实施例的传感器制作流程图。

图5a为本发明一种实施例的传感器的结构示意图。

图5b为图5a所示传感器沿I–I线的截面图。

图5c为图5a所示传感器的分解示意图。

图6为本发明一种实施例的传感器的工作原理。

图7为本发明实施例的传感器系统的整体结构示意图。

图8为本发明实施例的具有定点加压装置的系统结构示意图。

图9为本发明实施例的定点加压装置对手腕处的定点加压效果图。

图10为本发明实施例的多路定点加压装置的结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。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至图3，在一种实施例中，一种微弱电流放大电路，具有交叉设置的两级放大和两级滤波结构，包括相连接的电荷放大器、第一级滤波器、第二级放大器以及带阻滤波器，所述电荷放大器用于将微弱电流转换为放大后的电压输出，所述第一级滤波器用于对所述电荷放大器输出的电压进行低通、带通、高通滤波中的至少一种，所述第二级放大器用于执行第二级放大过程，所述第二级放大器具有两级差分放大器电路，其中前级通过同相差分输入方式对差模输入信号放大，并对共模输入信号起跟随作用，以提高送至后级的差模信号与共模信号的幅值比，实现更好的共模抑制能力，所述带阻滤波器用于滤除50Hz工频噪声干扰。

在优选的实施例中，该微弱电流放大电路还包括连接在所述带阻滤波器的输出端的输出缓冲，所述输出缓冲用于阻抗匹配以适应不同类型的输出后端。

在优选的实施例中，所述带阻滤波器为陷波器。

在优选的实施例中，该微弱电流放大电路还包括电源管理模块，用于电源正负极性的反转，将单电源供电转换为正负双电源供电。

在优选的实施例中，该微弱电流放大电路可放大的微弱电流在pA～nA级，所述电荷放大器中的运放的偏置电流为±150fA。

本发明实施例提出了一种具有交叉设置的两级放大和两级滤波结构的微弱电流放大电路，其中电荷放大器进行第一级放大，将微弱电流转换为放大后的电压输出，第一级滤波器对所述电荷放大器输出的电压进行第一级滤波，第二级放大器执行第二级放大过程，第二级放大器具有两级差分放大器电路，其中前级通过同相差分输入方式对差模输入信号放大，并对共模输入信号起跟随作用，以提高送至后级的差模信号与共模信号的幅值比，实现更好的共模抑制能力，带阻滤波器进行第二级滤波，滤除50Hz工频干扰。本发明实施例可输入来自于各种传感器的pA～nA微弱电流，经过交叉逐级放大滤波处理后，可输出到表头、DAQ、微处理等不同的后端设备，解决了以往的微弱电流放大电路噪声强、存在工频干扰、输出端阻抗不匹配等问题，并适应不同场合的应用需求。本发明实施例中，交叉进行的逐级放大滤波效果，还可以避免一直的放大过程会造成的运算放大器的输出饱和。此外，电路各部分的可移植性好，便于使用者的个性化设计。

本发明实施例的微弱电流放大电路可用于对压电传感器、光电传感器、热电传感器等传感前端输出的pA～nA级微弱电流的放大滤波，所设计电路放大的增益倍数、滤波的截止频率都可以容易地调节，使得该电路可广泛地适用于不同强度、不同频带的弱电流信号的放大滤波。电路中设计了针对50Hz工频干扰的处理模块，有效地消除了工频噪声来源。优选地，设置针对不同后端的输出缓冲，增加了所设计电路的实用性。此外，电源管理模块降低了所设计电路对外接电源的依赖程度，使得该电路更容易被移植到可穿戴设备等便携式测量装置中。

参阅图1至图3，在另一种实施例中，一种传感器系统，包括传感器和所述微弱电流放大电路，所述传感器的输出端连接所述微弱电流放大电路的输入端，所述微弱电流放大电路的输出端连接后端设备。

在一些实施例中，所述传感器采集脉搏或心率信号，所述第一级滤波器为低通滤波器。

在一些实施例中，所述传感器采集心音信号，所述第一级滤波器为高通滤波器。

在不同的实施例中，所述传感器可以为压电传感器、光电传感器、热电传感器等。

在优选的实施例中，所述传感器为柔性压力传感器。

参阅图4至图6，优选实施例的柔性压力传感器包括依次层叠在一起的第一金属电极层101、第一驻极体层102、第二驻极体层103以及第二金属电极层104，所述第一驻极体层102与所述第二驻极体层103之间具有空气腔105，所述空气腔105内的空气经电晕极化电离出的正负电荷分别由所述第一驻极体层102和所述第二驻极体层103捕获而形成电荷偶极子，初始状态下所述电荷偶极子与所述第一金属电极层101、第二金属电极层104上的感应电荷形成电场平衡，当所述传感器受压变形时，偶极矩改变，所述感应电荷转移而在外电路上形成电流，当释放压力时，所述传感器由于自身弹性恢复原状，在外电路上形成反向的电流并恢复所述电场平衡。

在优选的实施例中，所述第一驻极体层102和/或所述第二驻极体层103的内表面上具有凹槽。凹槽的图案可以是周期性的线条凹槽图案、三角锥凹槽图案、长方体凹槽图案等、或者是无周期、无规律的凹槽图案。

在一个特别优选的实施例中，所述第一驻极体层102的内表面上具有相互平行的多个第一条形凹槽，所述第二驻极体层103的内表面上具有相互平行的多个第二条形凹槽，所述第一条形凹槽和所述第二条形凹槽彼此相对，优选还彼此垂直。

在不同的实施例中，所述第一驻极体层102和/或所述第二驻极体层103的材料可以选自氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)。

在不同的实施例中，所述第一金属电极层101和/或所述第二金属电极层104的材料可以选自金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、铬(Cr)。

在不同的实施例中，所述第一金属电极层101和/或所述第二金属电极层104可以为金属镀膜(如蒸镀金属膜)、丝网印刷或金属胶带粘接形成。

在优选的实施例中，由所述第一驻极体层102与所述第二驻极体层103共同形成封闭的空气腔105。

参阅图4至图6，在另一种实施例中，一种制作所述的高灵敏度柔性压力传感器的方法，包括如下步骤：

制作第一驻极体层102和第二驻极体层103，并将所述第一驻极体层102和所述第二驻极体层103相对接合在一起，两者之间形成空气腔105；

在所述第一驻极体层102的外表面形成第一金属电极层101，在所述第二驻极体层103的外表面形成第二金属电极层104；

其中，通过电晕极化使所述空气腔105内的空气电离出的正负电荷，分别由所述第一驻极体层102和所述第二驻极体层103捕获而形成电荷偶极子。

在优选的实施例中，所述制作第一驻极体层102和第二驻极体层103包括：通过激光雕刻在所述第一驻极体层102和/或所述第二驻极体层103的相对表面上形成凹槽。

在不同的实施例中，所述第一驻极体层102和所述第二驻极体层103的接合方式可以为热压键合、化学试剂键合或胶水粘接。

以下进一步举例描述本发明具体实施例。

本发明实施例提出了一种交叉逐级放大滤波的微弱电流放大电路。图1显示了所提出的电流放大电路在整个系统中的位置和作用。它的前端，即输入信号，是来自于传感器的微弱电流。经过实施例的微弱电流放大电路的处理，可输出到表头、DAQ、微处理等不同的后端设备，以适应不同场合的应用需求。

图2是具体实施例的微电流放大电路的功能模块示意图，整个电路一共由六部分组成。模块Ⅰ是电荷放大器，其本质是I–V放大，将微电流转换为放大后的电压输出(V₁)。模块Ⅱ的低通滤波器用以滤除高频噪声。事实上，这一模块的滤波类型是可以更换的，对于脉搏、心率等低频信号，低通滤波器是合适的；而对于心音等高频信号，则换为高通滤波器。因此对于模块Ⅱ，滤波器的类型可以是低通、带通、高通，或者是它们的组合。模块Ⅲ是第二级放大器，用于执行第二级放大过程。模块Ⅳ为带阻滤波器，优选采用陷波器，主要的滤除对象是50Hz工频干扰。模块Ⅰ～Ⅳ实现交叉进行的逐级放大滤波效果，其可以避免一直的放大过程会造成的运算放大器的输出饱和。模块Ⅴ是一个输出缓冲，起到阻抗匹配的效果，以适应不同类型的输出后端。模块Ⅵ是电源管理模块。许多运算放大器都需要正负双电源供电，这增大了外接电源的复杂度。模块Ⅵ可实现电源正负极性的反转，只需要正电源供电就可同时获得正负双电源，降低了整个电路系统对外接电源的依赖程度，更有利于将电路移植到便携式的设备中。整个电路可采用模块化设计，更有利于电路各部分的可移植性，有利于使用者设计出更多的电路类型，以满足不同场合的应用需求。

图3示出一个具体实施例的微电流放大电路的电路结构，包括六个模块。电荷放大器(模块Ⅰ)采用电容反馈(C₂)；并联电阻R₁和电容C₁在于稳定电荷放大器的直流工作点和谐振点。其输出电压V₁与输入电流I_in的关系为：

当C₁远大于C₂时，上式可简化为：

由于要放大的微弱电流在pA～nA级，因此电荷放大器中运放的选型十分关键。优选的，运放的典型偏置电流为±150fA，保证对pA～nA级电流的放大精度。

使用二阶压控电压源低通滤波电路(模块Ⅱ)对脉搏波信号进行低通滤波。输出电压V₂与输入电压V₁的关系为：

因此其低通截止频率

品质因子

使用第二级放大器(模块Ⅲ)对滤波后的信号进行再次放大。输出电压V₃输入电压V₂关系为：

第二级放大器具有两级差分放大器电路，其中前级通过同相差分输入方式对差模输入信号放大，并对共模输入信号起跟随作用，以提高送至后级的差模信号与共模信号的幅值比，实现更好的共模抑制能力。

接着使用50Hz陷波电路(模块Ⅳ)对人体引入的50Hz工频干扰进行滤除。设计的陷波电路为常用的T型网络结构，输出电压V₄与输入电压V₃的关系为：

其中，R₁₁＝R₁₂＝2R₁₃＝2R，

选择合适的阻容参数，使得阻带的中心频率

最后使用输出缓冲(模块Ⅴ)达到阻抗匹配的效果，使得电路能适应于不同的后端设备，最终的输出电压V_out与电压V₄的关系为：

V_out＝V₄ (5)

联立公式(2)～(5)，即可得到最终的输出电压V_out与输入电流I_in之间的关系等式。

根据公式中截止频率和放大倍数的计算方式，使用者可以使用不同大小的电阻、电容的值，来设计出不同的放大滤波效果。或者是将电路中的一个、或多个电阻和/或电容换成可调节的电位器、可调电容，从而实现滤波效果和放大倍数的快速的自主调节。

图3中最下面的电路是电源管理电路(模块Ⅵ)，它可将正电压转换为负电压，这样只使用一个单电源就可以为运放供电，减少了电路对外部电源的依赖性。优选的，电源极性反转电路具有大输出电流的特性，使得该模块适合于大电流、大功耗的应用场合。

柔性压力传感器

一个实施例的传感器系统具备实现脉搏测量的柔性压力传感器。参阅图4至图6，本发明优选实施例提供的柔性压力传感器中，在第一驻极体层102与第二驻极体层103之间具有空气腔105，且所述空气腔105内的空气经电晕极化电离出正负电荷，分别由所述第一驻极体层102和所述第二驻极体层103捕获而形成电荷偶极子，初始状态下所述电荷偶极子与金属电极层101、104上的感应电荷形成电场平衡，当所述传感器受压变形时，偶极矩改变，所述感应电荷转移而在外电路上形成电流，当释放压力时，所述传感器由于自身弹性恢复原状，在外电路上形成反向的电流并恢复所述电场平衡，由此，柔性压力传感器能够感受脉搏的搏动，输出相应的电流，实现脉搏的测量。

由于驻极体材料具有稳定储存电荷的能力，这使得该传感器可以长期使用而不会有性能上的衰减，即具有优异的稳定性，能够长时间地稳定测量脉搏。另外，该传感器灵敏度高，能够以很小的面积测量脉搏，这对于指尖脉搏、静脉脉搏的测量十分有利。本发明实施例的传感器可实现十分轻薄(50～100μm)，具有很好的柔性，可以与皮肤表面良好地接触以获得更清晰的脉搏信号，而且在长时间佩戴时不会给使用者造成不适感。可以同时制作多个传感器，满足实际应用对大批量生产、快速制作成型的需求。本发明实施例的柔性压力传感器在脉搏等生理信号测量、电子皮肤、人机交互界面等领域具有广泛的应用前景。

在一个具体实施例中，基于激光雕刻和热压键合工艺制作柔性压电驻极体传感器。使用激光在两个驻极体薄膜(作为示例采用FEP薄膜)上切割出线条沟槽，让两个FEP薄膜上的线条沟槽彼此垂直放置，热压键合以形成密闭的空气腔。在传感器的一侧蒸镀金属电极之后，通过高压电源对传感器电晕充电，最后在传感器的另一侧贴附金属胶带，做为另一侧的电极。替代实施例中，也可以将蒸镀的金属电极换成贴附的金属胶带，这样可以进一步降低成本，缩短制作周期，并提高传感器长期使用中的鲁棒性。

图4示出传感器制作流程的一种示例。101表示第一金属电极层；102表示第一驻极体层；103表示第二驻极体层；104表示第二金属电极层。所用的驻极体薄膜的材料可以是氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，这里优选为FEP薄膜；所用的金属电极可以是金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、铬(Cr)等材料，这里优选为Cu电极。为了达到柔性的效果，驻极体薄膜的厚度可以是10～100μm，这里优选为25μm；金属电极的厚度为0.1μm～10μm，这里优选为10μm。

由于驻极体膜很薄，为了使薄膜平整、以及便于下一步的处理，将驻极体薄膜放置在硬质基底上。所选的硬质基底应平整光滑，表面能低，便于经过后续的处理后，驻极体薄膜还能顺利地被撕下。硬质基底的材料可以被优选为1mm厚的铜板。将驻极体薄膜平整地放在硬质基底上，并用轻柔的纸擦拭数次，以除去驻极体薄膜上的灰尘、并使驻极体薄膜吸附在硬质基底上。随后在驻极体薄膜上刻出凹槽图案。所使用的刻画方法可以是手工刻画、激光雕刻、基于掩膜(如光刻工艺、丝网模具等)的化学试剂刻蚀等，这里优选为激光雕刻工艺。所刻画的凹槽图案可以是周期性的线条凹槽图案、三角锥凹槽图案、长方体凹槽图案等、或者是无周期、无规律的凹槽图案。这里优选为线条凹槽图案。较佳地，凹槽的深度尽量深同时又不打穿驻极体薄膜。

分别在两个驻极体薄膜102、103上进行这样的凹槽刻画。这里优选为线条凹槽，并使得两个薄膜上的线条凹槽互相垂直。随后将这样的两个薄膜彼此相对放置，使它们键合在一起，以形成密闭的空气腔。所使用的键合方式可以是热压键合、化学试剂键合、胶水粘接等，这里优选为热压键合。对于优选的FEP驻极体材料，热压键合的参数是在1MPa的压力和250℃的温度下，热压90s。热压之后两个驻极体薄膜形成一个不可分割的整体，凹槽图案形成密封的空气腔。

随后在驻极体薄膜的一侧设置金属电极层101。设置的方式可以是金属镀膜、丝网印刷、金属胶带粘接等。金属镀膜和丝网印刷可以获得更薄的金属层，以取得更好的柔性效果；但它们的成本较贵，耗时较长。这里优选为金属胶带粘接的方式。而后使用直流高压电源、电晕针和接地电极执行电晕极化。具体实施方案是将金属电极层101放置在接地电极上，在传感器的另一侧上方(例如3cm)处放置电晕针。对电晕针施加负的高压电(-18～-30kV)，进行电晕充电2～5min。最后，在驻极体薄膜的另一侧设置金属电极层104，以完成传感器的制作。设置的方式仍然可以是金属镀膜、丝网印刷、金属胶带粘接等。这里仍然优选为金属胶带粘接的方式。

图5a、图5b分别示出传感器完整的结构示意图和沿I–I线的截面图。图5c示出传感器的分解示意图。图6示出传感器的工作原理。在高压电晕极化的过程中，密封的空腔105内的空气将被击穿，电离出等量的正负电荷。随后在电场的作用下，正负电荷分别向上下两侧移动，最终被驻极体薄膜102、103的内壁所捕获，形成大量的电荷偶极子。初始状态下(图6中①)，驻极体薄膜沟槽腔壁上捕获的电荷偶极子与金属电极上的感应电荷形成电场平衡，没有电响应。当传感器感受外部压力而压缩变形时(图6中②)，偶极矩改变，电场平衡被破坏，金属电极上的感应电荷转移而在外电路上形成电流。释放压力时，传感器由于自身弹性恢复原状，在外电路中形成一个相反的电流(图6中③)。由此，柔性压力传感器能够感受脉搏的搏动，输出相应的电流，实现脉搏的测量。

由于驻极体材料具有稳定储存电荷的能力，因此该传感器持续工作数年。另外，该传感器的输出性质类似于压电传感器，同样具有自驱动的特点，在工作时不需要外接电源，起到低功耗的效果。此外，所提出的制作工艺流程中，激光切割、热压键合、电晕极化、粘贴金属胶带都是很简单的低成本工艺，便于快速制作成型，并降低成本。另外，在这些工艺中，同一批次中可以同时制作多个传感器，这有利于传感器的大批量生产；或者是同一批次中生产制作不同尺寸大小的传感器，可便捷地尺寸调节。

传感器系统、气囊和定点加压装置

参阅图7，在一种实施例中，一种传感器系统，包括微泵、微阀、气囊、气压传感器、脉搏传感器以及处理装置。所述处理装置可以为以微处理器为核心的电路装置，包括微弱电流放大电路用于对测得的脉搏信号进行处理。所述处理装置与所述微泵、所述气压传感器及所述脉搏传感器连接，所述微泵、所述微阀和所述气压传感器均连通所述气囊，所述脉搏传感器固定在所述气囊上，所述气囊用于佩戴在手腕，所述气压传感器用于检测所述气囊内的气压，工作时所述微阀关闭，所述处理装置控制所述微泵向所述气囊内充气，所述脉搏传感器由充气膨胀后的所述气囊压在手腕上，当所述气压传感器检测到所述气囊内的气压达到设定值时，所述处理装置控制微泵停止充气且通过所述脉搏传感器测量脉搏，测量结束后可打开所述微阀排出所述气囊内的气体。所述微阀的开启和关闭可以由处理装置进行自动控制，也可以由用户手动控制。所述气压传感器连通所述气囊，可以是通过管道连通气囊，也可以是气压传感器本身设置在气囊内。

在优选的实施例中，还包括壳体，所述处理装置设置在所述壳体内。壳体可以是但不限于表壳4的形式。

在优选的实施例中，还包括导气管，所述所微泵、所述微阀及所述气压传感器设置在所述表壳4内，通过所述导气管与所述气囊相连。

在优选的实施例中，所述气囊为袖带形式的气囊袖带。

实施例整体的结构如图7所示。在表壳4中集成了主要的功能部件，可分为电路部分1和气路部分2。电路部分1以微处理器为核心，对来自放大滤波电路的脉搏信号进行采样，并进行进一步的数据存储、显示或无线发送。

微处理器和泵阀控制电路还实现气路部分2的微泵、微阀的工作控制。微泵、微阀通过导气管3与气囊袖带5连通，气囊内的气压通过气压传感器反馈给微处理器。正常测量时，微阀关闭，微泵工作，往气囊里充气。一旦气压达到了设定值，微处理器控制微泵停止工作。此时气囊里的气压保持稳定，由固定在袖带上的脉搏传感器测量脉搏，并经放大滤波电路传输到微处理器中。工作结束，微处理器将关闭微泵，打开微阀，将气囊内的气体快速排出。

参阅图8至图10，在一种实施例中，可穿戴式脉搏实时检测装置中优选采用一种用于定点加压的气囊，包括气囊袖带5和多个子气囊51，所述气囊袖带5上具有用于充气和排气的气口，所述多个子气囊51通过各自的导气管32与所述气囊袖带5相连，所述多个子气囊51的导气管32按照各自在所述气囊袖带5上所处的位置具有相对应的尺寸，且至少一部分导气管的尺寸不同于其余导气管的尺寸，以使得在同一的充气时间内所述至少一部分导气管对应的子气囊51与所述其余导气管对应的子气囊51的充气加压程度不同，从而当所述气囊袖带5佩戴在人体尤其是手腕上时能够对人体的对应部位进行定点加压。

在优选的实施例中，所述多个子气囊51沿所述气囊袖带5的长度方向分布，位于中间位置的至少一个子气囊51的导气管的尺寸大于其余导气管的尺寸。

在更优选的实施例中，所述位于中间位置的至少一个子气囊51的导气管包括多个导气管，其中最中间的导气管的尺寸最大，而两侧的导气管的尺寸以对称形式逐级变小。

在优选的实施例中，所述多个子气囊51的导气管按照各自在所述气囊袖带5上所处的位置具有相对应的材料性质，优选地，位于中间位置的至少一个子气囊51采用比其余导气管更软、更易变形的材料。

参阅图10，在优选的实施例中，所述气囊包括在所述气囊袖带5的宽度方向上独立并列设置的多层所述多个子气囊51，优选为3层所述多个子气囊51，3层子气囊分别形成尺气囊袖带5a、关气囊袖带5b、寸气囊袖带5c。

本发明实施例提供了一种压力大小定点分布、可调的定点加压装置，采用气体驱动加压方式，多个子气囊通过各自的导气管与气囊袖带相连，并且这些导气管按照各自在所述气囊袖带上所处的位置具有相对应的尺寸，且至少一部分导气管的尺寸不同于其余导气管的尺寸，以使得在同一的充气时间内部分子气囊与其余子气囊的充气加压程度不同，从而当气囊袖带佩戴在人体尤其是手腕上时能够对人体的对应部位进行定点加压，由此，可实现在特定的部位施加更大的压力，起到定点加压的效果。使用时，通过调整气囊袖带的佩戴位置，还可以灵活地调整定点加压的位置。该定点加压装置在数字化中医脉诊、可穿戴电子血压计等领域具有很好的应用前景。

在优选的实施例中，本发明通过多路独立并列设置的多层所述多个子气囊，实现多路可调的定点加压效果。每一路的压力都可以单独调节，压力的大小也可以根据预先设定的阈值进行调控，从而能够很好地满足脉搏或血压测量时的多路定点加压需求。

图8是具有定点加压装置的系统示意图。气囊袖带一侧通过导气管31与微泵、微阀和气压传感器相连，实现气体的输入、输出和气压的反馈。另一侧通过导气管32与各子气囊相连，并且对于不同的子气囊，对应的导气管32的粗细不一样。越粗的导气管32，意味着在相同的时间内对应的子气囊的加压程度更大。为了进一步增强定点加压的效果，子气囊的材料不同。两侧的子气囊可以选用更硬、不易变形的材料，而中间的子气囊选用更软、更易变形的材料；在相同的气压下，中间的子气囊将发生更大的变形，对手腕施加更大的压力，这将有助于在特定的部位施加更大的压力，起到定点加压的效果。图9显示了基于分层气囊设计的加压装置对手腕的定点加压效果。为了实现多路独立加压的效果，可以将多个这样设计的结构并联在一起，如图10所示的三路独立的气动定点加压结构。

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)

1.一种传感器系统，其特征在于，包括传感器和微弱电流放大电路，所述传感器的输出端连接所述微弱电流放大电路的输入端，所述微弱电流放大电路的输出端连接后端设备，所述微弱电流放大电路具有交叉设置的两级放大和两级滤波结构，包括相连接的电荷放大器、第一级滤波器、第二级放大器以及带阻滤波器，所述电荷放大器用于将微弱电流转换为放大后的电压输出，所述第一级滤波器用于对所述电荷放大器输出的电压进行低通、带通、高通滤波中的至少一种，所述第二级放大器用于执行第二级放大过程，所述第二级放大器具有两级差分放大器电路，其中前级通过同相差分输入方式对差模输入信号放大，并对共模输入信号起跟随作用，以提高送至后级的差模信号与共模信号的幅值比，所述带阻滤波器用于滤除50Hz工频噪声干扰；所述传感器为柔性压力传感器，包括依次层叠在一起的第一金属电极层、第一驻极体层、第二驻极体层以及第二金属电极层，所述第一驻极体层与所述第二驻极体层之间具有空气腔，所述空气腔内的空气经电晕极化电离出的正负电荷分别由所述第一驻极体层和所述第二驻极体层捕获而形成电荷偶极子，初始状态下所述电荷偶极子与所述第一、第二金属电极层上的感应电荷形成电场平衡，当所述传感器受压变形时，偶极矩改变，所述感应电荷转移而在外电路上形成电流，当释放压力时，所述传感器由于自身弹性恢复原状，在外电路上形成反向的电流并恢复所述电场平衡。

2.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，还包括连接在所述带阻滤波器的输出端的输出缓冲，所述输出缓冲用于阻抗匹配以适应不同类型的输出后端。

3.如权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，所述带阻滤波器为陷波器。

4.如权利要求1至2任一项所述的传感器系统，其特征在于，还包括电源管理模块，用于电源正负极性的反转，将单电源供电转换为正负双电源供电。

5.如权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，所述第一驻极体层和/或所述第二驻极体层的内表面上具有凹槽。

6.如权利要求5所述的传感器系统，其特征在于，所述第一驻极体层的内表面上具有相互平行的多个第一条形凹槽，所述第二驻极体层的内表面上具有相互平行的多个第二条形凹槽，所述第一条形凹槽和所述第二条形凹槽彼此相对。

7.如权利要求6所述的传感器系统，其特征在于，所述第一条形凹槽和所述第二条形凹槽彼此垂直。

8.如权利要求1、5至7任一项所述的传感器系统，其特征在于，所述第一驻极体层和/或所述第二驻极体层的材料选自氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)；所述第一金属电极层和/或所述第二金属电极层的材料选自金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、铬(Cr)。

9.如权利要求1、5至7任一项所述的传感器系统，其特征在于，由所述第一驻极体层与所述第二驻极体层共同形成封闭的空气腔。

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