CN113108687A - 一种表皮电子拉伸传感器纹身及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种表皮电子拉伸传感器纹身及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：将具有镂空拉伸传感器纹身图案的贴纸贴在皮肤表面，之后将导电油墨喷涂在贴纸上，揭开贴纸，得到所述表皮电子拉伸传感器纹身；所述皮肤为人体关节部皮肤。本发明提供的表皮电子拉伸传感器纹身成本低、透气优秀，与皮肤完全嵌合，无损感受皮肤的形变效果，同时耐摩擦性高，稳定性高，没有不适感，机械稳定性高。

Description

一种表皮电子拉伸传感器纹身及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于柔性可穿戴电子技术领域，具体涉及一种表皮电子拉伸传感器纹身及其制备方法和应用，尤其涉及一种成本低的表皮电子拉伸传感器纹身及其制备方法和应用。
背景技术
目前可穿戴设备发展迅猛，包括健康监测、体感游戏在内的多领域需要对人体的活动进行感知。感知人体关节运动是其中一个重要方式。目前大多数运动传感设备都是通过穿戴与皮肤接触的传感器设备达到监测目的。然而这种佩戴式的设备存在转换过程中信号的变形和不准确的问题，并且佩戴厚重的设备会产生不适感。因此表皮电子传感器成为研究发展方向。通过直接将传感器通过各种方式整合到皮肤上，来直接感知人体活动等信息，减少了信号的变形问题。
CN211674230U公开了一种采集肌电信号的弹力腕带及其智能可穿戴设备。所述弹力腕带包括：第一绝缘弹力层、第二绝缘弹力层，以及设于所述第一绝缘弹力层和所述第二绝缘弹力层之间的导电硅胶层；其中，所述第一绝缘弹力层开设有窗口区域；所述导电硅胶层包括多个导电硅胶条，各所述导电硅胶条的第一端分别电性连接金属电极的第一端，各所述导电硅胶条的第二端设于与所述窗口区域对应的位置；所述第二绝缘弹力层开设有多个孔位，用以对应露出各所述金属电极的第二端；所述第二绝缘弹力层的外表面还设有导电参考电极。本实用新型的弹力腕带可与人体皮肤充分贴合，从而保证肌电信号的采集质量，且佩戴方便、舒适。但其由于是佩戴式的设备存在一定不适感。
现有运动传感设备由于使用与皮肤接触的传感器设备导致转换过程中信号的变形、不准确，以及佩戴的不适感。因此，如何提供一种信号准确、无不适感的传感设备，成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种表皮电子拉伸传感器纹身及其制备方法和应用，尤其提供一种成本低的表皮电子拉伸传感器纹身及其制备方法和应用。本发明提供的表皮电子拉伸传感器纹身成本低、透气优秀，与皮肤完全嵌合，无损感受皮肤的形变效果，同时耐摩擦性高，稳定性高，没有不适感，机械稳定性高。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将具有镂空拉伸传感器纹身图案的贴纸贴在皮肤表面，之后将导电油墨喷涂在贴纸上，揭开贴纸，得到所述表皮电子拉伸传感器纹身。
所述皮肤为人体关节部皮肤。
上述的表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法操作简单，能够快速制备所述表皮电子拉伸传感器纹身，且制备得到的表皮电子拉伸传感器纹身成本低，没有不透气薄膜材料对皮肤的大面积覆盖，透气优秀；所述表皮电子拉伸传感器纹身中的导电电路与皮肤完全嵌合，无损感受皮肤的形变效果；耐摩擦性高，不需要使用封装层进行封装，在人体出汗后其依然具有高稳定性；在皮肤上存在完全无感，没有不适感；机械稳定性高。
优选地，所述导电油墨的组成包括液态金属和PVA(聚乙烯醇)溶液，所述液态金属和PVA溶液的质量比为1.3:1-1.7:1，例如1.3:1、1.4:1、1.5:1、1.6:1或1.7:1等，但不限于以上所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述液态金属包括镓、铟、镓铟合金或镓锡合金中任意一种。
优选地，所述PVA溶液的溶剂为水或DMSO。
优选地，所述PVA溶液的质量分数为4-6％，例如4％、4.2％、4.4％、4.6％、4.8％、5％、5.2％、5.4％、5.6％、5.8％或6％等，但不限于以上所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
上述特定组成的导电油墨耐摩擦性高，不需要使用封装层进行封装，在人体出汗后其依然具有高稳定性。
优选地，所述导电油墨由包括以下步骤的方法制备得到：将PVA溶于溶剂中，得到PVA溶液，之后将PVA溶液与液态金属混合、超声，得到所述导电油墨。
优选地，所述超声的时间为2-3min，例如2min、2.5min或3min等，但不限于以上所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将PVA溶于溶剂中，得到质量分数为4-6％的PVA溶液，之后将PVA溶液与液态金属混合、超声2-3min，得到导电油墨；
(2)将具有镂空拉伸传感器纹身图案的贴纸贴在人体关节部皮肤表面，之后将步骤(1)得到的导电油墨喷涂在贴纸上，之后揭开贴纸，得到所述表皮电子拉伸传感器纹身。
第二方面，本发明提供了如上所述的表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法制备得到的表皮电子拉伸传感器纹身。
第三方面，本发明提供了如上所述的表皮电子拉伸传感器纹身在制备运动传感设备中的应用。
第四方面，本发明还提供了一种运动传感设备，包括依次连接的感应模块、信号接收处理模块和反馈模块，所述感应模块包括如上所述的表皮电子拉伸传感器纹身，所述信号接收处理模块包括电化学工作站和/或监测电阻变化的仪器。
上述运动传感设备通过应用所述表皮电子拉伸传感器纹身能够实时准确地反馈人体关节的弯曲情况，并根据随着关节弯曲引起的所述表皮电子拉伸传感器纹身的电阻变化判断关节弯曲情况、指示反馈模块进行相应操作，完成输出，从而实现对实体机器人或虚拟游戏任务的操控。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法，所述制备方法操作简单，能够快速制备所述表皮电子拉伸传感器纹身，且制备得到的表皮电子拉伸传感器纹身成本低，没有不透气薄膜材料对皮肤的大面积覆盖，透气优秀；所述表皮电子拉伸传感器纹身中的导电电路与皮肤完全嵌合，无损感受皮肤的形变效果；耐摩擦性高，不需要使用封装层进行封装，在人体出汗后其依然具有高稳定性；在皮肤上存在完全无感，没有不适感；机械稳定性高。
(2)本发明还提供了一种运动传感设备，通过应用所述表皮电子拉伸传感器纹身能够实时准确地反馈人体关节的弯曲情况，并根据随着关节弯曲引起的所述表皮电子拉伸传感器纹身的电阻变化判断关节弯曲情况、指示反馈模块进行相应操作，完成输出，从而实现对实体机器人或虚拟游戏任务的操控。
附图说明
图1是实施例1提供的表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法中的镂空的拉伸传感器纹身图案；
图2是实施例1提供的表皮电子拉伸传感器纹身的效果图；
图3是实施例1提供的表皮电子拉伸传感器纹身在大拇指不同弯曲情况的电阻测试结果，其中，i-大拇指弯曲60°时的测试结果，ii-大拇指弯曲30°时的测试结果，iii-大拇指不弯曲时的测试结果，iv-大拇指弯曲60°时的测试结果；
图4是实施例1提供的表皮电子拉伸传感器在大拇指不同弯曲情况时的电阻循环测试结果；
图5是实施例1提供的表皮电子拉伸传感器经24h后在大拇指不同弯曲情况时的电阻循环测试结果。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
以下实施例中，PVA购自于麦克林，型号为1799；
镓铟合金购自于北京浩克科技有限公司，型号为4:1镓铟合金；
超声波破碎仪购自于Branson，型号为SFX550。
实施例1
本实施例提供了一种表皮电子拉伸传感器纹身，制备方法如下：
(1)将PVA溶于DMSO中，得到质量分数为5％的PVA溶液，之后将PVA溶液与镓铟合金(质量比1:1.5)混合、在超声振幅20％下超声2.5min，得到导电油墨；
(2)使用剪纸机将PVC贴纸剪出镂空的拉伸传感器图案，并贴在人体左手大拇指关节部皮肤表面，之后将步骤(1)得到的导电油墨装入到气动喷笔中，开启气泵，用喷笔将导电油墨喷涂在贴纸上，之后揭开贴纸，得到所述表皮电子拉伸传感器纹身。
所述镂空的拉伸传感器纹身图案如图1所示，最终得到的所述表皮电子拉伸传感器纹身的效果图如图2所示。
实施例2
本实施例提供了一种表皮电子拉伸传感器纹身，制备方法如下：
(1)将PVA溶于DMSO中，得到质量分数为4％的PVA溶液，之后将PVA溶液与镓混合(质量比1:1.3)、在超声振幅20％下超声2min，得到导电油墨；
(2)使用剪纸机将PVC贴纸剪出镂空的拉伸传感器图案，并贴在人体左手大拇指关节部皮肤表面，之后将步骤(1)得到的导电油墨装入到气动喷笔中，开启气泵，用喷笔将导电油墨喷涂在贴纸上，之后揭开贴纸，得到所述表皮电子拉伸传感器纹身。
实施例3
本实施例提供了一种表皮电子拉伸传感器纹身，制备方法如下：
(1)将PVA溶于水中，得到质量分数为6％的PVA溶液，之后将PVA溶液与铟混合(质量比1:1.7)、在超声振幅20％下超声3min，得到导电油墨；
(2)使用剪纸机将PVC贴纸剪出镂空的拉伸传感器图案，并贴在人体左手大拇指关节部皮肤表面，之后将步骤(1)得到的导电油墨装入到气动喷笔中，开启气泵，用喷笔将导电油墨喷涂在贴纸上，之后揭开贴纸，得到所述表皮电子拉伸传感器纹身。
效果验证：
将实施例1提供的表皮电子拉伸传感器纹身的下方的左右端点接入精密万用电表，并测量大拇指不同弯曲情况时所述表皮电子拉伸传感器的电阻，结果如图3所示，其中横坐标为时间，纵坐标为实时电阻与初始电阻的比值，i为大拇指弯曲60°时的测试结果，ii为大拇指弯曲30°时的测试结果，iii为大拇指不弯曲时的测试结果，iv为大拇指弯曲60°时的测试结果。
之后将实施例1提供的表皮电子拉伸传感器纹身的下方的左右端点接入精密万用电表，以大拇指不弯曲时为起始，匀速变化弯曲程度至大拇指弯曲60°，之后再匀速变化弯曲程度至大拇指不弯曲，并循环上述过程，测试大拇指不同弯曲情况时所述表皮电子拉伸传感器的电阻，循环测试结果如图4所示，其中横坐标为时间，纵坐标为实时电阻与初始电阻的比值。
之后经过24h正常生活后再次检测上述表皮电子拉伸传感器纹身的电阻，以大拇指弯曲60°时为起始，匀速变化弯曲程度至大拇指不弯曲，之后再匀速变化弯曲程度至大拇指弯曲60°，并循环上述过程，测试大拇指不同弯曲情况时所述表皮电子拉伸传感器的电阻，循环测试结果如图5所示，其中横坐标为时间，纵坐标为实时电阻与初始电阻的比值。
通过以上数据显示本发明提供的表皮电子拉伸传感器纹身通过关节弯曲程度变化引起电阻变化，从而能够实时准确地反映关节弯曲程度，证明表皮电子拉伸传感器纹身能够应用于运动传感设备中监测人体关节的运动情况，同时制备成本低、透气效果好、无损感受皮肤的形变效果、能够无损感受皮肤的形变效果、耐摩擦性高、稳定性高、无不适感；同时反复循环弯曲过程结果显示所述表皮电子拉伸传感器纹身性能稳定，且经24h正常生活后所述表皮电子拉伸传感器纹身仍能保持正常的随关节弯曲程度变化而电阻变化的能力，其性能未受到明显影响，显示了高机械稳定性。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的表皮电子拉伸传感器纹身及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将具有镂空拉伸传感器纹身图案的贴纸贴在皮肤表面，之后将导电油墨喷涂在贴纸上，揭开贴纸，得到所述表皮电子拉伸传感器纹身；
所述皮肤为人体关节部皮肤。
2.根据权利要求1所述的表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法，其特征在于，所述导电油墨的组成包括液态金属和PVA溶液，所述液态金属和PVA溶液的质量比为1.3:1-1.7:1。
3.根据权利要求2所述的表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法，其特征在于，所述液态金属包括镓、铟、镓铟合金或镓锡合金中任意一种。
4.根据权利要求2或3所述的表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法，其特征在于，所述PVA溶液的溶剂为水或DMSO；
优选地，所述PVA溶液的质量分数为4-6％。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法，其特征在于，所述导电油墨由包括以下步骤的方法制备得到：将PVA溶于溶剂中，得到PVA溶液，之后将PVA溶液与液态金属混合、超声，得到所述导电油墨。
6.根据权利要求5所述的表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法，其特征在于，所述超声的时间为2-3min。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将PVA溶于溶剂中，得到质量分数为4-6％的PVA溶液，之后将PVA溶液与液态金属混合、超声2-3min，得到导电油墨；
(2)将具有镂空拉伸传感器纹身图案的贴纸贴在人体关节部皮肤表面，之后将步骤(1)得到的导电油墨喷涂在贴纸上，之后揭开贴纸，得到所述表皮电子拉伸传感器纹身。
8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的表皮电子拉伸传感器纹身的制备方法制备得到的表皮电子拉伸传感器纹身。
9.一种根据权利要求8所述的表皮电子拉伸传感器纹身在制备运动传感设备中的应用。
10.一种运动传感设备，包括依次连接的感应模块、信号接收处理模块和反馈模块，其特征在于，所述感应模块包括权利要求8所述的表皮电子拉伸传感器纹身，所述信号接收处理模块包括电化学工作站和/或监测电阻变化的仪器。
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