CN113358152B - 一种可穿戴自供电多功能传感器及可穿戴监测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可穿戴自供电多功能传感器及可穿戴监测设备，所述多功能传感器包括功能水凝胶和热电器件，所述功能水凝胶包括第一皮肤接触面，所述热电器件包括第二皮肤接触面，所述功能水凝胶作为传感信号部分，热电器件作为供电部分，两部分串联形成闭合电路。与现有技术相比，本发明具有供能效率高、工作稳定等优点。

Description

一种可穿戴自供电多功能传感器及可穿戴监测设备
技术领域
本发明传感器技术领域，尤其是涉及一种可穿戴自供电多功能传感器及可穿戴监测设备。
背景技术
利用柔性可穿戴传感器实现对人体行为运动和健康状态可视化监测已逐渐成为生物医学工程和人机交互领域的研究热点。理想的可穿戴传感器应具有较好的生物相容性以确保无害、合适的柔软度以确保与人体的机械匹配、强大的弹性以适应重复运动过程中的动态变形、优异的加工性以满足定制等特征。传统柔性器件通常由软质基底材料和硬质电子器件两部分组成，而软质基底往往无法满足以上特点。
目前所采用的传感器装置通常需要外置电源装置，增加了便携困难和成本。对于可穿戴应用，人体热能的收集可以提供持续的能量供给，既不依赖任何机械输入，也不依赖环境中的光或无线电波。利用人体体温发电的热电发电技术，是为可穿戴电子设备获取可持续能源的一种极具前景的方法。人体的体温常维持在37℃左右，与环境的温差通常在0-40℃范围内，这部分温差能量可以通过热电转换技术利用起来给电子器件供电。但在利用热电器件供电时，一方面需要提高热电材料和器件的性能，另一方面，还需要尽量减小器件与皮肤之间的热阻并使冷端有效的散热(即增大热电器件两端温差)，这对整个系统的设计仍是一个挑战。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种供能效率高的可穿戴自供电多功能传感器及可穿戴监测设备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种可穿戴自供电多功能传感器，包括功能水凝胶和热电器件，所述功能水凝胶包括第一皮肤接触面，所述热电器件包括第二皮肤接触面，所述功能水凝胶作为传感信号部分，热电器件作为供电部分，两部分串联形成闭合电路。
进一步地，所述功能水凝胶为实现应变、压力、光、温度传感中的一种或多种功能的水凝胶。
进一步地，所述功能水凝胶在外界作用下产生表观电阻的变化，从而产生传感信号。
进一步地，所述第二皮肤接触面涂敷有高热导率材料。
进一步地，所述热电器件包括水凝胶接触面。
进一步地，所述水凝胶接触面涂敷有高热导率且电学绝缘的材料。
进一步地，所述热电器件为面外型热电器件或面内型热电器件。
进一步地，所述热电器件为刚性基底的块体热电器件、软封装方式制备的块体基柔性热电器件、在柔性基底上制备的热电器件或无基底的柔性热电器件。
第二方面，本发明提供一种可穿戴监测设备，包括如上所述的可穿戴自供电多功能传感器。
进一步地，该可穿戴监测设备为人体全周期生理活动监测设备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的热电器件能利用体温实现对功能水凝胶的持续供电，供能效率高，工作稳定。
2、本发明可通过功能水凝胶实现应变、压力、光、温度等多种传感，方便实现对人体全周期生理活动的监测。
3、本发明的功能水凝胶可同时贴附在热电器件表面，增大热电器件两端温差以增大其输出功率，从而增大传感电信号，提高供能效率。
4、本发明的可穿戴自供电多功能传感器，在生物医学工程和人机交互领域具有重大的潜在应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的自供电多功能传感器工作原理图，其中，(1a)为闭合电路示意图，(1b)闭合电路工作示意图；
图2为实施例1提供的基于面外型热电器件的自供电多功能传感器结构剖面图；
图3为实施例2提供的基于面内型热电器件的自供电多功能传感器结构剖面图；
图4为实施例中可穿戴自供电传感器对应变的响应测试图，其中，(4a)为热电器件电压响应图，(4b)为闭合电路电压变化示意图；
附图标记：
10、功能水凝胶；20、导热胶；31、面外型热电器件；32、面内型热电器件；40、皮肤。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种可穿戴自供电多功能传感器，包括功能水凝胶和热电器件，功能水凝胶包括第一皮肤接触面，热电器件包括第二皮肤接触面，第二皮肤接触面涂敷有高热导率材料，功能水凝胶作为传感信号部分，热电器件作为供电部分，两部分串联形成闭合电路，功能水凝胶在外界作用下产生表观电阻的变化，从而产生传感信号。
水凝胶材料由于其高含水量、高弹性、高韧性、结构性能的高度可设计性和较好的生物相容性，被认为是下一代人机交互界面的理想材料之一，是一种极具仿生潜力的电子皮肤材料，可用于开发应变、压力、温度、光、化学成分等功能的可穿戴式传感器。通过收集摩擦、压力等机械能和光能可实现水凝胶传感器的自供电，但依赖于环境条件，难以实现人静止状态或无光照条件下对传感器的供电。而本发明的传感器可以利用人体的温差能量实现功能水凝胶的自供电，既不依赖任何机械输入，也不依赖环境中的光或无线电波。
如图1所示，功能水凝胶和热电器件采用串联方式，由于热电器件置于人体皮肤表面，因此有一个初始电压。当外界环境条件如光、拉伸、压力、温度、应变等变化时，导致柔性功能水凝胶发生形变或离子/电子迁移率的变化从而引起表观电阻的对应变化，从而引起电信号的变化。根据电信号变化(电压变化率)，可以感应环境条件变化的信号，可监测人体生理活动。本发明供能高效率的自供电多功能传感器对绿色能源和可穿戴电子设备的发展，具有重要的科学意义和应用价值。
该传感器中，热电器件为刚性基底的块体热电器件、软封装方式制备的块体基柔性热电器件、在柔性基底上制备的热电器件或无基底的柔性热电器件等。功能水凝胶可为实现应变、压力、光、温度传感中的一种或多种功能的水凝胶，实现多功能传感器。功能水凝胶和热电器件在热学上均与皮肤接触，功能水凝胶和热电器件在热学可直接接触，也可不接触。
在优选的实施方式中，功能水凝胶可同时贴附在热电器件表面，将其用于热电器件冷端，增大了热电器件两端温差提高其功率输出，从而增大传感电信号。功能水凝胶通过热电器件的水凝胶接触面接触，水凝胶接触面涂敷有高热导率且电学绝缘的材料。
上述高热导率材料可采用高热导率的室温固化导热胶等。
实施例1
如图2所示，本实施例提供的可穿戴自供电多功能传感器包括功能水凝胶10和面外型热电器件31，面外型热电器件31通过导热胶20与皮肤40接触，导热胶绝缘，功能水凝胶10覆盖于面外型热电器件31上，其两端与皮肤40接触，中部通过导热胶20与面外型热电器件31接触。
柔性功能水凝胶与热电器件串联成闭合电路，当人体行为或外界环境条件变化时，柔性功能水凝胶电阻会发生变化，通过测试电路的电压变化率，可实现自供电多功能传感器。
实施例2
如图2所示，本实施例提供的可穿戴自供电多功能传感器包括功能水凝胶10和面内型热电器件32，功能水凝胶10与皮肤40接触，面内型热电器件32的P、N两个部分分别通过导热胶20与皮肤40及功能水凝胶10接触，导热胶绝缘。
柔性功能水凝胶与热电器件串联成闭合电路，当人体行为或外界环境条件变化时，柔性功能水凝胶电阻会发生变化，通过测试电路的电压变化率，可实现自供电多功能传感器。
实施例3
本实施例提供的可穿戴自供电多功能传感器中，功能水凝胶通过以下过程制得：导电水凝胶在受到外力时会发生形变，导致内部离子迁移率变化，表现为电阻变化，可用于应变敏感材料。制备应变敏感水凝胶：按重量份数计，分别称取15份聚乙烯醇固体颗粒，10份植酸，75份去离子水置于100mL圆底烧瓶中，油浴95℃加热搅拌2h，静止冷却至室温即得到聚乙烯醇/植酸混合溶液；将得到的聚乙烯醇/植酸混合溶液倒入模具中，并置于-15℃环境中，24h后取出并静止2h即得聚乙烯醇/植酸导电水凝胶。
本实施例中的热电器件采用商用块体热电器件，其结构为面外型。将热电器件置于空气中，测试热电器件电压信号接近为0V。当热电器件贴于皮肤表面之后，热电器件产生电压为16mV。随后将预先准备好的水凝胶一端置于热电器件表面，另一端置于皮肤表面，热电器件电压升至22mV。功能水凝胶在热电器件表面的贴附，增加了热电器件的功率输出，如图(4a)所示。
本实施例制得的热电器件-功能水凝胶自供电传感器可响应应变，可实现应变传感功能。当用手按压和松开水凝胶时，水凝胶电阻发生变化，表现为响应的电压信号的变化，此热电器件-功能水凝胶自供电传感器可响应压力，可实现压力传感功能。当用手腕上下摆动时，水凝胶电阻发生变化，表现为相应的电压信号的变化。功能水凝胶在外界作用下的电压变化如图(4b)所示。
实施例4
本实施例提供一种可穿戴监测设备，包括如实施例1-3任一所述的可穿戴自供电多功能传感器。该可穿戴监测设备为人体全周期生理活动监测设备。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可穿戴自供电多功能传感器，其特征在于，包括功能水凝胶和热电器件，所述功能水凝胶包括第一皮肤接触面，所述热电器件包括第二皮肤接触面，所述功能水凝胶作为传感信号部分，热电器件作为供电部分，两部分串联形成闭合电路，所述热电器件包括水凝胶接触面。
2.根据权利要求1所述的可穿戴自供电多功能传感器，其特征在于，所述功能水凝胶为实现应变、压力、光、温度传感中的一种或多种功能的水凝胶。
3.根据权利要求1所述的可穿戴自供电多功能传感器，其特征在于，所述功能水凝胶在外界作用下产生表观电阻的变化，从而产生传感信号。
4.根据权利要求1所述的可穿戴自供电多功能传感器，其特征在于，所述第二皮肤接触面涂敷有高热导率材料。
5.根据权利要求1所述的可穿戴自供电多功能传感器，其特征在于，所述水凝胶接触面涂敷有高热导率且电学绝缘的材料。
6.根据权利要求1所述的可穿戴自供电多功能传感器，其特征在于，所述热电器件为面外型热电器件或面内型热电器件。
7.根据权利要求1所述的可穿戴自供电多功能传感器，其特征在于，所述热电器件为刚性基底的块体热电器件、软封装方式制备的块体基柔性热电器件、在柔性基底上制备的热电器件或无基底的柔性热电器件。
8.一种可穿戴监测设备，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的可穿戴自供电多功能传感器。
9.根据权利要求8所述的可穿戴监测设备，其特征在于，该可穿戴监测设备为人体全周期生理活动监测设备。
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