CN114176536B - 一种人体健康监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体健康监测传感器，包括柔性板、压电模块、信号处理模块、包覆层，所述压电模块、所述信号处理模块分设于所述柔性板的两区域，所述压电模块与所述信号处理模块之间通过唯一柔性电路连接，形成柔性电板；所述包覆层用以整体封装所述柔性电板。本发明采用柔性压电膜与柔性电板结合，实现信号检测和信号处理，加以柔性封装至适合的床、座椅、靠垫等多场景应用，不产生异物感。

Description

一种人体健康监测传感器

技术领域

本发明涉及人体健康检测技术领域，特别是涉及一种非接触式生理信号检测的柔性传感器。

背景技术

目前已有的人体监测装置，如睡眠监测装置，通过人体接触的力信号检测会带来不适感；与人体非接触的力信号检测多为硬质的，外形固定，没有柔性，不能很好的适应对外形变化有一定要求的场合，如坐垫、靠垫等。

当在座椅、坐垫、靠垫等场合使用时，则需要采用一种柔性的，可使适应外形变化的传感器，使用户具备良好的体验，不产生异物感。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种人体健康监测传感器，采用柔性压电膜与柔性电板结合，实现信号检测和信号处理，加以柔性封装至适合的床、座椅、靠垫等多场景应用，不产生异物感。

本发明解决问题的技术方案为，提供一种人体健康监测传感器，包括柔性板、压电模块、信号处理模块、包覆层，所述压电模块、所述信号处理模块分设于所述柔性板的两区域，所述压电模块与所述信号处理模块之间通过唯一柔性电路连接，形成柔性电板；所述包覆层用以整体封装所述柔性电板。

进一步的，所述压电模块包括正向电路与背向电路，所述背向电路覆盖于所述正向电路之上；所述背向电路与所述正向电路对应开设多处过孔，使得正向电路能够与背向电路导通；所述正向电路与所述柔性板贴合。

正向电路位于压电模块的正面、背向电路位于压电模块的背面；以朝向柔性板的一面为正面。

进一步的，所述正向电路包括外圈的地电极、内电极，所述地电极上开设有出线口，所述内电极通过板上布线连接至所述信号处理模块；所述过孔仅开设于所述地电极之上。

所述背向电路与所述地电极可通过所述过孔导通。实现接地。

内电极与柔性板上的电极信号端对应。

进一步的，所述柔性板与所述地电极之间开设有接地过孔。

所述接地过孔做金属化，边缘可做导通，内部可注柔性导电胶，便于实现导通连接。实现接地。

进一步的，所述柔性电板的下表面设置有阻焊层，所述柔性电板的上表面在两区域之外设置有阻焊层，上、下阻焊层之间开设有接地过孔。

进一步的，所述信号处理模块包括QV转换单元、信号调理单元、AD转换单元、编码传输单元；所述信号处理模块的输出与DSP运算模块通过超柔导线连接。

进一步的，所述DSP运算模块包括供电单元、通讯单元、边缘计算单元，使得所述DSP运算模块能够与用户端、云端进行数据交互。

进一步的，所述柔性板包括区域一、区域二，所述区域一内设置所述压电模块，所述区域二内设置信号处理模块，完成封装的所述柔性电板在所述区域一处设置有突起填充，使得所述区域一相对周围区域存在高度落差。

进一步的，所述区域二上设置有外封装，用以独立封装所述柔性电板上的所述信号处理模块。外封装可采用低压注塑工艺。

进一步的，所述区域一上采用液体硅胶独立封装所述柔性电板上的所述压电模块。

进一步的，所述压电模块包括信号层、参考层，所述信号层为电极信号端，所述参考层为电极参考端，所述信号层的面积小于所述参考层的面积，所述参考层覆盖于所述信号层之上，使得所述参考层能够完全覆盖所述信号层。

本发明的有益效果为：

本发明为一种人体健康监测传感器，将信号检测与信号处理继承至同一柔性电板之上，信号以最小损失进入Q-V转换电路，使易受干扰线路最短；柔性膜片与柔性电板配合形成干扰抑制结构，能够最大限度的抑制工频干扰。

采用柔性材料对柔性电板进行封装，电路部分采用外封装（偏硬材质），有利于电路的保护；压电膜部分采用液体硅胶进行灌胶；整板则采用硅胶包覆，实现最佳柔性效果。

压电膜区域对应设置突起填充，使压电膜区域相比周围区域有一定的凸起，保证更好的传递压力值压电膜上。

本发明的一种人体健康监测传感器，可以安装到床、座椅、坐垫、靠垫等内部，当人体坐或者卧时，可以检测到人体微心跳、呼吸等微弱信号，也可以检测到如体动、打鼾等大幅度变化的震动信号。

属于被动式的检测，不需要人体保持特定的状态，能够在人体不知觉的情况实现信号的采集。

本发明的压电膜的两面电极为不对称的电极，配合膜片及通孔技术，打通两面的电极，并结合柔性板，实现屏蔽、柔性的功能效果。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种人体健康监测传感器的区域分布图；

图2为本发明实施例的一种人体健康监测传感器的侧视图；

图3为本发明实施例的一种人体健康监测传感器的封装结构图；

图4为本发明实施例提供的一种人体健康监测传感器与DSP运算模块的原理图；

图5为本发明实施例提供的人体坐姿生理信号检测示意图；

图6为本发明实施例的一种人体健康监测传感器的压电模块的正反两面示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决上述问题，本发明提出了一种人体健康监测传感器，可以安装到床、座椅、坐垫等内部，以非接触的方式检测生理信号。请参阅图1、图2、图3、图4、图6，柔性传感器主要包括柔性板、压电模块、信号处理模块、包覆层，压电模块、信号处理模块分设于柔性板的两区域，压电模块与信号处理模块之间通过唯一柔性电路连接，形成柔性电板；包覆层用以整体封装柔性电板。

应当明确的是，本发明采用柔性基板，如FPC板，在柔性基板上实现信号检测和信号处理电路的设计，可将信号处理电路与感测单元（压电薄膜）基于同一柔性板实现，信号以最小损失进入Q-V转换电路，使易受干扰的线路最短化。

本发明采用柔性的感测材料，如采用PVDF压电薄膜，压电薄膜可通过柔性导电胶与柔性电板连接，感测薄膜表面可安装柔性硅胶垫。

PVDF薄膜与柔性板贴合，进行3D立体屏蔽。薄膜与柔性板贴合内电极为正极（下文中定义为电极信号端），与柔性板体贴合外电极为接地电极，能够最大限度抑制工频干扰。

本发明的柔性传感器所采集到的信号可通过滤波提取关于人体生理变化相关频域信号，滤除环境噪音，进入模数转换单元（AD转换单元）。数字信号通过有线连接，传输到边缘计算DSP处理器，进行高阶滤波和波形分析。计算结果已可以反馈个体情况特征。重要的计算中间结果及特征，通过WiFi网络，自动上传到云端，云端集合了不同个体和长期的累计结果，进行大数据分析。云端可以通过下发参数的方式，修正DSP滤波参数，另外，DSP也可以通过OTA的方式进行远程升级。

请参阅图1，柔性板可划分为区域一、区域二，分别用以设置压电模块和信号处理模块，具体的，区域一内设置压电模块，区域二内设置信号处理模块。完成封装的柔性电板可在区域一处设置有突起填充，使得区域一相对于周围区域存在高度落差，以确保更好的传递压力到压电膜上。进一步的，为了更好的保护电器元件，可采用外封装供以将区域二内的电路器件区域使用偏硬质材料进行独立封装，起到加固保护的作用，在此基础上，整板采用软质柔性硅胶封装。

具体的，对柔性要求比较高的情况，整板采用液体硅胶包覆，形成包覆层，实现最佳柔性效果。压电膜部分采用液体硅胶，电路部分采用外封装，优化对电路的保护。外封装可以采用低压注塑工艺，注塑材料可采用偏硬材料。

可以理解的是，独立封装柔性电板上的信号处理模块（封装部分只有提取信号、降低干扰的必要器件，体积很小）、独立封装柔性电板上的压电模块，不影响柔性传感器的正常使用。

本发明的实施例中，对于常规两层板而言，压电模块可具备两层薄膜（导电层），分别形成正向电路与背向电路，背向电路覆于正向电路之上。背向电路与正向电路对应开设多处过孔，薄膜过孔做金属化，使上下层导通，边缘可做导通，增加两层的连通性。

正向电路与柔性板贴合，可采用导电胶进行贴合。以朝向柔性板的一面为正面，正向电路位于压电模块的正面、背向电路位于压电模块的背面。

具体的，如图1中区域一所示，正向电路可包括外圈的地电极、内电极，内部方形电极为内电极，定义为电极信号端（导电极性为正极），外圈的环形电极为地电极，定义为电极参考端。参考端一周打过孔，过孔连接压电薄膜两侧的电极。

可以理解的是，压电膜上的电极信号端为内电极，内电极与柔性板上的电极信号端对应。

外圈的地电极上可预留出线口，使内电极通过板上布线连接到信号处理电路。对于四层或者多层板，信号线布置在中间层（2层或3层），其相邻层覆铜接地。包裹在地层中间的信号线，在紧邻电极和信号处理电路的端点通过过孔换层连接，形成电极和信号处理电路的通路，对干扰信号的抑制度更好。

可以理解的是，正向电路上的过孔的开设仅处于外圈的地电极上，且正向电路上的过孔与背向电路上的过孔可一一对应。过孔可与接地过孔的一致，进行导通处理，做金属化，边缘可做导通，内部可填充柔性导电胶。

本发明的实施例中，电极信号端通过板布线，连接到QV处理电路接口，布线长度适当，太长会引入干扰，需要额外屏蔽保护，太短会影响柔性部分弯折，减小适应性。以电极参考端为接地端，整板可覆铜地网络，电极信号端与电极参考端之间设置有足够的空隙，保持隔离绝缘状态。

压电薄膜感生出的电荷信号转化为电压信号，并进行放大。如果对柔性没有要求，强调功能的独立性，单个板就能将信号解析并发送给用户。如果最大程度实现柔性化，则尽量减少元器件。本发明在柔性板中实现了QV转换、信号调理、AD转换和编码传输，兼顾了传感器的柔韧性和数字信号处理的稳定性。

基于本发明的柔性概念，应当明确的是：常规的电子元器件是不具备柔性的；因此，柔性板上附加电子元器件的数量越多，则具备功能效果越多，相应的其信号处理能力增强，但其局部的柔性效果则越差，同时集中的电子元器件之间存在相互影响，易损坏。可基于实际应用环境的柔性需求，对电子元器件的数量、实现功能进行适应性筛选，权衡柔性与功能。柔性最优效果为只加最基础的器件，即，QV转换电路，保持整板的柔性良好。

覆铜地网络的实施具体可为：柔性板的上表面可在两区域之外设置覆铜，并接地，覆铜表面设置阻焊层；柔性板的下表面整片覆铜，并接地，覆铜表面设置阻焊层。上、下表面覆铜之间可设有接地过孔，使得上下层的覆铜导通连接。

压电薄膜与FPC柔性基板的连接可采用导电胶粘合的方式，导电胶的形状与压电膜的电极形状对应。

本发明的实施例中，还提供了另一种压电模块的实施方式，保证信号电极端所在的信号层与参考端电极所在的参考层的边缘有安全的保护距离，如1mm宽。参考层可以覆盖整个平面，也可留有一些边缘间隙，信号层则被参考层覆盖在内部（不直接导通）。如采用此种电极形式的膜片，需要额外的导电材料，如导电布、导电铜箔覆盖在参考端电极并延伸到电路板上的参考端电极，使膜片的参考端与电路板上的接地铜箔连接。

进一步的，可根据信号层与参考层的厚度差在柔性板上设置凹陷区域，使得信号层与参考层之间的压电感应可趋于稳定。

可以理解的是，此种方式可大幅度降低过孔的使用率，优化工艺流程。

本发明的实施例中，请参阅图1、图4，信号处理模块包括QV转换单元、信号调理单元、AD转换单元、编码传输单元；信号处理模块的输出与DSP运算模块通过超柔导线连接。

DSP运算模块包括供电单元、通讯单元、边缘计算单元，使得DSP运算模块能够与用户端、云端进行数据交互。

柔性板传感器应用范围广泛，如床、座椅、枕头等和人体接触的日常用品都可以安装，图5为人体坐姿生理信号检测示意图，柔性传感器安装在靠背和坐垫下，也可只安装在坐垫下。采集到的信号通过有线方式传输到DSP边缘计算单元。处理后的数据可直接传输到手机、平板等用户终端，在有互联网连接的情况下，可上传至云端，进行更加精细的分析计算。分析结果通过云端传递给用户手机、平板等终端，得到更加精确的休息、睡眠状态报告。可提供心率、呼吸率、hrv等常规生理状态信息，通过长期的分析，也可提供压力状态分析，慢病预警，生活习惯改善等分析和建议。

应当明确的是，传感器信号中掺杂的干扰信号主要来自两个方面：一是环境中工频及其倍频干扰；二是环境振动引起的干扰。

针对第一种干扰，本发明通过三个方面进行抑制。首先，本发明的膜片结构与柔性板布线配合，膜片通过金属化过孔，使包裹信号电极的参考端电极与膜片背面的参考端电极连接，膜片的参考端完全覆盖信号端，同时包裹信号电极的参考电极通过导电胶与柔性板上的参考电极连接，形成对信号电极的立体包裹。本发明的实施例中，采用正负电源供电，参考端接信号地，这种结构可过滤掉大部分的工频及倍频辐射干扰。此种膜片电极与电路板电极的连接结构同样适用硬质PCB电路板，如FR4材料电路板。

其次，电路中采用多级有源双T型滤波器，不仅衰减辐射干扰，同时衰减线缆耦合进来的工频干扰，使信号不因干扰影响AD采样的真实值。

最后，通过嵌入式软件实现的高阶陷波器，完全去除工频以及倍频带来的影响。

针对第二种干扰，本发明的柔性封装衰减了一部分环境振动（高频噪声）带来的影响。因为，人体生理信号主要集中在低频，通过电路滤波提取出低频频段信号，对带外噪声进行抑制，同时通过自动增益电路对关注的低频频段信号进行放大增强。对于频率混叠的信号，通过时频域相关滤波器，提取信号的特征，获取真实的人体生理信号。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物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、物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，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施例只局限于这些说明。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，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种人体健康监测传感器，其特征在于，包括柔性板、压电模块、信号处理模块、包覆层，所述压电模块、所述信号处理模块分设于所述柔性板的两区域，所述压电模块与所述信号处理模块之间通过唯一柔性电路连接，形成柔性电板；所述包覆层用以整体封装所述柔性电板；

所述柔性板包括区域一、区域二，所述区域一内设置所述压电模块，所述区域二内设置信号处理模块，完成封装的所述柔性电板在所述区域一处设置有突起填充，使得所述区域一相对周围区域存在高度落差。

2.根据权利要求1所述的一种人体健康监测传感器，其特征在于，所述压电模块包括正向电路与背向电路，所述背向电路覆于所述正向电路之上；所述背向电路与所述正向电路对应开设多处过孔，使得正向电路能够与背向电路导通；所述正向电路与所述柔性板贴合。

3.根据权利要求2所述的一种人体健康监测传感器，其特征在于，所述正向电路包括外圈的地电极、内电极，所述地电极上开设有出线口，所述内电极通过板上布线连接至所述信号处理模块；所述过孔仅开设于所述地电极之上。

4.根据权利要求3所述的一种人体健康监测传感器，其特征在于，所述柔性板与所述地电极之间开设有接地过孔。

5.根据权利要求1所述的一种人体健康监测传感器，其特征在于，所述柔性电板的下表面设置有阻焊层，所述柔性电板的上表面在两区域之外设置有阻焊层，上、下阻焊层之间开设有接地过孔。

6.根据权利要求1所述的一种人体健康监测传感器，其特征在于，所述信号处理模块包括QV转换单元、信号调理单元、AD转换单元、编码传输单元；所述信号处理模块的输出与DSP运算模块通过超柔导线连接。

7.根据权利要求6所述的一种人体健康监测传感器，其特征在于，所述DSP运算模块包括供电单元、通讯单元、边缘计算单元，使得所述DSP运算模块能够与用户端、云端进行数据交互。

8.根据权利要求1所述的一种人体健康监测传感器，其特征在于，所述区域二上设置有外封装，用以独立封装所述柔性电板上的所述信号处理模块。

9.根据权利要求8所述的一种人体健康监测传感器，其特征在于，所述区域一上采用液体硅胶独立封装所述柔性电板上的所述压电模块。