CN115844350A - 基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环及制造方法。本发明包括传感模块和手环层，传感模块嵌入在手环层端面的中间位置；手环层的一端加工为T字形带尾，手环层的另一端加工为条形带，且条形带中部间隔开设有多个相互平行分布的条形孔，条形孔均平行于T字形带尾的端部，且T字形带尾的端部与条形孔过盈配合；手环层的端面的中间位置加工有用于放置传感模块的矩形凹槽；传感模块主要由传感模块上层和传感模块下层自上而下叠加组成，传感模块上层的锯齿结构分别对应人体的寸、关、尺三路脉象，传感模块下层涂敷的电极层和传感单元用于采集人体脉象信息。本发明具有良好灵敏性与稳定性，有助于中医脉诊的客观化与规范化。
Description
技术领域
本发明涉及了感知手环领域的一种三路脉象感知手环及制造方法，尤其涉及基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环及制造方法。
背景技术
桡动脉压力波由三个波组成：一个由主动脉近心端产生的前向波和两个反射波即手部区域和下半身较晚到达的波。上升支末端峰值P1，下半身反射波峰值减去舒张末压P2，P2/P1作为桡动脉增强指数AIr。ΔTDVP为一个心动周期内，P1峰与P2峰的时间差，是作为衡量动脉僵硬度的指标。
桡动脉压力波波形可以为心血管疾病的诊断和治疗提供有价值的信息，例如动脉硬化、高血压、心律失常、心房颤动等。许多血流动力学参数，如动脉硬化指数、上搏时间、每搏量变化和心输出量可以直接从压力波形中实时计算和估计。随着弹性动脉变硬，脉搏波速度增加，来自下半身的反射波更早返回桡动脉，导致ΔTDVP降低与AIr增加，从而估计动脉僵硬度。
此外，通过求脉搏波波形在时域上的导数能够精确地分析波形的突然变化和时移，来区分健康者和动脉硬化患者。
医师通过检查人体脉搏波来评估健康状况的方式具有悠久的历史。其中，中医脉诊是一种通过举、按、寻这三个步骤，在临床上以不同力度按压人体寸、关、尺这三路脉象推断疾病的“进退预后”的方式，其为中医辩证论治诊疗过程中的重要环节。但如今，缺乏将中医脉诊与脉搏检测设备结合的设计，这有助于中医学的现代化、智能化和归一化。将柔性压力传感器嵌入在手腕穿戴式设备中，长期与稳定地获取脉搏波信号，可以为中医脉诊起到重要的辅助作用。
当前有光学、声学、力学等一系列传感器。其中光学传感器在市场上占有主要份额，压力传感器Pressure Transducer的应用较少。在力学传感器上，有压阻式、压电式、电容式、晶体管式、摩擦电式种种，其中压阻式结构应用广泛、设计简单、灵敏度较高。但其受到聚合物基复合材料的固有粘弹性的影响，传感器普遍有迟滞现象，时间响应较慢；且电学特性受温度影响较大。当前。压阻式压力传感器主要利用覆铜与聚酰亚胺制作，其材料杨氏模量较大，无法满足高柔性的要求，也无法满足紧密贴合人体皮肤的要求。
发明内容
为了满足中医现代化规范化的要求并克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环及制造方法。本发明通过传感模块上层的锯齿结构分别对应人体的寸、关、尺三路脉象，传感模块下层涂敷的电极层和压阻式柔性传感单元用于采集人体脉象信息。本发明具有良好灵敏性与稳定性，有助于中医脉诊的客观化与规范化。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环
本发明包括传感模块和手环层，所述传感模块嵌入在手环层端面的中间位置；所述手环层的一端加工为T字形带尾，所述手环层的另一端加工为条形带，且条形带中部间隔开设有多个相互平行分布的条形孔，所述条形孔均平行于T字形带尾的端部，且T字形带尾的端部与条形孔过盈配合；所述手环层的端面的中间位置加工有用于放置传感模块的矩形凹槽，所述手环层靠近T字形带尾的位置开设有矩形空隙，且矩形空隙垂直于条形孔；所述传感模块主要由传感模块上层和传感模块下层自上而下叠加组成。
所述传感模块上层的顶端面间隔开设有三个相互平行且大小不同的小型矩形凹槽，且传感模块上层的每个小型矩形凹槽内均加工有上层锯齿结构，所述传感模块上层通过上层锯齿结构与人体的三路脉象接触；
所述传感模块下层的上表面涂敷有电极层和压阻式柔性传感单元，所述电极层与压阻式柔性传感单元电连接；所述电极层主要包括四组电极组，每组电极组均包括电极线直线型部分和电极线波浪线型部分，且四组电极组的电极线直线型部分分别为第一导线、第二导线、第三导线和第四导线，所述压阻式柔性传感单元主要由第一等效电阻R1、第二等效电阻R2和第三等效电阻R3并联组成，第一等效电阻R1、第二等效电阻R2和第三等效电阻R3的一端同时连接到电极层的一组电极组的电极线波浪线型部分后通过电极线连接到电极层的第三导线，第一等效电阻R1、第二等效电阻R2和第三等效电阻R3的另一端分别通过剩余三组电极组的电极线波浪线型部分分别连接到第一导线、第二导线和第四导线，最终第一导线、第二导线、第三导线和第四导线同时连接到FPC连接端，进而经FPC连接器接入信号采集电路板。
每个所述上层锯齿结构主要由N个平行于条形孔的锯齿形成，每个锯齿主要由锯齿尖端和锯齿基底自上而下配合组成，且锯齿基底与传感模块上层紧密粘合；三个上层锯齿结构的长度各不相同，且分别对应人体的三个穴位，所述锯齿尖端的两侧面均加工为斜面。
所述T字形带尾的端部的四个角为圆角。
所述矩形凹槽底部靠近条形孔处间隔开设有两个用于定位的的圆孔。
所述压阻式柔性传感单元的等效电阻均呈S形，且制作压阻式柔性传感单元的敏感材料布线为波浪型。
所述电极层的横向电极设计为波浪形，且电极层的与人体桡动脉朝向相同部分的纵向电极设计成直线形。
二、感知手环的制造方法
制造方法具体包括以下步骤：
1)制造手环层、传感模块上层、传感模块下层、上层锯齿结构、电极层与压阻式柔性传感单元的模具和丝网印刷版；
2)将各部件对应的原材料分别进行混合配置，所述原材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS液体材料、固化剂、石墨烯、纳米银片、硅橡胶、聚苯基甲基硅氧烷、氧化锌和四氢呋喃；然后将配置好的混合溶液分别经离心搅拌后脱泡，再将脱泡后的混合溶液分别刮涂填充进各部件对应的模具或丝网印刷版中，最后加热固化成型，完成手环层、传感模块上层、传感模块下层、上层锯齿结构、电极层与压阻式柔性传感单元的制造；
3)将传感模块和手环层进行封装，完成感知手环的制造。
所述手环层、上层锯齿结构和传感模块下层均主要采用硬化聚二甲基硅氧烷PDMS混合材料制成，所述硬化PDMS混合材料主要由聚二甲基硅氧烷PDMS液体材料、混合有10％的硅橡胶基的固化剂和混合有5％的硅橡胶基的纳米二氧化硅粉末以20:2:1的质量比进行混合形成；
所述传感模块上层主要由聚二甲基硅氧烷PDMS液体材料和固化剂以10:1的质量比进行混合形成；
所述电极层采用石墨烯GR/银纳米片AgNF/硅橡胶SR纳米复合材料制成，所述石墨烯GR/银纳米片AgNF/硅橡胶SR纳米复合材料主要由硅橡胶、AgNF、石墨烯GR、聚乙烯吡咯烷酮PVP、四氢呋喃以100：66：4：1：100的质量比进行混合形成；
所述压阻式柔性传感单元采用另一种纳米复合材料制成，所述另一种纳米复合材料主要由硅橡胶SR、发泡剂、石墨烯GR、银纳米片AgNF、ZnO、聚二甲基硅氧烷PPMS以100：5：4：49：3：100的质量比进行混合制成。
所述丝网印刷版为采用激光切割技术加工成的金属掩模板。
本发明的有益效果是：
(1)本发明与中医脉诊紧密结合，辅助医师实现三部九侯的科学化、具象化。
(2)本发明具有较好的柔性，通过设计矩形空隙来适应手腕外周上的桡骨茎突，并且通过设计多个孔口调节松紧来与上层与皮肤紧紧贴合。另外，采用聚二甲基硅氧烷材料具有一定的柔韧性、弹性、亲肤性，大大提升手环层佩戴时的舒适感。
(3)为了满足脉搏搏动产生的低于10kPa的低压范围内的检测以及手腕绑紧并且施加压力后的检测，传感单元的检测范围有所改善。具有较高单个传感单元的检测区域能明显感受到桡动脉搏动压力宽度的3倍以上，提高传感检测范围，提高了佩戴位置的容错率。传感单元及电极受到温度变化而产生的影响可以被忽略不计。此外，锯齿结构的应用也减少敏感元件的受压面积的同时增加了局部应变；其手腕轴向的朝向设置，在受压时能减少电流通路的截面积，进一步增加电阻变大的趋势。
(4)基于二维石墨烯薄膜的传感器只能承受拉伸变形而不能承受压缩变形，基于三维石墨烯的传感器在受到外力时，可以在水平和垂直方向上均进行伸缩，承受较大的压力和应变。所以，本发明采用三维石墨烯并将其分布设计成波浪形，使电极受拉时不易发生断裂。
(5)具有较好的稳定性、较快响应特性、较低迟滞，较好的可重复性。
(6)具有较好的耐用性，通过将手环层与传感模块分开制作、紧密贴合的设计，当传感模块发生损坏，可以在局部进行重造，减少材料浪费。
附图说明
图1是本发明中感知手环层分层结构拆分立体图；
图2是本发明锯齿结构平面图；
图3是本发明单个锯齿结构图；
图4是本发明电极层平面图；
图5是本发明单个传感单元的尺寸图；
图6是本发明敏感材料的丝网印刷版示意图；
图7是本发明电极层的丝网印刷版示意图；
图8是本发明制作流程示意图；
图9是本发明传感单元等效电路图；
图10是本发明手环层的尺寸图；
图11是本发明信息采集工作电路原理图；
图12是本发明一种实施例中传感单元灵敏度曲线图；
图13是本发明一种实施例中传感单元在不同幅值载荷循环下的相对电阻变化图；
图14是本发明一种实施例中传感单元滤去手腕活动造成的信号波动的电阻归一化的脉搏波示意图；
图15是选取图14中单周期脉搏波的波形图。
图中所示：1-矩形凹陷，2-上层锯齿结构，3-传感模块上层，4-压阻式柔性传感单元，5-传感模块下层，6-电极层，7-第一锯齿，8-第二锯齿，9-第三锯齿，13-T字形带尾，14-矩形空隙，15-条形孔，16-锯齿尖端，17-锯齿基底，18-电极线直线型部分，19-电极线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本感知手环包括传感模块和手环层，传感模块嵌入在手环层端面的中间位置；手环层的一端加工为T字形带尾13，手环层的另一端加工为条形带，且条形带中部间隔开设有六个个相互平行分布的条形孔15，条形孔15均平行于T字形带尾13的端部，且T字形带尾13的端部与条形孔15过盈配合，即T字形带尾13的端部的宽度与长度均分别大于条形孔15的宽度与长度；手环层的端面的中间位置加工有用于放置传感模块的矩形凹槽1，手环层靠近T字形带尾13的位置开设有矩形空隙14，且矩形空隙14垂直于条形孔15，以适应桡骨茎突，提高手环层与皮肤的紧密贴合度；传感模块主要由传感模块上层3和传感模块下层5自上而下叠加组成。
传感模块上层3的顶端面间隔开设有三个相互平行且大小不同的小型矩形凹槽，且传感模块上层3的每个小型矩形凹槽内均加工有上层锯齿结构2，传感模块上层3通过上层锯齿结构2与人体的三路脉象接触；
如图4-7所示，传感模块下层5的上表面涂敷有电极层6和压阻式柔性传感单元4，电极层6与压阻式柔性传感单元4电连接；电极层6主要包括四组电极组，每组电极组均包括电极线直线型部分18和电极线波浪线型部分，且四组电极组的电极线直线型部分18分别为第一导线、第二导线、第三导线和第四导线，如图9所示，压阻式柔性传感单元4主要由第一等效电阻R1、第二等效电阻R2和第三等效电阻R3并联组成，第一等效电阻R1、第二等效电阻R2和第三等效电阻R3的一端同时连接到电极层6的一组电极组的电极线波浪线型部分后通过电极线19连接到电极层6的第三导线，第一等效电阻R1、第二等效电阻R2和第三等效电阻R3的另一端分别通过剩余三组电极组的电极线波浪线型部分分别连接到第一导线、第二导线和第四导线，最终第一导线、第二导线、第三导线和第四导线同时连接到FPC连接端，进而经FPC连接器接入信号采集电路板。
如图2和图3所示，每个上层锯齿结构2主要由六个平行于条形孔15的锯齿形成，每个锯齿主要由锯齿尖端16和锯齿基底17自上而下配合组成，且锯齿基底17与传感模块上层3紧密粘合，具体的，三个上层锯齿结构2分别为第一锯齿7、第二锯齿8和第三锯齿9；三个上层锯齿结构2的长度各不相同，且分别对应人体的三个穴位，即寸、关和尺，三个穴位的长度不同，分别约为1.5cm、0.75cm和2.5cm；为便于脱模，锯齿尖端16的两侧面均加工为斜面。
T字形带尾13的端部的四个角为圆角，T字形带尾13的尺寸为10mm×30mm，佩戴时从外向内卡入孔口；M个条形孔15的宽度均为4mm，每两个相邻条形孔15之间的间距为8mm，手环层调整范围为48mm，适用于大部分成年人与儿童；矩形凹槽1的宽度为54mm，矩形凹槽1的长度为45mm，与寸、关、尺三个穴位的总长度相近。具体的，由于人体的臂长与身长不同，人体寸、关、尺三个穴位的长度也不完全相同。其中，关即人体尺骨茎突附近0.75cm处，寸即人体的关朝向人体手掌方向1.5cm处，尺即人体的关朝向人体手掌方向2.5cm处，具体长度因人而异。
矩形凹槽1底部靠近条形孔15处间隔开设有两个用于定位的直径为3mm的圆孔。
压阻式柔性传感单元4的等效电阻均呈S形，且制作压阻式柔性传感单元4的敏感材料布线为波浪型。
电极层6的横向电极设计为波浪形，且电极层6的与人体桡动脉朝向相同部分的纵向电极设计成直线形。
如图8所示，制造方法具体包括以下步骤：
1)制造手环层、传感模块上层3、传感模块下层5、上层锯齿结构2、电极层6与压阻式柔性传感单元4的模具和丝网印刷版；
其中，模具为具有各部件图案化凹槽的模具，其采用3D打印工艺进行加工制造。打印材料选用8000型的白色光敏树脂以获取更高精度。将模具放入无水乙醇中超声处理15分钟，去除模具后在凹槽内均匀喷涂脱模剂，并于常温下静置。
2)将各部件对应的原材料分别进行混合配置，原材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS液体材料、固化剂、石墨烯、纳米银片、硅橡胶、聚苯基甲基硅氧烷、氧化锌和四氢呋喃；然后将配置好的混合溶液分别经离心搅拌3分钟后再脱泡1分钟，再将脱泡后的混合溶液分别刮涂填充进各部件对应的模具或丝网印刷版中，最后在90℃的温度下加热固化成型，完成手环层、传感模块上层3、传感模块下层5、上层锯齿结构2、电极层6与压阻式柔性传感单元4的制造；
3)将传感模块和手环层进行封装，完成感知手环的制造。
具体的，在传感模块上层3与传感模块下层5结合处的边缘部分及传感模块与手环层结合处的边缘部分均涂覆有聚二甲基硅氧烷PDMS混合材料用于封装，最后将感知手环整体置于抗坏血酸溶液中加热，完成感知手环层的制造。
手环层、上层锯齿结构2和传感模块下层5均主要采用硬化聚二甲基硅氧烷PDMS混合材料制成，硬化聚二甲基硅氧烷PDMS混合材料主要由聚二甲基硅氧烷PDMS液体材料、混合有10％的硅橡胶基的固化剂和混合有5％的硅橡胶基的纳米二氧化硅粉末以20:2:1的质量比进行混合形成；
其中，传感模块上层3主要由聚二甲基硅氧烷PDMS液体材料和固化剂以10:1的质量比进行混合形成；
其中，电极层6采用石墨烯GR/银纳米片AgNF/硅橡胶SR纳米复合材料制成，石墨烯GR/银纳米片AgNF/硅橡胶SR纳米复合材料主要由硅橡胶、AgNF、石墨烯GR、聚乙烯吡咯烷酮PVP、四氢呋喃以100：66：4：1：100的质量比进行混合形成；
其中，压阻式柔性传感单元4采用另一种纳米复合材料制成，另一种纳米复合材料主要由硅橡胶SR、发泡剂、石墨烯GR、银纳米片AgNF、ZnO、聚二甲基硅氧烷PPMS以100：5：4：49：3：100的质量比进行混合制成。
优选的，丝网印刷版为采用激光切割技术加工成的金属掩模板。
在本发明的一种实施例中，如图11所示，初始时，断开连接第一等效电阻R1、第二等效电阻R2和第三等效电阻R3的模拟开关。扫描开始时，数字信号处理器控制连接共用线的模拟开关始终闭合，闭合连接第一等效电阻R1的模拟开关，传感单元的等效电阻为兆欧级，电压经运算放大器放大后，由数字信号处理器的模数转换模块，将模拟信号转化为数字信号，再由串行通信接收接口将信号传输至上位机。之后，连接第一等效电阻R1的模拟开关断开，连接第二等效电阻R2的模拟开关闭合，电压信号经过放大、模数转换后传输至上位机。按照上述流程循环，不断扫描得到来自三个传感器的信号。数字信号处理器的最高主频为150MHz，能在1个周期内完成32×32位的乘法。
在本发明的一种实施例中，如图12所示，使用动磁式多维动态精密加载平台与台式数字万用表对感知手环层灵敏度进行了测定，其中相对电阻ΔR/R0与压力的线性关系良好，灵敏度约为0.18kPa-1。
在本发明的一种实施例中，如图13所示，在动磁式多维动态精密加载平台的上位机操作界面中，设置加载头位移的波形为三角波，加载频率为1Hz，先后对传感单元施加压强峰值为5kPa、10kPa、15kPa的压力，每组压力相同的循环载荷加载5个周期，加载不同压强峰值的压力的间隔为1s，所得到相对电阻ΔR/R0的峰值与压强峰值成比例关系，与灵敏度标定数据吻合较好。
在本发明的一种实施例中，如图14所示，设置滤波器类型为70阶低通FIR滤波器，截至频率为4Hz，滤去高频噪声干扰，处理并归一化。受试者在27s内脉搏波动32次，可以计算出心率为71bpm，在成年人静息时正常心率范围内。选取图14中第5个心动周期进行分析，如图15所示可得动脉僵硬度指数AIr＝P2/P1＝0.35。受试者身高h＝1.73m，动脉僵硬度衡量指标ΔTDVP＝0.33s，故动脉僵硬度指数SI＝h/ΔTDVP＝5.24，受试者年龄22岁，动脉硬化指数在该年龄段对应的正常范围内。
如图10所示，本发明实施例中的手环层与传感模块各参数具体如下：
传感模块上层3与传感模块下层5的尺寸均为53mm×72mm×3mm。传感模块上层3的顶端到有锯齿凹陷的凸台距离为0.6mm，锯齿的凸台到凹下部分底端距离为1.2mm。传感模块下层5接触电极的部分从0.8mm的深度平滑过渡到0.3mm。手环层整体尺寸为312mm×65mm×3mm。整体手环层的厚度为2mm，总宽度为54mm，总长度为300mm。矩形凹槽1的厚度为1.2mm、长度为45mm及宽度为54mm。矩形凹槽1内两个发挥定位作用的圆孔的直径为3mm。矩形凹槽1左侧40mm处的6个长条孔口的缝隙为4mm，每个孔口相隔8mm。矩形凹槽1右侧的矩形空隙长36mm，宽为18mm，留有4个半径为6mm的圆角。传感模块上层3的总厚度为1mm，锯齿对应寸这一排的底面长度为11.50mm，上沿长度为8.50mm；对应关的这一排长度为7.50mm，上沿长度为4.50mm；对应尺这一排的长度为18.00mm，上沿长度为15.00mm。各排之间的距离为4.00mm。每排锯齿与锯齿间距离为1.50mm，单个锯齿的垂直厚度为1.30mm，其中底层长方形厚度为0.10mm，宽度为1.50mm。传感模块下层5的厚度为0.80mm，电极层6的厚度为0.10mm，宽度约为0.50mm。压阻式柔性传感单元4的厚度为0.50mm，其中各自对应寸、关、尺的敏感材料之间的距离分别为6.50mm和9.75mm。如图5所示，波浪形的圆弧为60°角，半径为1.00mm，电极层波浪形状与敏感材料相同。
上述具体实施方式是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环，其特征在于：包括传感模块和手环层，所述传感模块嵌入在手环层端面的中间位置；所述手环层的一端加工为T字形带尾(13)，所述手环层的另一端加工为条形带，且条形带中部间隔开设有多个相互平行分布的条形孔(15)，所述条形孔(15)均平行于T字形带尾(13)的端部，且T字形带尾(13)的端部与条形孔(15)过盈配合；所述手环层的端面的中间位置加工有用于放置传感模块的矩形凹槽(1)，所述手环层靠近T字形带尾(13)的位置开设有矩形空隙(14)，且矩形空隙(14)垂直于条形孔(15)；所述传感模块主要由传感模块上层(3)和传感模块下层(5)自上而下叠加组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环，其特征在于：所述传感模块上层(3)的顶端面间隔开设有三个相互平行且大小不同的小型矩形凹槽，且传感模块上层(3)的每个小型矩形凹槽内均加工有上层锯齿结构(2)，所述传感模块上层(3)通过上层锯齿结构(2)与人体的三路脉象接触；
所述传感模块下层(5)的上表面涂敷有电极层(6)和压阻式柔性传感单元(4)，所述电极层(6)与压阻式柔性传感单元(4)电连接；所述电极层(6)主要包括四组电极组，每组电极组均包括电极线直线型部分(18)和电极线波浪线型部分，且四组电极组的电极线直线型部分(18)分别为第一导线、第二导线、第三导线和第四导线，所述压阻式柔性传感单元(4)主要由第一等效电阻R1、第二等效电阻R2和第三等效电阻R3并联组成，第一等效电阻R1、第二等效电阻R2和第三等效电阻R3的一端同时连接到电极层(6)的一组电极组的电极线波浪线型部分后通过电极线(19)连接到电极层(6)的第三导线，第一等效电阻R1、第二等效电阻R2和第三等效电阻R3的另一端分别通过剩余三组电极组的电极线波浪线型部分分别连接到第一导线、第二导线和第四导线，最终第一导线、第二导线、第三导线和第四导线同时连接到FPC连接端，进而经FPC连接器接入信号采集电路板。
3.根据权利要求2所述的一种基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环，其特征在于：每个所述上层锯齿结构(2)主要由N个平行于条形孔(15)的锯齿形成，每个锯齿主要由锯齿尖端(16)和锯齿基底(17)自上而下配合组成，且锯齿基底(17)与传感模块上层(3)紧密粘合；三个上层锯齿结构(2)的长度各不相同，且分别对应人体的三个穴位，所述锯齿尖端(16)的两侧面均加工为斜面。
4.根据权利要求1所述的一种基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环，其特征在于：所述T字形带尾(13)的端部的四个角为圆角。
5.根据权利要求1所述的一种基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环，其特征在于：所述矩形凹槽(1)底部靠近条形孔(15)处间隔开设有两个用于定位的的圆孔。
6.根据权利要求2所述的基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环，其特征在于：所述压阻式柔性传感单元(4)的等效电阻均呈S形，且制作压阻式柔性传感单元(4)的敏感材料布线为波浪型。
7.根据权利要求2所述的基于压阻式柔性传感器的三路脉象感知手环，其特征在于：所述电极层(6)的横向电极设计为波浪形，且电极层(6)的与人体桡动脉朝向相同部分的纵向电极设计成直线形。
8.应用于权利要求1-7任一所述感知手环的制造方法，其特征在于：制造方法具体包括以下步骤：
1)制造手环层、传感模块上层(3)、传感模块下层(5)、上层锯齿结构(2)、电极层(6)与压阻式柔性传感单元(4)的模具和丝网印刷版；
2)将各部件对应的原材料分别进行混合配置，所述原材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS液体材料、固化剂、石墨烯、纳米银片、硅橡胶、聚苯基甲基硅氧烷、氧化锌和四氢呋喃；然后将配置好的混合溶液分别经离心搅拌后脱泡，再将脱泡后的混合溶液分别刮涂填充进各部件对应的模具或丝网印刷版中，最后加热固化成型，完成手环层、传感模块上层(3)、传感模块下层(5)、上层锯齿结构(2)、电极层(6)与压阻式柔性传感单元(4)的制造；
3)将传感模块和手环层进行封装，完成感知手环的制造。
9.根据权利要求8所述的感知手环的制造方法，其特征在于：所述手环层、上层锯齿结构(2)和传感模块下层(5)均主要采用硬化聚二甲基硅氧烷PDMS混合材料制成，所述硬化PDMS混合材料主要由聚二甲基硅氧烷PDMS液体材料、混合有10％的硅橡胶基的固化剂和混合有5％的硅橡胶基的纳米二氧化硅粉末以20:2:1的质量比进行混合形成；
所述传感模块上层(3)主要由聚二甲基硅氧烷PDMS液体材料和固化剂以10:1的质量比进行混合形成；
所述电极层(6)采用石墨烯GR/银纳米片AgNF/硅橡胶SR纳米复合材料制成，所述石墨烯GR/银纳米片AgNF/硅橡胶SR纳米复合材料主要由硅橡胶、AgNF、石墨烯GR、聚乙烯吡咯烷酮PVP、四氢呋喃以100：66：4：1：100的质量比进行混合形成；
所述压阻式柔性传感单元(4)采用另一种纳米复合材料制成，所述另一种纳米复合材料主要由硅橡胶SR、发泡剂、石墨烯GR、银纳米片AgNF、ZnO、聚二甲基硅氧烷PPMS以100：5：4：49：3：100的质量比进行混合制成。
10.根据权利要求9所述的感知手环的制造方法，其特征在于：所述丝网印刷版为采用激光切割技术加工成的金属掩模板。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106419859A (zh) * | 2015-09-12 | 2017-02-22 | 解渤 | 可穿戴脉诊仪、智能诊脉手环及手套 |
| CN110108394A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-08-09 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 大面阵分离式压力传感器及其制备方法、水性导电浆料及其制备方法 |
| CN110243506A (zh) * | 2018-03-08 | 2019-09-17 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种压阻式压力传感器及其制备方法 |
| CN110383021A (zh) * | 2017-01-04 | 2019-10-25 | 利弗梅特里克(医疗)股份公司 | 使用电阻式力传感器阵列的血压测量系统 |
| CN111006802A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-04-14 | 华中科技大学 | 一种多模态可变胞柔性传感器及信号采集系统 |
| CN111103076A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-05-05 | 上海交通大学 | 可穿戴式布莱叶盲文识别系统及其识别方法、制备方法 |
| CN112484897A (zh) * | 2020-10-10 | 2021-03-12 | 宁波大学 | 可测量水下横流的柔性压力传感器及其制作与测量方法 |
| CN114795166A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-07-29 | 苏州大学 | 一种电容压力传感器及其制备方法、脉象检测仪 |
-
2022
- 2022-11-01 CN CN202211357548.2A patent/CN115844350A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106419859A (zh) * | 2015-09-12 | 2017-02-22 | 解渤 | 可穿戴脉诊仪、智能诊脉手环及手套 |
| CN110383021A (zh) * | 2017-01-04 | 2019-10-25 | 利弗梅特里克(医疗)股份公司 | 使用电阻式力传感器阵列的血压测量系统 |
| CN110243506A (zh) * | 2018-03-08 | 2019-09-17 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种压阻式压力传感器及其制备方法 |
| CN110108394A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-08-09 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 大面阵分离式压力传感器及其制备方法、水性导电浆料及其制备方法 |
| CN111006802A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-04-14 | 华中科技大学 | 一种多模态可变胞柔性传感器及信号采集系统 |
| CN111103076A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-05-05 | 上海交通大学 | 可穿戴式布莱叶盲文识别系统及其识别方法、制备方法 |
| CN112484897A (zh) * | 2020-10-10 | 2021-03-12 | 宁波大学 | 可测量水下横流的柔性压力传感器及其制作与测量方法 |
| CN114795166A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-07-29 | 苏州大学 | 一种电容压力传感器及其制备方法、脉象检测仪 |
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