基於壓阻式柔性傳感器的三路脈象感知手環及製造方法與流程
2024-04-12 10:47:05 2
1.本發明涉及了感知手環領域的一種三路脈象感知手環及製造方法，尤其涉及基於壓阻式柔性傳感器的三路脈象感知手環及製造方法。
背景技術：
2.橈動脈壓力波由三個波組成：一個由主動脈近心端產生的前向波和兩個反射波即手部區域和下半身較晚到達的波。上升支末端峰值p1，下半身反射波峰值減去舒張末壓p2，p2/p1作為橈動脈增強指數air。δtdvp為一個心動周期內，p1峰與p2峰的時間差，是作為衡量動脈僵硬度的指標。
3.橈動脈壓力波波形可以為心血管疾病的診斷和治療提供有價值的信息，例如動脈硬化、高血壓、心律失常、心房顫動等。許多血流動力學參數，如動脈硬化指數、上搏時間、每搏量變化和心輸出量可以直接從壓力波形中實時計算和估計。隨著彈性動脈變硬，脈搏波速度增加，來自下半身的反射波更早返回橈動脈，導致δtdvp降低與air增加，從而估計動脈僵硬度。
4.此外，通過求脈搏波波形在時域上的導數能夠精確地分析波形的突然變化和時移，來區分健康者和動脈硬化患者。
5.醫師通過檢查人體脈搏波來評估健康狀況的方式具有悠久的歷史。其中，中醫脈診是一種通過舉、按、尋這三個步驟，在臨床上以不同力度按壓人體寸、關、尺這三路脈象推斷疾病的「進退預後」的方式，其為中醫辯證論治診療過程中的重要環節。但如今，缺乏將中醫脈診與脈搏檢測設備結合的設計，這有助於中醫學的現代化、智能化和歸一化。將柔性壓力傳感器嵌入在手腕穿戴式設備中，長期與穩定地獲取脈搏波信號，可以為中醫脈診起到重要的輔助作用。
6.當前有光學、聲學、力學等一系列傳感器。其中光學傳感器在市場上佔有主要份額，壓力傳感器pressure transducer的應用較少。在力學傳感器上，有壓阻式、壓電式、電容式、電晶體式、摩擦電式種種，其中壓阻式結構應用廣泛、設計簡單、靈敏度較高。但其受到聚合物基複合材料的固有粘彈性的影響，傳感器普遍有遲滯現象，時間響應較慢；且電學特性受溫度影響較大。當前。壓阻式壓力傳感器主要利用覆銅與聚醯亞胺製作，其材料楊氏模量較大，無法滿足高柔性的要求，也無法滿足緊密貼合人體皮膚的要求。
技術實現要素：
7.為了滿足中醫現代化規範化的要求並克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種基於壓阻式柔性傳感器的三路脈象感知手環及製造方法。本發明通過傳感模塊上層的鋸齒結構分別對應人體的寸、關、尺三路脈象，傳感模塊下層塗敷的電極層和壓阻式柔性傳感單元用於採集人體脈象信息。本發明具有良好靈敏性與穩定性，有助於中醫脈診的客觀化與規範化。
8.本發明採用的技術方案是：
9.一、一種基於壓阻式柔性傳感器的三路脈象感知手環
10.本發明包括傳感模塊和手環層，所述傳感模塊嵌入在手環層端面的中間位置；所述手環層的一端加工為t字形帶尾，所述手環層的另一端加工為條形帶，且條形帶中部間隔開設有多個相互平行分布的條形孔，所述條形孔均平行於t字形帶尾的端部，且t字形帶尾的端部與條形孔過盈配合；所述手環層的端面的中間位置加工有用於放置傳感模塊的矩形凹槽，所述手環層靠近t字形帶尾的位置開設有矩形空隙，且矩形空隙垂直於條形孔；所述傳感模塊主要由傳感模塊上層和傳感模塊下層自上而下疊加組成。
11.所述傳感模塊上層的頂端面間隔開設有三個相互平行且大小不同的小型矩形凹槽，且傳感模塊上層的每個小型矩形凹槽內均加工有上層鋸齒結構，所述傳感模塊上層通過上層鋸齒結構與人體的三路脈象接觸；
12.所述傳感模塊下層的上表面塗敷有電極層和壓阻式柔性傳感單元，所述電極層與壓阻式柔性傳感單元電連接；所述電極層主要包括四組電極組，每組電極組均包括電極線直線型部分和電極線波浪線型部分，且四組電極組的電極線直線型部分分別為第一導線、第二導線、第三導線和第四導線，所述壓阻式柔性傳感單元主要由第一等效電阻r1、第二等效電阻r2和第三等效電阻r3並聯組成，第一等效電阻r1、第二等效電阻r2和第三等效電阻r3的一端同時連接到電極層的一組電極組的電極線波浪線型部分後通過電極線連接到電極層的第三導線，第一等效電阻r1、第二等效電阻r2和第三等效電阻r3的另一端分別通過剩餘三組電極組的電極線波浪線型部分分別連接到第一導線、第二導線和第四導線，最終第一導線、第二導線、第三導線和第四導線同時連接到fpc連接端，進而經fpc連接器接入信號採集電路板。
13.每個所述上層鋸齒結構主要由n個平行於條形孔的鋸齒形成，每個鋸齒主要由鋸齒尖端和鋸齒基底自上而下配合組成，且鋸齒基底與傳感模塊上層緊密粘合；三個上層鋸齒結構的長度各不相同，且分別對應人體的三個穴位，所述鋸齒尖端的兩側面均加工為斜面。
14.所述t字形帶尾的端部的四個角為圓角。
15.所述矩形凹槽底部靠近條形孔處間隔開設有兩個用於定位的的圓孔。
16.所述壓阻式柔性傳感單元的等效電阻均呈s形，且製作壓阻式柔性傳感單元的敏感材料布線為波浪型。
17.所述電極層的橫向電極設計為波浪形，且電極層的與人體橈動脈朝向相同部分的縱向電極設計成直線形。
18.二、感知手環的製造方法
19.製造方法具體包括以下步驟：
20.1)製造手環層、傳感模塊上層、傳感模塊下層、上層鋸齒結構、電極層與壓阻式柔性傳感單元的模具和絲網印刷版；
21.2)將各部件對應的原材料分別進行混合配置，所述原材料包括聚二甲基矽氧烷pdms液體材料、固化劑、石墨烯、納米銀片、矽橡膠、聚苯基甲基矽氧烷、氧化鋅和四氫呋喃；然後將配置好的混合溶液分別經離心攪拌後脫泡，再將脫泡後的混合溶液分別刮塗填充進各部件對應的模具或絲網印刷版中，最後加熱固化成型，完成手環層、傳感模塊上層、傳感模塊下層、上層鋸齒結構、電極層與壓阻式柔性傳感單元的製造；
22.3)將傳感模塊和手環層進行封裝，完成感知手環的製造。
23.所述手環層、上層鋸齒結構和傳感模塊下層均主要採用硬化聚二甲基矽氧烷pdms混合材料製成，所述硬化pdms混合材料主要由聚二甲基矽氧烷pdms液體材料、混合有10％的矽橡膠基的固化劑和混合有5％的矽橡膠基的納米二氧化矽粉末以20:2:1的質量比進行混合形成；
24.所述傳感模塊上層主要由聚二甲基矽氧烷pdms液體材料和固化劑以10:1的質量比進行混合形成；
25.所述電極層採用石墨烯gr/銀納米片agnf/矽橡膠sr納米複合材料製成，所述石墨烯gr/銀納米片agnf/矽橡膠sr納米複合材料主要由矽橡膠、agnf、石墨烯gr、聚乙烯吡咯烷酮pvp、四氫呋喃以100：66：4：1：100的質量比進行混合形成；
26.所述壓阻式柔性傳感單元採用另一種納米複合材料製成，所述另一種納米複合材料主要由矽橡膠sr、發泡劑、石墨烯gr、銀納米片agnf、zno、聚二甲基矽氧烷ppms以100：5：4：49：3：100的質量比進行混合製成。
27.所述絲網印刷版為採用雷射切割技術加工成的金屬掩模板。
28.本發明的有益效果是：
29.(1)本發明與中醫脈診緊密結合，輔助醫師實現三部九侯的科學化、具象化。
30.(2)本發明具有較好的柔性，通過設計矩形空隙來適應手腕外周上的橈骨莖突，並且通過設計多個孔口調節鬆緊來與上層與皮膚緊緊貼合。另外，採用聚二甲基矽氧烷材料具有一定的柔韌性、彈性、親膚性，大大提升手環層佩戴時的舒適感。
31.(3)為了滿足脈搏搏動產生的低於10kpa的低壓範圍內的檢測以及手腕綁緊並且施加壓力後的檢測，傳感單元的檢測範圍有所改善。具有較高單個傳感單元的檢測區域能明顯感受到橈動脈搏動壓力寬度的3倍以上，提高傳感檢測範圍，提高了佩戴位置的容錯率。傳感單元及電極受到溫度變化而產生的影響可以被忽略不計。此外，鋸齒結構的應用也減少敏感元件的受壓面積的同時增加了局部應變；其手腕軸向的朝向設置，在受壓時能減少電流通路的截面積，進一步增加電阻變大的趨勢。
32.(4)基於二維石墨烯薄膜的傳感器只能承受拉伸變形而不能承受壓縮變形，基於三維石墨烯的傳感器在受到外力時，可以在水平和垂直方向上均進行伸縮，承受較大的壓力和應變。所以，本發明採用三維石墨烯並將其分布設計成波浪形，使電極受拉時不易發生斷裂。
33.(5)具有較好的穩定性、較快響應特性、較低遲滯，較好的可重複性。
34.(6)具有較好的耐用性，通過將手環層與傳感模塊分開製作、緊密貼合的設計，當傳感模塊發生損壞，可以在局部進行重造，減少材料浪費。
附圖說明
35.圖1是本發明中感知手環層分層結構拆分立體圖；
36.圖2是本發明鋸齒結構平面圖；
37.圖3是本發明單個鋸齒結構圖；
38.圖4是本發明電極層平面圖；
39.圖5是本發明單個傳感單元的尺寸圖；
40.圖6是本發明敏感材料的絲網印刷版示意圖；
41.圖7是本發明電極層的絲網印刷版示意圖；
42.圖8是本發明製作流程示意圖；
43.圖9是本發明傳感單元等效電路圖；
44.圖10是本發明手環層的尺寸圖；
45.圖11是本發明信息採集工作電路原理圖；
46.圖12是本發明一種實施例中傳感單元靈敏度曲線圖；
47.圖13是本發明一種實施例中傳感單元在不同幅值載荷循環下的相對電阻變化圖；
48.圖14是本發明一種實施例中傳感單元濾去手腕活動造成的信號波動的電阻歸一化的脈搏波示意圖；
49.圖15是選取圖14中單周期脈搏波的波形圖。
50.圖中所示：1-矩形凹陷，2-上層鋸齒結構，3-傳感模塊上層，4-壓阻式柔性傳感單元，5-傳感模塊下層，6-電極層，7-第一鋸齒，8-第二鋸齒，9-第三鋸齒，13-t字形帶尾，14-矩形空隙，15-條形孔，16-鋸齒尖端，17-鋸齒基底，18-電極線直線型部分，19-電極線。
具體實施方式
51.下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
52.如圖1所示，本感知手環包括傳感模塊和手環層，傳感模塊嵌入在手環層端面的中間位置；手環層的一端加工為t字形帶尾13，手環層的另一端加工為條形帶，且條形帶中部間隔開設有六個個相互平行分布的條形孔15，條形孔15均平行於t字形帶尾13的端部，且t字形帶尾13的端部與條形孔15過盈配合，即t字形帶尾13的端部的寬度與長度均分別大於條形孔15的寬度與長度；手環層的端面的中間位置加工有用於放置傳感模塊的矩形凹槽1，手環層靠近t字形帶尾13的位置開設有矩形空隙14，且矩形空隙14垂直於條形孔15，以適應橈骨莖突，提高手環層與皮膚的緊密貼合度；傳感模塊主要由傳感模塊上層3和傳感模塊下層5自上而下疊加組成。
53.傳感模塊上層3的頂端面間隔開設有三個相互平行且大小不同的小型矩形凹槽，且傳感模塊上層3的每個小型矩形凹槽內均加工有上層鋸齒結構2，傳感模塊上層3通過上層鋸齒結構2與人體的三路脈象接觸；
54.如圖4-7所示，傳感模塊下層5的上表面塗敷有電極層6和壓阻式柔性傳感單元4，電極層6與壓阻式柔性傳感單元4電連接；電極層6主要包括四組電極組，每組電極組均包括電極線直線型部分18和電極線波浪線型部分，且四組電極組的電極線直線型部分18分別為第一導線、第二導線、第三導線和第四導線，如圖9所示，壓阻式柔性傳感單元4主要由第一等效電阻r1、第二等效電阻r2和第三等效電阻r3並聯組成，第一等效電阻r1、第二等效電阻r2和第三等效電阻r3的一端同時連接到電極層6的一組電極組的電極線波浪線型部分後通過電極線19連接到電極層6的第三導線，第一等效電阻r1、第二等效電阻r2和第三等效電阻r3的另一端分別通過剩餘三組電極組的電極線波浪線型部分分別連接到第一導線、第二導線和第四導線，最終第一導線、第二導線、第三導線和第四導線同時連接到fpc連接端，進而經fpc連接器接入信號採集電路板。
55.如圖2和圖3所示，每個上層鋸齒結構2主要由六個平行於條形孔15的鋸齒形成，每
個鋸齒主要由鋸齒尖端16和鋸齒基底17自上而下配合組成，且鋸齒基底17與傳感模塊上層3緊密粘合，具體的，三個上層鋸齒結構2分別為第一鋸齒7、第二鋸齒8和第三鋸齒9；三個上層鋸齒結構2的長度各不相同，且分別對應人體的三個穴位，即寸、關和尺，三個穴位的長度不同，分別約為1.5cm、0.75cm和2.5cm；為便於脫模，鋸齒尖端16的兩側面均加工為斜面。
56.t字形帶尾13的端部的四個角為圓角，t字形帶尾13的尺寸為10mm
×
30mm，佩戴時從外向內卡入孔口；m個條形孔15的寬度均為4mm，每兩個相鄰條形孔15之間的間距為8mm，手環層調整範圍為48mm，適用於大部分成年人與兒童；矩形凹槽1的寬度為54mm，矩形凹槽1的長度為45mm，與寸、關、尺三個穴位的總長度相近。具體的，由於人體的臂長與身長不同，人體寸、關、尺三個穴位的長度也不完全相同。其中，關即人體尺骨莖突附近0.75cm處，寸即人體的關朝向人體手掌方向1.5cm處，尺即人體的關朝向人體手掌方向2.5cm處，具體長度因人而異。
57.矩形凹槽1底部靠近條形孔15處間隔開設有兩個用於定位的直徑為3mm的圓孔。
58.壓阻式柔性傳感單元4的等效電阻均呈s形，且製作壓阻式柔性傳感單元4的敏感材料布線為波浪型。
59.電極層6的橫向電極設計為波浪形，且電極層6的與人體橈動脈朝向相同部分的縱向電極設計成直線形。
60.如圖8所示，製造方法具體包括以下步驟：
61.1)製造手環層、傳感模塊上層3、傳感模塊下層5、上層鋸齒結構2、電極層6與壓阻式柔性傳感單元4的模具和絲網印刷版；
62.其中，模具為具有各部件圖案化凹槽的模具，其採用3d列印工藝進行加工製造。列印材料選用8000型的白色光敏樹脂以獲取更高精度。將模具放入無水乙醇中超聲處理15分鐘，去除模具後在凹槽內均勻噴塗脫模劑，並於常溫下靜置。
63.2)將各部件對應的原材料分別進行混合配置，原材料包括聚二甲基矽氧烷pdms液體材料、固化劑、石墨烯、納米銀片、矽橡膠、聚苯基甲基矽氧烷、氧化鋅和四氫呋喃；然後將配置好的混合溶液分別經離心攪拌3分鐘後再脫泡1分鐘，再將脫泡後的混合溶液分別刮塗填充進各部件對應的模具或絲網印刷版中，最後在90℃的溫度下加熱固化成型，完成手環層、傳感模塊上層3、傳感模塊下層5、上層鋸齒結構2、電極層6與壓阻式柔性傳感單元4的製造；
64.3)將傳感模塊和手環層進行封裝，完成感知手環的製造。
65.具體的，在傳感模塊上層3與傳感模塊下層5結合處的邊緣部分及傳感模塊與手環層結合處的邊緣部分均塗覆有聚二甲基矽氧烷pdms混合材料用於封裝，最後將感知手環整體置於抗壞血酸溶液中加熱，完成感知手環層的製造。
66.手環層、上層鋸齒結構2和傳感模塊下層5均主要採用硬化聚二甲基矽氧烷pdms混合材料製成，硬化聚二甲基矽氧烷pdms混合材料主要由聚二甲基矽氧烷pdms液體材料、混合有10％的矽橡膠基的固化劑和混合有5％的矽橡膠基的納米二氧化矽粉末以20:2:1的質量比進行混合形成；
67.其中，傳感模塊上層3主要由聚二甲基矽氧烷pdms液體材料和固化劑以10:1的質量比進行混合形成；
68.其中，電極層6採用石墨烯gr/銀納米片agnf/矽橡膠sr納米複合材料製成，石墨烯
gr/銀納米片agnf/矽橡膠sr納米複合材料主要由矽橡膠、agnf、石墨烯gr、聚乙烯吡咯烷酮pvp、四氫呋喃以100：66：4：1：100的質量比進行混合形成；
69.其中，壓阻式柔性傳感單元4採用另一種納米複合材料製成，另一種納米複合材料主要由矽橡膠sr、發泡劑、石墨烯gr、銀納米片agnf、zno、聚二甲基矽氧烷ppms以100：5：4：49：3：100的質量比進行混合製成。
70.優選的，絲網印刷版為採用雷射切割技術加工成的金屬掩模板。
71.在本發明的一種實施例中，如圖11所示，初始時，斷開連接第一等效電阻r1、第二等效電阻r2和第三等效電阻r3的模擬開關。掃描開始時，數位訊號處理器控制連接共用線的模擬開關始終閉合，閉合連接第一等效電阻r1的模擬開關，傳感單元的等效電阻為兆歐級，電壓經運算放大器放大後，由數位訊號處理器的模數轉換模塊，將模擬信號轉化為數位訊號，再由串行通信接收接口將信號傳輸至上位機。之後，連接第一等效電阻r1的模擬開關斷開，連接第二等效電阻r2的模擬開關閉合，電壓信號經過放大、模數轉換後傳輸至上位機。按照上述流程循環，不斷掃描得到來自三個傳感器的信號。數位訊號處理器的最高主頻為150mhz，能在1個周期內完成32
×
32位的乘法。
72.在本發明的一種實施例中，如圖12所示，使用動磁式多維動態精密加載平臺與臺式數字萬用表對感知手環層靈敏度進行了測定，其中相對電阻δr/r0與壓力的線性關係良好，靈敏度約為0.18kpa-1
。
73.在本發明的一種實施例中，如圖13所示，在動磁式多維動態精密加載平臺的上位機操作界面中，設置加載頭位移的波形為三角波，加載頻率為1hz，先後對傳感單元施加壓強峰值為5kpa、10kpa、15kpa的壓力，每組壓力相同的循環載荷加載5個周期，加載不同壓強峰值的壓力的間隔為1s，所得到相對電阻δr/r0的峰值與壓強峰值成比例關係，與靈敏度標定數據吻合較好。
74.在本發明的一種實施例中，如圖14所示，設置濾波器類型為70階低通fir濾波器，截至頻率為4hz，濾去高頻噪聲幹擾，處理並歸一化。受試者在27s內脈搏波動32次，可以計算出心率為71bpm，在成年人靜息時正常心率範圍內。選取圖14中第5個心動周期進行分析，如圖15所示可得動脈僵硬度指數air＝p2/p1＝0.35。受試者身高h＝1.73m，動脈僵硬度衡量指標δtdvp＝0.33s，故動脈僵硬度指數si＝h/δtdvp＝5.24，受試者年齡22歲，動脈硬化指數在該年齡段對應的正常範圍內。
75.如圖10所示，本發明實施例中的手環層與傳感模塊各參數具體如下：
76.傳感模塊上層3與傳感模塊下層5的尺寸均為53mm
×
72mm
×
3mm。傳感模塊上層3的頂端到有鋸齒凹陷的凸臺距離為0.6mm，鋸齒的凸臺到凹下部分底端距離為1.2mm。傳感模塊下層5接觸電極的部分從0.8mm的深度平滑過渡到0.3mm。手環層整體尺寸為312mm
×
65mm
×
3mm。整體手環層的厚度為2mm，總寬度為54mm，總長度為300mm。矩形凹槽1的厚度為1.2mm、長度為45mm及寬度為54mm。矩形凹槽1內兩個發揮定位作用的圓孔的直徑為3mm。矩形凹槽1左側40mm處的6個長條孔口的縫隙為4mm，每個孔口相隔8mm。矩形凹槽1右側的矩形空隙長36mm，寬為18mm，留有4個半徑為6mm的圓角。傳感模塊上層3的總厚度為1mm，鋸齒對應寸這一排的底面長度為11.50mm，上沿長度為8.50mm；對應關的這一排長度為7.50mm，上沿長度為4.50mm；對應尺這一排的長度為18.00mm，上沿長度為15.00mm。各排之間的距離為4.00mm。每排鋸齒與鋸齒間距離為1.50mm，單個鋸齒的垂直厚度為1.30mm，其中底層長方形
厚度為0.10mm，寬度為1.50mm。傳感模塊下層5的厚度為0.80mm，電極層6的厚度為0.10mm，寬度約為0.50mm。壓阻式柔性傳感單元4的厚度為0.50mm，其中各自對應寸、關、尺的敏感材料之間的距離分別為6.50mm和9.75mm。如圖5所示，波浪形的圓弧為60
°
角，半徑為1.00mm，電極層波浪形狀與敏感材料相同。
77.上述具體實施方式是用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。