專利名稱：一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器及其在睡姿檢測(cè)服 裝上的應(yīng)用，屬于電阻式壓力傳感器及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，具有織物結(jié)構(gòu)的柔性傳感器逐漸引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。與 傳統(tǒng)的傳感器相比，這類新型的傳感器具有可彎曲、可折疊甚至可洗滌的特點(diǎn)， 因此非常適用于穿戴式個(gè)人生理信息與狀態(tài)的檢測(cè)。織物結(jié)構(gòu)是指織物的針織結(jié)構(gòu)或機(jī)織結(jié)構(gòu)?？椢锝Y(jié)構(gòu)的柔性傳感器是指?jìng)鞲?器的敏感元件為一塊具有針織結(jié)構(gòu)或機(jī)織結(jié)構(gòu)的織物，即針織物或機(jī)織物。 一般 地，如果織物的形狀、長(zhǎng)度、溫度或壓力等物理量的變化能夠引起織物的電阻、 電感或電容等電學(xué)量產(chǎn)生相應(yīng)的變化，那么就可以把這樣的織物設(shè)計(jì)成為對(duì)應(yīng)物 理量的傳感器。特別地，如果作用在織物上的壓力發(fā)生變化能夠引起織物的電阻 產(chǎn)生相應(yīng)的變化，那么就可以把這樣的織物設(shè)計(jì)成為電阻式壓力傳感器。目前，現(xiàn)有技術(shù)關(guān)于織物結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器主要是具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的電容 式壓力傳感器。例如，意大利人Sergio等(M. Sergio, N. Manaresi， F. Campi, R. Canegallo， M. Tartagni， and R. Guerrieri， A dynamically reconfigurable monolithic CMOS pressure sensor for smart fabric, IEEE Journal of Solid-state circuits, 38(6) (2003) 966-975.)公開了一種由導(dǎo)電纖維機(jī)織的 電容式壓力傳感器。當(dāng)壓力作用在這種織物上時(shí)，互相交織的纖維之間的電容將 增大。日本人Hasegawa等(Y. Hasegawa， M. Shikida， D. 0gura， K. Sato, Novel type of fabric tactile sensor made from artificial hollow fiber, Proceedings of the IEEE Twentieth Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Kobe, Japan, Jan. 21-25, 2007, 478-481.)公開了一種由彈性中空纖維機(jī)織的電容式壓力傳感器，其中互相交織 的兩根中空纖維之間的接觸壓力大小可通過(guò)測(cè)量這兩根中空纖維之間的電容而 得到。然而，現(xiàn)有技術(shù)并未公開一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器，也未 公開包括這種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器在睡姿檢測(cè)服裝上的應(yīng)用。 例如，美國(guó)人Halleck申請(qǐng)的美國(guó)專利US6356203B1公開的一種測(cè)量身體轉(zhuǎn)動(dòng) 的裝置與方法，是采用兩個(gè)傾斜開關(guān)作為檢測(cè)角度的傳感器，來(lái)判斷身體左右兩 個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。中國(guó)人宋維金申請(qǐng)的中國(guó)專利200520017443.8公開的一種睡 眠姿勢(shì)監(jiān)測(cè)裝置，是以一個(gè)帶有電極的填充了導(dǎo)電液體的腔體作為傳感器，并根 據(jù)導(dǎo)電液體在腔體內(nèi)的不同位置來(lái)對(duì)應(yīng)不同的睡眠姿勢(shì)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器以及其在 睡姿檢測(cè)服裝上的應(yīng)用。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的產(chǎn)品技術(shù)方案是提供了一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔 性電阻式壓力傳感器，由導(dǎo)電纖維組成，其特征在于，所述導(dǎo)電纖維互相交織而 成為機(jī)織物，所述機(jī)織物的全部經(jīng)紗之間互相連接，所述機(jī)織物的全部緯紗之間 互相連接，全部所述經(jīng)紗與全部所述緯紗之間的整體電阻隨所述機(jī)織物上的壓力 而變化?？筛鶕?jù)Holm電接觸理論推導(dǎo)出所述經(jīng)紗與所述諱紗之間的接觸電阻與 所述壓力的關(guān)系，而由于所述機(jī)織物的全部經(jīng)紗之間互相連接，所述機(jī)織物的全 部緯紗之間互相連接，因此可以推導(dǎo)出全部經(jīng)紗與全部諱紗之間的整體電阻是所 有的經(jīng)紗與緯紗交織點(diǎn)處接觸電阻的函數(shù)，因此全部所述經(jīng)紗與全部所述緯紗之 間的整體電阻隨所述機(jī)織物上的壓力而變化。本發(fā)明的用途技術(shù)方案是提供了一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感 器的應(yīng)用，其特征在于，將所述具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器應(yīng)用在睡 姿檢測(cè)服裝上。本發(fā)明提供的一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器的傳感機(jī)理為每
根經(jīng)紗與緯紗交織點(diǎn)處的接觸電阻是接觸面積的函數(shù)，而接觸面積是接觸壓力的 函數(shù)；同時(shí)，整個(gè)機(jī)織物的經(jīng)紗與緯紗之間的整體電阻可看作為由若干單一紗線 之間的接觸電阻與紗線(纖維)固有電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)作用于整個(gè)機(jī)織物 上的壓力發(fā)生變化時(shí)，機(jī)織物的總電阻將隨著壓力的變化而變化，其表達(dá)式可由 理論推導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)擬合得到。由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積 極效果本發(fā)明是一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性傳感器，具有可彎曲、可折疊甚至可 洗滌的特點(diǎn)，因此非常適用于穿戴式個(gè)人生理信息與狀態(tài)的檢測(cè)；設(shè)置有這種柔 性傳感器的睡姿檢測(cè)服裝，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)睡眠狀態(tài)下穿著者身體前部、后部、左 側(cè)及右側(cè)部位所受到的壓力信號(hào)并判斷其睡眠姿勢(shì)，特別適用于預(yù)防嬰兒猝死綜 合征(SIDS)或降低其發(fā)生率，也可用于病人的實(shí)時(shí)睡姿檢測(cè)。


圖1是本發(fā)明的并聯(lián)式柔性電阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明的串聯(lián)式柔性電阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明的并聯(lián)式柔性電阻式壓力傳感器等效電路圖； 圖4是本發(fā)明的串聯(lián)式柔性電阻式壓力傳感器等效電路圖；圖5是本發(fā)明提供的柔性電阻式壓力傳感器在睡姿檢測(cè)服裝上的應(yīng)用的正面示 意圖；圖6是本發(fā)明提供的柔性電阻式壓力傳感器在睡姿檢測(cè)服裝上的應(yīng)用的反面示 意圖；圖7是本發(fā)明的睡姿檢測(cè)綁帶結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是本發(fā)明的睡姿檢測(cè)報(bào)警原理圖；圖9是本發(fā)明的柔性電阻式壓力傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換電路圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明
本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，但等價(jià)形式的改動(dòng)或修改 同樣落于本申請(qǐng)所述權(quán)利要求書所限定的范圍。實(shí)施例1如圖l所述為本發(fā)明的并聯(lián)式柔性電阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖，由導(dǎo)電纖維組 成，該導(dǎo)電纖維互相交織而成為具有平紋組織結(jié)構(gòu)的機(jī)織物，所述機(jī)織物的全部 經(jīng)紗12之間互相并聯(lián)，所述機(jī)織物的全部緯紗11之間互相并聯(lián)，從而全部經(jīng)紗 12與全部緯紗11之間的整體電阻是所有單一經(jīng)紗12與緯紗11之問(wèn)的接觸電阻 的函數(shù)，且接觸電阻隨機(jī)織物上的壓力而變化。經(jīng)紗12與緯紗11都選用硬度為107Pa、直徑為0. 5mm的導(dǎo)電纖維，經(jīng)紗12 與緯紗11的根數(shù)都為100 (圖1和圖3中以4根為例)，經(jīng)紗12的電阻率為 0, lQ-m，諱紗11的電阻率為1000Q'm。如圖3所示為本發(fā)明的并聯(lián)式柔性電阻式壓力傳感器等效電路圖，其中，電 阻R,和電阻Re分別是指諱紗本身電阻和緯紗與經(jīng)紗交織點(diǎn)處的接觸電阻。如圖5及圖6所示分別為本發(fā)明提供的柔性電阻式壓力傳感器在睡姿檢測(cè)服 裝上的應(yīng)用的正面及反面示意圖，主要包括一件服裝基體9和設(shè)置在該服裝基體 9上的4個(gè)具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器1。其中，這些具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器1分別設(shè)置在對(duì)應(yīng)于服裝 基體1的前胸、后背、左側(cè)與右側(cè)部位。如圖8所示為本發(fā)明的睡姿檢測(cè)報(bào)警原理圖，所述柔性電阻式壓力傳感器1 連接相互串聯(lián)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路21、微控制器22、報(bào)警電路23以及天線24。其中，如圖1所示，所述柔性電阻式壓力傳感器1的經(jīng)紗12與緯紗11上各 引出一根導(dǎo)線連接信號(hào)轉(zhuǎn)換電路21。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路21可以采用如圖9所示的電路實(shí)現(xiàn)，圖9其中Us為一個(gè)電壓 源，Uo為輸出電壓，Ri為可變電阻(即所述的柔性電阻式壓力傳感器1)， R2 為一個(gè)固定電阻。當(dāng)睡姿檢測(cè)服裝的穿著者處于俯臥位、左側(cè)臥位或右側(cè)臥位睡眠姿勢(shì)時(shí)，對(duì) 應(yīng)部位的柔性電阻式壓力傳感器1的電阻在壓力作用下發(fā)生變化(即R!發(fā)生變 化)，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路21將該電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，微控制器22將該電壓信 號(hào)轉(zhuǎn)換為睡姿信息，并通過(guò)報(bào)警電路23和天線24將睡姿信息告知相關(guān)者。實(shí)施例2圖2為本發(fā)明的串聯(lián)式柔性電阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。如該圖所示，本實(shí)施 例與實(shí)施例1的不同之處在于，所述機(jī)織物的全部經(jīng)紗12之間互相并聯(lián)，所述 機(jī)織物的全部緯紗11之間互相串聯(lián)。經(jīng)紗12與諱紗11都選用硬度為107Pa、直徑為lmm的導(dǎo)電纖維，經(jīng)紗12與 緯紗11的根數(shù)都為50(圖2和圖4中以4根為例)，經(jīng)紗12的電阻率為0. OlQ-m， 緯紗11的電阻率為10Q'm。圖4為本發(fā)明的串聯(lián)式柔性電阻式壓力傳感器等效電路圖，其中，電阻R, 和電阻fc分別是指煒紗本身電阻和諱紗與經(jīng)紗交織點(diǎn)處的接觸電阻。本實(shí)施例的其他部分與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3圖7為本發(fā)明的睡姿檢測(cè)綁帶結(jié)構(gòu)示意圖，如該圖所示，本實(shí)施例與實(shí)施例 l的不同之處在于，服裝基體9為綁帶，其他與實(shí)施例l相同。
權(quán)利要求
1. 一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器，由導(dǎo)電纖維組成，其特征在于，所述導(dǎo)電纖維互相交織而成為機(jī)織物，所述機(jī)織物的全部經(jīng)紗(12)之間互相連接，所述機(jī)織物的全部緯紗(11)之間互相連接，全部所述經(jīng)紗(12)與全部所述緯紗(11)之間的整體電阻隨該機(jī)織物上的壓力而變化。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器，其特征在 于，所述機(jī)織物具有平紋組織結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求l所述的一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器，其特征在 于，所述連接為并聯(lián)或者串聯(lián)。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器，其特征在 于，所述經(jīng)紗(12)為電阻率介于0. 01 0. lQTn的導(dǎo)電纖維，所述緯紗(ll) 為電阻率介于10 10000Q'm的導(dǎo)電纖維。
5. 如權(quán)利要求l所述的一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器，其特征在 于，所述全部經(jīng)紗(12)或所述全部緯紗(11)為20 200根。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器，其特征在 于，所述經(jīng)紗(12)和所述緯紗(11)為硬度介于106 10卞3的導(dǎo)電纖維。
7. —種如權(quán)利要求l所述的具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器的應(yīng)用，其 特征在于，將所述具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器(1)應(yīng)用在睡姿 檢測(cè)服裝(9)上。
8. 如權(quán)利要求7所述的一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器的應(yīng)用，其 特征在于，分別將柔性電阻式壓力傳感器(1)設(shè)置在所述睡姿檢測(cè)服裝(9) 的前胸、后背、左側(cè)與右側(cè)。
9. 如權(quán)利要求8所述的一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器的應(yīng)用，其 特征在于，所述柔性電阻式壓力傳感器(1)連接相互串聯(lián)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(21)、微控制器(22)、報(bào)警電路(23)以及天線(24)。
10. 如權(quán)要求7至9中任一項(xiàng)所述的一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器 的應(yīng)用，其特征在于，所述睡姿檢測(cè)服裝(9)為綁帶。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器，由導(dǎo)電纖維組成，其特征在于，所述導(dǎo)電纖維互相交織而成為機(jī)織物，所述機(jī)織物的全部經(jīng)紗之間互相連接，所述機(jī)織物的全部緯紗之間互相連接，全部所述經(jīng)紗與全部所述緯紗之間的整體電阻隨該機(jī)織物上的壓力而變化。本發(fā)明的用途技術(shù)方案是提供了一種具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器的用途，其特征在于，將所述具有機(jī)織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器應(yīng)用在睡姿檢測(cè)服裝上。本發(fā)明具有可彎曲、可折疊甚至可洗滌的特點(diǎn)，非常適用于穿戴式個(gè)人生理信息與狀態(tài)的檢測(cè)。
文檔編號(hào)A61B5/103GK101393058SQ20081020214
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月3日
發(fā)明者丁永生, 李龍飛 申請(qǐng)人:東華大學(xué)