一種用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器及制備方法，在醫(yī)療診治、體育運(yùn)動(dòng)、安全防護(hù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
【背景技術(shù)】
[0002]人體運(yùn)動(dòng)傳感器可以用來(lái)檢測(cè)人的身體的各種運(yùn)動(dòng)，如呼吸運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等，從而在醫(yī)療診治、體育健身以及安全防護(hù)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。目前的人體運(yùn)動(dòng)傳感器有基于光學(xué)傳感的人體運(yùn)動(dòng)傳感器、基于紅外傳感的人體運(yùn)動(dòng)傳感器器以及基于壓力傳感的人體運(yùn)動(dòng)傳感器等等。這些人體運(yùn)動(dòng)傳感器按照實(shí)現(xiàn)方式可分為直接式和間接式。直接式人體運(yùn)動(dòng)傳感器包括基于光學(xué)傳感的人體運(yùn)動(dòng)傳感器和基于紅外傳感的人體運(yùn)動(dòng)傳感器。由于受設(shè)備安裝和輻照安全等因素的限制，很多直接式人體運(yùn)動(dòng)傳感器的應(yīng)用只能限于實(shí)驗(yàn)室中。間接式人體運(yùn)動(dòng)傳感器，如基于壓力傳感的人體運(yùn)動(dòng)傳感器，是通過(guò)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)而取得的電信號(hào)進(jìn)行分析而得到人的運(yùn)動(dòng)信息。
[0003]然而，以上所述運(yùn)動(dòng)傳感器或多或少存在一些劣勢(shì)。首先，大部分上述器件本身會(huì)消耗能源，需要外界持續(xù)提供能源，而且很多時(shí)候供能采用的是電池，這就帶來(lái)了更換電池的麻煩。其次，監(jiān)測(cè)設(shè)備復(fù)雜，有些人體運(yùn)動(dòng)傳感器需要很多額外的附件，體積大而且笨重。這些劣勢(shì)都大大限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器及其制造方法，該柔性傳感器用于檢測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)，柔性好，可隨意彎折、拉伸或壓縮，制備簡(jiǎn)單，可隨身攜帶，并且可對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)，如呼吸運(yùn)動(dòng)以及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案:
一種用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器，所述柔性傳感器用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，所述柔性傳感器由柔性好的材料構(gòu)成，可隨意彎折、拉伸或壓縮。
[0006]進(jìn)一步的，所述柔性傳感器包括:柔性聚合物層和電極層，所述柔性聚合物層設(shè)置于所述電極層上表面。
[0007]進(jìn)一步的，所述柔性聚合物層的材料包括:硅橡膠、丁腈橡膠、柔性樹(shù)脂或其他柔性好且可拉伸或者伸縮的絕緣材料。
[0008]進(jìn)一步的，所述電極層的材料包括:鋁箔、銅箔、表面鍍鋁的柔性薄膜、表面鍍銅的柔性薄膜、表面鍍鋁摻氟氧化錫(FTO)的柔性薄膜和表面鍍氧化銦錫(ITO)的柔性薄膜。
[0009]一種用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器的制造方法，包括如下步驟:
a.將厚度為200微米的柔性硅橡膠薄膜裁剪為任意尺寸，制成柔性聚合物層；
b.將厚度為50微米的鋁箔裁剪成小于或者等于柔性聚合物層尺寸，制成電極層；
c.將得到的柔性聚合物層和電極層依次在乙醇、去離子水中超聲清洗二十分鐘，烘干； d.將柔性聚合物層置于電極層上面；
e.將電極層連接導(dǎo)線(xiàn)，即得到柔性傳感器。
[0010]進(jìn)一步的，所述硅橡膠可替換為丁腈橡膠、柔性樹(shù)脂或其它柔性好且可伸縮或者拉伸的絕緣材料。
[0011]進(jìn)一步的，所述鋁箔可替換為銅箔、表面鍍鋁的柔性薄膜、表面鍍銅的柔性薄膜、表面鍍鋁摻氟氧化錫(FTO)的柔性薄膜或表面鍍氧化銦錫(ITO)的柔性薄膜。
[0012]本發(fā)明所提出的用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器具有制備方法簡(jiǎn)單、成本低廉、尺寸任意可調(diào)、易于攜帶、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且其可對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在醫(yī)療診治、體育運(yùn)動(dòng)、安全防護(hù)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器的工作原理示意圖；
圖3為用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器檢測(cè)腹式呼吸時(shí)的示例圖；
圖4為用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器檢測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)的示例圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0015]相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對(duì)本發(fā)明有更好的了解，在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0016]如圖1、圖2所示，一種用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器，所述柔性傳感器用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，由柔性好的材料構(gòu)成，可隨意彎折、拉伸或壓縮，所述柔性傳感器包括:柔性聚合物層I和電極層2，所述柔性聚合物層I設(shè)置于所述電極層2上表面，所述柔性聚合物層I由可拉伸或者壓縮而且絕緣性好的柔性材料構(gòu)成，所述柔性聚合物層I材料包括:硅橡膠、丁腈橡膠、柔性樹(shù)脂或其他柔性好且可拉伸或壓縮的絕緣材料，所述電極層2的材料包括:鋁箔、銅箔、表面鍍鋁的柔性薄膜、表面鍍銅的柔性薄膜、表面鍍鋁摻氟氧化錫(FTO)的柔性薄膜，表面鍍氧化銦錫(ITO)的柔性薄膜。該柔性傳感器的柔性聚合物層I和電極層2在接觸摩擦后分別帶有電荷量相同但極性相反的摩擦電荷，通過(guò)應(yīng)用柔性聚合物層I的拉伸和回縮而引起電極層2電勢(shì)發(fā)生變化，從而驅(qū)動(dòng)電子在電極層2和地電極之間往復(fù)流動(dòng)，產(chǎn)生電信號(hào)。從固定在人體上的柔性傳感器所測(cè)得的電信號(hào)中，可以獲得人體運(yùn)動(dòng)的信息，如關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的幅度和頻率等等。
[0017]檢測(cè)時(shí)，將所述柔性傳感器用粘貼或捆綁等方式固定于人的身體部位，如腹部、關(guān)節(jié)。器件的尺寸可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行裁剪。當(dāng)柔性聚合物層I和電極層2接觸之后，由于摩擦效應(yīng)，柔性聚合物層I的表面會(huì)帶負(fù)電荷而電極層2的表面會(huì)帶正電荷。當(dāng)柔性聚合物層I和電極層2緊密接觸時(shí)，柔性聚合物層表面因?yàn)槟Σ炼a(chǎn)生的負(fù)電荷和電極層表面因?yàn)槟Σ炼a(chǎn)生的正電荷互相抵消，此時(shí)柔性聚合物層I和電極層2之間沒(méi)有電子的轉(zhuǎn)移和電信號(hào)的產(chǎn)生。當(dāng)人體腹式呼吸或者關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，柔性聚合物層I將會(huì)相應(yīng)地發(fā)生拉伸或收縮。由于靜電誘導(dǎo)效應(yīng)，電極層2和地電極之間的電勢(shì)差將產(chǎn)生變化，該電勢(shì)差的變化驅(qū)動(dòng)電子在電極層2和地電極之間往復(fù)流動(dòng)，這樣在測(cè)量設(shè)備中將能夠收集到開(kāi)路電壓信號(hào)或者交變的短路電流信號(hào)。從測(cè)得的開(kāi)路電壓信號(hào)或者短路電流信號(hào)的頻率，可以得到人體腹式呼吸或者關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的頻率，而通過(guò)測(cè)得的開(kāi)路電壓信號(hào)或者短路電流信號(hào)的輸出值的大小變化，可以得到人體腹式呼吸或關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)幅度的變化。
[0018]一種用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器的制備方法，所述方法步驟如下:
a.將厚度為200微米的硅橡膠裁剪為任意尺寸，制成柔性聚合物層I;
b.將厚度為50微米的鋁箔裁剪成小于或等于柔性聚合物層I尺寸，制成電極層2;
c.將得到的柔性聚合物層I和電極層2依次在乙醇、去離子水中超聲清洗二十分鐘，烘干；
d.將柔性聚合物層I置于電極層2上面；
e.將電極層2連接導(dǎo)線(xiàn)，即得到柔性傳感器。
[0019]所述方法中步驟按順序進(jìn)行，該方法工藝簡(jiǎn)單、操作方便、而且器件尺寸可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行任意裁剪。
[0020]制作柔性聚合物層I的材料并不限于上述硅橡膠，還可以使用丁腈橡膠、柔性樹(shù)脂或其它柔性好且可拉伸或壓縮的絕緣材料。
[0021]制作電極層2的材料并不限于使用鋁箔，也可使用銅箔、表面鍍鋁的柔性薄膜、表面鍍銅的柔性薄膜、表面鍍鋁摻氟氧化錫(FTO)的柔性薄膜或表面鍍氧化銦錫(ITO)的柔性薄膜等。
[0022]本發(fā)明所提出的用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器具有制備方法簡(jiǎn)單、成本低廉、尺寸任意可調(diào)、易于攜帶、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，柔性好，可隨意彎折、拉伸或壓縮，其可對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在醫(yī)療診治、體育運(yùn)動(dòng)、安全防護(hù)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器，所述柔性傳感器用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，其特征在于:所述柔性傳感器由柔性好的材料構(gòu)成，可隨意彎折、拉伸或壓縮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器，其特征在于，所述柔性傳感器包括:柔性聚合物層和電極層，所述柔性聚合物層設(shè)置于所述電極層上表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器，其特征在于，所述柔性聚合物層的材料包括:硅橡膠、丁腈橡膠、柔性樹(shù)脂或者其他柔性好且可拉伸或壓縮的絕緣材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器，其特征在于，所述電極層的材料包括:鋁箔、銅箔、表面鍍鋁的柔性薄膜、表面鍍銅的柔性薄膜、表面鍍鋁摻氟氧化錫(FTO)的柔性薄膜和表面鍍氧化銦錫(ITO)的柔性薄膜。
5.一種用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器的制造方法，其特征在于，包括如下步驟: a.將厚度為200微米的硅橡膠裁剪為任意尺寸，制成柔性聚合物層； b.將厚度為50微米的鋁箔裁剪成小于或者等于柔性聚合物層尺寸，制成電極層； c.將得到的柔性聚合物層和電極層依次在乙醇、去離子水中超聲清洗二十分鐘，烘干； d.將柔性聚合物層置于電極層上面； e.將電極層連接導(dǎo)線(xiàn)，即得到柔性傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器的制造方法，其特征在于，所述硅橡膠可替換為丁腈橡膠、柔性樹(shù)脂或其它柔性好并且可拉伸或壓縮的絕緣材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器的制造方法，其特征在于，所述鋁箔可替換為銅箔、表面鍍鋁的柔性薄膜、表面鍍銅的柔性薄膜、表面鍍鋁摻氟氧化錫(FTO)的柔性薄膜或表面鍍氧化銦錫(ITO)的柔性薄膜。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器及其制備方法，其中該柔性傳感器包括柔性聚合物層和電極層，柔性聚合物層置于電極層上面。本發(fā)明中柔性聚合物層和電極層在接觸摩擦后分別帶有電荷量相同但極性相反的摩擦電荷，通過(guò)應(yīng)用柔性聚合物層的拉伸和回縮而引起電極層電勢(shì)發(fā)生變化，從而驅(qū)動(dòng)電子在電極層和地電極之間往復(fù)流動(dòng)，產(chǎn)生電信號(hào)。這種柔性傳感器可以用來(lái)檢測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)，具有制備方法簡(jiǎn)單、成本低廉、尺寸任意可調(diào)、易于攜帶、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且其可對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在醫(yī)療診治、體育運(yùn)動(dòng)、安全防護(hù)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。
【IPC分類(lèi)】A61B5-11
【公開(kāi)號(hào)】CN104873200
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510170832
【發(fā)明人】張躍, 王中林, 廖慶亮, 衣芳, 林龍, 牛思淼, 楊伯康, 王兆娜
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年4月10日