CN110487452A - 一种仿生柔性压力传感器、压力测量装置及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生柔性压力传感器、压力测量装置及系统，压力传感器包括仿生贴片模块、传感器模块和无线传输模块；仿生贴片模块包括贴片基底和仿生结构组，传感器模块包括第一极板、第二极板、第三极板和电介质层，第二极板和第三极板在同一平面内平行设置，该平面与第一极板平行，电介质层设置于平面和第一极板间，仿生结构组设置于贴片基底的一面上，再通过设置有无线传输模块将传感器测量的数据发送至外部设备；解决了现有技术中压力传感器与待测对象难以较好接触和固定，使得测量的数据出现较大偏差，且无法通过无线传输方式将测量的数据发送至外部设备的技术问题，提供了一种可实现数据无线传输的、测量精度高的仿生柔性压力传感器。

Description

一种仿生柔性压力传感器、压力测量装置及监测系统

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其是涉及一种仿生柔性压力传感器、压力装置及监测系统。

背景技术

PEN：聚萘二甲酸乙二醇酯；

PDMS：聚二甲基硅氧烷；

Ecoflex：美国Smooth-On公司制作的有机铂金硅橡胶。

随着科学技术的不断发展，使得各个领域中的监测、检测技术同样得到了广泛的应用。压力传感器作为重要的监测、检测器件，其在医疗设备领域中起到至关重要的作用，压力传感器测量的准确性和使用过程中的稳定性决定着监测或检测的结果。

然而，由于压力传感器的结构因素，使其在使用过程中与待测对象无法实现较好的接触和固定，进而使得测量的数据出现较大的偏差，而且如何将无线传输功能集成于压力传感器中，以实现测量数据的无线传输和传感器的多功能化，同样是困扰本领域技术人员的技术难题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种可实现数据无线传输的、测量精度高的仿生柔性压力传感器。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种仿生柔性压力传感器，其包括：

仿生贴片模块，所述仿生贴片模块包括贴片基底和仿生结构组，所述仿生结构组设置于所述贴片基底的一面；

传感器模块，所述传感器模块包括第一极板、第二极板、第三极板和电介质层，所述第二极板和所述第三极板在同一个平面内平行，且所述平面与所述第一极板平行，所述电介质层设置于所述平面和所述第一极板之间；

无线传输模块，所述无线传输模块分别与所述第二极板和所述第三极板连接，用于将所述传感器模块的压力数据信息发送至外部设备；

所述贴片基底的另一面与所述第一极板固定连接，使得所述仿生贴片模块与所述传感器固定连接。

进一步地，所述仿生柔性压力传感器还包括：

传感器柔性基底，所述第二极板、所述第三极板和所述无线传输模块均设置于所述传感器柔性基底上。

进一步地，所述仿生结构组包括多个末端膨大微柱；多个所述末端膨大微柱成阵列结构设置于所述贴片基底的一面。

进一步地，所述末端膨大微柱包括竖直微柱和膨大末端，所述竖直微柱的底部与所述贴片基底的一面固定连接，所述膨大末端设置于所述竖直微柱的顶部。

进一步地，所述电介质基底和多个电介质块，所述电介质块均呈金字塔结构，所述金字塔结构的顶部均与所述第一极板固定连接，所述金字塔结构的底部均与所述电介质基底连为一体，且所述电介质基底覆盖于所述第二极板和所述第三极板上。

进一步地，所述无线传输模块包括传输线圈和传输导线，所述传输线圈的第一端通过所述传输导线与所述第二极板连接，所述传输线圈的第二端通过所述传输导线与所述第三极板连接。

第二方面，本发明提供一种压力测量装置，其特征在于，包括数据读取模块和所述的仿生柔性压力传感器；

所述数据读取模块与所述无线传输模块连接，以获取所述仿生柔性压力传感器的压力数据信息。

进一步地，所述数据读取模块包括数据获取单元、数据处理单元和显示单元；

所述数据获取单元与所述无线传输模块连接，以获取所述压力数据信息；

所述数据处理单元与所述数据获取单元连接，以对所述压力数据信息进行处理得到压力值；

所述显示单元与所述数据处理单元连接，用于显示所述压力值。

进一步地，所述数据读取模块还包括数据信息发送单元，所述数据信息发送单元与所述数据处理单元连接，以将所述压力值发送至外部设备。

第三方面，本发明提供一种颈静脉压力测量监测系统，其包括：终端、服务器和所述的压力测量装置；

所述压力测量装置用于测量待测对象的颈静脉的压力值；

所述数据信息发送单元与所述终端连接，以将所述压力值发送至所述终端；

所述终端与所述服务器连接，以将所述压力值上传至所述服务器。

本发明的有益效果是：

本发明中一种仿生柔性压力传感器，其包括仿生贴片模块、传感器模块和无线传输模块；仿生贴片模块包括贴片基底和设置于贴片基底一面的仿生结构组，仿生结构组用于实现与待测对象的可靠、大面积接触，传感器模块包括第一极板、第二极板、第三极板和电介质层，第二极板和第三极板在同一个平面内平行，且该平面与第一极板平行，电介质层设置在该平面和第一极板之间，第一极板与贴片基底固定连接使得仿生贴片模块与传感器模块固定连接，并通过无线传输模块将传感器模块的压力数据信息发送至外部设备，解决了现有技术中，由于压力传感器的结构的因素，导致其在使用过程中与待测对象无法实现较好的接触和固定，进而使得测量的数据出现较大的偏差，并且无法通过无线传输的方式将传感器测量的数据发送至外部设备的技术问题，提供了一种可实现数据无线传输的、测量精度高的仿生柔性压力传感器。

附图说明

图1是本发明中一种仿生柔性压力传感器的一具体实施例结构示意图；

图2是本发明一种仿生柔性压力传感器使用过程中传感器模块的一具体实施例状态变化示意图；

图3是本发明中一种压力测量装置的一具体实施例模块框图；

图4是本发明中一种压力测量装置中数据获取单元与本发明中一种仿生柔性压力传感器通信的一具体实施例等效电路示意图；

图5是本发明中一种颈静脉压力测量监测系统的一具体实施例系统架构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一：

本发明实施例提供了一种仿生柔性压力传感器，包括仿生贴片模块、传感器模块和线传输模块；其中，仿生贴片模块包括贴片基底和仿生结构组，传感器模块包括第一极板、第二极板、第三极板和电介质层，第二极板和第三极板在同一个平面内平行设置，且该平面与第一极板平行，电介质层设置于该平面和第一极板之间，将仿生结构组设置于贴片基底的一面上，贴片基底的另一面与第一极板固定来接，使用过程中，仿生结构组贴覆在待测对象的表面，获得更大的受力面积且使得贴覆更加稳定，从而使得测量的结果更加精确，测量的过程更加稳定，最后通过设置有无线传输模块将传感器测量的数据发送至外部设备，解决了现有技术中，由于压力传感器的结构的因素，导致其在使用过程中与待测对象无法实现较好的接触和固定，进而使得测量的数据出现较大的偏差，并且无法通过无线传输的方式将传感器测量的数据发送至外部设备的技术问题。

具体的，参照图1，图1是本发明中一种仿生柔性压力传感器的一具体实施例结构示意图；其包括：由贴片基底100和仿生结构组组成的仿生贴片模块，由第一极板300、第二极板400、第三极板500和电介质层600组成的传感器模块，由传输线圈700和传输导线710组成的无线传输模块和传感器柔性基底800；其中，仿生结构组包括多个末端膨大微柱200，且末端膨大微柱均包括竖直微柱220和膨大末端210，末端膨大微柱200在基底的一面呈阵列结构均匀排布设置，将末端膨大微柱200设置成阵列结构均匀排布的目的在于：当使用本发明实施例中的仿生柔性压力传感器时，末端膨大微柱可均匀的、全面的接收来自待测对象的压力信息，并与待测对象的表面进行保形接触，改善传感器输出信号的信噪比(例如当待测对象为人体时，人体皮肤在微米尺度下具有高粗糙度，而直接将传感器贴在皮肤上并不能保证完全贴合，二者之间存在气隙，导致传感器与皮肤表面的接触面积减少进一步导致传感器输出信号的信噪比降低，甚至会使得传感器的输出信号完全淹没在噪声中)提高测量的准确性。本发明实施例中，仿生贴片模块中的基底100的材料为PEN材料，竖直微柱220和膨大末端210的材料均为PDMS材料，其中，竖直微柱220采用固化剂含量高(15％～20％wt.)的刚性PDMS，膨大末端210采用固化剂含量低(5％～7.5％wt.)的柔性PDMS，从而使膨大末端210的弹性模量接近于人体皮肤的弹性模量(例如待测对象为人时，可将膨大末端210的弹性模拟量设置与人体皮肤的模量类似)，保证了仿生结构组与人体皮肤之间的保形接触，提高测量的准确性，而且由于竖直微柱220采用刚性PDMS，使得在进行测量时，即使在受到较大压力的情况下也可防止竖直微柱220发生屈曲坍塌或相互缠绕的现象，保证了仿生柔性压力传感器的工作稳定性。

参照图1，本发明实施例中贴片基底100与第一极板300固定连接，第二极板400和第三极板500在同一个平面内平行设置，且该平面与第一极板300平行，电介质层600设置在该平面和第一极板300之间，其中，电介质层600包括电介质基底620和多个电介质块610，电介质块610均呈金字塔结构，且金字塔结构的顶部与第一极板300固定连接，金字塔结构的底部与电介质基底620连为一体，并使得电介质基底620覆盖于第二极板400和第三极板500上，多个金字塔结构的电介质块610对应于末端膨大微柱200的阵列结构均匀排布，多个电介质块610在电介质基底620上同样呈阵列结构均匀排布，两者之间的对应阵列结构均匀排布使得当末端膨大微柱200受力时可将受力信息全面的传输至传感器模块，提高测量结果的准确性。此外，电介质层600采用Ecoflex材料(即电介质块610和电介质基底620均采用Ecoflex材料)，Ecoflex材料具有较低的弹性模量，其在较小的压力下可以获得较大的形变，使得仿生柔性压力传感器对微弱压力的检测灵敏度更高。本发明实施例中，电介质层600采用Ecoflex材料并设置成多个金字塔结构的电介质610块使得：(1)金字塔结构的顶部导致了应力的局部集中，相当于增加了施加在电介质层600上的应力，使得对微弱压力的检测更加灵敏；(2)金字塔结构之间的空气间隙相当于减小了电介质层600的整体模量，增加了电介质层600的可压缩性，在相同的压力下可使得电介质层600产生更大的形变；(3)电介质层600产生更大的形变导致第一极板300和第二极板400间及第一极板300和第三极板500间的Ecoflex材料与空气的体积比变大，相当于增加了等效介电常数，进一步增大了传感器的灵敏度；(4)金字塔结构降低了Ecoflex材料固有的粘弹性行为，保证了在压力释放阶段电介层600能够快速回复到初始形状，减少了仿生柔性压力传感器的响应时间，保证仿生柔性压力传感器能够检测较高频率的压力变化。

参照图1，本发明实施例中，通过传输导线710将传输线圈700的第一端连接至第二极板400，将传输线圈700的第二端连接第三极板500，并且将第二极板400、第三极板500、传输线圈700和传输导线710设置于传感器柔性基底800上，完成了本发明实施例仿生柔性压力传感器的整体结构，本发明实施例中采用三电极极板传感器模块的目的在于，若采用传统的双电极极板结构，连接上层极板(第一极板300)与传输线圈700之间的传输导线710会出现悬空结构，这意味着传感器制作时要借助牺牲层工艺，并且这种悬空结构不利于器件整体的结构稳定性。因此，采用三电极极板结构的传感器模块有利于仿生柔性传感器结构的稳定性及生产制造的简易性。在三电极极板的结构下，本发明实施例中传输线圈700连接的相当于第一极板300与第二极板400形成的第一电容与第一极板300与第三极板500形成的第二电容串联后的传感器电容。

参照图2，本发明实施例中，仿生柔性压力传感器的测量原理是通过第一极板300受到压力，电介质层600被压缩，第一极板300和第二极板400的间距、第一极板300和第三极板500的间距均变小，即挤压Ecoflex材料使得第一极板300和第二极板400间、第一极板300和第三极板500间的Ecoflex材料与空气的体积比变大，相当于增加了等效电介质常数，而当第一极板300受到的压力释放时，由于Ecoflex材料的弹性，电介质层600会恢复至原始形状，仿生柔性压力传感器的电容值同样回到初始值，基于这种传感原理，可将外界压力的变化转化为传感器电容的电容值的变化实现可靠测量。

综上，本发明实施例通过设置由贴片基底100和仿生结构组组成的仿生贴片模块，由第一极板300、第二极板400、第三极板500和电介质层600组成的传感器模块，由传输线圈700和传输导线710组成的无线传输模块和传感器柔性基底800解决了现有技术中压力传感器在使用过程中由于其结构的因素导致与待测对象的接触无法实现较好接触和固定，进而使得测量的数据同样出现较大的偏差，并且无法通过无线传输的方式将传感器测量的数据发送至外部设备的技术问题，提供了一种可实现数据无线传输的、测量精度高的仿生柔性压力传感器。

实施例二：

参照图3，本发明实施例中，压力测量装置包括数据读取模块和如实施例一中所述的仿生柔性压力传感器；其中，数据读取模块与无线传输模块连接，以获取仿生柔性压力传感器的压力数据信息。

本实施例中，数据读取模块包括数据获取单元、数据处理单元和显示单元；

数据获取单元与无线传输模块连接，以获取压力数据信息；

数据处理单元与数据获取单元连接，以对压力数据信息进行处理得到压力值；

显示单元与所述数据处理单元连接，用于显示压力值。

本发明实施例中，数据获取单元中包括电源VS及与电源连接的由电阻R1、电感L1、电容C1串联而成的数据读取RLC电路，则仿生柔性传感器通过无线传输模块与数据获取单元间的压力数据信息传输的等效电路如图4所示，其中，C2表示实施例一中第一电容和第二电容串联而成的传感器电容，R2表示实施例一中的传输导线710的等效电阻，L2表示实施例中的传输线圈700，M表示传输线圈700与数据获取单元中RLC电路中电感的互感系数，则可将数据获取单元中的电流I1发送至数据处理单元中进行数据处理后获得对应电流I1的仿生柔性压力传感器受到的压力值，最后可将压力值传输至显示模块进行显示。在需要对待测对象进行实时监测时，可通过对获取的压力值在时间顺序上绘制对应的波形图来对待测对象进行实时监测。

另外，数据读取模块还包括数据信息发送单元，数据信息发送单元与数据处理单元连接后，可将压力值发送至外部设备中，实现测量结果的传输功能。本发明实施例中，数据信息发送单元可为蓝牙模块和/或4G无线收发模块等。

综上，本发明实施例中提供了一种在测量部分实现零功耗(无需在仿生柔性压力传感器中集成电源)的压力测量装置。

实施例三：

参照图5，本发明实施例提供了一种颈静脉压力测量监测系统，其包括终端、服务器和如实施例二所述的压力测量装置；其中压力测量装置中的仿生柔性压力传感器贴覆于待测对象的颈部后，实时获取待测对象的颈静脉的压力，将颈静脉的压力转换为传感器电容的电容值输出，再通过测量装置中数据处理单元计算得出颈静脉的压力后，通过数据信息单元发送至终端，终端可将压力数据上实时传至服务器实现对颈静脉的压力的远程实时监测。例如本实施例中终端可包括手机或Pad等智能终端，将服务器设置为医院等医疗单位的服务器，则可实现远程监测病人的颈静脉压力，获得病人的实时颈静脉的压力信息，当出现异常状况时，及时应对或提醒病人应当注意事项。

综上，本发明实施例提供了一种可远程对颈静脉的压力进行实时监测的颈静脉压力测量监测系统。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种仿生柔性压力传感器，其特征在于，包括：

仿生贴片模块，所述仿生贴片模块包括贴片基底和仿生结构组，所述仿生结构组设置于所述贴片基底的一面；

传感器模块，所述传感器模块包括第一极板、第二极板、第三极板和电介质层，所述第二极板和所述第三极板在同一个平面内平行，且所述平面与所述第一极板平行，所述电介质层设置于所述平面和所述第一极板之间；

无线传输模块，所述无线传输模块分别与所述第二极板和所述第三极板连接，用于将所述传感器模块的压力数据信息发送至外部设备；

所述贴片基底的另一面与所述第一极板固定连接，使得所述仿生贴片模块与所述传感器模块固定连接。

2.根据权利要求1所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述仿生柔性压力传感器还包括：

传感器柔性基底，所述第二极板、所述第三极板和所述无线传输模块均设置于所述传感器柔性基底上。

3.根据权利要求1或2所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述仿生结构组包括多个末端膨大微柱；多个所述末端膨大微柱成阵列结构设置于所述贴片基底的一面。

4.根据权利要求3所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述末端膨大微柱包括竖直微柱和膨大末端，所述竖直微柱的底部与所述贴片基底的一面固定连接，所述膨大末端设置于所述竖直微柱的顶部。

5.根据权利要求1、2或4所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述电介质基底和多个电介质块，所述电介质块均呈金字塔结构，所述金字塔结构的顶部均与所述第一极板固定连接，所述金字塔结构的底部均与所述电介质基底连为一体，且所述电介质基底覆盖于所述第二极板和所述第三极板上。

6.根据权利要求5所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述无线传输模块包括传输线圈和传输导线，所述传输线圈的第一端通过所述传输导线与所述第二极板连接，所述传输线圈的第二端通过所述传输导线与所述第三极板连接。

7.一种压力测量装置，其特征在于，包括数据读取模块和如权利要求1至6任一项所述的仿生柔性压力传感器；

所述数据读取模块与所述无线传输模块连接，以获取所述仿生柔性压力传感器的压力数据信息。

8.根据权利要求7所述的压力测量装置，其特征在于，所述数据读取模块包括数据获取单元、数据处理单元和显示单元；

所述数据获取单元与所述无线传输模块连接，以获取所述压力数据信息；

所述数据处理单元与所述数据获取单元连接，以对所述压力数据信息进行处理得到压力值；

所述显示单元与所述数据处理单元连接，用于显示所述压力值。

9.根据权利要求8所述的压力测量装置，其特征在于，所述数据读取模块还包括数据信息发送单元，所述数据信息发送单元与所述数据处理单元连接，以将所述压力值发送至外部设备。

10.一种颈静脉压力测量监测系统，其特征在于，包括：终端、服务器和如权利要求9所述的压力测量装置；

所述压力测量装置用于测量待测对象的颈静脉的压力值；

所述数据信息发送单元与所述终端连接，以将所述压力值发送至所述终端；

所述终端与所述服务器连接，以将所述压力值上传至所述服务器。