CN113288160A - 一种基于导电织物的多信息采集设备及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于导电织物的多信息采集设备及制造方法，其中信息采集设备包括：ECG电极部分，包括LIG织物电极；拉伸感应传感器部分，包括具有可拉伸结构的柔性电路，所述柔性电路与所述LIG织物电极连接，将LIG织物粘合到所述柔性电路上，再采用聚酯封装后作为拉伸传感器；控制部分，包括外壳以及设置在外壳内的电路板，所述电路板与所述柔性电路连接，所述电路板上设有传感器模块；所述LIG织物采用加热碳化和激光结合的工艺制成。本发明将LIG织物作为电极，解决接触体感不佳的问题；另外，该多信息采集设备能够同时采集多种信息，能够构建更全面的用户健康状态信息，可广泛应用于信息采集技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及信息采集技术领域，尤其涉及一种基于导电织物的多信息采集设备及制造方法。
背景技术
随着人民生活质量的逐渐提高，人们越来越关注自身的生理健康状态，个人穿戴设备也因此日渐受到广泛的关注。在日常生活中进行心电(ECG)监测，则是预防猝死等突发心脏疾病的有效措施。而其他生理或者活动指标如体温、呼吸、运动状态等，也在评价个人健康状态中发挥重要参考。
市面上具有心电监测功能的产品主要包括智能手表和心电胸贴(带)。这些产品小巧灵活，能够实时收集ECG信号，记录并分析。其主要原理是采集双臂或者胸前乳突下方的微弱皮下ECG信号，经过集成或者多级普通运算放大器进对该微弱信号滤波和放大。处理后的信号经过微控制器的模数转换后变为数字信号，经过一定的计算后通过蓝牙上传至手机端程序，再由手机端程序进行全面的分析。但是，在硬件方面，现有的心电智能手表和心电胸贴(带)分别存在以下问题：
(1)心电智能手表采用肢体导联，容易引入运动伪像干扰。测量时要求用户静止不动，同时双手活动受限。采用金属电极，体感不佳。
(2)心电胸贴(带)传感信息量单一，采用的ECG凝胶+无纺布黏着方案透气性较低，容易导致红斑。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于导电织物的多信息采集设备及制造方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于导电织物的多信息采集设备，包括：
ECG电极部分，包括LIG织物电极；
用于检测呼吸时胸腔扩张的拉伸感应传感器部分，包括具有可拉伸结构的柔性电路，所述柔性电路与所述LIG织物电极连接，将LIG织物粘合到所述柔性电路上，再采用聚酯封装后作为拉伸传感器；
控制部分，包括外壳以及设置在外壳内的电路板，所述电路板与所述柔性电路连接，所述电路板上设有传感器模块；
其中，所述多信息采集设备用于采集ECG信号、体表温湿度信号、三轴加速度信号和呼吸时胸腔扩张信号；
所述LIG织物采用加热碳化和激光结合的工艺制成。
进一步，所述传感器模块包括温湿度传感器和三轴加速度计，所述电路板上还设有ECG信号处理电路、微控制器和无线通信模块。
进一步，所述微控制器的型号为STM8L151G6U6，所述无线通信模块采用型号为HJ-131的蓝牙模块，所述温湿度传感器的型号为HSU-CHM-01A，所述三轴加速度计的型号为QMA7981，所述ECG信号处理电路的运算放大器型号为AD8232。
进一步，所述ECG电极部分还包括医用透气PU胶膜和多孔透气聚酯衬底，所述LIG织物电极粘贴在所述医用透气PU胶膜上，所述医用透气PU胶膜粘贴在所述多孔透气聚酯衬底上；
所述柔性电路采用可拉伸迂回结构。
进一步，所述多信息采集设备定时采集各种传感器数据；
其中，所述ECG信号的采样频率为40Hz，所述体表温湿度信号的采样频率1/6Hz，所述三轴加速度信号和呼吸时胸腔扩张信号的采样频率为4Hz。
进一步，所述外壳上的设有用于充电的充电触点铜柱。
本发明所采用的另一技术方案是：
基于上所述的一种基于导电织物的多信息采集设备的制造方法，包括以下步骤：
制作ECG电极部分；
制作拉伸感应传感器部分；
将ECG电极部分、拉伸感应传感器部分和控制部分进行封装及组装。
进一步，所述制作ECG电极部分，包括：
制备LIG织物：选取预设规格的纯白丝绸织物，在电炉中以预设条件下进行碳化，碳化后的织物在激光下以合适参数加工获得用于ECG电极的LIG织物；
制备多孔透气聚酯衬底：获取小粒径蔗糖颗粒，与聚酯混合调配胶体并固化，固化后的胶体在水中机械搓揉至蔗糖全部溶出获得多孔透气聚酯衬底；
组装ECG电极：将用于ECG电极的LIG织物粘接到透气PU胶膜上，再将透气PU胶膜粘接到多孔透气聚酯衬底。
进一步，所述制作拉伸感应传感器部分，包括：
制备LIG织物：选取预设规格的纯白丝绸织物，在电炉中以预设条件下进行碳化，碳化后的织物在激光下以合适参数加工获得用于拉伸传感器的LIG织物；
组装导电织物拉伸传感器：将用于拉伸传感器的LIG织物，用导电粘合物将两端粘在柔性电路的两侧电极，使用聚酯封装LIG织物和柔性电路获得拉伸传感器。
进一步，所述将ECG电极部分、拉伸感应传感器部分和控制部分进行封装及组装，包括：
封装可拉伸结构柔性电路板：将ECG电极粘接于柔性电路处，使用导电物将ECG电极中LIG织物的伸长部分粘接在柔性电路对应的电极上；
组装封装设备：将组装好的柔性电路的焊盘焊接至控制部分的硬质电路板的对应焊盘上，用聚酯将柔性电路和连接的电路板进行封装，将外壳盖压在电路板上，在外壳对应位置塞入触点铜柱构成充电用的接触点。
本发明的有益效果是：本发明将LIG织物作为电极，解决接触体感不佳的问题；另外，该多信息采集设备能够同时采集多种信息，能够构建更全面的用户健康状态信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种基于导电织物的多信息采集设备的透视图；
图2是本发明实施例中一种基于导电织物的多信息采集设备的爆炸图；
图3是本发明实施例中一种基于导电织物的多信息采集设备的仰视图；
图4是本发明实施例中AD8232模块设计的原理图；
图5是本发明实施例中整合三轴加速度计、微控制器和蓝牙模块的电路板的PCB图；
图6是本发明实施例中整合ECG信号处理电路和温湿度传感器的电路板的PCB图；
图7是本发明实施例中可拉伸结构柔性电路PCB图；
图8是本发明实施例中微控制器主程序框图；
图9是本发明实施例中信号采样程序框图；
图10是本发明实施例中指令控制程序框图；
图11是本发明实施例中ECG电极示意图；
图12是本发明实施例中去除部分封装软胶后的柔性电路、拉伸传感器、ECG电极和整合ECG信号处理电路和温湿度传感器的电路板的顶视图；
图13是图12的底视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1-图3所示，本实施例提供一种基于导电织物的多信息采集设备，包括粘贴在医用透气PU胶膜2和多孔透气聚酯衬底3上的LIG织物透气电极1，组装在设计的可拉伸结构柔性电路4并用聚酯封装的基于LIG织物的拉伸传感器5，整合ECG信号处理电路和温湿度集成传感器的电路板6，50mAh容量聚合物软包锂电池7，整合三轴加速度计、微控制器和蓝牙模块的电路板8，核心机外壳9，镶嵌在外壳上的充电触点铜柱10。微控制器通过对各传感器的数据进行采集、转换和处理，再通过蓝牙模块无线传输，获取用户ECG、体表温湿度、三轴加速度、呼吸状态信息。
针对上所述的一种基于导电织物的多信息采集设备的设计，包括如下方面：
方面一，整机架构：设备采用传感器—微控制器—蓝牙模块的信息传输架构。传感器采集人体健康状态相关信号，经过处理模块或者转换后有线传输至微控制器。微控制器进一步处理数据后有线传输至蓝牙模块，蓝牙模块再将数据无线传输。设备采集5种用户信号，包括ECG信号、体表温度信号、体表湿度信号、三轴加速度信号和呼吸胸腔扩张信号。
方面二，元件选择与电路设计：电路包括电源部分、微控制器部分、蓝牙模块部分、传感器部分以及电路板连接通路。电源部分，选择压接接头作为总开关，使用导电胶布连接两个压接接头，使设备上电；选择SSP6202P252低压差线性稳压芯片供给全设备2.5V电源，同时采用LED灯作为上电指示。微控制器部分，选择STM8L151G6U6作为微控制器，对其电源输入使用电容电感滤波；引出USART通信线与蓝牙模块通信；引出IIC通信线与三轴加速度计和温湿度传感芯片通信；引出3个ADC端口分别接收处理后的ECG信号和拉伸传感器桥臂电压信号；引出微控制器程序下载端口，用于下载程序；引出中断检测引脚PB3，检测蓝牙模块连接时该引脚的高低电位；引出普通引脚PB7控制传感器的使能和关断；引出PB5控制LED显示工作状态。蓝牙模块部分，选择HJ-131蓝牙模组，高电压供电，配置电源滤波电容电感，采用外部贴片天线。传感器部分，温湿度传感器采用HSU-CHM-01A集成芯片，IIC通信；三轴加速度计采用QMA7981，IIC通信；ECG信号处理采用AD8232模块，模拟量输出；拉伸传感器用于检测用户呼吸时胸腔扩张收缩进而反映呼吸状态，传感器构建桥式电路，其电源通过RS2117YUTQK10模拟开关控制。电路板连接通路部分，采用间距为1.27mm的焊盘，整合ECG信号处理电路和温湿度集成传感器的电路板6和整合三轴加速度计、微控制器和蓝牙模块的电路板8之间采用排针连接，整合ECG信号处理电路和温湿度集成传感器的电路板6和可拉伸结构柔性电路4之间采用贴片焊盘连接。参照图4，AD8232模块根据胸下双电极检测电路构建。
方面三，PCB设计：参照图5，电路板8包含设备电源部分、微控制器部分、蓝牙模块部分以及三轴加速度计相关的电子元件和线路，以及留有电路板8和电路板6的连接排针焊盘。参照图6，电路板6正面为AD8232模块的贴装位置和模拟开关，底面有温湿度传感器芯片。AD8232模块以柔性电路板的方式实现，器件全部排列在同一面，与电路板7焊接后形成整体。参照图7，可拉伸结构柔性电路4两两为一对，分别包含拉伸传感器桥式电路的一半桥臂以及ECG电极的安装位置，同时拉伸传感器焊盘中间处设计蛇纹结构，柔性电路板因此可以适度拉伸变形。
方面四，控制流程：参照图8，设备上电后系统各芯片默认为闲置状态，微控制器进行初始化后进入低功耗状态。微控制器检测蓝牙模块状态引脚的高低电平判断是否连接，连接成功后微控制器开启ADC、IIC、USART、TIM、IO功能初始化。若蓝牙断开连接，则关闭功能，恢复低功耗状态。参照图9，当TIM使能时，定时采集对应的传感器数据，其中ECG采样40Hz，三轴加速度和呼吸采样4Hz，温度和湿度采样1/6Hz。进行对应的转换和存储后，在温度和湿度采样结束后打包数据经过蓝牙模块传输。参照图10，微控制器通过蓝牙接收两种指令，分别控制TIM的使能和关闭进而控制传感器采集。
针对上述一种基于导电织物的多信息采集设备，本实施例还提供一种制造方法，包括如下步骤：
第一步，制备LIG织物：选取30姆米和15姆米规格的纯白丝绸织物，裁剪成15×15cm2大小，在普通电炉中进行碳化，获取具有类石墨结构的碳材料，为激光诱导生成LIG作分子结构准备。碳化温度程序为：以10℃min-1的温升速度从25℃升温至150℃并保温60min，然后以5℃min-1的温升速度从150℃升温至350℃并保温180min，最后炉内自然降温至25℃。碳化后的织物根据最终形状大小预先切割为30×8mm2的长条，使用1mm厚度玻璃板夹持。30姆米的碳化丝绸在1064nm激光下，以1.2W功率，25mms-1扫描速度，0.1mm扫描路径间距，9mm过焦平面，20kHz脉冲频率下正反面加工碳化后的丝绸，获得用于ECG电极的LIG织物，此时材料的方阻为最低值，降低接触阻抗。15姆米的碳化丝绸在1064nm激光下，以1.2W功率，50mms-1扫描速度，0.1mm扫描路径间距，9mm过焦平面，20kHz脉冲频率下单面加工碳化后的丝绸，获得用于拉伸传感器的LIG织物，此时材料的方阻较大，满足低功耗要求。
第二步，制备多孔透气聚酯衬底3：取粒径约为0.5mm的蔗糖颗粒，依据质量比(蔗糖：聚酯)2：1调配胶体，搅拌使得蔗糖颗粒均匀分散至胶体种，铺平于20×20mm2带R8圆角，深1mm的模具内，50℃固化60min，防止加热过快气泡无法及时释放而导致鼓包。将固化的胶体取出，在水中机械搓揉至蔗糖全部溶出。最后以80℃加热烘干获得多孔透气聚酯衬底3。
第三步，组装ECG电极：参照图11，将第一步中用于ECG电极的LIG织物与带背胶的透气PU胶膜2粘合，然后将上述组合切割为网孔形状，LIG织物形成LIG织物透气电极1。切割成网孔状主要是为了使得LIG电极中间区域能够直通下层的聚酯衬底3，达到更好的透气效果。调配聚酯，将切割后的电极带PU膜一面用聚酯粘接到第二部制备的多孔透气聚酯衬底3，最后将粘合体在80℃下固化30min。
第四步，组装可拉伸结构柔性电路4、基于LIG织物的拉伸传感器5和第三步的ECG电极：参照图12，将用于拉伸传感器的LIG织物切割为15×2mm2长条，使用导电银浆将切割后的用于拉伸传感器LIG织物两端粘在电路板工厂制作的可拉伸结构柔性电路4蛇纹结构两侧电极，在130℃固化导电银浆10min以使粘结牢靠以及电连接稳定。将上述组合置于模具内，保证柔性电路4平整，使用聚酯封装然后在80℃下固化30min。取出封装后的电路板，获得基于LIG织物的拉伸传感器5。LIG织物的拉伸传感器受拉时纤维断裂拉开以及释放时在弹性聚酯作用下恢复接触均产生较为明显的电阻变化。参照图13，翻转封装后的电路板，将第三步的ECG电极使用聚酯粘接于柔性电路4两端封装后突出的聚酯凸边上，同时使用导电银浆将第三步的ECG电极中LIG织物透气电极1的伸长部分粘接在可拉伸结构柔性电路4对应的电极上，后在80℃下固化聚酯和导电银浆30min。为确保导电银浆的固化和电连接的低电阻，可在上述加热基础上升温至100℃继续固化10min。
第五步，组装封装设备：参照图13，将第四步中组装的可拉伸结构柔性电路4、基于LIG织物的拉伸传感器5和第三步的ECG电极焊接至整合ECG信号处理电路和温湿度集成传感器的电路板6对应焊盘，然后裁剪合适形状的聚酯胶片，用聚酯将胶片与焊接后的组合体中裸露电路板的一面粘合形成一体的电路，同时用聚酯将存在的缝隙填充，起到保护的作用。将50mAh容量聚合物软包锂电池7的导线焊接至整合三轴加速度计、微控制器和蓝牙模块的电路板8，然后把锂电池7夹在电路板6和电路板8中间形成三明治状，电路板6和电路板8使用1.27mm排针焊接构成电连接。最后，将3D打印生产的塑料核心机外壳9盖压在由电路板6、锂电池7和电路板8组合成的核心机上。在外壳对应的圆型空洞中塞入直径1mm、长2mm的触点铜柱10构成充电用的接触点。最后将封装的设备接缝处滴入胶水防止水分进入电路。
综上所述，本发明解决了现有个人可穿戴ECG设备电极冰冷坚硬，透气性不佳问题，以及传统应变片难以测量呼吸时胸腔扩张这样的大变形量问题。LIG织物电极更加柔软亲肤，存储水分或ECG凝胶后形成湿接触。同时该设备能够多信息采集，能够构建更全面的用户健康状态信息。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，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作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)
1.一种基于导电织物的多信息采集设备，其特征在于，包括：
ECG电极部分，包括LIG织物电极；
用于检测呼吸时胸腔扩张的拉伸感应传感器部分，包括具有可拉伸结构的柔性电路，所述柔性电路与所述LIG织物电极连接，将LIG织物粘合到所述柔性电路上，再采用聚酯封装后作为拉伸传感器；
控制部分，包括外壳以及设置在外壳内的电路板，所述电路板与所述柔性电路连接，所述电路板上设有传感器模块；
其中，所述多信息采集设备用于采集ECG信号、体表温湿度信号、三轴加速度信号和呼吸时胸腔扩张信号；
所述LIG织物采用加热碳化和激光结合的工艺制成。
2.根据权利要求1所述的一种基于导电织物的多信息采集设备，其特征在于，所述传感器模块包括温湿度传感器和三轴加速度计，所述电路板上还设有ECG信号处理电路、微控制器和无线通信模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于导电织物的多信息采集设备，其特征在于，所述微控制器的型号为STM8L151G6U6，所述无线通信模块采用型号为HJ-131的蓝牙模块，所述温湿度传感器的型号为HSU-CHM-01A，所述三轴加速度计的型号为QMA7981，所述ECG信号处理电路的运算放大器型号为AD8232。
4.根据权利要求1所述的一种基于导电织物的多信息采集设备，其特征在于，所述ECG电极部分还包括医用透气PU胶膜和多孔透气聚酯衬底，所述LIG织物电极粘贴在所述医用透气PU胶膜上，所述医用透气PU胶膜粘贴在所述多孔透气聚酯衬底上；
所述柔性电路采用可拉伸迂回结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于导电织物的多信息采集设备，其特征在于，所述多信息采集设备定时采集各种传感器数据；
其中，所述ECG信号的采样频率为40Hz，所述体表温湿度信号的采样频率1/6Hz，所述三轴加速度信号和呼吸时胸腔扩张信号的采样频率为4Hz。
6.根据权利要求1所述的一种基于导电织物的多信息采集设备，其特征在于，所述外壳上的设有用于充电的充电触点铜柱。
7.基于权利要求1-6任一项所述的一种基于导电织物的多信息采集设备的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
制作ECG电极部分；
制作拉伸感应传感器部分；
将ECG电极部分、拉伸感应传感器部分和控制部分进行封装及组装。
8.根据权利要求7所述的一种基于导电织物的多信息采集设备的制造方法，其特征在于，所述制作ECG电极部分，包括：
制备LIG织物：选取预设规格的纯白丝绸织物，在电炉中以预设条件下进行碳化，碳化后的织物在激光下以合适参数加工获得用于ECG电极的LIG织物；
制备多孔透气聚酯衬底：获取小粒径蔗糖颗粒，与聚酯混合调配胶体并固化，固化后的胶体在水中机械搓揉至蔗糖全部溶出获得多孔透气聚酯衬底；
组装ECG电极：将用于ECG电极的LIG织物粘接到透气PU胶膜上，再将透气PU胶膜粘接到多孔透气聚酯衬底。
9.根据权利要求7所述的一种基于导电织物的多信息采集设备的制造方法，其特征在于，所述制作拉伸感应传感器部分，包括：
制备LIG织物：选取预设规格的纯白丝绸织物，在电炉中以预设条件下进行碳化，碳化后的织物在激光下以合适参数加工获得用于拉伸传感器的LIG织物；
组装导电织物拉伸传感器：将用于拉伸传感器的LIG织物，用导电粘合物将两端粘在柔性电路的两侧电极，使用聚酯封装LIG织物和柔性电路获得拉伸传感器。
10.根据权利要求7所述的一种基于导电织物的多信息采集设备的制造方法，其特征在于，
所述将ECG电极部分、拉伸感应传感器部分和控制部分进行封装及组装，包括：
封装可拉伸结构柔性电路板：将ECG电极粘接于柔性电路处，使用导电物将ECG电极中LIG织物的伸长部分粘接在柔性电路对应的电极上；
组装封装设备：将组装好的柔性电路的焊盘焊接至控制部分的硬质电路板的对应焊盘上，用聚酯将柔性电路和连接的电路板进行封装，将外壳盖压在电路板上，在外壳对应位置塞入触点铜柱构成充电用的接触点。
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