一種基于柔性薄膜壓力傳感器的可穿戴足底壓力測量裝置的制作方法

本發(fā)明涉及新型儀器儀表領域，尤其是一種基于柔性薄膜壓力傳感器的可穿戴足底壓力測量裝置，采用柔性薄膜壓力傳感器測量足底壓力。

背景技術：

人體足底壓力分布反映人體的生理健康狀況，部分早期難以發(fā)現的疾病可以由足底壓力特征確診，準確測量人體足底壓力對醫(yī)學研究有重要意義。

傳統(tǒng)的足底壓力測量方法采用剛性傳感器，一方面剛性傳感器在測量足底壓力時，不能貼合足底表面起伏；另一方面，剛性傳感器在測量過程中會引起足底柔軟組織形變，造成損傷。因此需要一種柔性的壓力傳感器來實現壓力傳感器的可穿戴。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于柔性薄膜壓力傳感器的可穿戴足底壓力測量裝置，該裝置采用柔性薄膜壓力傳感器為傳感元件，使用電阻-電壓轉換電路和模數轉換電路，將壓力轉化為電壓信號，再通過擬合公式轉換為壓力值，實現對足底壓力的測量。

實現本發(fā)明目的的具體技術方案是：

一種基于柔性薄膜壓力傳感器的可穿戴足底壓力測量裝置，特點是它包括基體、柔性薄膜壓力傳感器、電阻-電壓轉換模塊、模數轉換模塊、電壓-壓力擬合模塊、藍牙通信模塊及顯示終端，所述柔性薄膜壓力傳感器為數路分布于基體上，柔性薄膜壓力傳感器數路引線與電阻-電壓轉換模塊連接，電阻-電壓轉換模塊、模數轉換模塊、電壓-壓力擬合模塊、藍牙通信模塊依次連接，電阻-電壓轉換模塊、模數轉換模塊、電壓-壓力擬合模塊、藍牙通信模塊集成設置于機體內，藍牙通信模塊與顯示終端無線連接；其中：

所述柔性薄膜壓力傳感器呈四層薄膜結構，包括柔性聚酰亞胺薄膜層、銀電極層、柔性石墨烯和氧化石墨烯的復合薄膜層以及氧化石墨烯薄膜絕緣保護層，其中，聚酰亞胺薄膜層厚度為20μm-200μm；銀電極層厚度500nm-5μm，生長在聚酰亞胺薄膜層兩端；柔性石墨烯和氧化石墨烯的復合薄膜層厚度為50μm-600μm，該層呈蜂窩式多孔層狀結構；氧化石墨烯薄膜絕緣保護層，厚度20μm-300μm；柔性石墨烯和氧化石墨烯的復合薄膜層與氧化石墨烯絕緣保護層生長在一起，與銀電極層粘結在一起。

所述柔性薄膜壓力傳感器應變系數為2.1-3；壓力測量范圍為10Pa-900kPa；測出的高頻壓力信號為0-10kHz；其厚度小于1mm，具備彎曲和恢復能力；傳感器呈長方形，邊長可小于5mm，單個面積可小于25mm。

本發(fā)明的有益效果

1)柔性薄膜壓力傳感器具有易折彎的特性，可以適應物體表面起伏，減小測量壓力過程中傳感器自身剛度對物體作用造成的形變，可穿戴在身上，可實現身體壓力的實時檢測。

2)該足底壓力測量方法以柔性薄膜壓力傳感器為傳感元件，具有厚度薄的特性，可以作為可穿戴設備穿在腳底，實現實時監(jiān)測足底壓力數據。以此方法做出的一種基于柔性薄膜壓力傳感器的可穿戴足底壓力測量裝置，可制成鞋墊形狀作為可穿戴設備，實現了對足底壓力的實時檢測，具有可穿戴、工作可靠、成本低的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結構示意圖；

圖2為本發(fā)明電路結構框圖；

圖3為本發(fā)明柔性薄膜壓力傳感器結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例結構示意圖；

圖5為本發(fā)明電阻-電壓轉換模塊原理圖；

圖6為本發(fā)明壓力-電壓實驗曲線圖；

圖7為本發(fā)明壓力-電壓的實驗曲線和擬合曲線對比圖；

圖8為本發(fā)明壓力-電壓擬合誤差分布圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細描述。

參閱圖1-2，本發(fā)明包括基體1、柔性薄膜壓力傳感器2、電阻-電壓轉換模塊3、模數轉換模塊4、電壓-壓力擬合模塊5、藍牙通信模塊6及顯示終端7，所述柔性薄膜壓力傳感器2為數路分布于基體1上，柔性薄膜壓力傳感器2各路引線與電阻-電壓轉換模塊3連接，電阻-電壓轉換模塊3、模數轉換模塊4、電壓-壓力擬合模塊5、藍牙通信模塊6依次連接，電阻-電壓轉換模塊3、模數轉換模塊4、電壓-壓力擬合模塊5、藍牙通信模塊6集成設置于機體1內，藍牙通信模塊6與顯示終端7無線連接。

參閱圖3，本發(fā)明柔性薄膜壓力傳感器2呈四層薄膜結構，包括柔性聚酰亞胺薄膜層21、銀電極層22、柔性石墨烯和氧化石墨烯的復合薄膜層23以及氧化石墨烯薄膜絕緣保護層24，其中，聚酰亞胺薄膜層厚度為20μm-200μm；銀電極層厚度500nm-5μm，生長在聚酰亞胺薄膜層兩端；柔性石墨烯和氧化石墨烯的復合薄膜層厚度為50μm-600μm，該層呈蜂窩式多孔層狀結構；氧化石墨烯薄膜絕緣保護層，厚度20μm-300μm；柔性石墨烯和氧化石墨烯的復合薄膜層與氧化石墨烯絕緣保護層生長在一起，與銀電極層粘結在一起。

本發(fā)明柔性薄膜壓力傳感器2應變系數為2.1-3；壓力測量范圍為10Pa-900kPa；測出的高頻壓力信號為0-10kHz；厚度小于1mm，具備彎曲和恢復能力；傳感器呈長方形，邊長可小于5mm，單個面積可小于25mm。

參閱圖2，本發(fā)明將柔性薄膜壓力傳感器2、電阻-電壓轉換模塊3、模數轉換模塊4、電壓-壓力值轉換模塊5和藍牙通信模塊6依次連接構成測量裝置，其中柔性薄膜壓力傳感器2將足底壓力轉換為電阻值；電阻-電壓轉換模塊3將電阻值轉化為電壓值；模數轉換模塊4和電壓-壓力值轉換模塊5將電壓值擬合為壓力值。

參閱圖1，本發(fā)明通過彼此獨立的柔性薄膜壓力傳感器2測量腳底壓力，可以反映足底壓力分布；為獲得更多數據特征，需布置數個柔性薄膜壓力傳感器2，在壓力變化較多的前腳掌布置多個，在壓力變化較少的中后部布置略少。電阻-電壓轉換模塊3和多組柔性薄膜壓力傳感器2同時工作，組成多個信號通道；由模數轉換模塊4、電壓-壓力擬合模塊5和藍牙通信模塊6組成后續(xù)電路，后續(xù)電路在一個工作周期內通過模數轉換模塊4高速切換信號通道，在不同時刻分別處理電阻-電壓轉換模塊3不同通道上的電壓信號，實現后續(xù)電路的分時復用。藍牙通信模塊6將壓力值通過藍牙傳輸通道8傳輸到顯示終端7，顯示終端7接收該壓力值進行顯示。本發(fā)明可制成鞋的形狀作為可穿戴式(如圖4所示)。

本發(fā)明柔性薄膜壓力傳感器2的制備過程：

步驟1：制備襯底

采用化學離子交換和噴墨打印相結合的方法，在20μm-200μm厚的聚酰亞胺薄膜21兩端生長一層500nm-5μm厚的銀電極層22；

步驟2：制備功能層

將石墨烯和氧化石墨烯以質量比為10-3:1-2的比例混合，并配制成懸濁液，濃度為0.2-1.8mg/ml，同時再配制一份氧化石墨烯懸濁液，濃度為0.2-1.8mg/ml，然后通過順序真空抽濾的方法分別連續(xù)對這兩種懸濁液抽濾，得到厚度為20μm-300μm的氧化石墨烯絕緣保護層24以及厚度為50μm-600μm的石墨烯和氧化石墨烯的復合層23，兩層牢固生長在一起；步驟3：制作壓力傳感器

將襯底的銀電極層22與功能層的石墨烯和氧化石墨烯的復合層23通過導電銀漿粘結在一起，并在銀電極層22兩端引出導線，得到所述柔性薄膜壓力傳感器2。

參閱圖5，為本發(fā)明電阻-電壓轉換模塊3的電路原理圖，該模塊由直流穩(wěn)壓電源11、濾波電容10和數個定值電阻9組成。該模塊由恒壓電源以5V電壓供電。定值電阻9兩端的電壓與柔性薄膜壓力傳感器2的阻值有如下關系：

其中：

Rx為傳感器電阻值，以歐姆為單位；

R1為定值電阻值，以歐姆為單位；

U1為定值電阻兩端電壓值，以伏特為單位；

U2為電阻-電壓轉換電路的供電電壓值，以伏特為單位。

該模塊實現了電阻轉化為電壓，當VCC恒壓供電時，Rx＝f(U1)，Rx與U1有確定的對應關系，通過測量U1可以推算得Rx的值。

本發(fā)明模數轉換模塊4可使用AD7606型模數轉換芯片，設定單次轉換時間為0.01s,輸入模擬電壓信號，輸出16位二進制數字信號。

本發(fā)明電壓-壓力擬合模塊5的制備過程：

步驟1：實驗柔性薄膜壓力傳感器2受到壓力與模數轉換模塊4輸出電壓值的對應關系

1)用推拉力機在單個柔性薄膜壓力傳感器2上施加壓力，該壓力值在0-100N范圍變化，記錄柔性薄膜壓力傳感器2受到不同壓力值與模數轉換模塊4輸出電壓值的對應關系如表1所示：

表1

由此表繪制柔性薄膜壓力傳感器2受到壓力與模數轉換模塊4輸出電壓值的曲線如圖6；步驟2：擬合柔性薄膜壓力傳感器2受到壓力與模數轉換模塊4輸出電壓值的關系

將柔性薄膜壓力傳感器2受到壓力與模數轉換模塊4輸出電壓值的對應關系輸入數據分析軟件Origin8.5，使用指數擬合功能，設置函數模型為Expgro2，即以為模型，擬合柔性薄膜壓力傳感器2受到壓力與模數轉換模塊4輸出電壓值的關系。擬合得到的參數為A₁＝0.7364，t₁＝1.40413，A₂＝1.99534×10^-8,t₂＝0.21112,y₀＝-0.3618。

得到柔性薄膜壓力傳感器2受到壓力與模數轉換模塊4輸出電壓值的函數關系：

其中：U1為定值電阻兩端電壓值，以伏特為單位；

F為傳感器受到的壓力值，以牛頓為單位。

參閱圖7，橫坐標表示模數轉換模塊4輸出電壓值，縱坐標表示柔性薄膜壓力2受到的壓力，兩條曲線分由實驗所得和公式(4)擬合所得，當兩曲線走勢相同時表明擬合參數正確，否則需要修改擬合參數。參閱圖8，橫坐標表示模數轉換模塊4輸出電壓值，縱坐標表示函數(4)擬合壓力值的誤差，由該圖可知，由函數(4)依據模數轉換模塊4輸出的電壓值擬合壓力值所產生的誤差基本分布在正負2牛頓以內。

步驟3：將柔性薄膜壓力傳感器2受到壓力與模數轉換模塊4輸出電壓值的函數關系(4)固化為電壓-壓力轉換模塊5。

將函數關系(4)編寫為處理程序，將該程序固化入微型計算芯片，即制成電壓-壓力轉換模塊5。本發(fā)明藍牙通信模塊6采用CS8635型藍牙芯片，通過串口通信接口與電壓-壓力轉換模塊5相連，接收壓力值信號，并通過藍牙通道8傳送出該壓力信號。

本發(fā)明的裝配過程：

參閱圖1，在基體1上安裝多個柔性薄膜壓力傳感器2，每個柔性薄膜壓力傳感器2的兩條引線接入電阻-電壓轉換模塊3，電阻-電壓轉換模塊3的每個通道的輸出電壓信號接入模數轉換模塊4的不同通道，模數轉換模塊4輸出的電壓信號接入電壓-壓力擬合模塊5的輸入，電壓-壓力擬合模塊5的輸出壓力信號接入藍牙通信模塊6；通過藍牙通信模塊6的輸出通道8傳輸到顯示終端7，顯示終端7顯示壓力值。