一种无线压力传感器及其制作方法与流程

本发明涉及一种无线压力传感器及其制作方法，属于传感器技术领域。

背景技术：

电子纺织品的发展是生物医学和机器人技术的一个活跃的研究领域，基于这项技术的设备具有很大的物理柔性，出色的耐磨性，并且易于与各种织物基材集成，这是传统电子设备无法实现的。电子纺织压力传感器已被用于各种应用，例如：可穿戴健康监测，智能家居护理，医疗诊断和人体运动检测。目前已经引入了基于电容、电阻和压电测量的不同传感机理的传感器来研发电子纺织品。例如：r.li等人，研发了一种基于织物的电容式压力传感器，通过组装一个柔性离子导电聚合物夹在两层导电织物之间，以监测柔软表面的压力分布。lee的研究小组研发了一种缝制的基于织物的电容式压力传感器手套，通过检测压力来控制四旋翼运动。然而，在这个研究领域仍有几个关键问题需要解决，包括布线的复杂性，弹性差以及环境变化引起的信号波动等问题，这限制了智能电子纺织设备的实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无线压力传感器及其制作方法，解决现有技术中无线压力传感器灵敏度不高，存在导电材料干扰的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种无线压力传感器，包括织物隔板；

所述织物隔板的一侧设有多个呈阵列分布的无源天线，织物隔板的另一侧设有多个铁氧体薄膜；

所述铁氧体薄膜与无源天线一一对应设置，位置相互对准。

结合第一方面，进一步的，所述无源天线包括基板、设于基板上的电感器和电容器；所述电感器与所述电容器串联构成lc谐振器，所述电感器与外部接收器线圈耦合，实现压力信号无线传输。

结合第一方面，进一步的，所述电感器为呈螺旋状分布于所述基板上的感应线圈。

结合第一方面，进一步的，所述基板为双面覆铜层的pi膜，所述电容器与其中一个铜层电连接，电感器与另一铜层电连接，两铜层通过通孔铜电镀连接。

结合第一方面，进一步的，所述铁氧体薄膜的磁导率大于100。

第二方面，本发明实施例提供了一种无线压力传感器的制作方法，其特征在于，所述传感器包括：织物隔板和分设于织物隔板两侧的无源天线、铁氧体薄膜；所述方法包括如下步骤：

在所述织物隔板上创建双面对准标记；

在织物隔板的其中一个侧面上根据对准标记固定无源天线；

在织物隔板的另一侧面上与无源天线相对准的固定铁氧体薄膜。

结合第二方面，进一步的，所述无源天线的制作方法包括：

选取双面覆铜层的pi膜作为基板，使两铜层保持电连接；

分别对两铜层进行图案化；

将电感器、电容器分别固定于两铜层上，并与相应铜层保持电连接，实现电感器和电容器串联连接。

结合第二方面，进一步的，通过设置通孔铜的方法实现两铜层的电连接。

结合第二方面，进一步的，所述图案化的方法包括：标准丝网印刷法和湿法蚀刻法。

结合第二方面，进一步的，所述方法还包括采用激光微加工技术将所述铁氧体薄膜、无源天线划分为大小一致的单一形状。

与现有技术相比，本发明提供的无线压力传感器及其制备方法所达到的有益效果包括：无线压力传感器设置了铁氧体薄膜能够集中吸收来自无源天线的磁能，从而有效提高器件的灵敏度，避免导电材料的干扰。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种无线压力传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的无线压力传感器阵列的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种无源天线的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的织物隔板发生机械变形前后的对比图；

图5是本发明实施例提供的无线压力传感器的谐振频率与接收器线圈的相位的关系曲线；

图6是最大相位下降与无线传感器和读出天线之间的间隔距离的实验结果图；

图7是四种感应线圈匝数不同的无线压力传感器在零压力下的谐振频率对比图；

图8是对于图7提供的四种无线压力传感器在不同压力下的谐振频率对比图；

图9是织物隔板采用不同针脚密度的两个无线压力传感器在不同压力下的谐振频率对比图；

图10是采用高磁导率铁氧体薄膜、低磁导率铁氧体薄膜、铝箔和湿擦拭物的无线压力传感器的相频谱；

图11是无线压力传感器性能可靠性评估相关曲线；

图12是无线压力传感器对环境影响的表征曲线；

图13是2*2无线压力传感器用于监测人体运动所产生的监测结果图；

图14是本发明实施例提供的压敏鞋垫的结构示意图；

图15是在0～100千帕的压力范围内压敏鞋垫的八个传感器的特征谐振频率-压力响应关系图；

图16是将压敏鞋垫装入舞鞋后，用户保持直立或踮脚尖姿势时足底压力分布对比图；

图17是压敏鞋垫的应力-应变关系曲线；

图18是5kpa机械负载时的时间响应曲线；

图19是采用本发明实施例提供的无线压力传感器制备的腰带；

图20是图19提供的腰带的使用方法；

图21是传感器在智能腰带中的实用性。展示了“松散”，“恰到好处”。“高度紧张”状态的压力强度；

图22是传感器在智能腰带中的实用性。志愿者深呼吸进出的压力变化；

图中：1、无源天线；101、电感器；102、电容器；2、织物隔板；3、铁氧体薄膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本发明提供的无线压力传感器，包括织物隔板2，织物隔板的上表面分布有多个无源天线1，织物隔板的下表面分布有多个铁氧体薄膜3，所述无源天线1与铁氧体薄膜3一一对应设置，形状大小均相同，位置相互对准。

如图2所示，无源天线1包括基板、电容器和电感器。具体的，基板采用双面覆铜的pi膜，电感器呈螺旋状平铺于所述pi膜上，电感器与所述电容器串联构成lc谐振器，电容器与pi膜的其中一个铜层电连接，电感器与另一铜层电连接，两铜层通过通孔铜电镀连接。无源天线的两电极侧层压聚酰亚胺薄膜，通过粘合剂层粘贴于基板上。电感器与外部接收器线圈耦合，实现压力信号无线传输。

铁氧体薄膜用于集中吸收来自无源天线的磁能，避免导电材料的干扰，从而有效提高无线压力传感器的灵敏度，为此，考虑到友谊的灵敏度和高信噪比的性能，本发明实施例所选用的铁氧体薄膜的磁导率为150。

为提高本发明的佩戴舒适度，并具有良好的柔韧度，织物隔板选用高密度单丝纱线制成。

在外部压力下，柔性织物隔板的机械压缩将导致电感发生变化，其可以通过耦合外部线圈接收器而进一步转换为谐振频率的可检测偏移量。本实施新型实施例提供的无线压力传感器具有超高磁导率的铁氧体薄膜，集中吸收了来自无源天线的磁能，从而有效提高了无线压力传感器的灵敏度，避免导电材料的干扰，在0～20kpa的压力范围内证明了无线压力传感器的性能具有高品质因数(qf＞35)和灵敏度(-0.19mhzkpa^-1)。此外，无线压力传感器在各种机械负载，超过20000次循环的周期性压力，温度波动(15～103℃)和湿度变化(40％至99％)下实现了出色的重现性。作为人类交互式感知的概念证明，无线压力传感器能够成功地与腕带集成，应用于指尖压力指引方向的选择、开发成智能无线鞋垫以映射足底应力分布，以及嵌入在腰部支撑带，以远程传输方式来解决腰带和人体腹部之间的接触压力。

下面结合本发明实施例提供的无线压力传感器的工作原理、无线检测、天线设计对机电响应的影响、对性能可靠性的评估、对环境影响的表征、用于监测人体运动的无线压力传感器、材料选择及制备方法、设备校准系统的构建、机械对电气灵敏度的校准及机械可逆性表征，对本发明提供的无线压力传感器作进一步描述。

图1展示了1×8单元的基于织物的柔性wipsa(无线压力传感器阵列)，其中每个感测单元包括一层柔软的织物隔板，夹在无源天线和铁氧体薄膜之间。

(1)工作原理

wipsa(无线压力传感器阵列)的单个传感单元具有高密度单丝纱线的织物隔板，将顶部无源天线和底部铁氧体薄膜分开，如图2所示。具体地，无源天线被设计为感应螺旋线圈(ls)和串联连接的数字电容器(cs)，形成如图3所示的lc谐振器。下面组装的铁氧体膜在宽频率范围内具有高磁导率为150(磁导率＞100)。因此，器件的有效电感(le)相应地增加。电感器与铁氧体薄膜和无源天线的分离距离的关系，用下面的公式描述：

其中μr和le分别是铁氧体膜的相对磁导率和有效磁路长度。根据rlc电路的理论分析，整个结构的谐振频率(fs)，可表示为：

其中cp表示寄生电容，例如，顶部和底部导电线之间存在电容。当施加外部压力f时，间隔距离d减小(图4)。根据等式1和2，将导致谐振频率fs的减小。最后这种关系可以简化为：

因此我们器件的机械响应受磁导率(μr)以及铁氧体薄膜的几何尺寸(le)的影响。

(2)无线检测

传感器谐振频率的无线检测取决于传感天线和外部接收器之间的近场电磁通信。根据变压器方程，当外部信号传输到传感器装置时，阻抗/相位损耗在谐振频率达到最大值。在这里，我们通过搜索相频谱上的最大相位损失来检测传感器的谐振频率。传感器的谐振频率(fs)和读取天线的阻抗相位最小值时的频率(fphase-min)遵循以下关系：

其中，k是传感器和接收器线圈的耦合系数，q代表传感器的品质因数。因此，若耦合系数和品质因数都是常数，谐振频率就与fphase-min(天线的阻抗相位最小值时的频率)成比例。

图5绘制了当耦合到一个传感单元时的外部线圈的相频谱。当频率从30mhz扫描到55mhz时，相位变化(δθ)下降到最小值，然后上升到平坦基线。通过定位光谱中相位变化的最小值(δθmax＝-9.55°)来确定44.13mhz的fphase-min。此外，传感器的品质因数来自相位频谱中fphase-min与-3db带宽(fbw)的比值：

fbw被确定为1.21mhz，并且品质因数q相应地达到36。此外，考虑到传感器和读取天线之间的间隔距离大于4.5mm，耦合系数常数k小于0.66(图17在支持信息中)。因此，考虑到k²/4和1/(8q²)的项远小于等式4中的1，wipsa的谐振频率fs近似等于fphase-min的值。

通过计算分析和实验测量来研究wipsa的传输距离。通过有限元法(hfss，ansoft)分析天线中的表面电流强度分布。在实验验证中，无线传感器和读出天线之间的间隔距离的函数的最大相位下降在图6中示出。随着间隔距离从13.2mm减小到2.2mm，最大相位下降水平急剧增加(超过98％)，因为近场传输中的能量增益与传输距离的平方成线性关系。因此，当谐振频率相位下降低于最小可检测信号电平时，确定最大工作距离。

(3)天线设计对机电响应的影响

作为传感器的重要组成部分，天线设计极大地影响了传感器的性能，例如谐振频率、品质因数、耦合系数和无线探测距离。我们的制造了四种具有不同线圈的匝数(n)的传感器，具体参数信息见表1：

表1四种不同无源天线的参数信息：

通过四种传感器(i，ii，iii和iv)在零压力时的谐振频率实验，以验证谐振频率和匝数之间的关系，如图7所示。随着匝数n从15缩小到12，相应的谐振频率从35.91mhz增加到43.69mhz。结果与我们的预期一致，其中谐振频率与匝数的平方成反比。

我们还对一定压力下的谐振频率响应进行了实验研究。图8总结了四种传感器的压力-谐振频率校准曲线。所有曲线都有类似的趋势，当压力(p)从0增加到20kpa时，谐振频率(f0)随灵敏度(σ，定义为df0/dp)线性下降)-0.19mhzkpa^-1。当压力超过20kpa时，传感器灵敏度降低了0.011mhzkpa^-1。可以通过织物层的应力-应变曲线预测谐振频率-压力曲线。以这种方式，织物可能在大范围的机械压缩下经历两个重要阶段。此外，当压力从0～10kpa扫过时，四种类型传感器的谐振频率范围内没有串扰，表明每个传感器都有一个独特的谐振频率输出，可用于此压力范围内的潜在多路检测。我们的wipsa可用于检测二维空间压力分布，每个传感单元上的压力可以通过独特的谐振频率单独寻址。它只需要一个读出线圈，这将极大地简化了实际应用的设计。

我们进一步研究了织物隔板对器件灵敏度的影响，因为对于不同的应用，所需的灵敏度可能有很大差异。图9比较了传感器与具有不同针脚密度的两种间隔层的谐振频率响应。两个传感器都集成了相同的天线设计(i型)。与低压区域(0-20kpa)中具有低针脚密度的传感器的-0.19mhzkpa^-1的灵敏度相比，具有高针脚密度的传感器显示出-0.055mhzkpa^-1的灵敏度降低，但线性响应区域增加了(0-32kpa)。这是因为高密度的织物具有更高抗压性，需要更大的应力以达到相同的应变水平。因此，通过使用不同的间隔织物，设备灵敏度和动态范围都是可定制的。

薄膜的不同材料成分也会影响器件的性能。如图10所示，根据薄膜的材料选择，比较了四种不同器件的相频谱：具有高磁导率的铁氧体薄膜(高μ)，具有低磁导率的铁氧体薄膜(低μ))，铝箔(al-ρ)和湿擦拭物(w-ε)。所有这些都以两种模式进行测量：有或没有10kpa的外部负载。由于材料的相对高的磁导率，高μ传感器的谐振频率表现出非常尖锐的相位下降和对压力的最敏感响应。相比之下，低μ传感器的灵敏度比高μ传感器的灵敏度降低了33％。这与等式3的预测一致，其中当传感器经历相同的压力负载/压缩距离时，具有更高磁导率的传感器中的谐振频率变化更大。由于采用铝箔实现的传感器的不同操作机制，al-ρ传感器的最大相位下降值进一步降低了近58％。当使用铁氧体膜时，谐振频率的变化取决于周围有效磁导率的变化。然而，当使用铝箔时，谐振频率的变化取决于涡流效应，其中当铝膜置于电磁场中时，产生了闭路电流，该电流产生第二个电磁场，这往往会降低原始电场的强度。在最后一种材料中，从水中浸出的湿擦拭物作为介电层，这会影响传感器的总电容。当负载施加时，谐振频率略微向下移动。因此，考虑到优异的灵敏度和高信噪比的性能，我们设计中的高μ铁氧体薄膜是本实验的最佳选择。

(4)对性能可靠性的评估

我们通过使用三种不同的机械载荷(5kpa，10kpa和20kpa)进行了时间分辨实验。传感器的谐振频率(i型)以4hz的采样频率记录(如图11a所示)。对于不同压力范围内的所有机械负载循环，传感器能够灵敏地响应循环负载并返回其原始值。结果表明我们的传感器在所施加的压力范围内具有出色的重现性。在分析周期性谐振频率曲线的下降沿和上升沿的基础上，在5kpa的外部负载下，响应和恢复时间估计为0.1s(支持信息中的图s2)。为了研究我们基于纺织品的wipsa的机械可靠性和坚固性，我们通过使用步进电机记录了传感器的谐振频率变化，经历了数万次压力及释放的循环。如图11b所示，即使在20,000次循环的压力负载之后，传感器仍保持恒定的谐振频率，证明了wipsa的机械稳健性和可靠性。图11c示出了当多个弯曲循环的实验中的最小谐振频率变化，此时wipsa装置沿着具有23mm半径的圆柱体的曲率弯曲。输出波动在2.5％以内，表明该设备具有高度可靠的灵活传感性能。

(5)对环境影响的表征

已经研究了环境参数变化对器件性能的潜在影响，包括温度/湿度变化和周围导电材料(例如金属块)的干扰。图12d示出了在15℃至103℃的温度范围内i型和iv型传感器的谐振频率变化。两种器件在整个温度范围内的谐振频率略微下降2.4％。在室内条件(40％)到高水平(99％)的湿度范围内也记录了相同组传感器的谐振频率。如图12e所示，两个装置的谐振频率在宽湿度变化范围内仅下降2.6％。微小的变化是由天线基板(即聚酰亚胺)的吸湿性和间隔织物的水蒸汽渗透性造成的。当衬底和织物吸收额外的水分时，等效的介电常数增加，导致器件电容的微小变化。此外，基于lc的传感器的性能可能受到周围导电材料(如金属)的影响。为了研究金属材料对我们的wipsa的干扰，我们通过在传感器表面上放置金属块，记录了具有或不具有铁氧体膜(ff)层的i型传感器的相频谱。如图12f所示，在没有ff层的对照样品中，当呈现金属时，最大相位下降(δθmax)减小29％并且谐振频率增加3.6％。qf(高品质因数)和谐振频率分别变化11％和1.3％。我们的wipsa设备出色的稳定性为人类医疗保健监控提供了广泛的可穿戴应用。

(6)用于监测人体运动的wipsa

我们通过为传感单元(sd，sr，s1，su，图13a中标记)和21×21mm²检测实现四种类型的天线(i，ii，iii和iv)制造了2×2传感阵列线圈(图13a中右侧)。每个单元在0-10kpa的压力范围内具有独特的谐振频率(图13b)。因此，可以在没有任何串扰的情况下单独地检索该阵列中的每个单元的压力幅度和位置。图13c示出了当与传感器阵列耦合时检测线圈的相位下降。数据验证了每个单元的独特谐振频率。我们开发了一种智能腕带，通过整合我们的2×2基于纺织品的wipsa来记录指尖压力，并展示了对任何人造物体运动方向的远程控制。分别记录四个单元的谐振频率变化(δfd，δfr，δfl和δfu)。通过考虑腕带传感单元中这些变量的分布，可以反算出方向，包括arctan(δfu/δfl)，arctan(δfd/δfr)，arctan(δfd/δfl)和arctan(δfu/δfl))。如图13d和13e所示，压力映射的结果在我们对腕带上的三个不同位置(a，b，c)的按压测试中有明显区别。

足底压力分布在足部疾病，运动生物力学，鞋类开发和步态分析的诊断中得到了广泛认可。例如，足底压力测量已经显示出它们在预防糖尿病足溃疡的诊所中的重要性。因此，本发明实施例还提供了一种压敏鞋垫，通过实施wipsa技术来解决足底表面和鞋子之间的压力分布。如图14所示，压敏鞋垫集成了八个单个的传感单元，位于对应于脚趾(#1)，跖骨(#2，#3)，中足(#4-#7)，脚跟(#8)。已经校准了八个传感器的特征谐振频率-压力响应(图15)。在将一双精巧的鞋垫装入舞鞋后，体重为50公斤的人将鞋子直立或脚尖站立(图16中的插图)。记录左脚施加的压力进行分析。立式和踮脚的相应值分别在图16中示为黑色和白色条。正如预期的那样，脚部经历了脚跟区域(传感器#8)中的最高应力和拱形区域(传感器#6)周围的最低应力，从而呈现直立姿势。相反，对于站立姿势，跖骨和脚趾区域的压力水平上升，中足和脚跟区域的压力水平下降。

我们通过与商用腰部支撑带的集成进一步证明了我们的wipsa的应用，以测量腰带和志愿者腹部之间的交互压力(支持信息中的图19)。wipsa嵌入式智能腰带可灵敏地量化三种不同的包裹张力(图21)。当志愿者深呼吸时，它还成功地检测到压力差异，导致对腹部的压力更高/更低(图22)。通过我们的腕带，、能鞋垫和腰带的这些演示，可以灵敏，快速地检测压力分布以及人体运动，以无线传输方式为可穿戴医疗保健系统和运动生物力学提供有趣的应用。

二、实验部分

(1)材料与方法

wipsa器件由三层组成：铁氧体薄膜、具有三维微结构的织物隔板和无源天线。器件制造的一般过程包括三个步骤：天线制造，激光微加工和器件组装。在第一步中，我们使用标准丝网印刷方法和湿法蚀刻工艺对双面覆铜的pi膜进行图案化。电容器和电感器形成在薄膜的两侧。通过通孔铜电镀连接两个铜层，然后在每个电极侧层压聚酰亚胺膜(25μm厚)和薄的粘合剂层。第二步，采用直接激光微加工技术，将铁氧体薄膜、无源天线、织物隔板的几何形状划分为单一形状。在该步骤中创建织物隔板中的对准标记。在最终组装中，通过施加一层双面胶带将铁氧体薄膜和无源天线对准织物隔板上的相应位置。整个wipsa设备柔软灵活，每个传感单元的尺寸为10mm×10mm×2.65mm。

(2)设备校准系统的构建

开发了定制校准系统，来实验评估设备性能。该系统由一个步进电机驱动的线性平台，运动分辨率为0.1μm，一个分辨率为10mn的测力计和阻抗分析仪。台式计算机用于控制线性平台的运动，提供平台来同时控制机械载荷和位移。这些参数由测力计和步进电机测得，并反馈给计算机。压强由力和每个传感单元的面积之比确定。

(3)机械对电气灵敏度的校准

读取线圈放置在传感器下方，恒定的间隔距离为4.5mm。通过阻抗分析仪在分析模式下在1v的ac激励电压和高达60mhz的扫描频率下监测读取线圈的相频谱。在两个相同的传感单元上对机械-谐振频率响应进行两次评估。

(4)关于wipsa的机械可逆性的表征

对于一个单元施加频率为0.125hz的高达20kpa的周期性负载。耦合线圈在44mhz的输出阻抗以约4hz的采样频率记录。通过变压器方程传感器的谐振频率。为了表征该装置的机械稳定性，使用10hz的脉冲电压信号驱动的商用电动针式致动器。在传感器表面施加周期性压力(20,000次循环)。

(5)对环境影响的表征

将器件放置在热板上，其中通过红外温度计监测表面温度。通过各种温度水平的外部线圈测量器件的谐振频率。为了表征湿度影响，将装置放置在具有开口的腔室中，腔室中的湿度可以通过加湿器控制。室内的湿度水平也由商用湿度传感器(监测。为了表征金属影响，将由重量为500g的不锈钢制成的圆柱形金属块放置在传感器表面上，分离距离为2mm。通过阻抗分析仪记录共振相频谱。

图18为5kpa机械负载时的时间响应。响应和恢复时间是根据谐振频率输出的下降沿和上升沿估算的。

图19～22演示wipsa在智能腰带中的实用性。wipsa与腰带(图19)集成并佩戴在志愿者身上的照片(图20)“松散”，“恰到好处”和“高度紧张”状态(图21)压力强度，以及志愿者深呼吸进出的压力变化(图22)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。