基于摩擦发电的传感器及人体生理信号采集装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于摩擦发电的传感器，所述传感器内部形成有摩擦界面，在外力作用下，所述摩擦界面可接触分离并相互摩擦，以产生电信号；所述传感器内设置有微动加强层，微动加强层可加快传感器内部的摩擦界面在微小外力作用下的分离速度，以增强传感器对微小外力的电信号输出。本发明还公开了一种人体生理信号采集装置。本发明通过增设微动加强层，减小了传感器的局部形变，加快了摩擦层间的分离速度，从而加强了传感器对心跳等微小动作的信号输出。
【专利说明】
基于摩擦发电的传感器及人体生理信号采集装置
技术领域
[0001]本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种基于摩擦发电的传感器及人体生理信号采集装置。
【背景技术】
[0002]人体生理信号采集装置能全面记录使用者整夜的睡眠信息，包括心率、呼吸率、翻身、离床、深中浅睡眠、入睡时长、睡眠周期等。
[0003]现有技术中多采用PVDF压电薄膜作为换能器件，将人体的生理信号转变成电信号，供后续电路模块处理。
[0004]另外一种更为先进、更为稳定的换能器件为基于摩擦发电的传感器，该传感器的原理为利用两层发电膜之间的受压接触分离摩擦产生电信号，供后续电路模块处理。
[0005]但是基于摩擦发电的传感器存在一个较为突出的问题是在人体生理信号采集时，对心跳信号等相对微小的信号的敏感度较差，而对呼吸等相对强烈的信号输出较大，这就造成心跳等微小信号的输出与呼吸等信号输出的数值不成比例，给后续信号处理带来很大的难题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种能够解决对心跳等微小信号的敏感度差的问题的基于摩擦发电的传感器及人体生理信号采集装置。
[0007]为实现上述目的，本发明的一种基于摩擦发电的传感器及人体生理信号采集装置的具体技术方案为:
[0008]—种基于摩擦发电的传感器，所述传感器内部形成有摩擦界面，在外力作用下，所述摩擦界面可接触分离并相互摩擦，以产生电信号;所述传感器内设置有微动加强层，微动加强层可加快传感器内部的摩擦界面在微小外力作用下的分离速度，以增强传感器对微小外力的电信号输出。
[0009]进一步，微动加强层设置在传感器中的不构成摩擦界面的两个表面之间。
[0010]进一步，传感器包括摩擦发电机;摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、第二电极层，第一电极层与第一聚合物层构成摩擦界面，第一电极层和第二电极层构成摩擦发电机的信号输出端;微动加强层设置在第一聚合物层和第二电极层之间。
[0011]进一步，传感器包括摩擦发电机;摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、第二聚合物层、第二电极层，第一聚合物层与第二聚合物层构成摩擦界面，第一电极层和第二电极层构成摩擦发电机的信号输出端;微动加强层设置在第一电极层与第一聚合物层之间，和/或设置在第二聚合物层与第二电极层之间。
[0012]进一步，传感器包括摩擦发电机;摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、居间薄膜层、第二聚合物层、第二电极层，第一聚合物层与居间薄膜层、和/或居间薄膜层与第二聚合物层构成摩擦界面，第一电极层和第二电极层构成摩擦发电机的信号输出端;微动加强层设置在第一电极层与第一聚合物层之间，和/或设置在第一聚合物层与居间薄膜层之间，和/或设置在居间薄膜层与第二聚合物层之间，和/或设置在第二聚合物层与第二电极层之间。
[0013]进一步，传感器包括摩擦发电机;摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、居间电极层、第二聚合物层、第二电极层，第一聚合物层与居间电极层、和/或居间电极层与第二聚合物层构成摩擦界面，第一电极层、第二电极层和居间电极层构成摩擦发电机的信号输出端;微动加强层设置在第一电极层与第一聚合物层之间，和/或设置在第一聚合物层与居间电极层之间，和/或设置在居间电极层与第二聚合物层之间，和/或设置在第二聚合物层与第二电极层之间。
[0014]进一步，传感器包括摩擦发电机和绝缘层，绝缘层包覆设置在摩擦发电机的外侧，微动加强层设置在摩擦发电机与绝缘层之间。
[0015]进一步，传感器包括摩擦发电机、绝缘层和屏蔽层，绝缘层和屏蔽层依次层叠包覆设置在摩擦发电机的外侧，微动加强层设置在绝缘层与屏蔽层之间。
[0016]进一步，传感器包括摩擦发电机、绝缘层、屏蔽层和保护层，绝缘层、屏蔽层和保护层依次层叠包覆设置在摩擦发电机的外侧，微动加强层设置在屏蔽层与保护层之间。
[0017]进一步，微动加强层为平板结构或为阵列开设有几何形状通孔的镂空结构。
[0018]进一步，微动加强层上阵列开设的几何形状为长方形或椭圆形。
[0019]进一步，微动加强层的厚度为0.01-2.0mm。
[0020]进一步，微动加强层的材料为塑料或橡胶;塑料包括:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酯、发泡聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯或尼龙;橡胶包括:丁晴橡胶、氢化丁晴橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、氯丁橡胶或丁基橡胶。
[0021]—种人体生理信号采集装置，包括上述任一所述的传感器。
[0022]本发明的基于摩擦发电的传感器及人体生理信号采集装置的优点在于:通过增设微动加强层，减小了传感器的局部形变，加快了摩擦层间的分离速度，从而加强了传感器对心跳等微小动作的信号输出。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的基于摩擦发电的传感器的第一实施例的结构示意图；
[0024]图2为本发明的基于摩擦发电的传感器的第二实施例的结构示意图；
[0025]图3为本发明的基于摩擦发电的传感器的第三实施例的结构示意图；
[0026]图4为本发明的基于摩擦发电的传感器的第四实施例的结构示意图；
[0027]图5为本发明的基于摩擦发电的传感器的第五实施例的结构示意图；
[0028]图6为本发明的基于摩擦发电的传感器中的微动加强层的第一实施例的结构示意图；
[0029]图7为本发明的基于摩擦发电的传感器中的微动加强层的第二实施例的结构示意图；
[0030]图8为本发明的基于摩擦发电的传感器中的微动加强层的第三实施例的结构示意图；
[0031]图9为本发明的基于摩擦发电的传感器中的微动加强层的第四实施例的结构示意图；
[0032]图10为本发明的人体生理信号采集装置的外形示意图；
[0033]图11为本发明的人体生理信号采集装置的对比测试图。
【具体实施方式】
[0034]为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种基于摩擦发电的传感器及人体生理信号采集装置做进一步详细的描述。
[0035]如图1至图11所示，本发明的人体生理信号采集装置包括传感器，其中，传感器的内部形成有摩擦界面，在外力作用下，传感器内部的摩擦界面可接触分离并相互摩擦，以产生电信号;传感器内设置有微动加强层，优选的是，微动加强层设置在传感器中的不构成摩擦界面的两个表面之间，可加快传感器内部的摩擦界面的分离速度，以增强传感器对微小外力的电信号输出。
[0036]具体来说，如图1所示，其为本发明的基于摩擦发电的传感器的第一实施例的结构示意图。该实施例中，传感器包括摩擦发电机、以及依次层叠包覆设置在摩擦发电机外侧的绝缘层130和屏蔽层120，微动加强层110设置在屏蔽层120的外侧。
[0037]进一步，摩擦发电机采用了四层结构的摩擦发电机，包括了依次层叠设置的第一电极层141、第一聚合物层142、第二聚合物层143以及第二电极层144，其中，第一聚合物层142与第二聚合物层143相互摩擦构成摩擦界面，第一电极层141和第二电极层144构成摩擦发电机的输出端。由此，摩擦发电机感应外力作用，在外力作用下发生形变，使摩擦发电机的各层间发生分离接触、互相摩擦，从而使其两个输出端发生感应电荷，在摩擦发电机与外电路连通后，输出交流的压力电信号。此外，应注意的是，除如图1所示的四层结构的摩擦发电机外，还可以根据实际实施情况，采用三层结构、五层结构的摩擦发电机，此处不做具体限定。
[0038]进一步，绝缘层130设置在摩擦发电机和屏蔽层120之间，将摩擦发电机整体包覆住，用于防止摩擦发电机的第一电极层141和第二电极层144与屏蔽层120相互接触，减少摩擦发电机输出的交流的压力电信号的损耗。其中，绝缘层可采用高分子聚合物材质，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氟化乙丙稀共聚物(FEP)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等。
[0039]进一步，屏蔽层120包覆设置在绝缘层130的外侧，用于屏蔽外界电磁干扰以保护摩擦发电机输出的交流的压力电信号。其中，微动加强层110设置在屏蔽层120的外侧，微动加强层110可以减小传感器的局部形变，加快摩擦界面间的分离速度，从而加强传感器对心跳等微小动作的信号输出。
[0040]进一步，除摩擦发电机内部的构成摩擦界面的两个表面必须为不固定连接外，其它各层之间均可以为固定连接，并且优选为固定连接，如粘接等。
[0041 ]进一步，微动加强层可采用平板结构，如图6所示。此外，根据需要，微动加强层也可采用阵列开设有几何形状通孔的镂空结构，其中，几何形状可以为长方形或椭圆形等形状，如图7至图9所示。同时，微动加强层的外形尺寸优选与传感器的外形尺寸相当，一般可根据其设置的具体位置进行微调，厚度可设置在0.01-2.0mm之间。应注意的是，以上均为举例说明，实际实施时，可根据具体情况进行设置，此处不做具体限定。
[0042]进一步，微动加强层的材料可选用塑料或橡胶。其中，塑料类的材料可选择如PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PET(聚酯)、EPS(发泡聚苯乙烯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PC(聚碳酸酯)、PA(尼龙)等;橡胶类的材料可选择如丁晴橡胶(NBR)、氢化丁晴橡胶(HNBR)、乙丙橡胶(EPM\EPDM)、硅橡胶(Q)、氟橡胶(FPM)、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)、异戊橡胶(IR)、氯丁橡胶(CR)、丁基橡胶(IIR)等。
[0043]如图2所示，其为本发明的基于摩擦发电的传感器的第二实施例的结构示意图。与第一实施例相比，该实施例中，传感器包括摩擦发电机、以及依次层叠包覆设置在摩擦发电机外侧的绝缘层230和屏蔽层220，微动加强层210设置在绝缘层230和屏蔽层220之间，应注意的是，微动加强层210可以设置在绝缘层230的一侧表面与屏蔽层220之间，或者设置在绝缘层230的两侧表面与屏蔽层220之间。此外，本实施例中的其余结构及原理与第一实施例中类似，不再详述。
[0044]如图3所示，其为本发明的基于摩擦发电的传感器的第三实施例的结构示意图。与第一实施例相比，该实施例中，传感器包括摩擦发电机、以及依次层叠包覆设置在摩擦发电机外侧的绝缘层330和屏蔽层320，微动加强层310设置在摩擦发电机和绝缘层330之间，应注意的是，微动加强层310可以设置在摩擦发电机的一侧表面与绝缘层330之间，或者在摩擦发电机的两侧表面与绝缘层330之间均设置微动加强层310。此外，本实施例中的其余结构及原理与第一实施例中类似，不再详述。
[0045]如图4所示，其为本发明的基于摩擦发电的传感器的第四实施例的结构示意图。与第一实施例相比，该实施例中，传感器包括摩擦发电机、以及依次层叠包覆设置在摩擦发电机外侧的绝缘层430和屏蔽层420。
[0046]进一步，摩擦发电机采用了四层结构的摩擦发电机，包括了依次层叠设置的第一电极层441、第一聚合物层442、第二聚合物层443以及第二电极层444，其中，第一聚合物层442与第二聚合物层443相互摩擦构成摩擦界面，第一电极层441和第二电极层444构成摩擦发电机的输出端，微动加强层410设置在第一电极层441与第一聚合物层442之间。当然，根据需要微动加强层410也可以设置在第二聚合物层443与第二电极层444之间，或者可以在上述各个位置均设置有微动加强层410，也就是微动加强层只要设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间即可。此外，本实施例中的其余结构及原理与第一实施例中类似，不再详述。
[0047]此外，应注意的是，除上述四层结构的摩擦发电机外，还可以根据实际实施情况，采用三层结构、五层结构的摩擦发电机，微动加强层可以设置在三层结构、五层结构的摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间。
[0048]如摩擦发电机为三层结构的摩擦发电机，该摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、第二电极层，其中，第一电极层与第一聚合物层相互摩擦构成摩擦界面，第一电极层和第二电极层构成摩擦发电机的输出端。此时，微动加强层设置在第一聚合物层和第二电极层之间。
[0049]如摩擦发电机为五层结构的摩擦发电机，该摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、居间薄膜层、第二聚合物层、第二电极层，其中，第一聚合物层与居间薄膜层、和/或居间薄膜层与第二聚合物层相互摩擦构成摩擦界面。
[0050]当第一聚合物层与居间薄膜层相互摩擦构成摩擦界面时，微动加强层可以设置在第一电极层与第一聚合物层之间，或者设置在居间薄膜层与第二聚合物层之间，或者设置在第二聚合物层与第二电极层之间，也可以设置在上述各个位置均设置有微动加强层。
[0051]当居间薄膜层与第二聚合物层相互摩擦构成摩擦界面时，微动加强层可以设置在第一电极层与第一聚合物层之间，或者设置在第一聚合物层与居间薄膜层之间，或者设置在第二聚合物层与第二电极层之间，也可以设置在上述各个位置均设置有微动加强层。
[0052]又如摩擦发电机为五层结构的摩擦发电机，该摩擦发电机包括:依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、居间电极层、第二聚合物层、第二电极层，其中，第一聚合物层与居间电极层、和/或居间电极层与第二聚合物层相互摩擦构成摩擦界面。
[0053]当第一聚合物层与居间电极层相互摩擦构成摩擦界面时，微动加强层可以设置在第一电极层与第一聚合物层之间，或者设置在居间电极层与第二聚合物层之间，或者设置在第二聚合物层与第二电极层之间，也可以设置在上述各个位置均设置有微动加强层。
[0054]当居间电极层与第二聚合物层相互摩擦构成摩擦界面时，微动加强层可以设置在第一电极层与第一聚合物层之间，或者设置在第一聚合物层与居间电极层之间，或者设置在第二聚合物层与第二电极层之间，也可以设置在上述各个位置均设置有微动加强层。
[0055]应注意的是，上述提及的摩擦发电机中构成摩擦界面的两个面中的至少一个面上设有微纳结构。
[0056]如图5所示，其为本发明的基于摩擦发电的传感器的第五实施例的结构示意图。与第一实施例相比，该实施例中，传感器包括摩擦发电机、以及依次层叠包覆设置在摩擦发电机外侧的绝缘层530、屏蔽层520和保护层550。
[0057]进一步，保护层550设置在传感器的最外层，包覆设置在屏蔽层520的外侧，用于密封保护摩擦发电机，防止摩擦发电机在外力作用下受到损伤，同时也起到防尘防潮的效果，以降低摩擦发电机的老化速度。
[0058]进一步，微动加强层510设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间(图中为微动加强层510设置在第一电极层541与第一聚合物层542之间)。此外，应注意的是，微动加强层510还可以设置在屏蔽层520与保护层550之间，其中，微动加强层510可以设置在屏蔽层520的一侧表面与保护层550之间，或者设置在屏蔽层520的两侧表面与保护层550之间。
[0059]如图10所示，其为本发明的人体生理信号采集装置的外形示意图。本发明的人体生理信号采集装置的外形优选为适合于横向铺设在床上的带状结构。
[0060]实施例:
[0061]人体生理信号采集装置的外形尺寸为40*820mm;第一电极层为导电胶带；第一聚合物层为TOMS薄膜，相对于第二聚合物层的一侧具有凸点结构；第二聚合物层为镀铝PET，其中PET的一面作为第二聚合物层与TOMS薄膜相对;第二电极层为镀铝PET，其中镀铝的一面作为第二电极层；绝缘层选用双面胶PET膜，半包围覆盖摩擦发电机，镀铝PET—面裸露；微动加强层选用PDMS硅橡胶膜，厚度为0.6mm，设置在第一电极层和第一聚合物层之间；屏蔽层为导电胶带，全包围覆盖摩擦发电机，一面与双面胶PET膜粘接，一面与镀铝PET的镀铝面粘接;第一聚合物层与第二聚合物层之间接触但不固定连接，其他相邻各层之间均采用粘接的方式固定连接。
[0062]针对上述实施例的试验，具体试验数据如下:
[0063]试验样本:不加设微动加强层的采集装置;加设微动加强层的采集装置;两装置其他结构完全相同。试验方法:将两测量装置同时放置在床上，真人躺在其上进行信号测试试验。实验结果:如图11所示，加设微动加强层前，测试结果主要显示呼吸信号，而心跳信号显示很微弱，加设微动加强层后，该采集装置采集的心跳信号明显，相对于不加设加强层的采集装置采集的心跳信号的幅值可以提高1.5?2倍，呼吸信号基本不变。
[0064]本发明的基于摩擦发电的传感器及人体生理信号采集装置在现有技术的基础上，进一步增设微动加强层，减小传感器的局部形变，加快摩擦层间的分离速度，从而加强传感器对心跳等微小动作的信号输出。
[0065]以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
【主权项】
1.一种基于摩擦发电的传感器，其特征在于， 所述传感器内部形成有摩擦界面，在外力作用下，所述摩擦界面可接触分离并相互摩擦，以产生电信号； 所述传感器内设置有微动加强层，微动加强层可加快传感器内部的摩擦界面在微小外力作用下的分离速度，以增强传感器对微小外力的电信号输出。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，微动加强层设置在传感器中的不构成摩擦界面的两个表面之间。3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，传感器包括摩擦发电机； 摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、第二电极层，第一电极层与第一聚合物层构成摩擦界面，第一电极层和第二电极层构成摩擦发电机的信号输出端； 微动加强层设置在第一聚合物层和第二电极层之间。4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，传感器包括摩擦发电机； 摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、第二聚合物层、第二电极层，第一聚合物层与第二聚合物层构成摩擦界面，第一电极层和第二电极层构成摩擦发电机的信号输出端； 微动加强层设置在第一电极层与第一聚合物层之间，和/或设置在第二聚合物层与第二电极层之间。5.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，传感器包括摩擦发电机； 摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、居间薄膜层、第二聚合物层、第二电极层，第一聚合物层与居间薄膜层、和/或居间薄膜层与第二聚合物层构成摩擦界面，第一电极层和第二电极层构成摩擦发电机的信号输出端； 微动加强层设置在第一电极层与第一聚合物层之间，和/或设置在第一聚合物层与居间薄膜层之间，和/或设置在居间薄膜层与第二聚合物层之间，和/或设置在第二聚合物层与第二电极层之间。6.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，传感器包括摩擦发电机； 摩擦发电机包括依次层叠设置的第一电极层、第一聚合物层、居间电极层、第二聚合物层、第二电极层，第一聚合物层与居间电极层、和/或居间电极层与第二聚合物层构成摩擦界面，第一电极层、第二电极层和居间电极层构成摩擦发电机的信号输出端； 微动加强层设置在第一电极层与第一聚合物层之间，和/或设置在第一聚合物层与居间电极层之间，和/或设置在居间电极层与第二聚合物层之间，和/或设置在第二聚合物层与第二电极层之间。7.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，传感器包括摩擦发电机和绝缘层，绝缘层包覆设置在摩擦发电机的外侧，微动加强层设置在摩擦发电机与绝缘层之间。8.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，传感器包括摩擦发电机、绝缘层和屏蔽层，绝缘层和屏蔽层依次层叠包覆设置在摩擦发电机的外侧，微动加强层设置在绝缘层与屏蔽层之间。9.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，传感器包括摩擦发电机、绝缘层、屏蔽层和保护层，绝缘层、屏蔽层和保护层依次层叠包覆设置在摩擦发电机的外侧，微动加强层设置在屏蔽层与保护层之间。10.根据上述任一权利要求中所述的传感器，其特征在于，微动加强层为平板结构或为阵列开设有几何形状通孔的镂空结构。11.根据权利要求10所述的传感器，其特征在于，微动加强层上阵列开设的几何形状为长方形或椭圆形。12.根据权利要求10所述的传感器，其特征在于，微动加强层的厚度为0.01-2.0mm。13.根据权利要求10所述的传感器，其特征在于，微动加强层的材料为塑料或橡胶； 塑料包括:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酯、发泡聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯或尼龙； 橡胶包括:丁晴橡胶、氢化丁晴橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、氯丁橡胶或丁基橡胶。14.一种人体生理信号采集装置，其特征在于，包括上述任一权利要求中所述的传感器。
【文档编号】H02N1/04GK105991063SQ201610297098
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】徐传毅, 王珊, 孙利佳
【申请人】纳智源科技（唐山）有限责任公司