压力和PPG二合一脉搏波传感器、智能穿戴设备、脉搏波测量装置的制作方法

压力和ppg二合一脉搏波传感器、智能穿戴设备、脉搏波测量装置
技术领域
1.本发明涉及一种传感器，具体涉及一种二合一脉搏波传感器，属于光学传感器测量技术领域。


背景技术：

2.目前测量人体脉搏波常用的传感器有ppg传感器和压力传感器。
3.其中ppg(光体积变化描记图法)传感器的工作原理是：动脉里有血液的脉动，对光的吸收自然也会有所变化。由于动脉对光的吸收有变化而其他组织对光的吸收基本不变，由此通过光电转换，就能够得到脉搏波的电信号，其反应出血液流动的特点。
4.压力传感器的工作原理是：表层动脉跳动，通过紧贴皮肤的传压介质，传递到敏感材料上，其压力的微小变化，导致压力敏感材料的电阻或者电容的变化，通过转换电路就可以得到脉搏波的电信号，其反应的是动脉的直径变化。
5.但现有技术中，一般只是单独使用ppg传感器或者压力传感器；或者两个传感器分别在不同的位置，各自进行检测，在信号处理上并没有联系。
6.但依据上述两种传感器的测量原理可知，ppg传感器实际测量的是血液的流速，而压力传感器测量的是动脉直径的变化。虽然测量的都是脉搏波信号，但两种传感器是从不同的维度得到的脉搏波信息。与实际脉搏波信息相比，都是单一的，有缺失的，不能更多的反应实际脉搏波里蕴含的信息。
7.而且即使同时采用两种传感器，但由于不是在同一个位置进行测量，信号源不同，两个传感器输出的信号没有直接的联系，无法进行信号的统一处理以更多的反应实际脉搏波里蕴含的信息。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供一种压力和ppg二合一脉搏波传感器，能够在同一位置处同时采集脉搏的ppg和压力信号，从不同的维度得到脉搏波信息，使其能够更为真实的反映实际脉搏波信息。
9.所述的压力和ppg二合一脉搏波传感器包括：ppg采集单元和压力芯体；
10.所述ppg采集单元与所述压力芯体层叠设置，所述压力芯体采集由所述ppg采集单元传递的压力信号。
11.作为本发明的一种优选方式，所述ppg采集单元中ppg外壳的尺寸不小于所述压力芯体中压力应变膜的尺寸，以保护压力应变膜。
12.作为本发明的一种优选方式，所述ppg采集单元通过ppg底座固接在所述压力芯体的压力应变膜上。
13.作为本发明的一种优选方式，所述压力应变膜边缘与压力芯体壳体固接，且所述ppg底座外边缘与所述压力应变膜固接位内边缘之间存在间距，以形成弹臂。
14.作为本发明的一种优选方式，所述ppg底座位于所述芯体壳体的中心位置，所述弹臂尺寸为1mm～2mm；
15.所述ppg底座直径为ppg外壳直径的60％～80％。
16.作为本发明的一种优选方式，还包括：用于接收所述ppg信号的ppg信号处理电路；用于接收所述压力信号的压力信号处理电路。
17.作为本发明的一种优选方式，所述ppg信号处理电路和所述压力信号处理电路设置在同一信号处理电路板上。
18.作为本发明的一种优选方式，所述信号处理电路板与所述压力芯体固接；
19.所述ppg采集单元中用于安装光敏二极管和发光二极管的ppg线路板为柔性电路板，与所述信号处理电路板相连。
20.作为本发明的一种优选方式，所述信号处理电路板与所述压力芯体固接；
21.所述压力敏感芯片通过导电体将电信号传递至所述信号处理电路板。
22.作为本发明的一种优选方式，所述ppg采集单元中，包括两个以上光敏二极管，在每个光敏二极管四周设置两个以上发光二极管；由两个以上发光二极管共同或分别为光敏二极管提供光源。
23.作为本发明的一种优选方式，所述ppg采集单元中，包括两个以上发光二极管，在每个发光二极管周围布置两个以上并联的光敏二极管，所述发光二极管与两个以上并联的光敏二极管构成一个测量通道。
24.作为本发明的一种优选方式，所述压力芯体中，压力应变膜的材质为pet薄片或包括硅胶、橡胶、不锈钢薄片在内的其它弹性材料。
25.作为本发明的一种优选方式，当所述ppg信号处理电路和所述压力信号处理电路接收到外部主处理器通过时钟缓冲器输入的两个同步时钟时；所述压力信号处理电路和ppg信号处理电路将采集的信号带着时钟信息，输出到外部主处理器上。
26.作为本发明的一种优选方式，当所述压力信号处理电路接收到外部主处理器发送的触发信号a时，向外部主处理器输出压力信号，所述压力信号包括了接收到触发信号a时对应的时间标签；
27.当所述ppg信号处理电路接收到外部主处理器发送的触发信号b时，向外部主处理器输出ppg信号，所述ppg信号包括了接收到触发信号b时对应的时间标签。
28.此外，本发明提供一种智能穿戴设备，包括：机体和佩戴带，所述机体内设置有脉搏波二合一传感器，所述脉搏波二合一传感器为上述压力和ppg二合一脉搏波传感器。
29.此外，本发明还提供一种脉搏波测量装置，包括：采集单元和处理单元；
30.所述采集单元，用于采集目标对象产生的脉搏波信号，并发送给处理单元；
31.所述处理单元，用于将采集单元所采集的所述脉搏波信号进行分析处理，生成目标脉搏数据；
32.所述采集单元为上述压力和ppg二合一脉搏波传感器。
33.优选的，该脉搏波测量装置还包括：显示单元；
34.所述处理单元将生成的目标脉搏数据发送给显示单元；
35.所述显示单元用于根据接收到的目标脉搏数据，显示目标对象脉搏跳动频率或波形。
36.有益效果：
37.(1)该二合一脉搏传感器通过将ppg采集单元和压力芯体集成在一个结构上，实现了在采集脉搏ppg信号的同时，也能采集脉搏的压力信号；即实现了同一位置，能够同时采集脉搏的ppg和压力信号；且考虑压力应变膜为敏感器件，一般很薄，很容易损坏；将ppg采集单元放置在采集前端，能够对压力芯体起到保护的作用。
38.(2)ppg采集单元中ppg外壳的尺寸不小于压力芯体中压力应变膜的尺寸，使ppg外壳对压力芯体中压力应变膜起到保护作用，避免压力应变膜裸露损坏。
39.(3)该二合一脉搏传感器中，ppg采集单元叠加在压力芯体上，通过对ppg底座尺寸进行分析、设计，能够明显提高压力芯体所检测的压力信号的一致性。
40.(4)该二合一脉搏传感器中，ppg采集单元和压力芯体共用一个信号处理电路板，使得传感器整体更加紧凑，相比两个独立的传感器，尺寸减小，更适合便携式穿戴产品上。
41.(5)通过外部主处理器采用时钟同步或轮询的方式保证对ppg信号与压力信号的同步采集，保证从不同的维度得到的脉搏波信息的同步性，更为精准的反应实际脉搏波里蕴含的信息。
42.(6)将ppg线路板设计为柔性线路板，由此能够直接将ppg线路板伸出ppg外壳的一端向下弯折后通过设置在信号处理电路板上的连接器与ppg处理芯片相连。
43.(7)在ppg采集单元中，设置一个以上光敏二极管和一个以上发光二极管，能够依据使用需求由两个以上发光二极管共同或分别为同一光敏二极管提供光源。
44.(8)在ppg采集单元中，设置一个以上光敏二极管和一个以上发光二极管，能够依据使用需求由一个发光二极管与两个以上并联的光敏二极管构成一个测量通道。
附图说明
45.图1为本发明的二合一脉搏波传感器的整体结构示意图；
46.图2为本发明的二合一脉搏波传感器的分解图；
47.图3为压力芯体受力分析图；
48.图4为不同ppg底座尺寸下压力应变膜边缘和中心受力分析数据；
49.图5为信号处理电路中一种同步处理方式示意图；
50.图6为信号处理电路中另一种同步处理方式示意图。
51.其中：1-ppg采集单元、2-压力芯体、3-信号处理单元；
52.11-镜片、12-光敏二极管、13-发光二极管、14-ppg外壳、15-ppg线路板、16-ppg底座、21-压力应变膜、22-压力芯体外壳、23-压力敏感芯片、24-传压介质、25-铜针、26-芯体基座、27-环形凸起
具体实施方式
53.下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
54.实施例1：
55.本实施例提供一种压力和ppg二合一脉搏波传感器，通过将压力传感器和ppg传感器进行集成，实现同一位置两种信号的同步采集。
56.如图1所示，该脉搏波传感器包括：ppg采集单元1、压力芯体2和信号处理单元3。
57.如图2所示，ppg采集单元1包括：镜片11、光敏二极管(即pd)12、发光二极管(即led)13、ppg外壳14、ppg线路板15和ppg底座16；
58.其中ppg外壳14作为镜片11的安装基座，同时提供光敏二极管12和发光二极管13的安装空间；具体的：ppg外壳14具有阶梯状的中心孔，镜片11固定安装(如粘接)在其中心孔的第一层台阶上，由此将镜片11嵌装在ppg外壳14中心孔的最上层；镜片11材质为玻璃，表面做增透处理，尽可能提高透光率。
59.光敏二极管12和发光二极管13固定安装(如焊接)在ppg线路板15上，其中发光二极管13用于发射光信号，光信号可以为红光、绿光、红外光中的至少一种光。光敏二极管12用于接收发光二极管13的光信号。可以在ppg线路板15上设置一个以上光敏二极管12和一个以上发光二极管13；如在同一个光敏二极管12四周设置多个发光二极管13，由多个发光二极管13共同或分别为光敏二极管12提供光源，各发光二极管13与光敏二极管12之间的距离可以相同也可以不相同，设置不同距离的发光二极管13，可以满足不同应用场景下对光敏二极管12与发光二极管13之间距离的要求。或者在同一发光二极管13周围布置多个并联的光敏二极管12，发光二极管13与多个并联的光敏二极管12构成一个测量通道。
60.ppg线路板15固定有光敏二极管12和发光二极管13的一端安装在ppg外壳14中心孔内镜片11下方的位置，ppg线路板15与ppg外壳粘接；优选的，光敏二极管12位于镜片11的中心位置。ppg线路板15的另一端伸出在ppg外壳后与信号处理单元3连接，用于将检测信号传递至信号处理单元3。
61.令镜片11所在端为ppg外壳14的上端，ppg底座16固定安装(如粘接)在ppg外壳14的下端，封闭其中心孔下端面。
62.上述ppg外壳14材质可采用abs/pc工程塑料，ppg底座16材质可采用pc工程塑料。
63.压力芯体2包括：压力应变膜21、压力芯体外壳22、压力敏感芯片23、传压介质24、铜针25和芯体基座26；
64.芯体基座26、铜针25与压力芯体外壳22为一体成型结构，形成该压力芯体2的外壳；其中芯体基座26位于压力芯体外壳22的中心孔内，且芯体基座26的下端面与压力芯体外壳22平齐，上端面与压力芯体外壳22上端面之间预留空间，用于安装压力敏感芯片23和填充传压介质24；铜针25嵌于芯体基座26内部，且两端均伸出芯体基座26。
65.压力敏感芯片23固定(如粘接)在芯体基座26上，用于将压力转换成电信号；压力敏感芯片23与铜针25电连接，如将压力敏感芯片23通过焊接金丝连接到铜针25上，由此通过铜针25将电信号传递至信号处理单元3。芯体基座26上与压力敏感芯片23对应的位置设置有与外界大气连通的透气通孔，即该压力芯体2所检测的为相对大气压的压力信号。优选的，压力敏感芯片23位于芯体基座26的中心位置。
66.压力芯体外壳22中心孔的上端面通过压力应变膜21封装，如通过点胶工艺，将压力应变膜21粘接在压力芯体外壳22上。具体的，在压力芯体外壳22上端面其中心孔的外圆周设置有环形槽，压力应变膜21的尺寸与环形槽的尺寸一致；该环形槽内部靠近边缘位置设置有环形凸起27，环形凸起27与压力芯体外壳22之间的环形空间为压力应变膜21与压力芯体外壳22的粘接位，由此将压力应变膜21的边缘粘接在压力芯体外壳22上。
67.由此使压力芯体外壳22内部形成一个中空的密封腔体(压力敏感芯片23位于该中空的密封腔体内)。通过注油孔向该中空的密封腔体内注满压力传压介质24，传压介质24用
于均衡分散传递至压力敏感芯片23的压力。传压介质24可以是气体、液体或固体至少一种形态的物质。具体的，传压介质24可以是氮气、氩气、氦气、甘油、煤油、航空汽油、石油醚、戊烷、异戊烷、硅油、叶蜡石、白云石、滑石、立方氮化硼、氯化银、无定形硼、氯化钠、氯化锂中至少一种介质；通常优选硅油作为传压介质24。
68.压力敏感芯片23封装后，压力应变膜21提供压力接触部；压力应变膜21接触到的压力通过传压介质24均匀传递至压力敏感芯片23。
69.上述压力应变膜21材质为pet薄片或其他具有弹性的材料，比如硅胶、橡胶、不锈钢薄片等。压力芯体外壳22材质为316l不锈钢；芯体基座26材质为玻璃等绝缘材料。
70.信号处理单元3为信号处理电路板，其上焊接有信号处理电路，信号处理电路包括：ppg信号处理芯片、压力信号处理芯片及连接器等。ppg采集前端1将检测的ppg信号实时发送给ppg信号处理芯片，压力芯体2将检测的压力信号实时发送给压力信号处理芯片。
71.上述ppg采集单元1、压力芯体2与信号处理电路板的连接关系为：信号处理电路板上设置有用于使铜针25穿过的通孔，信号处理电路板穿过压力传感单元2下方伸出的外部缠绕有金线的铜针25后与压力芯体外壳22固定(如焊接)在一起；信号处理电路板上与芯体基座26上透气通孔对应的位置同样设置有透气通孔。ppg采集单元1通过ppg底座16整体粘接在压力芯体2的压力应变膜21上，通过ppg采集单元1将压力传递至压力应变膜21；即该脉搏传感器中ppg采集单元1和压力芯体2上下层叠设置，且ppg采集单元1设置在压力芯体2的前端，由ppg采集单元1直接接触被测对象。
72.本例中，ppg线路板15为柔性线路板，即ppg线路板15柔性可弯折，由此直接将ppg采集单元1的ppg线路板15伸出ppg外壳14的一端向下弯折后通过设置在信号处理电路板上的连接器与ppg处理芯片相连，由此将ppg采集单元1所采集的信号传递至ppg处理芯片。压力芯体2所检测的信号直接由铜针25传递至信号处理电路板上的压力处理芯片。
73.此外，也可将信号处理电路板设置为柔性，由此可将信号处理电路板向上弯折后与ppg采集单元1相连；或直接将ppg线路板15或信号处理电路板设计为具有弯折的结构，只要能够实现ppg线路板15与信号处理电路板上连接器的连接即可。
74.该二合一脉搏传感器通过将ppg采集单元1和压力芯体2集成在一个结构上，实现了在采集脉搏ppg信号的同时，也能采集脉搏的压力信号。且ppg采集单元1和压力芯体2共用一个信号处理电路板，使得传感器整体更加紧凑，相比两个独立的传感器，尺寸减小，更适合便携式穿戴产品上。
75.实施例2：
76.在上述实施例1的基础上，为保证压力芯体2的测量精度，进行如下设计：
77.为使ppg采集单元1对压力芯体2中的压力应变膜21具有较好的保护作为，ppg外壳14的尺寸应不小于压力应变膜21的尺寸；进一步的，为使得该脉搏波传感器外形美观，通常将ppg采集单元1和压力芯体2的直径设计为一致，即ppg外壳14和压力芯体外壳22的直径一致，如图1所示；此时在压力芯体2进行压力信号采集时，如果仅仅只看压力芯体2，力直接作用在压力应变膜21上，由于压力应变膜21的边缘粘接在压力芯体外壳22上，形成了梁的结构。由此会使得在相同力的作用下，中心变形大，越靠近边缘变形越小，即相同的压力，作用位置不同，压力信号的幅度不同，
78.为了解决这一问题，ppg采集单元1除了作为力传递的介质外，还具备另一个作用：
将作用在ppg采集单元1顶部的力，都转换为ppg底座16对压力应变膜21的压强，使在ppg采集单元1顶部上任意位置施加相同的力，都能使压力应变膜21有几乎相同的变形，即保证压力应变膜21变形的一致性。为了达成这样的效果，ppg底座16的尺寸设计至关重要。
79.如图3所示，在ppg外壳14的边缘施加力，除了有向下的力外，还有一个力矩。如果ppg底座16尺寸足够大，这个力矩可以忽略不计，这样边缘施和中心施加的力都通过ppg底座16转换成相同的压强，传递到了压力应变膜21上。但是ppg底座16尺寸的增大，会导致压力应变膜21的弹臂尺寸(如图3所示，弹臂尺寸为压力芯体外壳22中的环形凸起的内圆周面与ppg底座16外圆周面之间的距离)变小，使压力信号的灵敏度整体下降，因此需通过对ppg底座16尺寸的设计平衡压力应变膜21变形的一致性与压力信号的灵敏度之间的关系。
80.通过力学分析得到，ppg底座尺寸(直径)16为ppg外壳14尺寸(直径)的70％，且弹臂尺寸为1mm～2mm时，压力应变膜21变形的一致性与压力信号的灵敏度均达到最佳。
81.如图4所示，当ppg外壳14和压力芯体外壳22尺寸为19mm时，不同ppg底座16尺寸下，在ppg外壳14边缘施加力和中心施加力时，压力芯体2所输出的压力信号对比；通过该图可知，当ppg底座16直径为13mm时，在ppg外壳14边缘施加力和中心施加力，压力芯体2所输出的压力信号基本相同。
82.实施例3：
83.在上述实施例1或实施例2的基础上，通过外部主处理器采用时钟同步的方法保证ppg信号与压力信号的同步采集，具体的：
84.如图5所示，信号处理电路包括：ppg信号处理芯片、压力信号处理芯片和时钟缓冲器；ppg采集前端1将检测的ppg信号实时发送给ppg信号处理芯片，压力芯体2将检测的压力信号实时发送给压力信号处理芯片。
85.ppg信号处理芯片、压力信号处理芯片和时钟缓冲器分别与外部主处理器电连接；外部主处理器的输入的时钟通过时钟缓冲器，分为两个同步的时钟(分别为clock1和clock2)，分别输入给压力信号处理芯片和ppg信号处理芯片；然后压力信号处理芯片和ppg信号处理芯片将接收到的信号再带着时钟信息，输出到外部主处理器上，实现两路信号的同步。
86.实施例4：
87.在上述实施例1或实施例2的基础上，通过外部主处理器采用轮询的机制保证ppg信号与压力信号的同步采集，具体的：
88.如图6所示，信号处理电路中的ppg信号处理芯片和压力信号处理芯片分别与外部主处理器电连接。
89.ppg采集前端1将检测的ppg信号实时发送给ppg信号处理芯片，压力芯体2将检测的压力信号实时发送给压力信号处理芯片。外部主处理器按顺序给压力信号处理芯片和ppg信号处理芯片发出触发信号；如图6所示，如外部主处理器先给压力信号处理芯片发出触发信号a，间隔设定时间后再给ppg信号处理芯片发出触发信号b；压力信号处理芯片在收到触发信号a时，向外部主处理器输出压力信号，该压力信号包括了接收到触发信号a时对应的时间标签；ppg信号处理芯片在收到触发信号b时，向外部主处理器输出ppg信号，该ppg信号包括了接收到触发信号b时对应的时间标签；因为两个触发信号的时间间隔已知，外部主处理器在收到压力信号输出和ppg信号输出后，依据接收到的输出信号上的时间标签对
两个信号进行同步，由此达到同步的效果。
90.实施例5：
91.该脉搏波二合一传感器中的压力芯体2，可以采用上述实施例1中的充油式扩散硅方式，也可以采用应变片式、陶瓷压力传感器、压电压力传感器等其他压力传感器。
92.如采用应变片压力传感器，此时通过粘结在弹性元件上的应变片的阻值变化来测量压力值。
93.采用陶瓷压力传感器时，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变。厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号。此时
94.采用压电压力传感器时，利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。
95.实施例6：
96.本实施例提供了一种智能穿戴设备如智能手环或手表；该智能手环或手表包括：机体和佩戴带，机体内设置有脉搏波二合一传感器，该脉搏波二合一传感器为上述实施例1-实施例5任一项的脉搏波二合一传感器。
97.实施例7：
98.本实施例提供一种脉搏波测量装置，包括：采集单元、处理单元和显示单元；
99.其中采集单元用于采集目标对象产生的脉搏波信号，并发送给处理单元；
100.处理单元用于将采集单元所采集的所述脉搏波信号进行分析处理，生成目标脉搏数据，并发送给显示单元
101.显示单元用于根据接收到的目标脉搏数据，显示目标对象脉搏跳动频率或波形。
102.其中采集单元为上述实施例1-实施例5任一项的脉搏波二合一传感器。
103.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。