一种相变驱动的柔性可穿戴体温及血压传感装置

1.本发明属于可穿戴装置领域的一种穿戴式体温或血压测量装置，具体涉及了一种相变驱动的柔性可穿戴体温及血压传感装置。


背景技术：

2.血压和体温是表征人体健康状况的两个重要指标。
3.现有的商用血压监测仪器或者使用压力传感器的穿戴式血压监测装置，大多需要气泵以提供气压从而压紧人体测量血压，因此存在着体积和重量大、噪声大、功耗高等问题，不适合长期佩戴。
4.现有的穿戴式体温测量装置大多不可拉伸，影响了佩戴的舒适性，且不能与人体紧密贴合。目前缺乏一种通过同一材料的连续颜色变化可视化传感体温的可拉伸的穿戴装置。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出一种相变驱动的柔性可穿戴体温及血压传感装置，同时集成两种传感功能，通过温致变色液气相变柔性驱动器为压力传感模块提供可调节的外加压力，而无需气泵，通过高度可拉伸的体温可视化传感皮肤在不同温度下的颜色变化来传感体温，并且可以充分贴合人体而不阻碍人体正常运动。
6.本发明所采用的技术方案为：
7.本发明包括体温可视化传感皮肤、温致变色液气相变柔性驱动器、压力传感模块、处理电路、柔性辅助腕带和连接卡扣；
8.柔性辅助腕带和体温可视化传感皮肤均套设在手腕中，柔性辅助腕带和体温可视化传感皮肤左右布置，所述体温可视化传感皮肤紧贴手腕，通过不同颜色表征不同的体表温度；柔性辅助腕带的两端通过连接卡扣连接，柔性辅助腕带的中部开设有安装腔，柔性辅助腕带的安装腔中嵌装有温致变色液气相变柔性驱动器，温致变色液气相变柔性驱动器靠近手腕一侧的柔性辅助腕带与压力传感模块固定连接，压力传感模块与手腕贴合，压力传感模块与处理电路电连接；温致变色液气相变柔性驱动器通电加热后进行膨胀形变，温致变色液气相变柔性驱动器压迫压力传感模块，使得压力传感模块压紧在手腕桡动脉部位用于采集压力信号，处理电路对压力信号分析处理后获得血压。
9.所述温致变色液气相变柔性驱动器包括主动层、被动层和聚酰亚胺加热膜；
10.主动层和被动层上下层叠布置构成温致变色液气相变柔性驱动器的外壳，温致变色液气相变柔性驱动器的外壳嵌装在柔性辅助腕带的安装腔中，主动层设置在靠近手腕一侧，被动层设置在远离手腕一侧，温致变色液气相变柔性驱动器的外壳内嵌装有聚酰亚胺加热膜。
11.所述压力传感模块包括tpu薄膜、硅油介质、半导体压力芯片、支撑结构、软排线和固定夹具；
12.固定夹具与温致变色液气相变柔性驱动器靠近手腕一侧的柔性辅助腕带固定连接，支撑结构固定安装在固定夹具下，支撑结构的上表面固定安装有两块半导体压力芯片，两块半导体压力芯片均通过软排线与处理电路电连接，支撑结构的下部开设有两个流质腔，两个流质腔之间平行且间隔布置，两个流质腔上的支撑结构还均开设有至少两个通孔；每个流质腔与对应的通孔之间互通；支撑结构的底部外包覆有tpu薄膜，使得两个流质腔的底部封闭，tpu薄膜上的两个流质腔和多个通孔中均填充有硅油介质，两个流质腔分别记为第一流质腔和第二流质腔，第一流质腔底部完全打开，第一流质腔的其中一个通孔内的硅油介质与一块半导体压力芯片底部接触，第一流质腔的另一个通孔内的硅油介质密封设置；第二流质腔底部的支撑结构开设有两个间隔布置的通槽，第二流质腔的其中一个通孔内的硅油介质与另一块半导体压力芯片底部接触，第二流质腔的另一个通孔内的硅油介质密封设置；tpu薄膜与手腕桡动脉部位贴合。
13.所述体温可视化传感皮肤的材料组分包括：质量分数为0.5％-10％的28度变色的温致变色微胶囊、质量分数为0.5％-10％的33度变色的温致变色微胶囊、质量分数为0.5％-10％的38度变色的温致变色微胶囊、质量分数为0.5％-10％的40度变色的温致变色微胶囊和质量分数为80％-97％的低硬度双组分硅橡胶；所述低硬度双组分硅橡胶为邵氏硬度在0010-0050之间的双组分硅橡胶，所述低硬度双组分硅橡胶中a、b组分的混合质量比例为1:1。
14.所述主动层的材料组分包括：质量分数为24％-57％的低沸点流体、质量分数为1％-5％的温致变色微胶囊和质量分数为42％-75％的低硬度双组分硅橡胶，所述低沸点流体为沸点在20℃-100℃之间的流体。
15.所述被动层的材料组分包括：质量分数为1％-5％的温致变色微胶囊和质量分数为95％-99％的高硬度双组分硅橡胶。
16.所述安装腔靠近手腕一侧的柔性辅助腕带的厚度小于安装腔远离手腕一侧的柔性辅助腕带的厚度。
17.所述柔性辅助腕带的材料为高硬度双组分硅橡胶。
18.所述体温可视化传感皮肤在低于28℃、28℃以上-低于33℃、33℃以上-低于38℃、38℃以上-低于40℃、40℃以上等五个温度区间内分别具有五种不同的颜色。
19.本发明与现有技术相比，其有益效果为：
20.1.本发明的柔性可穿戴体温及血压传感装置，同时集成体温和血压两种传感功能，具有可拉伸、体积小、重量轻、静音、低功耗的优点，适合长期佩戴；
21.2.本发明的柔性可穿戴体温及血压传感装置，采用基于液气相变原理的柔性驱动器为压力传感模块提供可调节的外加压力，而无需气泵，相比于需要气泵的传统血压测量装置减小了体积和重量、降低了噪音和功耗；
22.3.本发明的柔性可穿戴体温及血压传感装置，采用的体温可视化传感皮肤通过同一材料的多种颜色变化直观展示佩戴者的体表温度状态，且具有高度的可拉伸性，可以充分贴合人体而不阻碍人体运动。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图；
24.图2为本发明整体结构的爆炸图；
25.图3为本发明温致变色液气相变柔性驱动器的爆炸图；
26.图4为本发明压力传感模块的一个局部剖切示意图；
27.图5为本发明压力传感模块的另一个局部剖切示意图；
28.图6为本发明压力传感模块的爆炸图；
29.图7为本发明温致变色液气相变柔性驱动器的工作示意图；
30.图8为本发明测量的血压信号波形图；
31.图9为本发明体温可视化传感皮肤采用实施例的组分时在不同温度下的五种可变颜色的cie 1931色度坐标图。
32.图中：1.体温可视化传感皮肤；2.温致变色液气相变柔性驱动器；21.主动层；22.被动层；23.聚酰亚胺加热膜；3.压力传感模块；31.tpu薄膜；32.硅油介质；33.半导体压力芯片；34.支撑结构；35.软排线；36.固定夹具；4.处理电路；5.柔性辅助腕带；6.连接卡扣。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。
34.如图1和图2所示，本发明包括体温可视化传感皮肤1、温致变色液气相变柔性驱动器2、压力传感模块3、处理电路4、柔性辅助腕带5和连接卡扣6；
35.柔性辅助腕带5和体温可视化传感皮肤1均套设在手腕中，柔性辅助腕带5和体温可视化传感皮肤1左右间隔布置，体温可视化传感皮肤1紧贴手腕，通过不同颜色表征不同的体表温度；柔性辅助腕带5的两端通过连接卡扣6连接，柔性辅助腕带5的中部开设有冖字型安装腔，冖字型安装腔沿胳膊轴向贯穿设置，柔性辅助腕带5的冖字型安装腔中嵌装有温致变色液气相变柔性驱动器2，温致变色液气相变柔性驱动器2靠近手腕一侧的柔性辅助腕带5与压力传感模块3固定连接，安装腔靠近手腕一侧的柔性辅助腕带5的厚度小于安装腔远离手腕一侧的柔性辅助腕带5的厚度。压力传感模块3与手腕紧密贴合，压力传感模块3与处理电路4电连接；温致变色液气相变柔性驱动器2通电加热后进行膨胀形变，温致变色液气相变柔性驱动器2压迫与柔性辅助腕带5固定连接的压力传感模块3，使得压力传感模块3压紧在手腕桡动脉部位用于采集压力信号，处理电路4对压力信号分析处理后获得血压。
36.体温可视化传感皮肤1的材料组分包括：质量分数为0.5％-10％的28度变色的温致变色微胶囊、质量分数为0.5％-10％的33度变色的温致变色微胶囊、质量分数为0.5％-10％的38度变色的温致变色微胶囊、质量分数为0.5％-10％的40度变色的温致变色微胶囊和质量分数为80％-97％的低硬度双组分硅橡胶；所述低硬度双组分硅橡胶为邵氏硬度在0010-0050之间的双组分硅橡胶，所述低硬度双组分硅橡胶中a、b组分的混合质量比例为1:1。在本实施例中，采用的组分为质量分数为9.9％的28℃黑色褪色微胶囊、质量分数为5％的33℃黄色褪色微胶囊、质量分数为0.8％的38℃红色褪色微胶囊、质量分数为1.7％的40度蓝色显色微胶囊和质量分数为82.6％的低硬度双组分硅橡胶；微胶囊的直径均为1-10μm。
37.体温可视化传感皮肤1在低于28℃、28℃以上-低于33℃(包括28℃)、33℃以上-低于38℃(包括33℃)、38℃以上-低于40℃(包括38℃)、40℃以上等五个温度区间内分别具有五种不同的颜色。在采用本实施例的组分时，这五种颜色分别对应图9中标号为
①‑⑤
的五
个点。
38.如图3所示，温致变色液气相变柔性驱动器2包括主动层21、被动层22和聚酰亚胺加热膜23；主动层21和被动层22上下层叠布置构成温致变色液气相变柔性驱动器2的外壳，温致变色液气相变柔性驱动器2的外壳嵌装在柔性辅助腕带5的冖字型安装腔中，主动层21的厚度大于被动层22的厚度。主动层21设置在靠近手腕一侧，被动层22设置在远离手腕一侧，温致变色液气相变柔性驱动器2的外壳内嵌装有聚酰亚胺加热膜23，聚酰亚胺加热膜23通过导线与供电设备相连。
39.主动层21的材料组分包括：质量分数为24％-57％的低沸点流体、质量分数为1％-5％的温致变色微胶囊和质量分数为42％-75％的低硬度双组分硅橡胶，低沸点流体为沸点在20℃-100℃之间的流体。
40.被动层22的材料组分包括：质量分数为1％-5％的温致变色微胶囊和质量分数为95％-99％的高硬度双组分硅橡胶，所述高硬度双组分硅橡胶为邵氏硬度在10a-50a之间的双组分硅橡胶，所述高硬度双组分硅胶的a、b组分的混合质量比例为1:1。
41.如图7所示，温致变色液汽相变柔性驱动器2在通电加热时由于主动层21内部含有的低沸点流体微液滴发生可逆的液气相变而导致整体膨胀，从而实现驱动，在断电冷却后由于自身的弹性恢复原状；而且在不同的温度下具有不同的变形和输出力，可以为压力传感模块提供可调节的外加压力；同时在通电加热时温致变色液气相变柔性驱动器2中的温致变色微胶囊发生颜色变化，从而指示驱动器的工作状态。
42.柔性辅助腕带5的材料为高硬度双组分硅橡胶。
43.如图4、图5和图6所示，压力传感模块3包括tpu薄膜31、硅油介质32、半导体压力芯片33、支撑结构34、软排线35和固定夹具36；
44.固定夹具36与温致变色液气相变柔性驱动器2靠近手腕一侧的柔性辅助腕带5固定连接，支撑结构34固定安装在固定夹具36下，支撑结构34的上表面固定安装有两块半导体压力芯片33，使得半导体压力芯片33设置在固定夹具36和支撑结构34之间的空隙中，两块半导体压力芯片33均通过软排线35与处理电路4电连接，支撑结构34的下部开设有两个流质腔，两个流质腔之间平行且间隔布置，同时两个流质腔均垂直于手腕轴向布置，两个流质腔上的支撑结构34还均开设有至少两个通孔，其中一个通孔用于流质的注入，另一个通孔用于压力的传输；每个流质腔与对应的通孔之间互通；支撑结构34的底部外包覆有tpu薄膜31，使得两个流质腔的底部封闭，tpu薄膜31上的两个流质腔和多个通孔中均填充有硅油介质32，两个流质腔分别记为第一流质腔和第二流质腔，第一流质腔底部完全打开，即流质腔的底部无支撑结构34，第一流质腔的其中一个通孔内的硅油介质32与一块半导体压力芯片33底部接触，该半导体压力芯片33用于测量原始动脉脉搏波信号；第一流质腔的另一个通孔内的硅油介质32密封设置；第二流质腔底部的支撑结构34开设有两个间隔布置的通槽，第二流质腔的其中一个通孔内的硅油介质32与另一块半导体压力芯片33底部接触，该半导体压力芯片33用于测量肌肉动作干扰信号；第二流质腔的另一个通孔内的硅油介质32密封设置；tpu薄膜31与手腕桡动脉部位贴合，手腕桡动脉部位设置在第二流质腔底部的支撑结构34两个通槽之间。
45.基于动脉张力法测量原理，在温致变色液汽相变柔性驱动器2提供的外加压力下，压力传感模块3中的tpu薄膜31紧贴手腕桡动脉部位，通过硅油介质32将被测压力传输到两
块半导体压力芯片33以分别输出原始的动脉脉搏波信号和肌肉动作干扰信号；输出的信号经处理电路4采集、处理后获得去除肌肉动作干扰的动脉脉搏波信号并通过蓝牙无线传输到手机中的记录软件中；在初始校准后，测量的去除肌肉动作干扰的动脉脉搏波信号可以被转换为血压信号。经过实验验证，获得的血压信号波形图如图8所示。
46.本发明的柔性可穿戴体温及血压传感装置，同时集成体温和血压两种传感功能，无需气泵，具有可拉伸、体积小、重量轻、静音、低功耗的优点，适合长期佩戴，在可穿戴装备、健康监测等领域具有较大的应用前景。