双电容应变式传感器及其制备方法，以及呼吸监测带与流程

1.本发明涉及传感技术与可穿戴技术，特别涉及一种双电容应变式传感器、其制备方法与呼吸监测带。


背景技术：

2.电容应变传感器被广泛用于应力检测，高精度的电容应变传感器是提高应力检测的关键因素之一，尤其是对于微弱应力检测以及高噪声背景下的应力检测具有重要意义。
3.呼吸作为人体重要的生理参数之一能够反映人体的健康状况。在疾病预防与检测、运动、气息训练等中均需要呼吸监测。现有呼吸监测方法主要包括以下四种：(1)穿戴于口鼻的流量型呼吸监测面罩，缺点是不便携以及不适宜长久穿戴；(2)陀螺仪或平面薄膜压力传感器，使用时放置于床等平面环境，通过呼吸产生的震动监测呼吸，缺点是无法穿戴和长时间使用；(3)电阻式应变传感器，使用时放置于胸部或者腹部，通过测量呼吸产生的拉伸应变监测呼吸，可长期穿戴，但是电阻式应变传感器的线性度较差、小应变下的分辨率低，因此信噪比较低；(4)电感式应变传感器，使用时放置于胸部或者腹部，通过测量呼吸产生的拉伸应变监测呼吸，制备简单，穿戴舒适，但是电感式应变传感器的电子监测设备较大，呼吸信噪比低，对使用场景要求较高，无法长期穿戴使用。因此，高信噪比、可长期穿戴的智能呼吸监测器具有良好的应用前景。


技术实现要素：

4.针对上述技术现状，本发明提供一种双电容应变式传感器，具有高检测精度。
5.本发明提供的技术方案是：一种双电容应变式传感器，如图1、2所示，呈层叠结构，自下而上依次包括第一封装层11、第一导电层21、第一介电层31、第二导电层22、第二介电层32、第三导电层23与第二封装层12；
6.所述第一导电层21由两个结构相同的第一导电单元组成，称为第一导电单元a与第一导电单元b，第一导电单元a与第一导电单元b之间存在间距，形成对称分布；并且，第一导电单元由第一导电体210与第一凸出结构211组成；
7.所述第二导电层22由两个结构相同的第二导电单元组成，称为第二导电单元a与第二导电单元b，第二导电单元a与第二导电单元b之间存在间距，形成对称分布；并且，第二导电单元由第二导电体220与第二凸出结构221组成；
8.所述第三导电层23由两个结构相同的第三导电单元组成，称为第三导电单元a与第三导电单元b，第三导电单元a与第三导电单元b之间存在间距，形成对称分布；并且，第三导电单元由第三导电体230与第三凸出结构231组成；
9.所述第一介电层31由第一介电单元a与第一介电单元b组成，第一介电单元a完全覆盖第一导电体a的第一导电体210而未完全覆盖第一导电体a的第一凸出结构211；第一介电单元b完全覆盖第一导电体b的第一导电体210而未完全覆盖第一导电体b的第一凸出结构211；
10.所述第二介电层32由第二介电单元a与第二介电单元b组成，第二介电单元a完全覆盖第二导电体a的第二导电体220而未完全覆盖第二导电体a的第二凸出结构221，并且未完全覆盖第一导电体a的第一凸出结构221；第二介电单元b完全覆盖第二导电体b的第二导电体220而未完全覆盖第二导电体b的第二凸出结构221，并且未完全覆盖第一导电体b的第一凸出结构221；
11.各层经层叠后，第一导电单元a的第一凸出结构211与第二导电单元a的第二凸出结构221无层叠接触部分；第一导电单元a的第一凸出结构211与第三导电单元a的第三凸出结构231存在层叠接触部分，记作接触部分a；第一导电单元b的第一凸出结构211与第二导电单元b的第二凸出结构221无层叠接触部分；第一导电单元b的第一凸出结构211与第三导电单元b的第三凸出结构231存在层叠接触部分，记作接触部分b；所述接触部分a与接触部分b通过第一电极41连通；第二导电单元a的第二凸出结构221与第二导电单元b的第二凸出结构221通过第二电极42连通。
12.作为优选，所述第一电极41设置第一接线端410，用于连接第一电极引线；所述第二电极42设置第二接线端420，用于连接第二电极引线；所述第二封装层12设置第一接线孔121与第二接线孔122，分别用于第一电极引线与第二电极引线穿出。
13.作为优选，所述第一封装层具有弹性，进一步优选由具有大弹力且拉伸力值较小的纤维布、弹力硅橡胶等材料构成。
14.作为优选，所述的第二封装层具有弹性，进一步优选由具有大弹力且拉伸力值较小的纤维布、弹力硅橡胶等材料构成。
15.作为优选，所述第一导电层、第二导电层、第三导电层分别具有弹性，进一步优选由液态金属浆料、弹力金属纤维布、弹力导电硅橡胶、弹性导电离子液体、弹性金属和弹性体的混合浆料等材料构成。
16.作为优选，所述第一电极、第二电极分别具有弹性，进一步优选由弹力金属纤维布、弹力导电硅橡胶等材料构成。
17.作为优选，所述第一介电层、第二介电层分别具有弹性，进一步优选由纤维布、弹力硅橡胶材料、tpu、tpr、tpe等材料构成。
18.作为优选，所述第二封装层中设置硫化锌掺铜薄膜，硫化锌掺铜是为了在硫化锌晶格中引入缺陷并作为发光中心，具有受到拉伸应变时变色的功能。当第二封装层无拉伸应变时硫化锌掺铜薄膜无色，当第二封装层受到拉伸应变时硫化锌掺铜薄膜随之拉伸应变而变色，引起第二封装层变成蓝绿色，并且随着拉伸应变增大，蓝绿色亮度增强。
19.所述硫化锌掺铜薄膜的制备方法不限，包括涂覆、丝网印刷、模板印刷、转移等方法。
20.作为优选，所述双电容应变式传感器还包括数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元以及电池单元。所述数据采集单元用于采集电容值；所述数据处理单元用于处理所采集的电容值，从而得到应力值；所述数据传输单元用于将传输数据信号，可以是有线传输或者无线传输。作为优选，所述数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元以及电池单元集成在控制盒中，所述第一电极引线以及第二电极引线连接所述控制盒。
21.本发明还提供一种所述双电容应变式传感器的制备方法，包括如下步骤：
22.(1)在第一封装层表面制备第一导电层；
23.(2)在第一导电层表面覆盖第一介电层；
24.(3)在第一介电层表面制备第二导电层；
25.(4)在第二导电层表面覆盖第二介电层；
26.(5)在第二介电层表面制备第三导电层；
27.(6)接触部分a与接触部分b通过第一电极41连通；第二导电单元a的第二凸出结构221与第二导电单元b的第二凸出结构221通过第二电极42连通。
28.作为优选，所述步骤(1)中，通过模板印刷、丝网印刷、涂覆、转移制备等方法制备第一导电层。
29.作为优选，所述步骤(3)中，通过模板印刷、丝网印刷、涂覆、转移制备等方法制备第二导电层。
30.作为优选，所述步骤(5)中，通过模板印刷、丝网印刷、涂覆、转移制备等方法制备第三导电层。
31.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
32.(1)本发明中，电容式应变传感器呈层叠结构，第一导电层与第二导电层构成电容传感单元，第三导电层与第二导电层构成传感单元，即，在层叠方向由两个电容传感单元组成，为双电容传感单元；并且，各层由两个结构相同的单元组成，即，整体呈两个对称的双电容传感单元，因而大大增加了单位应变下的电容分辨率，提高了传感器的检测精度。
33.(2)本发明提供的双电容应变式传感器制备方法通过对第一导电层、第二导电层与导电层分别设置凸出结构，并且控制凸出结构的设置位置以及介电层对各凸出结构的覆盖程度，使第一导电层与第二导电层形成导电绝缘，而与第三导电层形成导电连接，从而实现了层叠方向的双电容结构；并且通过设置第一电极与第二电极使层面方向对称的传感单元进行连接，该方法简单易操作，可大规模生产，具有良好的应用前景。
34.(3)本发明的双电容应变式传感器精度高，可用于检测小应力或者微弱应力下的拉伸应变，具有良好的应用前景，例如可用于呼吸监测，由于电容传感器的线性度高，小应变下的分辨率高，且采用双电容方式，进一步提升了采集信号的信噪比，因此可精确识别呼吸波形、计算得到呼吸频率，误差低。
35.作为一种实现方式，本发明提供一种呼吸监测带，包括弹性带，设置在弹性带上的所述双电容应变式传感器，以及控制单元，所述控制单元包括数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元以及电池单元。
36.利用该呼吸监测带监测呼吸的方法如下：
37.(1)将呼吸监测带置于待测体的胸腔位置或腹部位置，调节弹性带长度使双电容应变式传感器紧贴于待测体，通过双电容应变式传感器检测待测体呼吸的波形和呼吸频率：当呼气时，胸腔关闭，传感器拉伸减小，电容变化值逐渐减小至波谷；当吸气时，胸腔打开，传感器拉伸增大，电容变化值逐渐增大至波峰。因此，每检测一个波峰-波谷即为一次呼吸；原始呼吸信号中夹杂着心率、肢体动作等干扰信号，将原始呼吸信号通过fft(傅里叶)变换，将时域信号转换成频域信号，由于原始呼吸信号中真实呼吸信号所对应的幅值最大，因此在频域信号中最大幅值对应的频率值即为呼吸频率值。
38.为了将拉伸应变可视化，优选在第二传感层上设置硫化锌掺铜薄膜。初始状态时，传感器未拉伸，硫化锌掺铜薄膜为无色，呼吸监测带呈第二封装层材料原始颜色；当吸气
时，传感器拉伸增大，电容变化值增大，并随着吸气幅度(即，深吸气体、浅吸气等不同的吸气幅度导致胸腔扩张的幅度)增大而逐渐增大至波峰，硫化锌掺铜薄膜受到的拉伸随之增大，呈现蓝绿色光，使呼吸监测带为蓝绿色，并随着吸气幅度越大蓝绿色光越亮；当呼气时，传感器拉伸缩小，电容变化值减小，并随着呼气幅度(即，深呼气、浅呼气等不同的呼气幅度导致胸腔收缩的幅度)增大而逐渐减小至波谷，硫化锌掺铜薄膜受到的拉伸随之减小，并随着呼气幅度增大蓝绿色光亮变暗直至消失恢复无色，使呼吸监测带的蓝绿色光亮变暗直至消失恢复为第二封装层材料原始颜色。
39.利用该呼吸监测带可检测待测体呼吸的波形和呼吸频率，可用于深呼吸训练以及用于长度测量，例如胸围、腰围、臀围的测量，或者其它材料的直径测量。
附图说明
40.图1是本发明双电容应变式传感器各层的爆炸结构示意图。
41.图2是图1中各层层叠后的示意图。
42.图3是本发明实施例1中双电容应变式传感器制备过程的俯视示意图。
43.图4是本发明实施例1中双电容应变式传感器的控制盒功能结构示意图。
44.图5是本发明实施例1中呼吸监测带的结构示意图。
45.图6是本发明实施例1中呼吸监测带的呼吸频率监测图。
46.图7是本发明实施例2中呼吸监测带的屏气呼吸训练图。
47.图8是本发明实施例3中双电容应变式传感器的电容值与呼吸监测带长度变化的关系曲线。
48.图1与图3中的附图标记为：第一封装层11、第二封装层12、第一导电层21、第二导电层22、第三导电层23、第一介电层31、第二介电层32、第一电极41、第二电极42、第一接线孔121、第二接线孔122、第一导电体210、第一凸出结构211、第二导电体220、第二凸出结构221、第三导电体230、第三凸出结构231、第一接线端410、第二接线端420。
49.图5中的附图标记为：1-弹性带、3-双电容应变式传感器、4-控制盒、5-长度调节卡扣。
具体实施方式
50.下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
51.实施例1：
52.本实施例中，双电容应变式传感器呈层叠结构，自下而上依次包括第一封装层11、第一导电层21、第一介电层31、第二导电层22、第二介电层32、第三导电层23与第二封装层12，如图3所示，制备方法如下：
53.(1)取弹性纤维布切割成第一封装层11需要的尺寸，得到第一封装层11；
54.(2)如图3中的(a)图所示，选取液态金属浆料在第一封装层11表面通过点胶机涂覆制备第一导电层21；第一导电层21由两个结构相同的第一导电单元组成，称为第一导电单元a与第一导电单元b，第一导电单元a与第一导电单元b之间存在间距，形成轴对称分布；并且，第一导电单元由第一导电体210与第一凸出结构211组成；
55.(3)如图3中的(b)图所示，在第一导电层21表面涂覆tpu薄膜作为第一介电层31；第一介电层由第一介电单元a与第一介电单元b组成，第一介电单元a完全覆盖第一导电体a的第一导电体210而未完全覆盖第一导电体a的第一凸出结构211；第一介电单元b完全覆盖第一导电体b的第一导电体210而未完全覆盖第一导电体b的第一凸出结构211；
56.(4)如图3中的(c)图所示，选取液态金属浆料在第一介电层31表面通过点胶机涂覆制备第二导电层22；第二导电层22由两个结构相同的第二导电单元组成，称为第二导电单元a与第二导电单元b，第二导电单元a与第二导电单元b之间存在间距，形成轴对称分布；第二导电单元由第二导电体220与第二凸出结构221组成；并且，第二导电单元a的第二凸出结构221与第一导电单元a的第一凸出结构211无层叠接触部分，第二导电单元b的第二凸出结构221与第一导电单元b的第一凸出结构211无层叠接触部分；
57.(5)如图3中的(d)图所示，在第二导电层22表面涂覆tpu薄膜作为第二介电层32；第二介电层由第二介电单元a与第二介电单元b组成，第二介电单元a完全覆盖第二导电体a的第二导电体220而未完全覆盖第二导电体a的第二凸出结构221，并且未完全覆盖第一导电体a的第一凸出结构221；第二介电单元b完全覆盖第二导电体b的第二导电体220而未完全覆盖第二导电体b的第二凸出结构221，并且未完全覆盖第一导电体b的第一凸出结构221；
58.(6)如图3中的(e)图所示，选取液态金属浆料在第二介电层22表面通过模板印刷点胶机涂覆制备第三导电层23；第三导电层23由两个结构相同的第三导电单元组成，称为第三导电单元a与第三导电单元b，第三导电单元a与第三导电单元b之间存在间距，形成轴对称分布；第三导电单元由第三导电体230与第三凸出结构231组成；并且，第三导电单元a的第三凸出结构231与第一导电单元a的第一凸出结构211存在层叠接触部分，记作接触部分a，第三导电单元b的第三凸出结构231与第一导电单元b的第一凸出结构211存在层叠接触部分，记作接触部分b；
59.(7)如图3中的(f)图所示，接触部分a与接触部分b之间涂刷弹力导电硅橡胶作为第一电极41，用于连通接触部分a与接触部分b；第二导电单元a的第二凸出结构221与第二导电单元b的第二凸出结构221之间涂刷弹力导电硅橡胶作为第二电极42，用于连通第二导电单元a的第二凸出结构221与第二导电单元b的第二凸出结构221；
60.并且，第一电极41设置第一接线端410，用于连接第一电极引线；第二电极42设置第二接线端420，用于连接第二电极引线；
61.(8)取弹性纤维布，在表面涂覆硫化锌掺铜薄膜，然后切割成第二封装层12需要的尺寸，并且在中间设置两个小孔作为第一接线孔121与第二接线孔122，得到第二封装层12；将第一电极引线自第一接线孔121穿出，第二电极引线自第二接线孔122穿出，然后将第一电极引线与第二电极引线通过焊接与控制盒导电连接，如图4所示，控制盒中包括数据采集单元、中央计算处理单元、无线发送单元以及电池单元。数据采集单元用于采集电容值；中央计算处理单元用于处理所采集的电容值，从而得到应力值；无线发送单元用于将无线传输数据信号。
62.该双电容应变式传感器可应用于可变色可调节的呼吸监测带，如图5所示，呼吸监测带包括弹性带1，设置在弹性带1上的该双电容应变式传感器3，通过设置长度调节卡扣5进行长度调节。控制盒4设置在第二封装层上方。
63.利用该呼吸监测带监测呼吸的方法如下：
64.将呼吸监测带置于人体的胸腔位置或腹部位置，调节弹性带长度使双电容应变式传感器紧贴于身体，打开控制盒的开关，连接手机app或电脑蓝牙，连接成功后，点击发送数据按钮，手机app或电脑接收到通过电容式应变传感器检测到的呼吸的波形和呼吸频率：
65.初始状态时，传感器未拉伸，硫化锌掺铜薄膜为无色，呼吸监测带呈第二封装层材料原始颜色；当吸气时，胸腔打开，传感器拉伸增大，电容变化值增大，并随着吸气幅度增大而逐渐增大至波峰，硫化锌掺铜薄膜受到的拉伸随之增大，呈现蓝绿色光，使呼吸监测带为蓝绿色，并随着吸气幅度越大蓝绿色光越亮；当呼气时，传感器拉伸缩小，电容变化值减小，并随着呼气幅度增大而逐渐减小至波谷，硫化锌掺铜薄膜受到的拉伸随之减小，并随着呼气幅度增大蓝绿色光亮变暗直至消失恢复无色，使呼吸监测带的蓝绿色光亮变暗直至消失恢复为第二封装层材料原始颜色。因此，每检测一个波峰-波谷即为一次呼吸；原始呼吸信号中夹杂着心率、肢体动作等干扰信号，将原始呼吸信号通过fft(傅里叶)变换，将时域信号转换成频域信号，由于原始呼吸信号中真实呼吸信号所对应的幅值最大，因此在频域信号中最大幅值对应的频率值即为呼吸频率值。图6是该呼吸监测带监测呼吸时采集的信号。
66.实施例2：
67.本实施例中，双电容应变式传感器结构与实施例1相同。
68.本实施例中，双电容应变式传感器的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是如下步骤：
69.(1)取弹力导电硅橡胶浆料，通过丝网印刷制备第一封装层11；
70.(2)选取弹力导电硅橡胶浆料，在第一封装层11表面通过丝网印刷制备第一导电层21；
71.(3)在第一导电层21表面丝网印刷弹力硅橡胶作为第一介电层31；
72.(4)选取弹力导电硅橡胶浆料，在第一介电层31表面通过丝网印刷制备第二导电层22和第一导电电极；
73.(5)在第二导电层22表面丝网印刷弹力硅橡胶作为第二介电层32；
74.(6)选取弹力导电硅橡胶浆料，在第二介电层22表面通过丝网印刷制备第三导电层23；
75.(7)接触部分a与接触部分b之间选取弹力导电硅橡胶浆料通过丝网印刷制备第一电极41；第二导电单元a的第二凸出结构221与第二导电单元b的第二凸出结构221之间选取弹力导电硅橡胶浆料通过丝网印刷制备第二电极42；
76.(8)在第三导电层23表面丝网印刷弹力硅橡胶作为第二封装层12，在第二封装层12表面丝网印刷硫化锌掺铜薄膜。
77.该双电容应变式传感器可应用于可变色可调节的呼吸监测带，呼吸监测带结构与实施例1中的呼吸监测带相同。所不同的是，本实施例中，呼吸监测带用于深呼吸训练，例如，当深吸气后屏住呼吸20秒以上。一般情况下，人体不经过训练很难达到持续平稳屏气20秒以上，借助该呼吸监测带辅助进行严格的训练，通过深呼吸肺充满了空气，心脏将离开胸壁，能够达到每次深吸气屏气实际肺容量、胸廓形状保持一致或尽可能接近。该训练可用于乳腺癌患者，以保证放射线精准命中肿瘤靶位，并最大限度地减少对心脏的辐射剂量。具体使用方法如下：
78.将呼吸监测带置于人体的胸腔位置或腹部位置，调节弹性带长度使双电容应变式传感器紧贴于身体，打开控制盒的开关，连接手机app或电脑蓝牙，连接成功后，点击发送数据按钮；手机app或电脑接收到通过双电容应变式传感器检测到的呼吸的波形，通过app提示进行“深吸气-屏气20秒-深呼气”的深呼吸训练，训练过程中呼吸监测带的颜色变化为：原始色-蓝绿色-原始色，在屏气20秒的时间内，蓝绿色亮度保持不变。图7是利用该呼吸监测带进行深呼吸训练时的信号监测图。
79.实施例3：
80.本实施例中，可变色可调节的呼吸监测带结构与实施例1中的呼吸监测带相同。所不同的是，本实施例中，呼吸监测带用于胸围测量，方法如下：
81.将呼吸监测带穿戴于胸前，调整控制盒位于人体正前方，调节弹性带长度使双电容应变式传感器紧贴于身体；打开控制盒的开关，连接手机app或电脑蓝牙，连接成功后，选择胸围模式，点击发送数据按钮。
82.呼吸监测带受到拉伸时，双电容应变式传感器随之受到拉伸而发生电容变化。双电容应变式传感器出厂时测量电容值与呼吸监测带长度变化的关系曲线，呼吸监测带的长度变化＝(呼吸监测带拉伸后的长度l-呼吸监测带的初始长度l0)
÷
呼吸监测带的初始长度l0。本实施例中，如图8所示，双电容应变式传感器的电容值随着线性增大。
83.手机app或电脑蓝牙接收到通过双电容应变式传感器检测到的电容值为c，根据图8得到呼吸监测带的长度变化，然后呼吸监测带的实际长度(即胸围)为：呼吸监测带的初始长度l0+l0×
呼吸监测带的长度变化。
84.另外，该呼吸监测带还可用于腰围、臀围等，测量方法与上述相同。
85.以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。