一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器及其制备方法

本发明属于传感器，具体涉及一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器及其制备方法。

背景技术：

1、柔性可穿戴传感器作为智能感知终端核心技术之一，在人体健康监测、病人康复医疗、运动员及单兵训练等监测领域具有广泛应用前景。传统的柔性可穿戴传感器主要集中在单一参量信号的检测，例如压力、形变、温度、湿度等，这样系统检测功能单一，系统功能分散，模块化集成度不够，成本高等，不足以满足对越来越多复杂环境测量的集成化、多功能需求。随着3d柔性打印制造技术的不断改进，多参数集成柔性传感器技术实现成为可能。由于单一压力柔性传感器作为可穿戴器件可以检测心率、脉搏等微弱信号及关节活动、运动等形变信号，易受环境和目标体温度和湿度变化影响，如何设计柔性压力传感器的同时将温度和湿度参量集成进行环境参量补偿，又不受压力/应变影响是多参数集成传感器设计的关键，也是本领域技术人员亟待解决的技术问题，这样既提高精度又增加了检测功能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器及其制备方法，该方法制备方式简单、易操作，所制备的传感器能够同时检测压力、温度、湿度三个参数，同时实现了环境温湿度对压力信号的补偿功能，可用于医疗可穿戴设备、航天员、运动员及单兵训练等状态信息监测领域。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器，包括温度传感器单元、压力传感器单元及湿度传感器单元；所述温度传感器单元设在压力传感器单元的上方压力敏感层和方形叉指电极的引脚过渡区域，湿度传感器单元设在温度传感器单元正上方。

4、一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器的制备方法，包括以下步骤：

5、s1.采用物理共混法制备压力敏感层的压力敏感材料；

6、s2.采用物理共混法制备湿度敏感膜的高分子电阻型湿度敏感材料；

7、s3.采用柔性电子打印技术在压力传感器覆盖层背面、温度传感器覆盖层正面和背面通过点胶的方式分别制备方形叉指电极、湿度叉指电极和蛇形温度敏感层；

8、s4.采用柔性电子打印技术在柔性基底正面通过点胶的方式制备压力敏感层，在湿度叉指电极上制备湿度敏感膜；

9、s5.将温度传感器单元、压力传感器单元及湿度传感器单元按结构位置进行组装。

10、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

11、1.本发明以多参数柔性集成传感为出发点，制备了以碳纳米管、石墨烯、热塑性聚氨酯、铂、聚偏二氟乙烯(pvdf)等主要材料的压力敏感材料、温敏和湿敏材料，创新性设计了提高灵敏度的方形叉指电极，利用金属铂对温度的ptc温度效应，根据多层功能结构分区，使用物理共混法、热固法和柔性电子打印技术制备了能够同时检测压力、温度、湿度的柔性集成式多参数传感器，且该传感器能够在较高温复杂环境中工作。通过能感知人体的压力、温度和湿度的参量变化，改变传感器电阻，输出相应的传感器电信号，同时检测的温湿度对压力起到温湿度补偿作用。本发明具有制备方式简单、耐高温、灵敏度高、温湿度补偿等优点，可为可穿戴人员状态监测提供一种新的方案。

12、2.本发明具有良好的柔性和皮肤适应性，完全采用3d电子打印技术，具有工艺兼容性，较高的耐温性，不仅可以应用在医疗可穿戴检测领域，航天载人、单兵及运动员训练等领域也具有广阔的应用前景。

13、3.本发明采用方形叉指电极和温湿度传感器多层结构设计，其中方形叉指电极由方向不同的四个单元组成，具有无方向性检测优势，使得其制备简单，成本低，具有工艺制造的灵活性，良好的灵敏度和稳定性。本发明传感器体积根据需要大小可调，结构和制作工艺都更为简单，方便人体不同部位检测需要。

14、4.本发明实现温度、湿度、压力多参数集成，温湿度传感器避开压力敏感区设计，不受压力形变干扰，多参数完全解耦，能够利用温湿度检测对压力进行补偿，能够准确采集人体状态信号。

15、5.本发明采用柔性电子打印技术，相较于现有技术大部分采用的mems工艺，自由度高，制备更为灵活和简单。所使材料成本低，获取方式容易，同时通过严格的材料参数配比和人体环境温度有限范围，使得压力敏感材料再较小的体温变化区间有近似零的温度系数，消除了温度对压力的影响，对于较大变化的环境温度区间，可采用温度传感器实现压力传感单元的温度自补偿。

技术特征：

1.一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器，其特征在于：包括温度传感器单元、压力传感器单元及湿度传感器单元；所述温度传感器单元设在压力传感器单元的上方压力敏感层(2)和方形叉指电极(3)的引脚过渡区域，湿度传感器单元设在温度传感器单元正上方。

2.根据权利要求1所述的一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器，其特征在于：所述温度传感器单元、压力传感器单元及湿度传感器单元均采用多层传感薄膜结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器，其特征在于：所述压力传感器单元包括柔性基底(1)、压力敏感层(2)、方形叉指电极(3)、压力传感器覆盖层(4)；所述压力敏感层(2)设置在柔性基底(1)正面，方形叉指电极(3)设置于压力传感器覆盖层(4)背面，其中压力敏感层(2)设置于方形叉指电极(3)下方并接触。

4.根据权利要求3所述的一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器，其特征在于：所述方形叉指电极(3)设有指向四个方向的四个叉指单元。

5.根据权利要求3所述的一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器，其特征在于：所述温度传感器单元包括蛇形温度敏感层(5)、温度传感器覆盖层(6)；所述蛇形温度敏感层(5)设置于温度传感器覆盖层(6)背面，蛇形温度敏感层(5)设置于压力传感器覆盖层(4)正面。

6.根据权利要求5所述的一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器，其特征在于：所述的蛇形温度敏感层(5)中设有的矩形电极为蛇形结构。

7.根据权利要求5所述的一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器，其特征在于：所述湿度传感器单元包括湿度叉指电极(7)、湿度敏感膜(8)及湿度传感器覆盖层(9)，所述湿度叉指电极(7)设置于温度传感器覆盖层(6)正面，且上方设置开窗的湿度传感器覆盖层(9)，湿度敏感膜(8)与湿度叉指电极(7)接触。

8.一种权利要求1～7任意一项权利要求所述的集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器的制备方法，其特征在于：所述s1的具体操作为：

10.根据权利要求8所述的一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器的制备方法，其特征在于：所述s2的具体操作为：

技术总结
一种集成阵列式多参数柔性可穿戴传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。传感器，包括温度传感器单元、压力传感器单元及湿度传感器单元；所述温度传感器单元设在压力传感器单元的上方压力敏感层和方形叉指电极的引脚过渡区域，湿度传感器单元设在温度传感器单元正上方。使得温湿度单元受压力敏感区域干扰影响较小。本发明利用3D电子柔性打印技术制备各敏感单元，本发明主要提供一种用于人心率、脉搏及关节活动等和体表温湿度集成检测的可穿戴设备。方形阵列叉指电极具有无方向性和高精度检测功能，温湿度传感器集成设计避开压力敏感区，有效提高温湿度传感器的性能。本发明消除了压力对温湿度的影响，且温度可对压力进行补偿。

技术研发人员：赵文杰,张子轲,马越超,余涛林,陈明华,徐丹
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29