一种针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器及其制备方法与应用

本发明属于柔性应变传感器，具体涉及一种针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着物联网、智能机器人、健康监测等技术的发展，柔性压力传感器作为用于感知的核心器件受到越来越广泛的关注。压力传感器可以感受压力信号并将其按照一定规律转换为电信号。面对越来越多的特殊信号和特殊环境，对压力传感器提出更高的要求。传统的基于单晶硅，金属，金属氧化物膜和氮化物材料的压力传感器存在固有的刚性和脆性，其柔性和应变范围非常有限，无法满足人们的要求。而柔性压力传感器不仅可以检测压力，还克服传统压力传感器的不足，具有柔韧、可延展、可弯曲、可穿戴等特点。根据传感机制不同，柔性压力传感器可以分为电阻型、电容型、压电型和摩擦电型。其中，压阻型柔性压力传感器由于信号易于采集、制造简单、成本低而被广泛应用，拥有广阔的发展前景。

2、目前，许多性能优异的柔性压力传感器被开发出来，它们采用柔性基底以及新型的纳米材料(mxene，碳纳米管)具有灵敏度高、响应迅速、检测范围宽等特点。但是，仍存在压力传感器高灵敏度和宽检测范围无法兼顾，稳定性差，漂移严重，制造过程繁杂，成本高等问题。这导致柔性压力传感器在实际应用中面临巨大挑战。

3、柔性压力传感器在可穿戴设备、人机交互、医疗康复等领域有广阔的应用潜力。例如，柔性压力传感器贴合于人体表面或衣物上，并通过便携装置以及无线传输技术进行信号的采集与处理。进而使用柔性压力传感器进行人体运动、生理信号检测，并通过检测结果来实现与机器人的交互。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供一种针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器的制备方法和应用，实现了人体运动信号检测以及通过喉部运动进行语音检测。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器，由mos2/hec/pu海绵、电极和pi胶带封装层组成，以聚氨酯海绵为弹性基底，以mos2/hec涂层为导电感知层，所述电极由导电银浆固定于mos2/hec/pu海绵的上下两面，用pi胶带粘贴于电极两侧使电极更加固定，并与外界绝缘，所述电极为柔性导电镀银胶带。

3、进一步的，所述mos2/hec/pu海绵由mos2/hec溶液浸涂pu海绵后干燥获得，所述mos2/hec溶液由mos2溶液和hec溶液按体积比为1:1混合获得；mos2纳米片互相接触形成导电路径，hec提高了涂层在聚氨酯海绵的附着强度。

4、进一步的，所述传感器的传感原理为：

5、传感器具有多孔结构，同时满足小压力灵敏度和宽检测范围的要求，当传感器受到较小压力时，海绵骨架弯曲，导致其上导电感知涂层产生微裂纹，进而导致导电路径的断裂，因此，传感器的电流减小，施加压力的进一步增加导致海绵骨架产生更明显的弯曲，骨架之间发生接触进而使，此时，传感器中增加的导电路径数量迅速增加，并导致电流迅速变大，随着施加的压力继续增加，海绵骨架之间的接触面积增加，直到骨架完全接触。施加的压力卸载后，柔性传感器依靠pu海绵的固有弹性恢复到初始状态。

6、一种针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器的制备方法，制备步骤包括：

7、(1)向离子水中加入hec粉末，并磁力搅拌使其完全溶解得到透明的hec溶液；

8、(2)向去离子水中加入二水合钼酸钠和硫代乙酰胺，然后将混合溶液通过磁力搅拌后，加入草酸，再通过磁力搅拌获得混合溶液；将获得的混合溶液放入高压反应釜中，在200℃的环境中反应24h后，通过水热法制得mos2，将获得的mos2洗涤数次来去除杂质，并分散到水中获得纯净的mos2悬浮液；

9、(3)将hec溶液和mos2悬浮液混合获得mos2/hec溶液；

10、(4)用去离子水和无水乙醇洗涤的pu海绵，去除海绵表面杂质，然后将清洗干燥后的pu海绵浸入mos2/hec溶液中，浸泡4h后，在50℃的环境中干燥，并重复上述过程使pu海绵骨架上完全浸涂上mos2/hec涂层，得到mos2/hec海绵；

11、(5)然后使用导电银浆将电极固定到mos2/hec海绵的两端，用聚酰亚胺(pi)胶带封装后，得到mos2/hec/pu海绵压力传感器。

12、进一步的，

13、所述(1)中，hec溶液浓度为0.02mg/ml。

14、进一步的，

15、所述(2)中，二水合钼酸钠、硫代乙酰胺和草酸的质量比为5:6:3；

16、所述(2)中的洗涤方法为用去离子水和乙醇通过离心各洗涤3次来去除杂质，转速为6000r/min，单次洗涤时间为10min，

17、进一步的，

18、所述(3)中hec溶液和mos2悬浮液的体积比为1:1；

19、一种针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器的应用，

20、所述传感器被应用于指关节、腕关节、肘关节和膝关节的弯曲检测，以及用于步数检测、触摸检测和生成摩斯密码。

21、一种针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器的应用，

22、所述柔性压力传感器用于压力感知阵列，由9个的mos2/hec/pu海绵压力传感器以3×3的形式排列组成，可检测外部压力的空间分布和幅度；

23、所述柔性压力传感器用于进行数据采集、数据预处理算法、支持向量机算法用于信号分类识别。

24、进一步的，

25、所述柔性压力传感器佩戴于颈部用于采集说话时喉部动作的信号并将其转换为电阻信号，测试过程中，柔性压力传感器与颈部紧密贴合；

26、所述数据预处理算法包括数据滤波、数据归一化，特征提取，其中特征提取采用快速傅里叶变换(stft)来提取信号在时域和频域的特征；

27、所述支持向量机算法被用作多分类算法，数据预处理结果即每个信号提取的特征数据作为支持向量机算法的输入，语音的分类结果作为支持向量机算法的输出，网格搜索被用来支持向量机的参数惩罚系数“c”和核函数半径“g”的选择，来提高机器学习识别的正确率。

28、本发明一种针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器及其制备方法与应用的有益之处：本发明选用具有良好机械性能的聚氨酯(pu)海绵作为柔性基底，mos2/hec(二硫化钼/羟乙基纤维素)复合材料作为压力传感器的导电层，通过简单、易操作的重复浸涂法制备了mos2/hec/pu海绵柔性压力传感器。获得的传感器具有灵敏度高(0.746kpa-1)、检测范围宽(0-250kpa)、响应/恢复时间短(120ms/120ms)和超过1200次循环的重复性等优异性能。本发明通过柔性压力传感器检测喉部运动来进行语音检测，并通过机器学习算法进行识别检测结果，显示出在失声者辅助发声、语音辅助输出系统、人体健康评价、人机交互、电子皮肤等方面重要的应用潜力。

技术特征：

1.一种针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器，其特征在于：由mos2/hec/pu海绵、电极和pi胶带封装层组成，以聚氨酯海绵为弹性基底，以mos2/hec涂层为导电感知层，所述电极由导电银浆固定于mos2/hec/pu海绵的上下两面，用pi胶带粘贴于电极两侧使电极更加固定，并与外界绝缘，所述电极为柔性导电镀银胶带。

2.根据权利要求1所述的针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器，其特征在于：所述mos2/hec/pu海绵由mos2/hec溶液浸涂pu海绵后干燥获得，所述mos2/hec溶液由mos2溶液和hec溶液按体积比为1:1混合获得；mos2纳米片互相接触形成导电路径，hec提高了涂层在聚氨酯海绵的附着强度。

3.根据权利要求1所述的针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器，其特征在于：所述传感器的传感原理为：

4.根据权利要求1-3任一项所述的针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器的制备方法，其特征是，制备步骤包括：

5.根据权利要求4所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征是：

6.根据权利要求4所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征是：

7.根据权利要求4所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征是：

8.一种根据权利要求1-3任一项所述的针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器的应用，或，所述传感器通过权利要求4-7任一项的方法制备，其特征在于：

9.一种根据权利要求1-3任一项所述的针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器的应用，或，所述传感器通过权利要求4-7任一项的方法制备，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的柔性压力传感器的应用，其特征是：

技术总结
本发明属于柔性应变传感器技术领域，具体涉及一种针对人体运动/语音检测的柔性压力传感器及其制备方法与应用。由MoS<subgt;2</subgt;/HEC/PU海绵、电极和PI胶带封装层组成，以聚氨酯海绵为弹性基底，以MoS<subgt;2</subgt;/HEC涂层为导电感知层，所述电极由导电银浆固定于MoS<subgt;2</subgt;/HEC/PU海绵的上下两面，用PI胶带粘贴于电极两侧使电极更加固定，并与外界绝缘，所述电极为柔性导电镀银胶带。该柔性压力传感器对宽范围压力检测具有高灵敏度、快速响应优势，不仅可用于人体动作信号监测，而且将该柔性压力传感器与机器学习算法结合可实现通过喉部运动实现语音的识别，在失声者辅助发声，语音辅助输出系统、人体健康评价、人机交互、电子皮肤等方面具有重要的应用价值。

技术研发人员：张冬至,陈晓雅,毛瑞源,张昊,徐振原
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13