一种柔性双模态鞋垫传感器的制作方法

本发明涉及一种柔性双模态鞋垫传感器。

背景技术：

1、鞋垫传感器主要用于足底压力分布测量、体重测量、bmi和各项身体成分检测、康复效果评估、步态分析。足底压力是定量步态分析的重要环节，通过分析足底压力各项参数能反映下肢乃至全身健康状况，包括生理结构和功能及姿势控制等信息，对疾患程度测定、生物力学、康复研究及疗效评价均有重要意义。近年足底压力发展迅速，已经从单纯的理论研究进展为临床评定及诊断的工具，然而正常人的足底压力受多种因素的影响，其中身体质量指数(bmi)与足底压力分布有着重要的联系。因此，开发一种双模态检测足底压力的柔性传感器十分重要。

2、图1是一种足底压力传感器的结构示意图，包括：压阻薄膜层(10)、多个第一导线(30)、多个第二导线(20)、两层绝缘胶粘剂层(40/41、40/42)和两层绝缘层(50/51、50/52)；压阻薄膜层包括第一表面、第二表面，第一表面和第二表面相对设置；多个第一导线设置在压阻薄膜层的第一表面，第一导线沿第一方向延伸，并且多个第一导线以第一预设间距沿第二方向排列，第一方向和第二方向交叉设置；多个第二导线设置在压阻薄膜层的第二表面，第二导线沿第二方向延伸，并且多个第二导线以第二预设间距沿第一方向排列，在第一导线和第二导线的交叉点处，第一导线、压阻薄膜层和第二导线形成一个压力敏感单元。该传感器功能单一，只能采集足底压力分布数据，并且结构设计复杂，成本较高。

3、图2是一种电阻式超薄柔性称重传感器的结构示意图，具有多层结构，分别为电极层11、功能层12、封装层13、粘合层14、力集中层15。电极层包括第一柔性基底以及布置在第一柔性基底上的单面电极；功能层包括第二柔性基底以及布置在第二柔性基底上的敏感膜；电极层和功能层重叠布置使单面电极和敏感膜形成界面接触，并通过封装层将电极层和功能层封装成无空腔传感结构；力集中层通过粘合层与无空腔传感结构固定连接，并与所述功能层相邻。该传感器虽然可以测体重和足底压力两种数据，但是他的体重数据是通过把所有传感器的受力值相加来计算出体重值，这种方式会因为受试者测试时的情况不同而导致体重数据误差较大，在感知原理上就不满足精准测量的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以同时获取足底压力数据和身体阻抗数据，具有高灵敏度和高柔性特点的柔性双模态鞋垫传感器。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种柔性双模态鞋垫传感器，包括电极层、绝缘层、压阻薄膜层、fpc层；fpc层为传感器的电路层，由第一导线层、隔离层和第二导线层三层组成；

3、绝缘层包括第一绝缘层和第二绝缘层；第一绝缘层的上方为电极层，电极层为两个电极片；第一导线层和第二导线层通过隔离层进行分隔，第二导线下表面与第二绝缘层相邻；第一导线层上表面与压阻薄膜层相邻，压阻薄膜层上表面与第一绝缘层相邻。

4、所述压阻薄膜层3包括基底层和设置在基底层下底面上的多个压力敏感单元，压力敏感单元采用石墨烯纳米片和多壁碳纳米管混合而成；

5、选用纯度99％以上、层厚度为1nm、层数不大于4、直径2um的石墨烯纳米片；选择纯度大于99％、内径3-5nm、外径8-15nm、长度8-14um、电阻率800-1200uω.m的多壁碳纳米管；将石墨烯纳米片和多壁碳纳米管混合成溶液，静置150min后，加入硅橡胶gd-405，混合后静置120min；然后通过微电子喷墨打印机按照设计的压力敏感单元的图案进行喷墨打印；随后，在40-55℃下进行固化6小时，随后放置室温环境中2h，完成压阻薄膜层3的制备；

6、多个压力敏感单元呈阵列式排布，每个压力敏感单元采用两个梳齿交叉分布的梳型结构，或者两条螺旋线交叉分布的螺旋结构；两个梳型结构或者两条螺旋结构上分别设有一个连接端口，压力敏感单元一个连接端口与第一导线层41的导线连接，另一个连接端口通过导线穿过隔离层与第二导线层43的导线连接。

7、所述fpc层4上的导线呈阵列式；fpc层4对外接口为标准的fpc接口。

8、采用扫描方式进行实现单个压力敏感单元的电压捕捉，单个压力敏感单元的感知电路包括串联的电阻r1和单个感知点r2；电阻r1的另一端连接输入电源vcc1，单个感知点r2的另一端接地；r1和r2的连接点与lm358运算放大器的3脚相连，lm358运算放大器的1脚与mcu的adc引脚连接，1脚和3脚之间连接电阻r3；lm358运算放大器的4脚连接电源输入vcc2，8脚接地；

9、lm358运算放大器构成电压跟随器，信号经过电压跟随器后由mcu的adc引脚进行直接获取电压信号，由mcu根据电压信号通过材料的压阻曲线进行换算得到单点的压力值。

10、电极层的电极片与cs1256芯片相连，通过cs1256芯片测量人体阻抗，cs1256芯片与mcu通过iic进行通信；cs1256芯片中产生的正弦波信号由13脚输出，输出信号经过串联的电容c0和电阻r0进行高通滤波和限流后转换为正弦电流，并通过激励端口isin0和isin1分别与电极片相连；

11、mcu通过3线串行通信读取cs12564芯片的数据，得到人体阻抗r计算方法为：

12、

13、其中r1、r2为校准电阻；adrx为人体阻抗adc；ad0为内短模式adc；adr1为电阻r1adc；adr0为电阻r0 adc；k为校准值。

14、本发明的有益效果是：本发明的柔性双模态鞋垫传感器可以同时获取足底压力数据和身体阻抗数据，可用于足部相关疾病评估和诊断、康复效果评估、全身健康状况分析、步态分析等方面，具有高灵敏度和高柔性的特点，且适合长期佩戴和动态测量，可在使用中无感收集患者足底压力数据和生理数据。

技术特征：

1.一种柔性双模态鞋垫传感器，其特征在于，包括电极层(1)、绝缘层(2)、压阻薄膜层(3)、fpc层(4)；fpc层(4)为传感器的电路层，由第一导线层(41)、隔离层(42)和第二导线层(43)三层组成；

2.根据权利要求1所述的柔性双模态鞋垫传感器，其特征在于，所述压阻薄膜层(3)包括基底层和设置在基底层下底面上的多个压力敏感单元，压力敏感单元采用石墨烯纳米片和多壁碳纳米管混合而成；

3.根据权利要求1所述的柔性双模态鞋垫传感器，其特征在于，所述fpc层(4)上的导线呈阵列式；fpc层(4)对外接口为标准的fpc接口。

4.根据权利要求1所述的柔性双模态鞋垫传感器，其特征在于，采用扫描方式进行实现单个压力敏感单元的电压捕捉，单个压力敏感单元的感知电路包括串联的电阻r1和单个感知点r2；电阻r1的另一端连接输入电源vcc1，单个感知点r2的另一端接地；r1和r2的连接点与lm358运算放大器的3脚相连，lm358运算放大器的1脚与mcu的adc引脚连接，1脚和3脚之间连接电阻r3；lm358运算放大器的4脚连接电源输入vcc2，8脚接地；

5.根据权利要求1所述的一种柔性双模态鞋垫传感器，其特征在于，电极层(1)的电极片与cs1256芯片相连，通过cs1256芯片测量人体阻抗，cs1256芯片与mcu通过iic进行通信；

技术总结
本发明公开了一种柔性双模态鞋垫传感器，包括电极层、绝缘层、压阻薄膜层、FPC层；FPC层为传感器的电路层，由第一导线层、隔离层和第二导线层三层组成；绝缘层包括第一绝缘层和第二绝缘层；第一绝缘层的上方为电极层，电极层为两个电极片；第一导线层和第二导线层通过隔离层进行分隔，第二导线下表面与第二绝缘层相邻；第一导线层上表面与压阻薄膜层相邻，压阻薄膜层上表面与第一绝缘层相邻。本发明可以同时获取足底压力数据和身体阻抗数据，可用于足部相关疾病评估和诊断、康复效果评估、全身健康状况分析、步态分析等方面，具有高灵敏度和高柔性的特点。

技术研发人员：黄李哲
受保护的技术使用者：精创石溪科技（成都）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11