一种基于柔性薄膜压力传感器的可穿戴足底压力测量装置的制作方法

本发明涉及新型仪器仪表领域，尤其是一种基于柔性薄膜压力传感器的可穿戴足底压力测量装置，采用柔性薄膜压力传感器测量足底压力。

背景技术：

人体足底压力分布反映人体的生理健康状况，部分早期难以发现的疾病可以由足底压力特征确诊，准确测量人体足底压力对医学研究有重要意义。

传统的足底压力测量方法采用刚性传感器，一方面刚性传感器在测量足底压力时，不能贴合足底表面起伏；另一方面，刚性传感器在测量过程中会引起足底柔软组织形变，造成损伤。因此需要一种柔性的压力传感器来实现压力传感器的可穿戴。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于柔性薄膜压力传感器的可穿戴足底压力测量装置，该装置采用柔性薄膜压力传感器为传感元件，使用电阻-电压转换电路和模数转换电路，将压力转化为电压信号，再通过拟合公式转换为压力值，实现对足底压力的测量。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于柔性薄膜压力传感器的可穿戴足底压力测量装置，特点是它包括基体、柔性薄膜压力传感器、电阻-电压转换模块、模数转换模块、电压-压力拟合模块、蓝牙通信模块及显示终端，所述柔性薄膜压力传感器为数路分布于基体上，柔性薄膜压力传感器数路引线与电阻-电压转换模块连接，电阻-电压转换模块、模数转换模块、电压-压力拟合模块、蓝牙通信模块依次连接，电阻-电压转换模块、模数转换模块、电压-压力拟合模块、蓝牙通信模块集成设置于机体内，蓝牙通信模块与显示终端无线连接；其中：

所述柔性薄膜压力传感器呈四层薄膜结构，包括柔性聚酰亚胺薄膜层、银电极层、柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层以及氧化石墨烯薄膜绝缘保护层，其中，聚酰亚胺薄膜层厚度为20μm-200μm；银电极层厚度500nm-5μm，生长在聚酰亚胺薄膜层两端；柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层厚度为50μm-600μm，该层呈蜂窝式多孔层状结构；氧化石墨烯薄膜绝缘保护层，厚度20μm-300μm；柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层与氧化石墨烯绝缘保护层生长在一起，与银电极层粘结在一起。

所述柔性薄膜压力传感器应变系数为2.1-3；压力测量范围为10Pa-900kPa；测出的高频压力信号为0-10kHz；其厚度小于1mm，具备弯曲和恢复能力；传感器呈长方形，边长可小于5mm，单个面积可小于25mm。

本发明的有益效果

1)柔性薄膜压力传感器具有易折弯的特性，可以适应物体表面起伏，减小测量压力过程中传感器自身刚度对物体作用造成的形变，可穿戴在身上，可实现身体压力的实时检测。

2)该足底压力测量方法以柔性薄膜压力传感器为传感元件，具有厚度薄的特性，可以作为可穿戴设备穿在脚底，实现实时监测足底压力数据。以此方法做出的一种基于柔性薄膜压力传感器的可穿戴足底压力测量装置，可制成鞋垫形状作为可穿戴设备，实现了对足底压力的实时检测，具有可穿戴、工作可靠、成本低的优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明电路结构框图；

图3为本发明柔性薄膜压力传感器结构示意图；

图4为本发明实施例结构示意图；

图5为本发明电阻-电压转换模块原理图；

图6为本发明压力-电压实验曲线图；

图7为本发明压力-电压的实验曲线和拟合曲线对比图；

图8为本发明压力-电压拟合误差分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

参阅图1-2，本发明包括基体1、柔性薄膜压力传感器2、电阻-电压转换模块3、模数转换模块4、电压-压力拟合模块5、蓝牙通信模块6及显示终端7，所述柔性薄膜压力传感器2为数路分布于基体1上，柔性薄膜压力传感器2各路引线与电阻-电压转换模块3连接，电阻-电压转换模块3、模数转换模块4、电压-压力拟合模块5、蓝牙通信模块6依次连接，电阻-电压转换模块3、模数转换模块4、电压-压力拟合模块5、蓝牙通信模块6集成设置于机体1内，蓝牙通信模块6与显示终端7无线连接。

参阅图3，本发明柔性薄膜压力传感器2呈四层薄膜结构，包括柔性聚酰亚胺薄膜层21、银电极层22、柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层23以及氧化石墨烯薄膜绝缘保护层24，其中，聚酰亚胺薄膜层厚度为20μm-200μm；银电极层厚度500nm-5μm，生长在聚酰亚胺薄膜层两端；柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层厚度为50μm-600μm，该层呈蜂窝式多孔层状结构；氧化石墨烯薄膜绝缘保护层，厚度20μm-300μm；柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层与氧化石墨烯绝缘保护层生长在一起，与银电极层粘结在一起。

本发明柔性薄膜压力传感器2应变系数为2.1-3；压力测量范围为10Pa-900kPa；测出的高频压力信号为0-10kHz；厚度小于1mm，具备弯曲和恢复能力；传感器呈长方形，边长可小于5mm，单个面积可小于25mm。

参阅图2，本发明将柔性薄膜压力传感器2、电阻-电压转换模块3、模数转换模块4、电压-压力值转换模块5和蓝牙通信模块6依次连接构成测量装置，其中柔性薄膜压力传感器2将足底压力转换为电阻值；电阻-电压转换模块3将电阻值转化为电压值；模数转换模块4和电压-压力值转换模块5将电压值拟合为压力值。

参阅图1，本发明通过彼此独立的柔性薄膜压力传感器2测量脚底压力，可以反映足底压力分布；为获得更多数据特征，需布置数个柔性薄膜压力传感器2，在压力变化较多的前脚掌布置多个，在压力变化较少的中后部布置略少。电阻-电压转换模块3和多组柔性薄膜压力传感器2同时工作，组成多个信号通道；由模数转换模块4、电压-压力拟合模块5和蓝牙通信模块6组成后续电路，后续电路在一个工作周期内通过模数转换模块4高速切换信号通道，在不同时刻分别处理电阻-电压转换模块3不同通道上的电压信号，实现后续电路的分时复用。蓝牙通信模块6将压力值通过蓝牙传输通道8传输到显示终端7，显示终端7接收该压力值进行显示。本发明可制成鞋的形状作为可穿戴式(如图4所示)。

本发明柔性薄膜压力传感器2的制备过程：

步骤1：制备衬底

采用化学离子交换和喷墨打印相结合的方法，在20μm-200μm厚的聚酰亚胺薄膜21两端生长一层500nm-5μm厚的银电极层22；

步骤2：制备功能层

将石墨烯和氧化石墨烯以质量比为10-3:1-2的比例混合，并配制成悬浊液，浓度为0.2-1.8mg/ml，同时再配制一份氧化石墨烯悬浊液，浓度为0.2-1.8mg/ml，然后通过顺序真空抽滤的方法分别连续对这两种悬浊液抽滤，得到厚度为20μm-300μm的氧化石墨烯绝缘保护层24以及厚度为50μm-600μm的石墨烯和氧化石墨烯的复合层23，两层牢固生长在一起；步骤3：制作压力传感器

将衬底的银电极层22与功能层的石墨烯和氧化石墨烯的复合层23通过导电银浆粘结在一起，并在银电极层22两端引出导线，得到所述柔性薄膜压力传感器2。

参阅图5，为本发明电阻-电压转换模块3的电路原理图，该模块由直流稳压电源11、滤波电容10和数个定值电阻9组成。该模块由恒压电源以5V电压供电。定值电阻9两端的电压与柔性薄膜压力传感器2的阻值有如下关系：

其中：

Rx为传感器电阻值，以欧姆为单位；

R1为定值电阻值，以欧姆为单位；

U1为定值电阻两端电压值，以伏特为单位；

U2为电阻-电压转换电路的供电电压值，以伏特为单位。

该模块实现了电阻转化为电压，当VCC恒压供电时，Rx＝f(U1)，Rx与U1有确定的对应关系，通过测量U1可以推算得Rx的值。

本发明模数转换模块4可使用AD7606型模数转换芯片，设定单次转换时间为0.01s,输入模拟电压信号，输出16位二进制数字信号。

本发明电压-压力拟合模块5的制备过程：

步骤1：实验柔性薄膜压力传感器2受到压力与模数转换模块4输出电压值的对应关系

1)用推拉力机在单个柔性薄膜压力传感器2上施加压力，该压力值在0-100N范围变化，记录柔性薄膜压力传感器2受到不同压力值与模数转换模块4输出电压值的对应关系如表1所示：

表1

由此表绘制柔性薄膜压力传感器2受到压力与模数转换模块4输出电压值的曲线如图6；步骤2：拟合柔性薄膜压力传感器2受到压力与模数转换模块4输出电压值的关系

将柔性薄膜压力传感器2受到压力与模数转换模块4输出电压值的对应关系输入数据分析软件Origin8.5，使用指数拟合功能，设置函数模型为Expgro2，即以为模型，拟合柔性薄膜压力传感器2受到压力与模数转换模块4输出电压值的关系。拟合得到的参数为A₁＝0.7364，t₁＝1.40413，A₂＝1.99534×10^-8,t₂＝0.21112,y₀＝-0.3618。

得到柔性薄膜压力传感器2受到压力与模数转换模块4输出电压值的函数关系：

其中：U1为定值电阻两端电压值，以伏特为单位；

F为传感器受到的压力值，以牛顿为单位。

参阅图7，横坐标表示模数转换模块4输出电压值，纵坐标表示柔性薄膜压力2受到的压力，两条曲线分由实验所得和公式(4)拟合所得，当两曲线走势相同时表明拟合参数正确，否则需要修改拟合参数。参阅图8，横坐标表示模数转换模块4输出电压值，纵坐标表示函数(4)拟合压力值的误差，由该图可知，由函数(4)依据模数转换模块4输出的电压值拟合压力值所产生的误差基本分布在正负2牛顿以内。

步骤3：将柔性薄膜压力传感器2受到压力与模数转换模块4输出电压值的函数关系(4)固化为电压-压力转换模块5。

将函数关系(4)编写为处理程序，将该程序固化入微型计算芯片，即制成电压-压力转换模块5。本发明蓝牙通信模块6采用CS8635型蓝牙芯片，通过串口通信接口与电压-压力转换模块5相连，接收压力值信号，并通过蓝牙通道8传送出该压力信号。

本发明的装配过程：

参阅图1，在基体1上安装多个柔性薄膜压力传感器2，每个柔性薄膜压力传感器2的两条引线接入电阻-电压转换模块3，电阻-电压转换模块3的每个通道的输出电压信号接入模数转换模块4的不同通道，模数转换模块4输出的电压信号接入电压-压力拟合模块5的输入，电压-压力拟合模块5的输出压力信号接入蓝牙通信模块6；通过蓝牙通信模块6的输出通道8传输到显示终端7，显示终端7显示压力值。