[发明专利]基于多级结构的柔性压力传感器、制备方法及测量系统

说明书

本发明涉及一种基于多级结构的柔性压力传感器、制备方法及测量系统，该传感器包括：弹性多级结构，所述弹性多级结构包括依次设置的2级以上的弹性结构层，每一弹性结构层的表面均设置有阵列式微结构，不同级弹性结构层的阵列式微结构均朝向同一方向；其中，至少一层弹性结构层具有导电层；柔性电极层，所述柔性电极层至少一层，柔性电极层的导电面与导电层相接触。本发明提供的多级结构可以连续引入微结构参与压力作用下的变形，并进一步增加原有形变微结构的形变，能够在压力变高时补偿结构变形的饱和效应，从而提高压力传感器的灵敏度和动态线性范围，满足复杂压力测量与反馈控制的需要。

技术领域

本发明是关于一种基于多级结构的柔性压力传感器、制备方法及测量系统，涉及可穿戴健康监测技术领域。

背景技术

近年来，可穿戴柔性电子设备在人体健康监测和人机交互方面的发展引起了人们的极大关注。柔性压力传感器能够模仿人体皮肤的感知功能，在检测各种生理信号方面显示出巨大的潜力，包括脉搏波、呼吸、肌肉运动、关节运动、步态识别等。衡量压敏可穿戴设备的基本指标包括灵敏度、动态测量线性工作范围、响应时间、耐用性和兼容性等。其中，高灵敏度对于捕捉微小信号，提供准确的人体生理信息具有重要意义。例如，通过准确记录和定量分析微弱的动脉脉搏波，可以获得大量的心血管信息，如心率、血管硬化等，为心血管疾病的诊断和预防提供有价值的信息。此外，高度敏感的压力传感器还可以用来检测人体的轻微触觉信号或运动，为智能假肢或人机界面等应用提供基础。

基于微阵列式弹性基底的柔性压力传感器能够有效地提升传感器灵敏度，然而由于微结构的弹性变形饱和，其高灵敏度仅存在于较小的压力范围内，经过饱和点后传感器的灵敏度显著降低。考虑到人体生理活动的压力范围跨越多个数量级，为在一个比较宽泛的压力范围内仍旧能够准确地捕捉到微小的压力变化信号，还需要进一步研究，使传感器同时兼具高灵敏度和宽线性动态范围，这也是目前柔性压力传感器设计的难点及热点之一。

此外，现有研究多注重柔性压力传感端的设计，缺少后续配套的信号处理、数据传输以及反馈控制等单元，限制了传感器在实际日常健康监测中的应用。因此，在实际应用中非常需要一种集成传感端、信号处理与传输端、以及具备一定反馈控制功能的可穿戴柔性压力传感系统。

发明内容

针对上述问题，本发明的其中一目的是提供一种基于多级结构的柔性压力传感器，通过对传感器阵列结构的改进使传感器的灵敏度及线性压力动态范围均得到提升，即传感器能够在一个更加宽的压力范围内保持高灵敏度；

本发明的另一目的是提供一种与多级结构的柔性压力传感器配套的测量系统，该系统包含多级结构的柔性压力传感器、有线/无线传输接口、人工智能控制与信号处理单元，实现对传感信号，如脉搏、中医医师切脉、呼吸、心率、关节运动、声带振动等信号的实时监测与声光电或热或力的交互反馈控制；

本发明的又一目的是提供一种多级结构压力传感器的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于多级结构的柔性压力传感器，该传感器包括：

弹性多级结构，所述弹性多级结构包括依次设置的2级以上的弹性结构层，每一所述弹性结构层的表面均设置有阵列式微结构，不同级所述弹性结构层的阵列式微结构均朝向同一方向；其中，至少一所述弹性结构层具有导电层；

柔性电极层，所述柔性电极层至少一层，所述柔性电极层的导电面与所述导电层相接触。

进一步地，所述阵列式微结构采用凸半球、凹半球、三棱柱、圆柱、梯台、正方体或长方体中的一种或多种组合。

进一步地，所述弹性结构层设置有导电层的方式包括：

1)对与所述柔性电极层接触的弹性结构层的阵列式微结构表面涂覆导电材料形成导电层；或者对任何一级或几级弹性结构层的阵列式微结构表面涂覆导电材料形成导电层，并在其下配置与其相对的柔性电极层；