一种柔性可穿戴设备及其制备方法转让专利
申请号 : CN202010545408.2
文献号 : CN111707183B
文献日 : 2021-08-27
发明人 : 张旻 , 李宏正 , 刘易鑫 , 朱学林
申请人 : 清华大学深圳国际研究生院
摘要 :
权利要求 :
1.一种柔性可穿戴设备的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:S1、在聚酰亚胺薄膜基底的一侧表面上制备敏感导电材料;
S2、在所述聚酰亚胺薄膜基底的所述一侧表面上涂覆一层聚合物弹性体并覆盖所述敏感导电材料;
S3、对所述聚酰亚胺薄膜基底的另一侧刻蚀部分聚酰亚胺薄膜,从所述聚酰亚胺薄膜基底的所述另一侧暴露出所述敏感导电材料,利用所述敏感导电材料形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底的柔性应变传感器;
S4、将芯片贴装到所述聚酰亚胺薄膜基底的所述另一侧的表面上,进而形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底的柔性处理电路,所述柔性应变传感器与所述柔性处理电路通过印制导线电气相连。
2.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法,其特征在于,步骤S4中,通过PCB贴片工艺将所述芯片焊接到所述聚酰亚胺薄膜基底上。
3.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法,其特征在于,所述柔性应变传感器为所述敏感导电材料和聚合物弹性体的复合物。
4.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法,其特征在于,所述敏感导电材料为多孔石墨烯、碳纳米管或银纳米线。
5.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法,其特征在于,所述聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷PDMS、生物降解塑料Ecoflex或氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物SEBS。
6.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法,其特征在于,所述柔性应变传感器为电阻式应变传感器。
7.如权利要求6所述的柔性可穿戴设备的制备方法,其特征在于,所述电阻式应变传感器的厚度为50‑150μm,所述聚酰亚胺薄膜基底的厚度为25μm。
8.如权利要求1所述的柔性可穿戴设备的制备方法,其特征在于,所述柔性处理电路包括模数转换模块、微控制单元、稳压模块、NFC模块和柔性天线;其中,所述模数转换模块与所述柔性应变传感器相连,用于采集模拟信号进行数字编码;所述微控制单元与所述模数转换模块相连,用于数据的接收和发送的调配机制;所述NFC模块与所述微控制单元相连,将数字传感信号按NFC通讯协议进行编码,控制收发的时序,所述NFC模块具有电能转换单元;所述柔性天线与所述NFC模块相连,用于与带有NFC功能的移动终端电磁感应建立无线连接,实现系统供能和无线通讯;所述稳压模块与电能转换单元的输出端相连,用于为所述模数转换模块和微控制单元提供工作电压。
9.如权利要求8所述的柔性可穿戴设备的制备方法,其特征在于,所述柔性天线材料为铜箔,厚度为50‑100μm。
说明书 :
一种柔性可穿戴设备及其制备方法
技术领域
背景技术
增长率7.9%。与此同时,人们更加注重自己的生理健康状况。因此,需要可穿戴医疗设备,
用于改善家庭护理,该设备是为患有已知健康问题的患者量身定制的,可以从常规甚至连
续监测中受益。
戴设备,其本质上是保形的,轻巧的,因此可与人体皮肤和软组织的更好的共形接触。然而,
大多数柔性传感器缺乏现场电路。它们需要与外部电化学工作站或分析仪进行有线连接以
进行信号采集和处理,这极大地增加了系统的复杂性和可穿戴应用的局限性。同时,对于将
传感器与集成电路结合在一起的测试系统,采用板载电池供电是必不可少的。但是,像锂离
子电池这样的刚性电池在很大程度上限制了可穿戴设备的小型化,并且不能满足柔性设计
的要求。
已经公开的情况下,上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
面,所述聚酰亚胺薄膜基底层叠在所述聚合物弹性体上,所述聚酰亚胺薄膜设置有开口区
域,所述敏感导电材料通过所述开口区域向外暴露,并在所述敏感导电材料基础上形成基
于所述聚酰亚胺薄膜基底的柔性应变传感器,所述柔性处理电路包括贴装到所述聚酰亚胺
薄膜基底的表面上的芯片,所述柔性应变传感器与所述柔性处理电路相连。
码;所述微控制单元与所述模数转换模块相连,用于数据的接收和发送的调配机制;所述
NFC模块与所述微控制单元相连,将数字传感信号按NFC通讯协议进行编码,控制收发的时
序,所述NFC模块具有电能转换单元;所述柔性天线与所述NFC模块相连,用于与带有NFC功
能的移动终端电磁感应建立无线连接,实现系统供能和无线通讯;所述稳压模块与电能转
换单元的输出端相连,用于为所述模数转换模块和微控制单元提供工作电压。
酰亚胺薄膜基底的柔性应变传感器;
制导线电气相连。
的表面,所述聚酰亚胺薄膜基底层叠在所述聚合物弹性体上,所述聚酰亚胺薄膜设置有开
口区域,所述敏感导电材料通过所述开口区域向外暴露,并在所述敏感导电材料基础上形
成基于所述聚酰亚胺薄膜基底的柔性应变传感器,所述柔性处理电路包括贴装到所述聚酰
亚胺薄膜基底的表面上的芯片,所述柔性应变传感器与所述柔性处理电路相连,由此,本发
明的方案提供了一种将柔性传感器和柔性电路板一体化的柔性可穿戴设备,相对于传统的
现场电路与柔性传感器分离来实现的可穿戴设备,本发明的柔性可穿戴设备能够显著地降
低可穿戴设备的复杂性,有利于可穿戴设备的小型化,扩大可穿戴设备的应用范围,增加其
适用性和灵活性,也有利于改善用户佩戴的舒适度。此外,本发明将柔性传感器和柔性电路
板一体化的柔性可穿戴设备的结构简单紧凑,制备工艺简单,实现成本低。
移动终端进行分析显示。
附图说明
具体实施方式
以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外,连接既可以是用于固定
作用也可以是用于耦合或连通作用。
系,仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中,“多个”的含义是两个或两个
以上,除非另有明确具体的限定。
物弹性体14中并暴露于所述聚合物弹性体14的表面,所述聚酰亚胺薄膜基底12层叠在所述
聚合物弹性体14上,所述聚酰亚胺薄膜设置有开口区域,所述敏感导电材料13通过所述开
口区域向外暴露,并在所述敏感导电材料13基础上形成基于所述聚酰亚胺薄膜基底12的柔
性应变传感器1,所述柔性处理电路包括贴装到所述聚酰亚胺薄膜基底12的表面上的芯片
15,所述柔性应变传感器1与所述柔性处理电路相连。
感器1相连,用于采集模拟信号进行数字编码;所述微控制单元3与所述模数转换模块2相
连,用于数据的接收和发送的调配机制;所述NFC模块4与所述微控制单元3相连,将数字传
感信号按NFC通讯协议进行编码,控制收发的时序,所述NFC模块4具有电能转换单元;所述
柔性天线5与所述NFC模块4相连,用于与带有NFC功能的移动终端电磁感应建立无线连接,
实现系统供能和无线通讯;所述稳压模块6与电能转换单元的输出端相连,用于为所述模数
转换模块2和微控制单元3提供工作电压。
压电路。所述稳压模块6可以为模数转换模块2和微控制单元3提供稳定的2.4V工作电压。
压。在优选的实施例中,所述柔性天线5材料为铜箔,厚度为50‑100μm。在一个具体实施例
中,所述柔性天线5为矩形线圈,设计的谐振频率为13.56MHz,设计的匝数为5匝,设计的尺
寸为长×宽:3cm×2cm。
于所述聚酰亚胺薄膜基底12的柔性应变传感器1;
路通过印制导线电气相连。
柔性印制电路板,可采用焊接的方法将芯片焊接至柔性印制电路板上。
辑设计是针对微控制单元的编程。本发明在保证采样精度的前提下设计的ADC采样率为0‑
2000S/s,通过中值滤波算法或平局滤波算法中的一种对采集的数据进行滤波处理,利用
2
DMA控制将数据存储到相对的存储位置。与此同时,CPU控制I C总线将数据实时的发送到
NFC模块4,以便于手机接收。软件设计是对手机APP的编写,通过NFC通讯协议接收可穿戴系
统发送过来的数据。根据信号处理需求采用低通、带通或高通FIR滤波器中的一种,对数据
实时处理后以波形的方式呈现到手机屏幕。同时采用峰值检索算法找出波形的波峰位置,
计算出波峰距离来推算心跳频率。所采集到的波形可以存储到移动终端的SD卡中保存。
疗有很大的应用前景。
性天线5,即可完成信号读取,使用方便。该柔性可穿戴设备可以搭配任意柔性电阻式应变
传感器使用,应用范围广。柔性可穿戴设备重量可实现仅约为1.30g,可借助少量液体敷带
与人体皮肤共形的贴合,适于长期佩戴。本发明可穿戴系统特别适用于穿戴式生理信号(呼
吸、脉搏波、心音等)监测。将可穿戴系统贴在劲动脉、桡动脉和中部心前区位置,可以结合
手机APP实时观测到脉搏波和心音波形,同时统计出心跳频率,用于健康状况评估。
在不脱离本发明构思的前提下,其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型,
而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中,参考术
语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描
述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一
个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施
例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例
中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述
的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了
本发明的实施例及其优点,但应当理解,在不脱离专利申请的保护范围的情况下,可以在本
文中进行各种改变、替换和变更。