一种柔性敏感元件及应用它的呼吸与心跳传感器的制作方法

本发明涉及监测人体生理参数的技术，具体为一种柔性敏感元件及应用它的呼吸与心跳传感器，所述柔性敏感元件包括感压部分以及变形部分，柔性敏感元件利用连通器原理将感压部分的容积变化转换为变形部分的弹性变形，应用所述柔性敏感元件时人体只压住感压部分的一部分，所述呼吸与心跳传感器利用所述的柔性敏感元件。与现有技术相比，本发明所述柔性敏感元件能将感压部分容积相对不明显的变化转变为变形部分相对较明显的变形，相当于信号放大作用，并且，由于变形部分能不被人体压住，可以有效地延长其寿命。

背景技术：

传感器一般由敏感元件、转换原件及变换电路组成，其中敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

当前用于人体呼吸、心率检测的产品层出不穷，主要用于诸如睡眠质量检测以及健康检测等，其应用的传感器主要有压阻式、电容式、电荷式等，用于睡眠监测时一般都做成条带或片状等形状压在身体下或穿戴在身体上，一般情况下，传感器的转换元件甚至转换电路都与敏感元件安装在一起，随条带压在身体下，一方面导致其寿命降低，另一方面，容易使人感觉到不舒适，有些非接触性的传感器成本又高。

鉴于以上问题，本发明公开一种柔性敏感元件及应用它的呼吸与心跳传感器；所述柔性敏感元件包括感压部分以及变形部分，应用所述柔性敏感元件时人体只压住感压部分的一部分，柔性敏感元件利用连通器原理将感压部分的容积变化转换为变形部分的弹性变形或位移；所述呼吸与心跳传感器利用所述的柔性敏感元件将呼吸以及心跳信号变为变形部分的弹性变形或位移，再将变形部分的弹性变形或位移转变为电信号。与现有技术相比，本发明所述柔性敏感元件能将感压部分容积不明显的变化转变为变形部分局部较明显的变形，相当于信号放大作用，便于后续的检测，另一方面，由于变形部分能不被人体压住，可以有效地延长其寿命。

技术实现要素：

对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种柔性敏感元件及应用它的呼吸与心跳传感器，其解决方案是：

一种柔性敏感元件，其特征在于其至少包括感压部分及变形部分，所述感压部分为由拉伸率低的、不能透过流体的柔性材料制成的囊状、管状或管网状连通器部件，感压部分内部填充气体或液体，感压部分至少有一个出口；所述变形部分为弹性薄膜或膜盒；

变形部分安装在感压部分的出口，变形部分与感压部分的出口连通安装，感压部分受压时引起变形部分弹性变形；

所述柔性敏感元件还包含连通管，所述连通管为由拉伸率低的材料制成的管状部件，连通管用于连通感压部分的出口及变形部分，连通管的一端连接至感压部分的出口，另一端直接或间接连接至变形部分，连通管的长度保证柔性敏感元件在使用时被测对象压住感压部分中部时压不住变形部分；

感压部分之间还分布有用于将感压部分两端连通起来的感压防阻管，所述感压防阻管是内径比较小的、人体压上以后无法将其内的通孔完全堵塞的管，其两端分别连接感压部分的出口端及其与出口端相异的另一端；

变形部分的外侧设置变形部分保护套，所述变形部分保护套是管状部件，其内侧设置变形部分，用于限制变形部分在变形部分保护套内部沿变形部分保护套的轴线方向变形；

所述柔性敏感元件还包含连接件，所述连接件为便于安装变形部分且与连通管连通的部件；

感压部分内部管状或管网状容积空间的横截面为圆形；

所述的用于制备感压部分及连通管的材料的拉伸率低，是相对于感压部分受压时容积的变化而言，材料拉伸形成的容积变化占比很小，在感压部分内压力在一定范围内变化时连通管所围成的容积变化很小；

变形部分的面积小于感压部分的面积，变形部分发生弹性拉伸变形时容积的变化小于感压部分的容积；

应用所述柔性敏感元件检测人的呼吸及心跳时，人的腹部、胸部或颈部压在柔性敏感元件的一部分感压部分上，并且尽量压在感压部分的中间部位，人压住感压部分的高度位置处的截面尽量不超过感压部分的边沿。

所述柔性敏感元件的工作原理为：当感压部分被挤压时，其内部的空气被压缩，导致变形部分发生弹性变形，变形部分发生的弹性变形大小取决于感压部分内初始的流体量以及感压部分被压缩的程度。例如，当把所述柔性敏感元件用于检测人的呼吸及心跳时，人体腹部、胸部或颈部等压住感压部分的一部分，仍然有一部分感压部分人体压不住，这时假设人不呼吸、不心跳也不活动的话，变形部分的鼓起程度不再发生变化，当人呼吸以及心跳时，人体以身高方向为法线方向的截面积会发生变化，相当于感压部分所受压的范围会随着呼吸及心跳而变化，这种感压部分受压范围的变化会引起感压部分内部压强的变化，进而引起变形部分的弹性变形量的变化，由于感压部分的面积较大，并且只有部分受压，所以能将呼吸、心跳所引起的感压部分内部容积的少许变化收集起来，而变形部分的面积较小，能将感压部分容积相对不明显地变化转变为变形部分较明显的变形，相当于信号放大作用。

一种呼吸与心跳传感器，所述呼吸与心跳传感器由敏感元件、转换原件及变换电路组成，其特征在于所述敏感元件采用本发明所述的柔性敏感元件，柔性敏感元件将人的呼吸、心跳转换为变形部分的弹性变形，转换元件将变形部分的弹性变形转变为电信号。

转换元件采用pvdf压电薄膜、接近传感器或压力传感器；

转换元件采用pvdf压电薄膜时，pvdf压电薄膜一端压在柔性敏感元件的变形部分上，另一端固定在柔性敏感元件上，采用电荷放大电路作为变换电路。

变形部分与pvdf压电薄膜的接触部位增加一个靶点，所述靶点是位于pvdf压电薄膜和变形部分之间的一个硬质的物体，靶点使pvdf压电薄膜与变形部分之间通过靶点保持点接触。

转换元件及变化电路采用接近传感器时，变形部分上安装能被接近传感器检测的被测靶。

转换元件及变化电路采用压力传感器时，压力传感器直接或间接与感压部分的出口连通。

应用所述呼吸与心跳传感器时，人体将感压部分的一部分压在腹部、胸部、颈部或头部下面，人呼吸、心跳产生的微小变化使变形部分发生弹性变形，通过转换元件及变换电路将变形部分的弹性变形变换为电量，用于检测呼吸及心跳，还能用于呼吸暂停检测。

附图说明

图1为本发明一种柔性敏感元件一种组成原理示意图。

图2为本发明一种柔性敏感元件第二种组成原理示意图。

图3为本发明一种柔性敏感元件第三种组成原理示意图。

图4为本发明一种柔性敏感元件第四种组成原理示意图。

图5为本发明一种柔性敏感元件第五种组成原理示意图。

图6为本发明一种柔性敏感元件第六种组成原理示意图。

图7为本发明一种柔性敏感元件第七种组成原理示意图。

图8为本发明一种柔性敏感元件第八种组成原理示意图。

图9为本发明一种呼吸与心跳传感器的一种组成原理示意图。

图10为本发明一种呼吸与心跳传感器的另一种组成原理示意图。

图11为本发明一种呼吸与心跳传感器的第三种组成原理示意图。

图12为本发明一种呼吸与心跳传感器的第四种组成原理示意图。

图13为本发明一种呼吸与心跳传感器的第五种组成原理示意图。

图14为本发明一种呼吸与心跳传感器的第六种组成原理示意图。

图中：1.感压部分10.感压部分出口11.感压防阻管12.感压腔隔离区13.感压部分封边2.变形部分20.变形部分保护套21.膜盒3.连通管30.连接件50.pvdf压电薄膜501.靶点51.被测靶510.膜盒靶52.接近传感器53.扩散硅压力传感器

具体实施方式

下面结合图例给出本发明一种柔性敏感元件及应用它的呼吸与心跳传感器的具体实施例，这些实施例仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明权利要求的限制，本发明未述及之处适用于现有技术。

本发明一种柔性敏感元件的实施例1(如图1、5、6所示)：

一种柔性敏感元件，其特征在于其包括感压部分1及变形部分2；

所述感压部分1为由拉伸率极低的橡胶涂层织物(不排除采用塑料等柔性材料)制成的囊状部件，感压部分内部填充空气，感压部分有一个感压部分出口10，感压部分1的尺寸要确保在使用时不能被全部压住，即只有一部分用于感压的面积受压；所述变形部分2为粘贴安装在感压部分出口10处的弹性薄膜(包括硅胶膜、金属膜、橡胶膜等能拉伸后恢复的薄膜)，但并不排除采用图11中的弹性的膜盒代替弹性薄膜作为变形部分2，所述弹性的膜盒当其包围空间内压强变化时膜盒的容积会相应地变化，表现为膜盒长度方向会伸缩变化。

由于感压部分1内部填充的是空气，空气容易被压缩，因此，变形部分2的面积远远小于感压部分1的面积，或者说变形部分2发生弹性拉伸变形时所包围的容积远远小于感压部分1的容积。

籍由以上组成部分，所述柔性敏感元件的工作原理为：当感压部分1被挤压时，其内部的空气被压缩，导致变形部分2发生弹性变形的鼓起，变形部分2发生的弹性变形大小取决于感压部分1内初始的含空气量以及感压部分1被压缩的程度，例如，当把所述柔性敏感元件用于检测人的呼吸及心跳时，人体腹部、胸部或颈部等压住感压部分1的一部分，仍然有一部分感压部分1人体压不住，这时假设人不呼吸、不心跳也不活动的话，变形部分2的鼓起程度不再发生变化，当人呼吸以及心跳时，人体以身高方向为法线方向的截面积会发生变化，相当于感压部分1所受压的范围会随着呼吸及心跳而变化，这种感压部分1受压范围的变化会引起感压部分1内部压强的变化，进而引起变形部分2的弹性变形量的变化，由于感压部分1的面积较大，并且只有部分受压，所以能将呼吸、心跳所引起的感压部分1内部容积的少许变化收集起来，而变形部分2的面积较小，能将感压部分1容积不明显的变化转变为变形部分2局部较明显的变形，相当于信号放大作用，便于后续的检测。另一方面，由于变形部分2不被人体压住，可以有效地延长其寿命。

人压住感压部分1时，尽量压在感压部分的中间部位，人压住感压部分的高度位置处的截面尽量不超过感压部分的边沿(相当于图1中人的高度方向沿上下方向，并且感压部分水平左右方向均有一部分不能被人压住)，这样由于呼吸及心跳产生的变形部分的变形量会较大，如果人压住感压部分的一端，呼吸及心跳引起的变形部分的变形量会比压住感压部分的中部相对较少，因为人呼吸心跳产生的截面面积变化在左、右两侧位置处同时引起感压部分内压力的变化大于只在左或右单侧位置处引起感压部分内压力变化。

本实施例感压部分1内填充空气，不排除填充氩气等其它气体或水、油等其他液体，当填充粘度较小、体积可压缩性小的流体(例如水)时，由于心跳、呼吸等引起的感压部分1内部很小的容积变化能不压缩的被变形部分感受，与空气相比，能提高其灵敏度。

同时，本实施例中的感压部分1为类似暖水袋的扁平气囊，这样存在两个问题，如果感压部分1内填充的流体比较多，人压上的时候变形部分2的变形量会比较大，相比较而言，由呼吸、心跳等引起的变形部分2的变形量较小，如果感压部分1内填充的流体比较少，人压上的时候变形部分2的变形量会很小，因为感压部分1是部分被人压住，被压住部分的流体会流至感压部分1未被压住的部分，使感压部分1未被压住的部分容积增大而进一步鼓起，为了减小这种影响，可以采用图5或图6中的管网状的感压部分1，相当于多根窄条状的感压部分1连接在一起作为感压部分，与图1中较宽的感压部分1相比，更容易确定图5、6中的感压部分1中填充的流体数量，并且，为了防止感压部分1受压时感压部分1未被压住的部分容积增大而继续鼓起，感压部分1内窄条状空间的截面为圆形。

本发明一种柔性敏感元件的实施例2(如图2、7～9所示)：

应用所述柔性敏感元件时，需要在变形部分2处设置转换元件用于将变形部分2的变形转换为便于检测的电量，实施例1中变形部分2安装在感压部分1上，在实施例1中的变形部分2处增加转换元件等器件的话，其垫在人体下面容易让人感觉到不适；本实施例采用连通管3将感压部分1内压强的变化引导至远离感压部分1处，使变形部分2远离感压部分1，所述连通管为pc管，内孔径较小且其强度在感压部分1产生的压强下内孔径基本不会发生变形，连通管的一端连接至感压部分出口10，变形部分2为安装在连通管3另一端的弹性薄膜，这样在变形部分增加转换原件等电子器件时不必特别在意其体积以及由此给使用者造成的不便，也能防止使用时人容易压住导致其寿命缩短。当然不排除采用如图9中所示的方案，连通管3连接至连接件30上，柔性敏感元件的变形部分2安装在连接件30上，连接件30连接连通管3及变形部分2，将连通管3内的压力变化传递至变形部分2。

为了使人体压上感压部分1后变形部分2的变形量不至于过大，本实施例还可以采用图7所示的感压部分1，图7中感压部分由多根窄条形状的感压部分(类似管网)连通组合而成，并且在感压部分之间还分布有用于将感压部分两端连通起来的感压防阻管11，防止由于感压部分中部受压导致两端不再连通，所述感压防阻管11是内径比较小的、人体压上以后无法将其内的孔完全堵塞的管，例如有一定硬度和弹性的pc管。

当变形部分2采用弹性薄膜并且其变形量比较大时，弹性薄膜会呈球状膨胀，不利于转换元件将这种变形进行线性转换，为此，如图8所示，在变形部分2的外侧设置变形部分保护套20，所述变形部分保护套20是管状部件，其内侧设置变形部分2，当由于感压部分1的体积发生变化使变形部分2所包围的体积发生变化时，由于变形部分2的外侧包裹着变形部分保护套20，变形部分2的变形被限制在变形部分保护套20的轴线方向，利于转换元件进行线性变换。

本实施例以及实施例1中的变形部分不便于进一步安装转换元件及变送电路，为此，可以采用图9中的方案，将变形部分2安装在连接件30上，连接件30连接至连通管3，这样不仅变形部分与安装在连通管3的端部同样能感受感压部分1压强的变化，而且利于在连接件30上安装转换元件。

本发明一种柔性敏感元件的实施例3(如图3所示)：

实施例1、2中的感压部分1内填充流体后的截面为椭圆形，当感压部分1部分受压时，未受压部分的截面会随之改变，即感压部分1的受压部分变的更扁，不被压的感压部分1变的更鼓(椭圆形的短轴变长)，从而使得感压部分1受压引起的其内部容积变化不能完全用于使变形部分2变形，而假如感压部分在未受压时其内截面为圆形，则感压部分的未受压部分的截面积不会由于感压部分其它部位的受压而改变，这样可以增加灵敏度。本实施例中的感压部分1为基本不具有拉伸性的、截面为圆形的、柔性织物管，织物管上带有不透水、不透气的柔性涂层，本实施例中感压部分1被压时内部容积的变化全部作用于变形部分2的变形，提高了灵敏度。应用本实施例中的柔性敏感元件时，人高度方向与感压部分1长度方向正交。

本发明一种柔性敏感元件的实施例4(如图4所示)：

如果人体压住实施例3中感压部分1的中部可能会使感压部分1的两端不连通，不利于呼吸时引起感压部分1内部容积或压强变化的传递，为此，采用感压防阻管11连接感压部分1的两端，所述感压防阻管11为不能被人体压成不通气状态的、比较细的管，例如pc、pp等塑料管，这样能保证感压部分1的两端都能一直连通至变形部分2。当然也可以在感压部分1的内部套一根感压防阻管11也可以达到相同的效果。

一种呼吸与心跳传感器实施例1(如图9、10所示)：

所述呼吸与心跳传感器由敏感元件、转换原件及变换电路组成，所述敏感元件采用本发明所述的柔性敏感元件，柔性敏感元件将人的呼吸、心跳转换为变形部分2的弹性变形，转换元件及变换电路将变形部分的弹性变形转换为电信号，如图9中所示，柔性敏感元件的变形部分2安装在连接件30上，转换元件采用pvdf压电薄膜50，pvdf压电薄膜50一端固定在连接件30上，另一端压在柔性敏感元件的变形部分2上，当变形部分发生弹性变形时，pvdf压电薄膜50与变形部分2接触的一端会发生位移，使pvdf压电薄膜50发生弯曲，当变形部分2的弹性变形量发生变化时，pvdf压电薄膜50的弯曲程度随之变化，pvdf压电薄膜50两侧表面产生的电荷量也随之变化，采用电荷放大器电路作为变换电路即可将pvdf压电薄膜50产生的变化的电荷量转变为便于计算机采集的电压或电流。

当柔性敏感元件不包含连接件30时，可以将pvdf压电薄膜50一端固定在感压部分1上或连通管3上，另一端压在柔性敏感元件的变形部分2上。

为了提高灵敏度，在变形部分2与pvdf压电薄膜50的接触部位增加靶点501，所述靶点501是固定在变形部分2上的一个硬质的物体，或夹持在pvdf压电薄膜50和变形部分2之间的一个硬质的物体，靶点501使pvdf压电薄膜50与变形部分2之间通过靶点501保持点接触，这样更利于变形部分2的变形量准确地传递至pvdf压电薄膜50。

应用所述呼吸与心跳传感器时，人体将感压部分1的一部分压在腹部、胸部、颈部或头部下面，人呼吸、心跳产生的微小变化由感压部分1收集后，经连通管3传到连接件30，连接件30上安装的变形部分2会相应的发生弹性变形，这种弹性变形将引起pvdf压电薄膜50的动态弯曲，产生动态电荷，这种动态完全产生的动态电荷变化与引起感压部分1内压强变化的呼吸以及心跳的频率相同，如果停止呼吸，则由呼吸引起的感压部分1内的压强变化将停止，通过分析电荷放大电路的输出信号即可知道是否发生了呼吸暂停。

一种呼吸与心跳传感器实施例2(如图11、12所示)：

本实施例在变形部分2上安装被测靶51，当变形部分2发生弹性变形时，被测靶51会移动，接近传感器52将被测靶51的位移转变为电信号。所述被测靶51是是接近传感器52能检测到的物体，例如，如果接近传感器52是电感式的，则被测靶点51是导体材料做的。不排除采用激光测距、超声波等原理的接近传感器。

当感压部分1的容积较大时，人压到感压部分1后变形部分2的变形量比较大，为了提高这种情况下的线性度，在变形部分2的外侧安装变形部分保护套20，这样变形部分2的变形量被限制在一个圆柱范围内，不会呈球状。

一种呼吸与心跳传感器实施例3(如图13所示)：

本实施例的变形部分2采用膜盒21，膜盒21的顶部有膜盒靶510，当感压部分1内的压强变化时，膜盒21发生弹性变形，其顶部的膜盒靶510会发生移动，接近传感器52将膜盒靶510的移动转变为电信号，如果接近传感器52是电感式的，并且膜盒21是金属导体材料制作的，则膜盒靶510即是膜盒21的顶部，如果膜盒是非导体材料制作的，则需要在膜盒21的顶部安装一块导体作为膜盒靶510，如果接近传感器是电容式的，则不要求膜盒靶510是导体，这是业内常识，不再赘述。

一种呼吸与心跳传感器实施例4(如图14所示)：

本实施例的变形部分2采用不锈钢薄膜片，图中未画出不锈钢薄膜片，采用传统的扩散硅压力传感器的封装方式将所述不锈钢薄膜片封装到扩散硅压力传感器的内部，当由于人的呼吸及心跳引起不锈钢薄膜片发生变形时即可用扩散硅压力传感器检测出相应的信号。当然不排除使用其它压力传感器。

本发明不限于上文讨论的实施例，本领域技术人员可根据本发明推理出其它变体形式，这些变体形式也属于本发明的主题。