心率检测传感器、防护服和传感器的制作方法与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种心率检测传感器、防护服和传感器的制作方法。


背景技术：

2.当前矿工在井下工作的环境具有高粉尘、高噪声等的特点，由此造成的煤矿职业病对工人的身体健康状况造成了极大的影响，同时由于目前对工人自身的工作状态如饮酒、疲劳、呼吸不畅以及如心脏骤停等突发性事件缺乏必要的监测和预警，矿工在状态不佳的情况下工作，造成了极大的安全隐患，极容易发生生产事故。
3.相关技术中，一般采用监测心率的方法判断工人的生命体征，目前检测井下矿工心率监测方法主要包括光电容描记法、血氧法和心电信号法，但是光电容描记法对血液成分有高度依赖性，检测过程中需要人保持静止状态，容易受到光源的影响，具有较高的成本；血氧法在检测过程需要夹住手指，对人体有持续压迫，舒适性差，成本高；心电信号法需要使用电极检测人体皮肤表面的电信号，电极与人体的接触阻抗不匹配，存在较大的电容耦合干扰，检测时需要在人体多个部位连接电极，设备笨重，操作困难，便携性差，计算复杂。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本发明的实施例提出一种心率检测传感器，所述心率检测传感器具有良好的生物相容性和环境友好性，舒适性高。
6.本发明的实施例还提出一种具有上述心率检测传感器的防护服。
7.本发明的实施例还提出一种传感器的制备方法。
8.本发明实施例心率检测传感器包括第一封装层；设置于所述第一封装层下表面的第一电极层；依次设置于所述第一电极层下表面的第一压力敏感层和第二压力敏感层，所述第一压力敏感层和/或所述第二压力敏感层由水溶性聚合物水凝胶制成并添加有纳米颗粒；设置于所述第二压力敏感层下表面的第二电极层；设置于所述第二电极层下表面的第二封装层。
9.本发明实施例的心率检测传感器采用水凝胶作为基底制成，不仅具有良好的生物相容性和环境友好性，舒适性高，而且结构简单，制作成本低，具有广阔的应用前景。
10.在一些实施例中，所述聚合物水凝胶为聚乙烯醇水凝胶、聚乙烯吡咯烷酮水凝胶或聚丙烯酰胺水凝胶。
11.在一些实施例中，所述纳米颗粒为氧化硅纳米颗粒、碳酸钙纳米颗粒或二氧化钛纳米颗粒。
12.在一些实施例中，所述第一压力敏感层的厚度为10-200μm，所述第二压力敏感层的厚度为10-200μm。
13.在一些实施例中，所述第一封装层的材料为ecoflex或聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述第二封装层的材料为ecoflex或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
14.在一些实施例中，所述第一电极层为银电极层或铝电极层，所述第二电极层为银电极层或铝电极层。
15.在一些实施例中，所述第一电极层的厚度为50nm-500nm，所述第二电极层的厚度为50nm-500nm。
16.本发明第二方面实施例的防护服包括上述任一实施例所述的心率检测传感器。
17.本发明第三方面实施例的传感器的制作方法包括：
18.将5％浓度的甘油、5％wt的氧化硅纳米颗粒、5％wt的氯化钠溶液与10％浓度的聚乙烯醇溶液放入容器内混合，使用超声将其分散至没有明显沉底物，磁力搅拌3小时得到前置溶液；
19.将所述前置溶液放入模具成型，在-20℃温度下冷冻24小时，在室温下解冻2小时，获得第一压力敏感层和第二压力敏感层；
20.在所述第一压力敏感层的上表面加工第一电极层，在所述第二压力敏感层的下表面加工第二电极层；
21.将所述第一压力敏感层和所述第二压力敏感层利用热压法键合；
22.在所述第一电极层的上表面贴覆第一封装层，在所述第二电极层的下表面贴覆第二封装层。
23.在一些实施例中，在所述第一压力敏感层的上表面加工第一电极层或在所述第二压力敏感层的下表面加工第二电极层的方法为电子束蒸发镀膜、3d打印、丝网印刷或金属胶带粘接。
附图说明
24.图1是本发明实施例的心率检测传感器的示意图；
25.图2是本发明实施例的传感器制备方法的一部分的流程示意图；
26.图3是本发明实施例的传感器制备方法的另一部分的流程示意图。
27.附图标记：
28.心率检测传感器100，第一封装层101，第一电极层102，第一压力敏感层103，第二压力敏感层104，第二电极层105，第二封装层106。
具体实施方式
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.下面结合附图描述本发明实施例的心率检测传感器100。
31.如图1所示，本发明实施例的心率检测传感器100包括从上到下依次叠置的第一封装层101、第一电极层102、第一压力敏感层103、第二压力敏感层104、第二电极层105和第二封装层106。
32.其中，第一压力敏感层103和/或第二压力敏感层104由水溶性聚合物水凝胶制成并添加有纳米颗粒，一方面，采用水凝胶作为基底制成的心率检测传感器100具有良好的柔
性，可以和皮肤表面良好接触以获得清晰的心率信号，电气安全性良好，可以装备在防护服上对井下工作者的心率进行检测，检测过程中不会给使用者造成不适感，另一方面，采用水溶性聚合物水凝胶制成的压力敏感层可以在水溶液中降解，避免了环境污染，同时掺杂纳米颗粒，可以有效提高传感器的灵敏度和机械性能，通过对压力信号的特征提取，判断矿工当前的身体健康状况，并对饮酒和疲劳状态做出预警。
33.本发明实施例的心率检测传感器100采用水凝胶作为基底制成，不仅具有良好的生物相容性和环境友好性，舒适性高，而且结构简单，制作成本低，具有广阔的应用前景。
34.所述聚合物水凝胶为聚乙烯醇水凝胶、聚乙烯吡咯烷酮水凝胶或聚丙烯酰胺水凝胶，优选为聚乙烯醇水凝胶，聚乙烯醇水凝胶具有很好的生物相容性，并且弹性大，强度高，十分适用于作为传感器的基底材料。
35.纳米颗粒为氧化硅纳米颗粒、碳酸钙纳米颗粒或二氧化钛纳米颗粒，优选为氧化硅纳米颗粒，在压力敏感层添加氧化硅纳米颗粒可以有效提高传感器的灵敏度和机械性能，提升心率检测传感器100的性能。
36.在一些实施例中，第一压力敏感层103的厚度为10-200μm，第二压力敏感层104的厚度为10-200μm。例如，第一压力敏感层103可以为50μm、100μm或150μm，第二压力敏感层104可以为50μm、100μm或150μm，优选地，第一压力敏感层103和第二压力敏感层104的厚度均为100μm，由此，可以保证心率检测传感器100的高灵敏度。
37.第一封装层101的材料为ecoflex或聚对苯二甲酸乙二醇酯，第二封装层106的材料为ecoflex或聚对苯二甲酸乙二醇酯，并优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯材料制成的薄膜。
38.需要说明的是，ecoflex是由smooth-on公司生产的铂催化的聚硅酮，是一种简单而具备多用途的硅胶材料，相对于与周围环境稳定的聚合物，防水性好，适合用于制备应力传感器或压力传感器。
39.在一些实施例中，第一电极层102和第二电极层105均为银或铝制成的金属电极层，优选为银电极层。
40.第一电极层102的厚度为50nm-500nm，第二电极层105的厚度为50nm-500nm，例如，第一电极层102的厚度可以为100nm、200nm、300nm或400nm，第二电极层105的厚度可以为100nm、200nm、300nm或400nm，优选地，第一电极层102和第二电极层105的厚度均为100nm，结合上文内容，第一压力敏感层103和第二压力敏感层104的厚度均优选为100μm，本发明实施例的心率检测传感器100的总厚度只有300-500μm，十分轻薄，并且具有良好的柔性和穿戴舒适性。
41.本发明第二方面的实施例的防护服包括上述任一实施例所述的心率检测传感器100，装备有上述心率检测器的防护服，可以在隔绝外界粉尘的同时通过心率检测传感器100与皮肤表面接触获得使用者的心率信号，检测过程中不会给使用者造成任何不适感，具有良好的可穿戴性。
42.如图2和图3所示，本发明第三方面实施例的传感器的制作方法包括以下步骤：
43.1)将5％浓度的甘油、5％wt的氧化硅纳米颗粒、5％wt的氯化钠溶液与10％浓度的聚乙烯醇溶液放入容器内混合，使用超声将混合物分散，直至没有明显沉底物，磁力搅拌3小时得到前置溶液，甘油可提高传感器的保湿性能；
44.2)将前置溶液放入模具成型，将模具放入冰箱，在-20℃温度下冷冻24小时，然后
在室温下解冻2小时，获得物理交联的且可降解的第一压力敏感层103和第二压力敏感层104；
45.3)在第一压力敏感层103的上表面加工第一电极层102，在第二压力敏感层104的下表面加工第二电极层105；
46.4)将第一压力敏感层103和第二压力敏感层104利用热压法键合；
47.5)在第一电极层102的上表面贴覆第一封装层101，在第二电极层105的下表面贴覆第二封装层106，完成传感器的制作，第一封装层101和第二封装层106均用于保护电极层。
48.需要说明的是，在上述步骤3中，在第一压力敏感层103的上表面加工第一电极层102或在第二压力敏感层104的下表面加工第二电极层105的方法为电子束蒸发镀膜、3d打印、丝网印刷和金属胶带粘接中的任一种方法，可根据工艺要求进行选择，本实施例中优选为电子束蒸发镀膜，可以加工出更薄的电极层。
49.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。
50.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
53.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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。此外，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。
54.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。