一种自环境采集能量的无线传感器的制作方法

1.本发明涉及无线传感器技术领域，具体是一种自环境采集能量的无线传感器。


背景技术：

2.近年来，人类在日常环境中的运动建模和监测受到了相当大的关注，包括临床和健康科学、机器人和人机界面(hci)。分析关节运动范围和各种步态参数等运动学参数，可以跟踪疾病的进展或评估许多神经肌肉和肌肉骨骼疾病的康复效果。目前，这些研究是为了促进老年人的健康，以及运动医学中运动训练的监测和损伤预防。关节角度估计是人体运动分析的关键组成部分，许多研究小组已经开发出可穿戴式传感器，通过使用光电系统、惯性测量单元(imu)或超声波传感器来进行连续的人体运动实时分析。光电系统是已知的估计关节角最精确的系统。这些系统使用红外相机分析预定义的解剖位置，以计算三维骨骼模型的关节角。然而，光电系统需要在受控的实验室环境中进行实验，并需要经过培训的人员来分析数据。因此，尽管光电系统很准确，但并不适合在非卧床环境中对关节运动进行连续监测。
3.无线通信、小型化传感器和低功耗电子技术的进步使得实现集成式无线体域网络(wbans)成为可能。这些发展使得无线可穿戴系统在诊断、健康监测、康复和依赖性护理方面的应用成为可能。在目前的一系列商用可穿戴设备中，产品并没有牢牢固定在人体上。为了最大限度地减少人体移动造成的数据误差，实现精确测量，必须使可穿戴设备贴近皮肤。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种自环境采集能量的无线传感器，以解决传统的传感器不能固定在人体上的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种自环境采集能量的无线传感器，包括六轴惯性传感器和实施装置，其特征在于：还包括制造过程，所述六轴惯性传感器包括有adc：模数转换器、uart：通用异步接收/发送器、sda：串行数据、scl：串行时钟和twi：双线串行接口；所述实施装置包括有电子元件、蓝牙和片上系统，所述电子元件安装在键合焊盘上。
7.作为本发明进一步的方案：所述六轴惯性传感器和ble soc采用双线串行接口读取和发送数据，双线串行接口使用两个总线信号交换信号，工作时，从六轴惯性传感器中，通过内嵌的16位模数转换器(adc)转换出三个轴各自的加速度和角速度。数字化后的数据通过i2c通信传递给ble soc的总线接口单元。由于每条数据都有一个特定的地址，所以有一个地址匹配单元，根据地址对数据进行处理。在控制单元中，对总线接口单元中积累的数据进行处理，并对命令进行解码。数据处理完毕后，由信号调理单元中的通用异步接收/发送器(uart)结构进行传播，通过蓝牙通信，可将惯性数据显示在移动设备上。以mpu-6050为例，加速度计使用的满量程为
±
16g，灵敏度刻度系数为16384lsb/g，其中g为重力加速度。对于陀螺仪，研究人员使用的满量程为
±
2000
°
/s的灵敏度刻度因子为131lsb/
°
/s。
nrf52832和mpu-6050采用i2c通信，通信频率为400khz。mpu-6050的陀螺仪和加速度计的采样率为100hz，在nrf52832中采用i2c通信方式读取寄存器，并通过蓝牙以十六进制形式传输。研究人员之前对该系统的研究表明，利用ble soc(nrf51822)具有传输无线惯性信号的能力，并报道了实时人体关节角度估计的可能性。在本文中，研究人员使用nrf52832来扩展该系统的功能。nrf52832在芯片内部包含了一个平衡器，减小了整个系统的体积和布线，方便了阻抗匹配，轻松实现了系统的功能。此外，nrf52832的ram是nrf51822的两倍，可以配置ble网状结构。在构建网状物时，需要较大的ram大小，可以同时采集17个imu的传感器数据，这些imu的配备可以分析人体所有关节的运动情况，实现了人体3d模型的可扩展性。此外，采用ble 5.0后，传输速度可提高一倍，传输距离可增加约2.5倍。
8.作为本发明再进一步的方案：所述电子元件通过蛇形分布进行连接；所述实施装置上层和下层均覆盖有可拉伸的胶膜，工作时，蛇形分布的电子元件，可以使得电子元件在机械应变下伸长，同时在胶膜的作用下也可以达到对电子元件的保护。
9.作为本发明再进一步的方案：所述制造过程分为以下步骤：
10.s1：:铜箔制备；
11.s2：铜箔层压在热脱模带(trt)上；
12.s3：使用切割工具进行图案化；
13.s4：去除残余铜；
14.s5：粘附在水溶性胶带(wst)上，使用kapton薄膜固定在玻璃基板上，并去除
15.trt；s6：器件焊接在铜图案化的互连上；
16.s7：去除kapton薄膜并将器件从玻璃基板上释放；
17.s8：顶层封装；
18.s9：去除wst；
19.s10：底层封装。
20.有益效果
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.本发明介绍了是一种自环境采集能量的无线传感器，通过采用无线通信技术的贴片式六轴惯性传感器。该装置由可拉伸弹性基片上的硬电子元件组成，应用于表皮电子器件，以采集人体的精确数据。不采用常用的在可拉伸基底上实现器件的洁净室工艺，而是采用简单而廉价的"切割-焊接-粘贴"的方法来制造复杂的卷曲互连。因此，所提出的装置在用于步态分析时，可以将各种身体活动和皮肤变形的信号失真降到最低。
附图说明
23.图1为本发明六轴惯性传感器电路图的结构示意图；
24.图2为本发明中应用示意图；
25.图3为本发明中六轴惯性传感器的结构框图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.请参阅图1～3，本发明实施例中，一种自环境采集能量的无线传感器，包括六轴惯性传感器和实施装置，其特征在于：还包括制造过程，所述六轴惯性传感器包括有adc：模数转换器、uart：通用异步接收/发送器、sda：串行数据、scl：串行时钟和twi：双线串行接口；所述实施装置包括有电子元件、蓝牙和片上系统，所述电子元件安装在键合焊盘上。
28.作为本发明进一步的方案：所述六轴惯性传感器和ble soc采用双线串行接口读取和发送数据，双线串行接口使用两个总线信号交换信号，工作时，从六轴惯性传感器中，通过内嵌的16位模数转换器(adc)转换出三个轴各自的加速度和角速度。数字化后的数据通过i2c通信传递给ble soc的总线接口单元。由于每条数据都有一个特定的地址，所以有一个地址匹配单元，根据地址对数据进行处理。在控制单元中，对总线接口单元中积累的数据进行处理，并对命令进行解码。数据处理完毕后，由信号调理单元中的通用异步接收/发送器(uart)结构进行传播，通过蓝牙通信，可将惯性数据显示在移动设备上。以mpu-6050为例，加速度计使用的满量程为
±
16g，灵敏度刻度系数为16384lsb/g，其中g为重力加速度。对于陀螺仪，研究人员使用的满量程为
±
2000
°
/s的灵敏度刻度因子为131lsb/
°
/s。nrf52832和mpu-6050采用i2c通信，通信频率为400khz。mpu-6050的陀螺仪和加速度计的采样率为100hz，在nrf52832中采用i2c通信方式读取寄存器，并通过蓝牙以十六进制形式传输。研究人员之前对该系统的研究表明，利用ble soc(nrf51822)具有传输无线惯性信号的能力，并报道了实时人体关节角度估计的可能性。在本文中，研究人员使用nrf52832来扩展该系统的功能。nrf52832在芯片内部包含了一个平衡器，减小了整个系统的体积和布线，方便了阻抗匹配，轻松实现了系统的功能。此外，nrf52832的ram是nrf51822的两倍，可以配置ble网状结构。在构建网状物时，需要较大的ram大小，可以同时采集17个imu的传感器数据，这些imu的配备可以分析人体所有关节的运动情况，实现了人体3d模型的可扩展性。此外，采用ble 5.0后，传输速度可提高一倍，传输距离可增加约2.5倍。
29.作为本发明再进一步的方案：所述电子元件通过蛇形分布进行连接；所述实施装置上层和下层均覆盖有可拉伸的胶膜，工作时，蛇形分布的电子元件，可以使得电子元件在机械应变下伸长，同时在胶膜的作用下也可以达到对电子元件的保护。
30.作为本发明再进一步的方案：所述制造过程分为以下步骤：
31.s1：:铜箔制备；
32.s2：铜箔层压在热脱模带(trt)上；
33.s3：使用切割工具进行图案化；
34.s4：去除残余铜；
35.s5：粘附在水溶性胶带(wst)上，使用kapton薄膜固定在玻璃基板上，并去除trt；
36.s6：器件焊接在铜图案化的互连上；
37.s7：去除kapton薄膜并将器件从玻璃基板上释放；
38.s8：顶层封装；
39.s9：去除wst；
40.s10：底层封装。
41.本发明的工作原理是：
42.使用本发明时，将本装置安装在受试者的头部、躯干、骨盆和上/下肢上，利用可六轴惯性传感器测量人体受试者全身关节的关节力和力矩，报告显示其适合正常运动。所提出的系统采用硅基ic焊接在键合焊盘上实现，ic之间的金属互连具有蛇形结构，同时将整个设备被定位在一个软胶基底上，基底上有可拉伸的蛇形结构的互连件，该基底要附着在人体任何部位的皮肤上，具有很高的一致性。所提出的系统由商品化的六轴加速度计、蓝牙低能(ble)片上系统(soc)、若干无源元件和芯片天线配置而成，可以连续、方便地获取生物识别信息；同时本发明利用互补滤波器算法作为信号后处理方法来提高性能，涉及到误差补偿和高频分量去除等问题。此外，针对实际使用中的应用进行了机械实验。所提出的装置采用传统的电路元件在软胶基板上实现，通过将其牢固地附着在目标物上，可以准确地采集人体的数据。
43.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。