一种纸基压力传感器及可监测呼吸的穿戴装置

1.本发明涉及传感器，尤其涉及一种纸基压力传感器及可监测呼吸的穿戴装置。


背景技术：

2.传感器作为一种精密的装置或器件，能将各种不易捕捉或度量的非电量信号转变为易于检测和显示的电量信号。尤其是柔性可穿戴传感器在人工智能、生物电子和医疗以及人机交互领域具有广泛的应用前景。具有高灵敏度的柔性可穿戴传感器可以用于监测人体的脉搏、呼吸等生理参数，因此成为医疗保健领域的热门研究方向。
3.例如，申请号为202110307158 .3的中国发明专利《基于mxene电子织物复合材料柔性智能应力传感器及制备方法》，公开了一种利用经mxene处理的无尘纸和织物的复合材料的传感器。其中，无尘纸也叫干法造纸非织造布，是干法非织造布的一种。无尘纸虽然称为纸，但其本质上是非织造布。上述现有专利公开了传感器在循环不同压力下的相对电阻变化数据图如图1所示，相应的灵敏度曲线如图2所示。但是此技术方案灵敏度依然较低，而且相对成本较高。
4.并且压阻式传感器灵敏度的计算公式：，其中为传感器电流变化量，为传感器的初始电流，为施加的压力。计算公式表明当施加压力相同时，传感器的电流变化量越大，则传感器的灵敏度越高，这就要求传感器有良好的导电性，所以传感器的初始电阻较小。在工作电压下，随着外部施加压力的逐渐增加，传感器的电阻逐渐减小，电流逐渐增大。但是由于传感器的初始电阻较小，随着施加压力的增大，传感器的电阻很快就降低到最小值，从而表现出一个相对较小的检测范围。要想要传感器表现出较大的检测范围，就需要传感器拥有较大的初始电阻，但是这就会导致传感器的灵敏度下降。所以如何使传感器同时获得高灵敏度和宽检测范围认识一个技术难题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种纸基压力传感器及可监测呼吸的穿戴装置，具有更高的灵敏度，可以准确区分不同的呼吸情况。
6.本发明是通过以下技术方案予以实现：一种纸基压力传感器，包括绝缘纸基底、电极、导电层和封装层，电极贴附于绝缘纸基底的一面，导电层为mxene改性处理的生活用纸，导电层覆盖于电极表面，封装层与基底粘接并包覆于电极与导电层之外；其中，生活用纸应符合下列技术指标：印刷表面粗糙度0.82-0.89um，孔隙率20-35%，横向吸水性≥30mm/100s，柔软度180-350 mn。
7.一种可监测呼吸的穿戴装置，包括穿戴装置、纸基压力传感器、信号处理模块、通信模块和电源模块；穿戴装置覆盖穿戴者的面部，穿戴装置设有用于呼吸气流流动的呼吸通道；纸基压力传感器安装于呼吸通道中，用于将呼吸气流引起的压力变化转换为电信
号的变化；信号处理模块用于处理纸基压力传感器输出的电信号；通信模块用于将信号处理模块输出的数据传输到外部设备；电源模块为压力传感器、信号处理模块和通信模块供电。
8.根据上述技术方案，优选地，呼吸通道中设有呼吸阀，纸基压力传感器固定于呼吸阀的内侧，纸基压力传感器的封装层朝向穿戴装置的内侧。
9.根据上述技术方案，优选地，还包括充电模块。
10.本发明的有益效果是：相对于现有技术，提供一种灵敏度更高的压力传感器，并且结构简单、轻薄，且易于形变，具有良好的可穿戴性，成本更低。并且提供一种可监测呼吸的穿戴装置，利用上述纸基压力传感器的高灵敏度，监测不同的呼吸情况。
附图说明
11.图1示出了背景技术中现有技术专利的传感器在不同压力下的相对电阻变化图。
12.图2示出了图1对应的灵敏度变化曲线图。
13.图3示出了本发明一种纸基压力传感器的实施例的爆炸结构示意图。
14.图4示出了本发明一种纸基压力传感器的实施例的整体结构示意图。
15.图5示出了本发明一种纸基压力传感器的实施例的导电层和电极受力按压前结构示意图。
16.图6示出了本发明一种纸基压力传感器的实施例的导电层和电极受力按压后结构示意图。
17.图7示出了本发明一种纸基压力传感器的实施例的等效电路图。
18.图8示出了本发明一种纸基压力传感器的实施例的在不同压力下的相对电阻变化。
19.图9示出了图8相应的灵敏度曲线图。
20.图10示出了本发明一种可监测呼吸的口罩的实施例的结构示意图。
21.图11示出了本发明一种可监测呼吸的口罩的实施例的电路框图。
22.图12示出了本发明一种可监测呼吸的口罩的实施例的信号采集电路图。
23.图13示出了本发明一种可监测呼吸的口罩的实施例的低通滤波电路图。
24.图14示出了本发明一种可监测呼吸的口罩的实施例的放大电路图。
25.图15示出了本发明一种可监测呼吸的口罩的实施例的电源电路图。
26.图16示出了本发明一种可监测呼吸的口罩的实施例的运动前后呼吸频率测试结果图。
27.图17示出了本发明一种可监测呼吸的口罩的实施例的不同呼吸状态呼吸频率测试结果图。
28.图18示出了本发明传感器与其它传感器性能对比表。
29.图中：1.绝缘纸基底，2.电极，3.导电层，4.封装层，5.导线，6.穿戴装置，7.纸基压力传感器，8.信号处理模块，9.通信模块，10.电源模块，11.呼吸阀，12.充电模块。
具体实施方式
30.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
31.如图3和4所示，本发明一种纸基压力传感器，包括绝缘纸基底1、电极2、导电层3和封装层4，电极贴附于绝缘纸基底的一面，导电层为mxene改性处理的生活用纸，导电层覆盖于电极表面，封装层与基底粘接并包覆于电极与导电层之外；其中，生活用纸应符合下列技术指标：印刷表面粗糙度0.82-0.89um，孔隙率20-35%，横向吸水性≥30mm/100s，柔软度180-350 mn。
32.本实施例的工作原理为：如图5和6所示，导电层接触电极。当导电层受到压力时，mxene改性纸产生形变，从而使mxene改性纸与电极之间的接触面积改变，最终表现为传感器电阻的变化。
33.如图7所示，传感器为电极的电阻re、导电层的电阻rb以及导电层与电极之间的接触电阻rc之和。由于导电层具有大量孔隙和褶皱，当传感器承受负载时，导电层产生形变，使导电层的导电纤维接触面积增加，导致导电层的电阻rb减小；同时，由于导电层具有粗糙表面，在施加压力时，导电层与电极之间的接触面积增加，导致导电层与电极之间的接触电阻rc也减小。所以传感器的电阻是减小的。
34.绝缘纸基底为软质绝缘纸，例如打印纸或称量纸。电极为导电银浆印刷在绝缘纸基底上形成的，具体可按照叉指电极形状进行印刷，得到设有叉指电极的绝缘纸基底。通过导线固定单元将导线5固定到电极上，具体可采用导电银胶将导线粘接在电极的两端，导线与外部测试仪器进行连接。导电层覆盖叉指电极。封装层为聚酰亚胺胶带或绝缘纸。再在导电层外侧通过封装层覆盖全部电极和导电层，并将封装层粘接在绝缘纸基底上完成封装。
35.导电层为mxene改性处理的生活用纸。mxene改性处理的方法为：使用浸涂法把生活用纸浸入到浓度为2-5mg/ml的mxene溶液中，然后将浸泡过的生活用纸放在真空干燥箱中进行干燥处理得到mxene改性处理的生活用纸。导电层采用的生活用纸亲水性好，比表面积较大，并且存在大量的孔隙和纤维素，经过浸涂处理后纤维素上就会均匀的附着上一层mxene颗粒，孔隙中也会附着有具有导电功能的mxene颗粒，形成导电层。
36.导电层可采用一层或多层叠放的mxene改性处理的生活用纸，可根据压力传感器使用目的或使用环境选择不同厚度的柔性纸。
37.导电层采用的生活用纸包括卫生纸、抽纸、纸巾或手帕纸等。不同于现有技术的无尘纸，本技术方案利用生活用比表面积较大，以及存在大量的孔隙的特性，且经过mxene改性处理后生活用纸的结构不会发生变化，从而实现传感器的高灵敏度，使得传感层在受到不同压力负载时可以产生区别明显的相应变化。
38.并且本技术方案的传感器采用“绝缘纸基底-导电层-封装层”的三明治结构，结构更加简单，质量更轻，更加柔软，更加贴附可穿戴设备，还能显著提高灵敏度。
39.本发明采用导电性能优越的二维材料mxene和粗糙多孔的纸巾来制作传感器的敏感层（mxene/纸巾），使得传感器同时具备了良好的导电性和较大的电阻变化范围。具体原理如下：没有外部压力时，由于mxene/纸巾的表面结构比较粗糙，所以只有一小部分与传感器电极接触，同时mxene/纸巾内部的存在很多的气孔，所以mxene/纸巾内部的导电通路较少，但传感器收到较小压力时，首先变化的是mxene/纸巾与传感器电极的接触面积，导致传
感器的电阻急剧下降，表现出高的灵敏度，随着外部压力的进一步增大mxene/纸巾与传感器电极的接触面积达到最大值，这时mxene/纸巾内部的气孔受到压力作用逐渐减少，所以mxene/纸巾内部的导电通路增多进一步降低传感器的电阻，从而传感器表现出较大的检测范围。
40.图1和2示出现有技术的传感器在不同压力下的相对电阻变化和相应的灵敏度曲线，图8和9示出本技术方案的传感器在不同压力下的相对电阻变化和相应的灵敏度曲线。可以明显看出，本技术方案对于不同压力的响应更加灵敏，其灵敏度为509.522kpa-1,检测限为1pa,响应时间为150ms。
41.其中，纸基压力传感器的制备方法为：s1：剪裁纸得到基底；s2：在基底上印刷导电银浆，导电银浆干燥后在基底上形成电极；s3：剪裁纸并将纸浸渍于mxene溶液中，取出、烘干后得到mxene改性纸，作为导电层；s4：导电层覆盖电极，再将封装层覆盖在导电层上，封装层与基底粘接在电极和导电层外形成封装，得到纸基压力传感器。
42.其中，mxene溶液的制备方法为：s01：将1g氟化锂添加到10ml的9mol/l的盐酸中，然后在室温下充分混合，得到蚀刻剂；s02：将1g ti3alc2粉末逐渐添加到上述蚀刻剂中，在35℃下连续搅拌并进行反应24小时，得到反应混合物；s03：反应混合物用去离子水反复洗涤，直到通过离心作用分离出的上清液ph值≥6；s04：将ti3c2tx的黑色液体与未蚀刻的ti3alc2灰色固体分离，随后进行真空过滤，获得ti3c2tx 粉末；s05：将ti3c2tx 粉末和去离子水混合配制的mxene溶液。
43.一种可监测呼吸的穿戴装置，包括穿戴装置6、上述实施例所述的纸基压力传感器7、信号处理模块8、通信模块9和电源模块10：穿戴装置覆盖穿戴者的面部，穿戴装置设有用于呼吸气流流动的呼吸通道，穿戴装置可以为口罩、面罩、头罩或防护服；纸基压力传感器安装于呼吸通道中，用于将呼吸气流引起的压力变化转换为电信号的变化；信号处理模块用于处理纸基压力传感器输出的电信号，可采用意法（st）公司的stm32f4系列芯片；通信模块用于将信号处理模块输出的数据传输到外部设备，可采用无线通讯方式，例如蓝牙、wi-fi等方式来实现；电源模块为压力传感器、信号处理模块和通信模块供电，可采用锂电池进行供电。
44.图11-15示出了上述电路结构图。
45.根据上述实施例，优选地，呼吸通道中设有呼吸阀11，纸基压力传感器固定于呼吸阀的内侧，可以采用粘贴方式固定纸基压力传感器，纸基压力传感器的封装层朝向穿戴装
置的内侧。在使用一段时间后可以进行更换，降低了智能口罩的使用成本。
46.根据上述实施例，优选地，还包括充电模块12，用于为电源模块充电。
47.本实施例的工作原理为：穿戴装置覆盖于穿戴者的面部，穿戴者呼吸的气流通过呼吸通道与外界流通。纸基压力传感器安装与呼吸通道中，呼吸气流会使纸基压力传感器的导电层受到压力影响发生变形，导电层变形导致直接压力传感器的电阻变化，输出的电信号也发生变化。信号处理模块从纸基压力传感器输出的电信号得到呼吸的频率、强度以及呼吸所用时间等数据。通信模块将信号处理模块输出的数据通过无线通讯方式传输到手机、电能等外部设备上。
48.本技术方案采用上述具有高灵敏度的纸基压力传感器，可以区分不同的呼吸情况，具体可见以下实施例：实施例一本实施例所述的一种基于纸基压力传感器的可实时监测呼吸的智能口罩对运动前后的呼吸频率进行实时监测，结果如图16所示。被测对象戴上基于纸基压力传感器的可实时监测呼吸的智能口罩分别在正常状态与跑步运动五分钟后进行呼吸测试。如图16所示，运动后的呼吸频率与呼吸强度明显高于运动前的呼吸频率与呼吸强度，这表明本发明实施例所述的一种基于纸基压力传感器的可实时监测呼吸的智能口罩可以实时准确的检测被测对象在不同运动状态下的呼吸情况。
49.实施例二本发明实施例所述的一种基于纸基压力传感器的可实时监测呼吸的智能口罩对不同的呼吸状态进行实时监测，结果如图17所示。被测对象戴上基于纸基压力传感器的可实时监测呼吸的智能口罩分别进行正常呼吸、深呼吸以及屏气三种呼吸动作。如图17所示，通过智能口罩的电流变化，可以明显的区分正常呼吸、深呼吸以及屏气三种不同的呼吸状态，这表明本发明实施例所述的一种基于纸基压力传感器的可实时监测呼吸的智能口罩可以实时监测并区分佩戴者的呼吸状态。
50.本发明的有益效果是：相对于现有技术，提供一种灵敏度更高的压力传感器，并且结构简单、轻薄，且易于形变，具有良好的可穿戴性，成本更低。并且提供一种可监测呼吸的穿戴装置，利用上述纸基压力传感器的高灵敏度，监测不同的呼吸情况。
51.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。