一种采用频率调制信号的柔性电容式压力传感器

1.本发明涉及柔性电容式压力传感器，具体是一种采用频率调制信号的柔性电容式压力传感器。


背景技术：

2.柔性电容式压力传感器是一种可以将压力转换为电容变化量的柔性电子器件，可用于监测人体关节活动状态，在康复医疗等领域有着广泛的应用。
3.目前，柔性电容式压力传感器主要分为三种：第一种是不带屏蔽层的柔性电容式压力传感器，此种传感器一方面会受到自由空间中的杂散电容和耦合电容的干扰，另一方面会受到信号导线引入的杂散电容和耦合电容的干扰，因此其存在稳定性和一致性差的问题。第二种是带有屏蔽层的柔性电容式压力传感器，此种传感器能够避免自由空间中的杂散电容和耦合电容的干扰，但会受到信号导线引入的杂散电容和耦合电容的干扰，因此其同样存在稳定性和一致性差的问题。第三种是带有屏蔽层且信号导线极短的柔性电容式压力传感器，此种传感器能够避免杂散电容和耦合电容的干扰（既能够避免自由空间中的杂散电容和耦合电容的干扰，也能够避免信号导线引入的杂散电容和耦合电容的干扰），但其存在集成度低、成本高的问题。
4.研究表明：生物感觉神经信号的传递不会受到外界电磁环境的干扰，具有抗干扰能力强、能量消耗低的优点。其原理在于：生物信号是一种频率调制信号，频率调制信号在传输的过程中具有强抗干扰与抗衰落能力。
5.因此，受到生物感觉神经信号的启发，发明一种采用频率调制信号的柔性电容式压力传感器，势必能够解决现有柔性电容式压力传感器稳定性和一致性差、集成度低、成本高的问题。


技术实现要素：

6.本发明为了解决现有柔性电容式压力传感器稳定性和一致性差、集成度低、成本高的问题，提供了一种采用频率调制信号的柔性电容式压力传感器。
7.本发明是采用如下技术方案实现的：一种采用频率调制信号的柔性电容式压力传感器，包括带有屏蔽层的柔性可压缩电容器、电感、三根信号导线、两根屏蔽导线、信号采集模块；所述带有屏蔽层的柔性可压缩电容器包括柔性可压缩介电层、两个柔性电极层、两个柔性介质层、两个柔性屏蔽层；柔性可压缩介电层夹设于两个柔性电极层之间；柔性可压缩介电层、两个柔性电极层均夹设于两个柔性介质层之间；柔性可压缩介电层、两个柔性电极层、两个柔性介质层均夹设于两个柔性屏蔽层之间；第一个柔性电极层依次通过第一根信号导线、电感、第二根信号导线与信号采集模块电连接；第二个柔性电极层通过第三根信号导线与信号采集模块电连接；两个柔性屏蔽层分别通过两根屏蔽导线接地。
8.所述带有屏蔽层的柔性可压缩电容器呈圆形，其直径为2mm~50mm；所述柔性可压缩介电层的厚度为100μm~2000μm，其采用聚二甲基硅氧烷泡沫制成，聚二甲基硅氧烷泡沫的孔径为10μm~30μm；所述柔性电极层的厚度为5μm~20μm，其采用柔性导电材料制成；所述柔性介质层的厚度为200μm~2000μm，其采用聚二甲基硅氧烷制成；所述柔性屏蔽层的厚度为5μm~20μm，其采用柔性导电材料制成。
9.所述电感为1206贴片电感，其电感值为1μh~1mh。
10.所述信号导线为包覆有绝缘层的铜导线。
11.所述屏蔽导线为包覆有绝缘层的铜导线。
12.所述信号采集模块包括频率数据采集卡、32位微控制器；第一个柔性电极层依次通过第一根信号导线、电感、第二根信号导线与频率数据采集卡电连接；第二个柔性电极层通过第三根信号导线与频率数据采集卡电连接；频率数据采集卡与32位微控制器电连接。
13.所述聚二甲基硅氧烷泡沫的制备步骤如下：步骤一：将聚二甲基硅氧烷预聚物溶液与固化剂按质量比10:1混合，得到聚二甲基硅氧烷溶液；步骤二：向聚二甲基硅氧烷溶液中按体积比10%~60%加入糖颗粒后搅拌均匀，得到混合液；步骤三：将混合液在60℃下加热固化6h，得到含有糖的聚二甲基硅氧烷泡沫；步骤四：将含有糖的聚二甲基硅氧烷泡沫放入50℃的温水中溶解，得到聚二甲基硅氧烷泡沫。
14.所述柔性导电材料的制备步骤如下：步骤一：将聚二甲基硅氧烷预聚物溶液与固化剂按质量比10:1混合，得到聚二甲基硅氧烷溶液；步骤二：向聚二甲基硅氧烷溶液中按质量比1:10加入导电炭黑颗粒后搅拌均匀，得到混合液；步骤三：将混合液在60℃下加热固化6h，得到柔性导电材料。
15.工作时，带有屏蔽层的柔性可压缩电容器贴附于人体关节表面，且其与电感串联形成rlc谐振电路。信号采集模块与上位机电连接。
16.具体工作过程如下：在人体关节没有活动的情况下，带有屏蔽层的柔性可压缩电容器的形状保持不变，其电容值保持不变，rlc谐振电路的谐振频率保持不变。在此过程中，信号采集模块实时采集rlc谐振电路的谐振频率，并将采集结果实时发送至上位机进行显示。当人体关节进行活动时，带有屏蔽层的柔性可压缩电容器受到挤压而发生压缩形变（两个柔性电极层之间的距离减小），其电容值增大，rlc谐振电路的谐振频率发生偏移。在此过程中，信号采集模块实时采集rlc谐振电路的谐振频率，并将采集结果实时发送至上位机进行显示。
17.基于上述过程，与现有柔性电容式压力传感器相比，本发明所述的一种采用频率调制信号的柔性电容式压力传感器受到生物感觉神经信号的启发（如图3所示），采用rlc谐振电路将电容幅度调制信号转换为频率调制信号，由此具有如下有益效果：其一，与第一种现有柔性电容式压力传感器相比，本发明一方面由于带有屏蔽层，能够避免自由空间中的杂散电容和耦合电容的干扰，另一方面由于采用频率调制信号，能够避免信号导线引入的
杂散电容和耦合电容的干扰，由此有效提高了稳定性和一致性。其二，与第二种现有柔性电容式压力传感器相比，本发明由于采用频率调制信号，能够避免信号导线引入的杂散电容和耦合电容的干扰，由此同样有效提高了稳定性和一致性。其三，与第三种现有柔性电容式压力传感器相比，本发明由于采用频率调制信号，无需缩短信号导线即可避免信号导线引入的杂散电容和耦合电容的干扰，由此有效提高了集成度、有效降低了成本。
18.为了验证上述有益效果，进行如下对比试验：对比试验一：将第一种现有柔性电容式压力传感器压缩0%、10%、20%、30%、40%，记录其输出信号（电容值），得到图4所示的压缩量-电容曲线。由图4中的纵坐标误差棒可知：第一种现有柔性电容式压力传感器的输出信号一方面受到了自由空间中的杂散电容和耦合电容的干扰，另一方面受到了信号导线引入的杂散电容和耦合电容的干扰。
19.将本发明压缩0%、10%、20%、30%、40%，记录其输出信号（谐振频率），得到图5所示的压缩量-谐振频率曲线。由图5中的纵坐标误差棒可知：本发明的输出信号既未受到自由空间中的杂散电容和耦合电容的干扰，也未受到信号导线引入的杂散电容和耦合电容的干扰。
20.结论如下：本发明能够避免杂散电容和耦合电容的干扰。
21.对比试验二：将本发明压缩0%、10%、20%、30%、40%，记录其输出信号（谐振频率），得到图5所示的压缩量-谐振频率曲线。由图5中的纵坐标误差棒可知：本发明的输出信号既未受到自由空间中的杂散电容和耦合电容的干扰，也未受到信号导线引入的杂散电容和耦合电容的干扰。
22.将本发明中的两个柔性屏蔽层去掉后压缩0%、10%、20%、30%、40%，记录其输出信号（谐振频率），得到图6所示的压缩量-谐振频率曲线。由图6中的纵坐标误差棒可知：将本发明中的两个柔性屏蔽层去掉后，其输出信号受到了自由空间中的杂散电容和耦合电容的干扰。
23.本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有柔性电容式压力传感器稳定性和一致性差、集成度低、成本高的问题，适用于监测人体关节活动状态。
附图说明
24.图1是本发明的结构示意图。
25.图2是图1的俯视图。
26.图3是本发明受到生物感觉神经信号的启发的示意图。
27.图4是对比试验一中第一种现有柔性电容式压力传感器的压缩量-电容曲线。
28.图5是对比试验一和对比试验二中本发明的压缩量-谐振频率曲线。
29.图6是对比试验二中去掉两个柔性屏蔽层后本发明的压缩量-谐振频率曲线。
30.图中：101-柔性可压缩介电层，102-柔性电极层，103-柔性介质层，104-柔性屏蔽层，2-电感，3-信号导线，4-屏蔽导线，5-信号采集模块。
具体实施方式
31.实施例一一种采用频率调制信号的柔性电容式压力传感器，包括带有屏蔽层的柔性可压缩电容器、电感2、三根信号导线3、两根屏蔽导线4、信号采集模块5；所述带有屏蔽层的柔性可压缩电容器包括柔性可压缩介电层101、两个柔性电极层102、两个柔性介质层103、两个柔性屏蔽层104；柔性可压缩介电层101夹设于两个柔性电极层102之间；柔性可压缩介电层101、两个柔性电极层102均夹设于两个柔性介质层103之间；柔性可压缩介电层101、两个柔性电极层102、两个柔性介质层103均夹设于两个柔性屏蔽层104之间；第一个柔性电极层102依次通过第一根信号导线3、电感2、第二根信号导线3与信号采集模块5电连接；第二个柔性电极层102通过第三根信号导线3与信号采集模块5电连接；两个柔性屏蔽层104分别通过两根屏蔽导线4接地。
32.所述带有屏蔽层的柔性可压缩电容器呈圆形，其直径为2mm；所述柔性可压缩介电层101的厚度为100μm，其采用聚二甲基硅氧烷泡沫制成，聚二甲基硅氧烷泡沫的孔径为10μm；所述柔性电极层102的厚度为5μm，其采用柔性导电材料制成；所述柔性介质层103的厚度为200μm，其采用聚二甲基硅氧烷制成；所述柔性屏蔽层104的厚度为5μm，其采用柔性导电材料制成。
33.所述电感2为1206贴片电感，其电感值为1μh。
34.所述信号导线3为包覆有绝缘层的铜导线。
35.所述屏蔽导线4为包覆有绝缘层的铜导线。
36.所述信号采集模块5包括频率数据采集卡、32位微控制器；第一个柔性电极层102依次通过第一根信号导线3、电感2、第二根信号导线3与频率数据采集卡电连接；第二个柔性电极层102通过第三根信号导线3与频率数据采集卡电连接；频率数据采集卡与32位微控制器电连接。
37.所述聚二甲基硅氧烷泡沫的制备步骤如下：步骤一：将聚二甲基硅氧烷预聚物溶液与固化剂按质量比10:1混合，得到聚二甲基硅氧烷溶液；步骤二：向聚二甲基硅氧烷溶液中按体积比10%加入糖颗粒后搅拌均匀，得到混合液；步骤三：将混合液在60℃下加热固化6h，得到含有糖的聚二甲基硅氧烷泡沫；步骤四：将含有糖的聚二甲基硅氧烷泡沫放入50℃的温水中溶解，得到聚二甲基硅氧烷泡沫。
38.所述柔性导电材料的制备步骤如下：步骤一：将聚二甲基硅氧烷预聚物溶液与固化剂按质量比10:1混合，得到聚二甲基硅氧烷溶液；步骤二：向聚二甲基硅氧烷溶液中按质量比1:10加入导电炭黑颗粒后搅拌均匀，得到混合液；步骤三：将混合液在60℃下加热固化6h，得到柔性导电材料。
39.实施例二
一种采用频率调制信号的柔性电容式压力传感器，包括带有屏蔽层的柔性可压缩电容器、电感2、三根信号导线3、两根屏蔽导线4、信号采集模块5；所述带有屏蔽层的柔性可压缩电容器包括柔性可压缩介电层101、两个柔性电极层102、两个柔性介质层103、两个柔性屏蔽层104；柔性可压缩介电层101夹设于两个柔性电极层102之间；柔性可压缩介电层101、两个柔性电极层102均夹设于两个柔性介质层103之间；柔性可压缩介电层101、两个柔性电极层102、两个柔性介质层103均夹设于两个柔性屏蔽层104之间；第一个柔性电极层102依次通过第一根信号导线3、电感2、第二根信号导线3与信号采集模块5电连接；第二个柔性电极层102通过第三根信号导线3与信号采集模块5电连接；两个柔性屏蔽层104分别通过两根屏蔽导线4接地。
40.所述带有屏蔽层的柔性可压缩电容器呈圆形，其直径为50mm；所述柔性可压缩介电层101的厚度为2000μm，其采用聚二甲基硅氧烷泡沫制成，聚二甲基硅氧烷泡沫的孔径为30μm；所述柔性电极层102的厚度为20μm，其采用柔性导电材料制成；所述柔性介质层103的厚度为2000μm，其采用聚二甲基硅氧烷制成；所述柔性屏蔽层104的厚度为20μm，其采用柔性导电材料制成。
41.所述电感2为1206贴片电感，其电感值为1mh。
42.所述信号导线3为包覆有绝缘层的铜导线。
43.所述屏蔽导线4为包覆有绝缘层的铜导线。
44.所述信号采集模块5包括频率数据采集卡、32位微控制器；第一个柔性电极层102依次通过第一根信号导线3、电感2、第二根信号导线3与频率数据采集卡电连接；第二个柔性电极层102通过第三根信号导线3与频率数据采集卡电连接；频率数据采集卡与32位微控制器电连接。
45.所述聚二甲基硅氧烷泡沫的制备步骤如下：步骤一：将聚二甲基硅氧烷预聚物溶液与固化剂按质量比10:1混合，得到聚二甲基硅氧烷溶液；步骤二：向聚二甲基硅氧烷溶液中按体积比60%加入糖颗粒后搅拌均匀，得到混合液；步骤三：将混合液在60℃下加热固化6h，得到含有糖的聚二甲基硅氧烷泡沫；步骤四：将含有糖的聚二甲基硅氧烷泡沫放入50℃的温水中溶解，得到聚二甲基硅氧烷泡沫。
46.所述柔性导电材料的制备步骤如下：步骤一：将聚二甲基硅氧烷预聚物溶液与固化剂按质量比10:1混合，得到聚二甲基硅氧烷溶液；步骤二：向聚二甲基硅氧烷溶液中按质量比1:10加入导电炭黑颗粒后搅拌均匀，得到混合液；步骤三：将混合液在60℃下加热固化6h，得到柔性导电材料。
47.实施例三一种采用频率调制信号的柔性电容式压力传感器，包括带有屏蔽层的柔性可压缩电容器、电感2、三根信号导线3、两根屏蔽导线4、信号采集模块5；
所述带有屏蔽层的柔性可压缩电容器包括柔性可压缩介电层101、两个柔性电极层102、两个柔性介质层103、两个柔性屏蔽层104；柔性可压缩介电层101夹设于两个柔性电极层102之间；柔性可压缩介电层101、两个柔性电极层102均夹设于两个柔性介质层103之间；柔性可压缩介电层101、两个柔性电极层102、两个柔性介质层103均夹设于两个柔性屏蔽层104之间；第一个柔性电极层102依次通过第一根信号导线3、电感2、第二根信号导线3与信号采集模块5电连接；第二个柔性电极层102通过第三根信号导线3与信号采集模块5电连接；两个柔性屏蔽层104分别通过两根屏蔽导线4接地。
48.所述带有屏蔽层的柔性可压缩电容器呈圆形，其直径为26mm；所述柔性可压缩介电层101的厚度为1000μm，其采用聚二甲基硅氧烷泡沫制成，聚二甲基硅氧烷泡沫的孔径为20μm；所述柔性电极层102的厚度为12μm，其采用柔性导电材料制成；所述柔性介质层103的厚度为1100μm，其采用聚二甲基硅氧烷制成；所述柔性屏蔽层104的厚度为12μm，其采用柔性导电材料制成。
49.所述电感2为1206贴片电感，其电感值为500μh。
50.所述信号导线3为包覆有绝缘层的铜导线。
51.所述屏蔽导线4为包覆有绝缘层的铜导线。
52.所述信号采集模块5包括频率数据采集卡、32位微控制器；第一个柔性电极层102依次通过第一根信号导线3、电感2、第二根信号导线3与频率数据采集卡电连接；第二个柔性电极层102通过第三根信号导线3与频率数据采集卡电连接；频率数据采集卡与32位微控制器电连接。
53.所述聚二甲基硅氧烷泡沫的制备步骤如下：步骤一：将聚二甲基硅氧烷预聚物溶液与固化剂按质量比10:1混合，得到聚二甲基硅氧烷溶液；步骤二：向聚二甲基硅氧烷溶液中按体积比35%加入糖颗粒后搅拌均匀，得到混合液；步骤三：将混合液在60℃下加热固化6h，得到含有糖的聚二甲基硅氧烷泡沫；步骤四：将含有糖的聚二甲基硅氧烷泡沫放入50℃的温水中溶解，得到聚二甲基硅氧烷泡沫。
54.所述柔性导电材料的制备步骤如下：步骤一：将聚二甲基硅氧烷预聚物溶液与固化剂按质量比10:1混合，得到聚二甲基硅氧烷溶液；步骤二：向聚二甲基硅氧烷溶液中按质量比1:10加入导电炭黑颗粒后搅拌均匀，得到混合液；步骤三：将混合液在60℃下加热固化6h，得到柔性导电材料。
55.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。