一种柔性压力传感器的制备方法及应用

本发明涉及人体行走特征识别的，具体涉及一种柔性压力传感器的制备方法及应用。

背景技术：

1、随着科技水平的不断提高，针对人体行走特征识别技术的研究得到了快速的发展。研究人员通过分析人体的行走特征可以得出每个人的身份信息、健康状况、运动状况甚至性别等信息，能够实现对个人的身份识别，对病人进行远程监护，还可以为专业运动员提供数据指导等，这些功能都极大的促进了医疗的发展，社会的进步。目前，基于可穿戴设备的人体行走特征识别方法是将传感设备穿戴在人体上来采集人体行走的数据，但如今大多数的可穿戴设备普遍存在体积较大等问题，不利于人体的自由活动，因而在实际应用中，该方法没有得到普遍的推广。而柔性压力传感器的出现，引起了国内外学者的广泛关注，其体积小且生物亲和性好，有望推动该方法的进一步发展，因此柔性压力传感器也成为了人体行走特征识别的一个重要研究方向。尽管目前已经有大量的文献利用柔性压力传感器来实现人体行走特征识别，但是仍面临柔性压力传感器的灵敏度低、重复性差、响应慢等一系列性能问题，以及多个传感器数据采集困难等硬件问题。因此，设计一款灵敏度高且性能稳定的柔性压力传感器并搭建稳定的数据采集系统来实现人体行走特征的识别具有一定的意义和价值。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种柔性压力传感器的制备方法及应用，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果

2、本发明采用如下技术方案：

3、为了实现上述发明目的1，本发明采用如下技术方案：

4、一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

5、s1、制备叉指电极层；

6、将具有叉指电极图案的丝印网版固定在印刷机上，将pet薄膜固定在印刷机底板上，调整印刷机底板高度，使pet薄膜与丝印网版紧紧贴合在一起，取适量导电银浆，将导电银浆倒在丝印网版上，用刮刀将银浆刮涂平整，取走丝印网版，将pet薄膜置于真空箱中烘干，使导电银浆完全固化，得到传感器的叉指电极层；

7、s2、制备压阻层；

8、在solidworks软件中设计金字塔形金属器件模型并进行金工制作，将制作好的金属模型进行表面清洁并干燥；将pdms预置液缓缓倒在金属模具上，置入真空箱中，温度为80℃， 60min后固化成膜，取下pdms膜，得到负模的金字塔微结构模板；

9、配置适量的tpu预置液，并称取质量分数为7％的炭黑粉末放入烧杯，磁力搅拌30min 后，置于真空箱中60min去除气泡，得到制备压阻层的混合溶液；将混合溶液换换倒在金字塔微结构模板上，并置于水中20min，使压阻层充分固化；对固化后的压阻层进行表面吸湿，并将其固定在玻璃片上，置于真空箱中120min，温度为35℃，进行烘干，得到表面具有金字塔微结构的压阻层；

10、s3、封装传感器；

11、将压阻层没有微结构的一面与单面带有粘性的pi薄膜紧密贴合，利用pi薄膜将压阻层具有微结构的一面与电极层紧密贴合，利用导电银胶将导线和叉指电极的接线端子形成电气连接，柔性压力传感器制备完成。

12、进一步地，具有叉指电极图案的丝印网版的制备方法为：首先在visio软件中设计叉指电极的形状，整体尺寸为15mm×15mm，每个矩形叉指长为10mm，宽为1.8mm。

13、进一步地，在所述s1中，选择厚度为0.08mm的pet薄膜。

14、进一步地，在所述s1中，选择体积电阻为0.02mω的导电银浆。

15、进一步地，所述金字塔微结构的边长及高度均为2mm。

16、进一步地，所述pdms预置液的制备方法为：将pdms主剂与固化剂以10:1的比例混合搅拌30min，然后在真空状态下处理30min，除去溶液中的气泡。

17、进一步地，所述tpu预置液的制备方法为：配置dmf有机溶剂及tpu颗粒的溶液与溶质比为5:1，置于磁力搅拌仪上充分搅拌120min。

18、为了实现上述发明目的2，本发明采用如下技术方案：

19、根据上述制备方法制备的柔性压力传感器的应用，用于人体行走特征的识别，选用12个柔性压力传感器，分布于足跟区域、足中区域、跖骨区域和脚趾区域，每个区域设置3个柔性压力传感器，进行阵列化传感器设计，使用铜导线及导电银胶将导线一端固定在阵列式传感器的接线端上，将导线另一端连接至同一个电路板，电路板包括信号采集模块、控制模块、无线传输模块以及电源模块，控制模块将采集到的传感器信号通过蓝牙传输到电脑端；

20、包括以下步骤：

21、s1、获得原始样本数据；

22、将12个柔性压力传感器阵列化集成在鞋垫上，将采集到的步行、跑步、直立、上楼、下楼五种人体行走特征数据作为原始样本数据；

23、s2、对原始样本数据进行区域划分取均值、样本分割以及特征提取，得到样本集；

24、特征提取方式为时域特征提取，时域特征包括最大值、最小值、平均值、均方根以及方差，得到每组含20个特征参数的样本集；

25、s3、确定支持向量机模型的结构，所述支持向量机模型包括五个支持向量机分类器；

26、s4、使用libsvm工具包中的svmtrain函数对支持向量机模型进行训练，利用svmpredict 函数进行分类预测获得最终支持向量机模型；

27、s5、根据最终的支持向量机模型对人体行走特征进行识别。

28、进一步地，所述支持向量机模型通过输出1、2、3、4、5来分别表示不同的运动状态，输出1代表步行，输出2代表跑步，输出3代表直立，输出4代表上楼，输出5代表下楼。

29、本发明具有如下有益效果：

30、本发明设计了一种单层式电极结构且压阻层表面具有微结构的压阻式柔性压力传感器。采用丝网印刷工艺制作了单层式叉指电极结构，提高了传感器电极层的耐磨损性，减小了传感器的封装难度；采用二次倒模法制备出表面带有金字塔微结构的压阻层，有效的提高了传感器的灵敏度；

31、本发明基于该柔性传感器设计了一套人体行走特征识别方法，将该柔性传感器单元进行阵列化设计，利用支持向量机算法模型，实现了对步行、跑步、直立、上楼、下楼五种人体行走特征的识别。该传感器能有效监测人体足底压力的变化，在可穿戴设备的人体行走特征识别领域能够发挥出巨大的作用。该方法为人体行走特征识别领域提供了一种新的思路，在人机交互、健康监测方面具有巨大应用潜力。

技术特征：

1.一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述具有叉指电极图案的丝印网版的制备方法为：首先在visio软件中设计叉指电极的形状，整体尺寸为15mm×15mm，每个矩形叉指长为10mm，宽为1.8mm。

3.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，在所述s1中，选择厚度为0.08mm的pet薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，在所述s1中，选择体积电阻为0.02mω的导电银浆。

5.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述金字塔微结构的边长及高度均为2mm。

6.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述pdms预置液的制备方法为：将pdms主剂与固化剂以10:1的比例混合搅拌30min，然后在真空状态下处理30min，除去溶液中的气泡。

7.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述tpu预置液的制备方法为：配置dmf有机溶剂及tpu颗粒的溶液与溶质比为5:1，置于磁力搅拌仪上充分搅拌120min。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制备的柔性压力传感器的应用，其特征在于，用于人体行走特征的识别，选用12个柔性压力传感器，分布于足跟区域、足中区域、跖骨区域和脚趾区域，每个区域设置3个柔性压力传感器，进行阵列化传感器设计，使用铜导线及导电银胶将导线一端固定在阵列式传感器的接线端上，将导线另一端连接至同一个电路板，电路板包括信号采集模块、控制模块、无线传输模块以及电源模块，控制模块将采集到的传感器信号通过蓝牙传输到电脑端；

9.根据权利要求9所述的一种柔性压力传感器的应用，其特征在于，所述支持向量机模型通过输出1、2、3、4、5来分别表示不同的运动状态，输出1代表步行，输出2代表跑步，输出3代表直立，输出4代表上楼，输出5代表下楼。

技术总结
本发明公开了一种柔性压力传感器的制备方法及应用，使用TPU作为柔性基体材料，炭黑作为导电填料；利用丝网印刷工艺制作出单层式叉指电极，在传感器的压阻层表面引入微结构，通过二次倒模法制备出表面带有金字塔微结构的压阻层。该传感器应用在人体行走特征识别中，将制备的传感器单元进行阵列化设计，感知足底压力的变化。该识别方法基于硬件电路板采集五种不同的人体行走特征，并将阵列式传感器数据进行区域划分取均值，对区域化传感器数据进行样本分割及特征提取获得特征样本，对特征样本进行支持向量机算法的模型训练与验证，该模型测试结果的整体识别准确率为90.625％，从而实现了对步行、跑步、直立、上楼、下楼五种人体行走特征的识别。

技术研发人员：张鹏,黄梁松,张坤,李玉霞,王孝飞,戴明凯,苏藤腾
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12