脉搏传感器、介质层模板及其制备方法及介质层制备方法

1.本发明涉及一种基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器和介质层模板及介质层模板的制备方法及介质层的制备方法，特别涉及一种微结构阵列的脉搏传感器，属于可穿戴电子领域和复合材料技术领域。背景技术：2.随着生活水平的提高医疗技术的发展，智慧医疗，健康监测等概念被提出，人们对健康生活越来越重视。人体蕴含着许多的力学信号，这些信号与人体的健康状况息息相关，对其进行定量研究有助于我们监测人体状态。而力学传感器作为换能器件，可将力学信号转化为易于处理的电信号，是感知人体状况的核心器件，也是众多可穿戴电子设备的重要组成部分。然而人体中大多数力学信号十分微弱、易受噪声干扰，许多传统的传感元件并不适用，这给信号检测带来了巨大的挑战。3.脉搏波作为人体中典型的力学信号，是心脏周期性跳动引起的，血液通过心脏被泵送到全身并对血管壁产生压力，导致血管周期性地收缩和舒张。脉搏波形蕴含着众多信息，体表部分位置可感知到脉搏跳动，以桡动脉脉搏波形为例，如图4所示为典型桡动脉脉搏波形，一个完整的脉搏波动周期可细分为六个部分：1）升支：心室收缩快速射血导致脉压迅速上升；2）主峰（p1）：是脉搏波的主体，动脉内的压力达到最大形成峰值；3）降支：是主峰后的一条下降曲线，射血期后期血液输出量减少导致动脉压减小；4）重搏前波（p2）：左心室停止射血，动脉扩张，脉压下降，血液经外周血管网络反射形成。位于主峰之后重搏波之前，一般低于主峰高于重搏波；5）降中峡（d）：为降至与重搏波形成的切迹波谷，是心脏收缩与舒张的分界点；6）重搏波（p3）：是主动脉关闭，动脉弹性收缩形成的回波。由此可见，脉搏波蕴含着诸多细节，与人体健康状况息息相关。然而脉搏跳动十分微弱，要将波形特征全部检测出来十分困难，因此高灵敏度的脉搏传感器的发明十分有必要。4.柔性传感器采用柔性材料制作，具有优良的形变能力，结构多变，轻薄便携，可贴合在不规则的皮肤表面，有利于提升信号质量。目前柔性传感器可分为电阻式、压阻式和电容式等类型，电容式传感器因其动态响应好、功耗低和结构简单等优良特性受到研究人员的广泛关注。根据电容计算公式，有人制备出具有微柱结构的导电电极作为电容传感器的极板，当受到压力时发生形变，两极板的相对面积改变。但这种方法需要在微柱结构上沉积导电材料，制备工艺复杂。还有研究人员设计出金字塔微结构的电介质层，当受到压力时金字塔结构被压缩，电容传感器的两极板间距减小。这种金字塔结构单元尺寸为几微米，需要精确的微纳加工工艺，且检测范围小。还有其它如多孔结构，微皱纹结构，微球结构等电容传感器都难以达到高灵敏度，不适用于脉搏监测。5.综上所述，目前急需寻找一种高灵敏度，结构合理，容易制备的电容式柔性压力传感器，使其适用于人体脉搏的长时间精确监测。技术实现要素：6.本发明的目的在于提供一种能实现人体脉搏波的长时间连续监测的基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器，用以克服生物力学信号难以采集的技术问题。同时，本发明还提供基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的介质层模板及介质层模板制备方法及介质层的制备方法。7.本发明的基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器采用如下技术方案： 一种基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器，包括从上到下依次层叠设置的上电极层、介质层和下电极层，介质层是由弹性聚合物和导电材料制成的弹性复合层，导电材料与上电极层和下电极层均不接触，介质层靠近下电极层的一侧上设有齿纹微结构，齿纹微结构包括平行设置的齿纹条，齿纹条的截面为倒三角形，所述上电极层和下电极层均包括柔性衬底和导电层，导电层位于内侧且靠近介质层，柔性衬底位于外侧用于与皮肤接触，导电层上连接有引出部，所述引出部用于传输所述上电极层和所述下电极层的信号。8.所述导电材料是液态金属、碳纳米管、银纳米线和炭黑中的一种或两种以上。9.所述弹性聚合物是聚二甲基硅氧烷（pdms）、硅橡胶、聚酯和聚乙烯醇中的一种或两种以上。10.所述介质层的上下两侧分别设置有上绝缘层和下绝缘层，上绝缘层和下绝缘层是由分别涂覆在上电极层和下电极层的导电层上的绝缘材料形成。11.所述绝缘材料为聚对二甲苯和聚酰亚胺中的一种或两种。12.所述导电层是由导电金属材料通过真空蒸镀的方法沉积在所述柔性衬底上；或者导电层是由铜箔或铝箔制成。13.所述上电极层和所述下电极层所用的柔性衬底的材料是聚二甲基硅氧烷或硅橡胶或聚酯或聚乙烯醇。14.所述齿纹条的高度为20~300um，齿纹条根部的宽度为50~100um，相邻齿纹条的间距为50~300um。15.本发明的基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的介质层模板采用如下技术方案：一种基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的介质层模板，包括硬质材料制成的基板，基板一个表面上通过激光蚀刻有微齿纹槽阵列，微齿纹槽阵列是由平行间隔的齿纹槽组成，齿纹槽是由激光蚀刻形成的长条形凹槽结构，齿纹槽的截面为倒三角形，相邻齿纹槽之间具有反齿纹条，反齿纹条的横截面为梯形。16.所述齿纹槽的深度为20~300um，顶部的宽度为50~100um，相邻齿纹条的间距为50~300um。17.本发明的基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的介质层模板的制备方法采用如下技术方案：一种基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的介质层模板的制备方法，其包括以下步骤：选用硬质材料制成的基板，硬质材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯，使用激光刻蚀的方法在基板的一个表面上刻蚀出条状的微齿纹槽阵列，微齿纹槽阵列是由平行间隔的齿纹槽组成，齿纹槽是由激光蚀刻形成的长条形凹槽结构，齿纹槽的截面为倒三角形。18.所述齿纹槽的深度为20~300um，顶部的宽度为50~100um，相邻齿纹条的间距为50~300um。19.本发明的具有齿纹微结构的介质层的制备方法采用如下技术方案：一种具有齿纹微结构的介质层的制备方法，其包括以下步骤：对上述基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的介质层模板具有微齿纹槽阵列进行疏水化处理，在微齿纹槽阵列上旋涂弹性复合材料，弹性复合材料是由掺杂有导电材料的弹性聚合物形成，弹性复合材料的涂覆高度大于齿纹槽的深度，待弹性复合材料成型后，将弹性复合材料剥离形成齿纹微结构介质层。20.本发明的有益效果：本发明的基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器使用时，下电极层的柔性衬底贴合手腕桡动脉处的皮肤，脉搏跳动使得齿纹微结构介质层发生形变，从而上电极层和下电极层的间距发生变化，传感器电容值变化，引出部通过导线连接测试仪器，用检测传感器容值，从而获得脉搏波。柔性衬底采用柔性材料制备，可贴合在弯曲的皮肤表面进行柔性传感，同时传感器轻薄便携，整体厚度小于500微米，佩戴舒适。本发明可实现对微弱压力的高灵敏检测，可精确监测人体桡动脉脉搏跳动。21.本发明齿纹微结构介质层采用弹性复合材料制作而成，是在介质层模板上翻模形成的，带有齿纹微结构的介质层加工工艺简单，成本低，可快速批量制备且结构可控；齿纹微结构介质层具有很好的形变能力和稳定性，响应速度快，灵敏度高，可应用于智慧医疗领域，前景广阔。22.本发明采用激光刻蚀工艺制备介质层模板，通过激光蚀刻在基板上加工出微齿纹槽阵列，微齿纹槽阵列的尺寸可通过激光刻蚀的功率、线密度和次数进行调整，从而调整传感器的检测范围和灵敏度，加工速度快，微结构可控，使得具备齿纹微结构的介质层的电容式压力传感器灵敏度大大提升，可以精确检测到人体微弱的脉搏信号。23.优选的，在介质层中添加导电材料，可保证介质层在弹性模量不发生较大的变化的同时增加其介电常数，从而增大传感器的电容量。24.优选的，上下绝缘层能保证介质层不与上下电极层接触，避免介质层中的导电材料与上电极层和下电极层接触。附图说明25.图1是本发明一种实施例的基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的结构示意图；图2是基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的介质层模板进行激光刻蚀的示意图；图3是介质层模板的截面图；图4是桡动脉典型脉搏波形图；图5是图1中脉搏传感器用于人体桡动脉脉搏检测示意图；图6是图1中脉搏传感器采集到的10s人体桡动脉脉搏波形图以及二次差分后得到的加速度脉搏波；图7是图1中脉搏传感器采集到的100s人体桡动脉脉搏波形图以及二次差分后得到的加速度脉搏波；图8是脉搏传感器根据采集到的脉搏波数据计算后得到的收缩压曲线；图9是计算得到的脉搏波传导时间（ppt）和商用血压计测得的收缩压（sbp）的表格。26.图中：1、上电极层；2、上绝缘层；3、介质层；4、下绝缘层；5、下电极层；51、引出部；6、反齿纹微结构模板；7、激光发生器。具体实施方式27.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。28.本发明一种实施例的基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的结构如图1所示，本实施例的基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器，包括从上到下依次层叠固定的上电极层1、介质层3和下电极层5，介质层是3由弹性聚合物和导电材料制成的弹性复合层，介质层3受压可发生形变，导电材料与上电极层1和下电极层5均不接触，介质层3靠近下电极层5的一侧上设有齿纹微结构，齿纹微结构包括平行设置的齿纹条，齿纹条的截面为倒三角形，齿纹条的高度为20~300um，齿纹条根部的宽度为50~100um，相邻齿纹条的间距为50~300um。齿纹微结构是由弹性复合材料在图2中的反齿纹微结构模板6上翻模形成的，齿纹微结构加工工艺简单，成本低，可快速批量制备且结构可控。29.本实施例在介质层3的上下两侧分别设置有上绝缘层2和下绝缘层4，上绝缘层2和下绝缘层4是由分别涂覆在上电极层1和下电极层5的导电层上的绝缘材料形成。所述绝缘材料为聚对二甲苯和聚酰亚胺中的一种或两种。在本发明其它的实施例中，如果能保证介质层中的导电材料不与上电极层和下电极层导电时，或者是介质层与上电极层和下电极层绝缘性能非常好时，可以省去上绝缘层和下绝缘层。当不需要绝缘层时，介质层与上电极层、下电极层贴附在一起就行，最后可使用透明胶带或者柔性聚合物对整个脉搏传感器进行封装。30.所述介质层3内部有导电材料，导电材料与上电极层1和下电极层5均不接触，所述导电材料是液态金属、碳纳米管、银纳米线和炭黑中的一种或两种以上。弹性聚合物是聚二甲基硅氧烷（pdms）、硅橡胶、聚酯和聚乙烯醇中的一种或两种以上。本实施例的齿纹微结构的介质层3采用液态金属与聚二甲基硅氧烷（pdms）形成的复合材料，pdms为柔性材料可承受一定的形变，无生物毒性，在其中掺杂液态金属可保证介质层在弹性模量不发生较大的变化的同时增加其介电常数，从而增大传感器的电容量，微齿纹呈阵列的设计则大大提升了传感器的灵敏度。31.所述上电极层1和下电极层5均包括柔性衬底和导电层，导电层位于内侧且靠近介质层3，柔性衬底位于外侧用于与皮肤接触，上电极层1和下电极层3的导电层上分别连接有引出部51，引出部51用于传输上电极层1和下电极层5的信号。32.所述上电极层1和所述下电极层5所用的柔性衬底的材料是聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚酯和聚乙烯醇中的一种。柔性衬底可直接贴合皮肤，跟随贴合部位的运动情况发生形变。本实施例中的导电层是由导电金属材料通过真空蒸镀的方法沉积在所述柔性衬底上；在本发明其它的实施例中，导电层还可以是由铜箔或铝箔制成。33.如图5所示，将本实施例的脉搏传感器用于人体桡动脉脉搏检测，所述下电极层5的柔性衬底贴合手腕桡动脉处的皮肤，脉搏跳动使得所述齿纹微结构介质层3发生形变，因此上电极层1和下电极层5的间距发生变化，脉搏传感器电容值变化，引出部51通过导线连接测试仪器，用于检测脉搏传感器电容值，获得脉搏波，测得的脉搏波数据如图6所示。与图4对比可知，本实施例的脉搏传感器可明显检测到主峰p1和重搏前波p2，部分时刻可检测到重搏前波p3。34.根据现有技术的研究，ppt（脉搏波传导时间）与收缩压的相关性很大，而ppt可通过对脉搏波数据计算得出，因此对所述脉搏传感器采集到的数据进行后期处理可得到人体血压，实现对血压的实施监测。具体实施方式如下步骤：1）被测者静坐5min后使用本实施例的脉搏传感器采集脉搏数据，用商用血压计检测血压；2）被测者运动5min，使血压上升，使用脉搏传感器采集脉搏数据，用商用血压计检测血压；3）之后静坐，每隔1min分别使用脉搏传感器和商用血压计采集数据；4）对脉搏波数据进行二次差分运算，得到加速度脉搏波，如图6所示；5）提取出加速度脉搏波中的特征点如图6中的a点和b点，两点的时间间隔即为脉搏波传导时间；6）根据现有技术收缩压（sbp）和脉搏传导时间（ptt）具有如下关系：对采集到的数据根据上述公式进行拟合，即可得到收缩压的计算公式。根据上述步骤对被测者进行测试，得到的7次收缩压和脉搏传导时间，如图9中表格所示，拟合得到a=3.357，b=33.46。记录了7次测试的脉搏传感器采集脉搏波计算得到的脉搏波传导时间（ppt）和商用血压计测得的收缩压（sbp）数据使用脉搏传感器连续采集100s脉搏数据并二次差分用以计算脉搏波传导时间，如图7所示，最终计算出收缩压sbp，如图8所示。35.如图2所示，本发明一种实施例的基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的介质层模板6，其包括硬质材料制成的基板，基板一个表面上通过激光蚀刻有微齿纹槽阵列，微齿纹槽阵列是由平行间隔的齿纹槽组成，齿纹槽是由激光蚀刻形成的长条形凹槽结构，齿纹槽的截面为倒三角形，相邻齿纹槽之间具有反齿纹条，反齿纹条的横截面为梯形。所述齿纹槽的深度为20~300um，顶部的宽度为50~100um，相邻齿纹条的间距为50~300um。36.本发明一种实施例的基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的介质层模板的制备方法，其包括以下步骤：选用硬质材料制成的基板，硬质材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯，使用激光刻蚀的方法在基板的一个表面上刻蚀出条状的微齿纹槽阵列，激光是由激光发生器7产生的，微齿纹槽阵列是由平行间隔的齿纹槽组成，齿纹槽是由激光蚀刻形成的长条形凹槽结构，齿纹槽的截面为倒三角形。所述齿纹槽的深度为20~300um，顶部的宽度为50~100um，相邻齿纹条的间距为50~300um。37.本发明一种实施例的具有齿纹微结构的介质层的制备方法，其包括以下步骤：对基于激光刻蚀齿纹微结构的脉搏传感器的介质层模板具有微齿纹槽阵列进行疏水化处理，在微齿纹槽阵列上旋涂弹性复合材料，弹性复合材料是由掺杂有导电材料的弹性聚合物形成，弹性复合材料的涂覆高度大于齿纹槽的深度，待弹性复合材料成型后，将弹性复合材料剥离形成齿纹微结构介质层。38.虽然上面已经对本发明的实施方式进行了详细描述，但本发明不限于上述的实施方式。所附的权利要求所限定的本发明的范围包含所有等同的替代和变化。