一种降噪压电脉搏传感器的制作方法

1.本发明涉及脉搏探测技术领域，具体涉及一种降噪压电脉搏传感器。


背景技术：

2.脉搏是指浅表动脉的搏动。普遍认为脉搏是由心脏搏动沿动脉血管和血流向外周传输而形成，其间还在各级动脉分支间产生反射，这些反射波的强度和波形会受生理或病理因素影响产生差异或波形特征，从而使得脉搏中蕴含人体生理或病理的信息。脉诊是传统中医学的重要诊断方式，是一种无创、方便、高效的检测人体健康状况的方法，在疾病预防、健康监测等方面具有重要的意义，也被世界卫生组织推荐为检测和治疗多种疾病的有利工具。
3.随着传感器技术、数据采集技术、数据处理技术、模式识别技术的发展，传统中医学中的中医专家手指脉诊逐渐向基于现代科学技术的脉搏诊断系统发展，以克服脉诊对中医医师经验要求高、缺乏客观脉象评价标准等方面的缺点。
4.压力型脉搏传感器是实现脉搏探测的最常见形式，其中主要有电容式脉搏传感器、压阻式脉搏传感器和压电式脉搏传感器。其中，压电式脉搏传感器的工作原理是：压电材料在受到脉搏作用力时，压电材料内部产生极化现象，同时在压电材料表面产生电荷和电压；当无脉搏压力作用到压电材料时，电荷消失，压电材料表面恢复不带电状态。由于压电式脉搏传感器具有灵敏度高、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，受到广泛的关注和应用。例如，中国科学院深圳先进技术研究院为专利权人的cn209252845u公开了一种脉搏检测装置，该装置包括压电传感层，所述压电传感层包括柔性压电驻极体薄膜，以及分别设置有所述柔性压电驻极体薄膜上、下表面的两金属电极；在脉搏波的作用下，压电驻极体薄膜产生压电效应，两金属电极输出电荷变化量。
5.脉搏波信号来自心脏的跳动，由于信号的振动幅度小，并且信号源距离探测器也远，需要经过长路径才能从心脏传输至腕部。因此，脉搏波信号容易受到脉搏波传递路径中各种因素的影响，例如肌体抖动或摆动的影响。这些影响造成了从脉搏信号中提取核心信息的难度。传统脉搏探测器中将脉搏振动直接转化为电信号，其中包含了肌体抖动或摆动引起的噪音，不利于脉搏波电信号的后续处理。


技术实现要素：

6.为解决以上问题，本发明提供了一种降噪压电脉搏传感器，包括基体层、缓冲颗粒层、柔性层、压电薄膜层；缓冲颗粒层置于基体层上，柔性层置于缓冲颗粒层上，压电薄膜层置于柔性层上；缓冲颗粒层包括多个颗粒，每个颗粒部分地置于基体层内。
7.在本发明中，缓冲颗粒层缓冲从基体层传递过来的噪音信号，使得压电薄膜层中探测到的脉搏信号中的噪音减少，为后续脉搏波电信号处理提供了便利。具体地，缓冲颗粒层中包含的多个颗粒，颗粒之间具有间隙；当噪音信号来自水平方向时，基体层带动颗粒在水平方向移动，其对应的振动能量被耗散，减少了水平方向噪音信号对最终获取的脉搏信
号的影响；当噪音信号为竖直方向的高频信号时，颗粒与间隙共同构成的缓冲颗粒层具有较强的缓冲能力，减少了高频噪音信号对最终获取的脉搏信号的影响。
8.更进一步地，颗粒的材料为硅、二氧化钛、聚苯乙烯。
9.更进一步地，颗粒为球形。
10.更进一步地，颗粒为单层，以免在竖直方向上颗粒之间的碰撞和挤压产生噪音。
11.更进一步地，每个颗粒部分地置于柔性层内。
12.更进一步地，每个颗粒不接触，即颗粒和颗粒之间具有间隙，间隙内填充空气。当缓冲颗粒层接收到噪音信号时，颗粒运动，颗粒不会碰撞临近的颗粒，从而产生更复杂的噪声信号。
13.更进一步地，压电薄膜层的材料为聚偏氟乙烯。聚偏氟乙烯为poly(vinylidene fluoride)，简写为pvdf。相比于传统压电材料，聚偏氟乙烯的压电系数大，比压电陶瓷高出20倍。另外，聚偏氟乙烯的柔性好，适合贴合皮肤，制作柔性可穿戴设备。更进一步地，聚偏氟乙烯的化学稳定性好，其分子链中的氟原子的存在使得其具有良好的热稳定性和抗腐蚀性。这些特性使得聚偏氟乙烯是脉搏传感器中的优良压电材料。
14.更进一步地，基体层的材料为聚二甲基硅氧烷或聚丙烯。
15.更进一步地，柔性层为绝缘材料。
16.更进一步地，基体层为圆台形，与缓冲颗粒层接触底面的面积大；与皮肤接触底面的面积小；一方面，更进一步地降低噪音；另一方面，减少肌体与基体层的接触面积，减少从肌体进入基体层的噪音。
17.本发明的有益效果：
18.(1)本发明应用缓冲颗粒层将水平方向振动或摆动产生的噪声能量耗散掉，也能将竖直方向的高频噪声能量耗散掉，减少了最终获取的脉搏信号中的噪声，提高了最终获取的脉搏信号的质量。
19.(2)本发明中的缓冲颗粒层由颗粒构成，在基体层上设置颗粒即可，制备方法简单；本发明中的颗粒可以采用硅球、二氧化钛球、聚苯乙烯球，这些球状颗粒的制备工艺成熟，成本低，从而降低了整个脉搏传感器的成本。
20.(3)本发明优化了基体层的形状，将基体层设置为圆台形，并且设定与缓冲颗粒层接触底面的面积大，与皮肤接触底面的面积小；进一步降低了肌体抖动或摆动对最终获取的脉搏信号的影响，提高了最终获取的脉搏信号的质量。
21.综合以上效果，本发明在脉搏探测领域具有良好的应用前景。
22.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
23.图1是一种降噪压电脉搏传感器的示意图。
24.图2是缓冲颗粒层的结构示意图。
25.图3是另一种降噪压电脉搏传感器的示意图。
26.图4是一种基体层的示意图。
27.图中：1、基体层；2、缓冲颗粒层；3、柔性层；4、压电薄膜层；11、圆盘；21、颗粒。
具体实施方式
28.为使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本技术作进一步详细说明。
29.本发明提供了一种降噪压电脉搏传感器，如图1所示，包括基体层1、缓冲颗粒层2、柔性层3、压电薄膜层4。基体层1的材料为聚二甲基硅氧烷或聚丙烯。优选地，基体层1的材料为聚二甲基硅氧烷。缓冲颗粒层2置于基体层1上。缓冲颗粒层2包括多个颗粒21，每个颗粒21部分地置于基体层1内，即部分地镶嵌在基体层1的表面上。颗粒21的材料为硅、二氧化钛、聚苯乙烯。优选地，颗粒21的材料为聚苯乙烯材料，聚苯乙烯材料具有一定的柔性，能够更好地缓冲来自水平和竖直方向的噪音振动。如图2所示，颗粒21和颗粒21之间不接触，即颗粒21和颗粒21之间具有间隙，间隙内填充空气。颗粒21可以周期性设置，也可以非周期设置。当缓冲颗粒层2接收到噪音信号时，颗粒21在基体层1的带动下产生运动时，颗粒21不会碰撞临近的颗粒21，从而产生更复杂的噪声信号。颗粒21的尺寸大于1微米，以便于在颗粒21和颗粒21之间形成气流。柔性层3置于缓冲颗粒层2上。颗粒21的具体尺寸和密度根据实际测量结果进行优化获得，在此不作限制。柔性层3为绝缘柔性材料。优选地，柔性层3的材料与基体层1的材料相同，同样为聚甲基硅氧烷。压电薄膜层4置于柔性层3上。压电薄膜层4的材料为聚偏氟乙烯。压电薄膜层4上连接正极输出电极和负极输出电极，外电路通过导线与正极输出电极和负极输出电极连接。在本发明中，压电薄膜层4优选为聚偏氟乙烯，是因为聚偏氟乙烯具有较大的压电系数，提高了脉搏探测的灵敏度。应用时，基体层1接触肌体用，用以测量脉搏的振动。在脉搏压力的作用下，压电薄膜层4内部产生极化现象，在压电薄膜层4表面产生电荷积累和形成电压，通过外电路测量脉搏产生的电信号。
30.在本发明中，噪音信号从皮肤传递到基体层1，缓冲颗粒层2缓冲从基体层1传递过来的噪音信号，这些噪音信号具有不同的振动方向和振动频率，缓冲颗粒层2使得压电薄膜层4中探测到的脉搏信号中的噪音减少，为后续处理脉搏波电信号提供了便利。具体地，当噪音信号来自水平方向时，基体层1带动颗粒21在水平方向移动，其对应的振动能量被耗散，减少了水平方向噪音信号对最终获取的脉搏信号的影响；当噪音信号为竖直方向的高频信号时，颗粒21与间隙共同构成的缓冲颗粒层2具有较强的缓冲能力，减少了高频噪音信号对最终获取的脉搏信号的影响。这些作用导致本发明的脉搏传感器能够获得高质量的脉搏信号。
31.优选地，颗粒21为球形。一方面，聚苯乙烯小球具有成熟的制备工艺，在市场上容易买到；另一方面，球形颗粒与柔性层3的接触面积小，仅球形颗粒21的顶部与柔性层接触，能够在球形颗粒21的上部与柔性层3之间也形成缓冲地带，缓冲从基体层1至压电薄膜层4的高频噪声。
32.优选地，颗粒21为单层。在制备时，可以应用液体表面张力，使得聚苯乙烯小球在液面呈现单层排布，再将单层聚苯乙烯小球设置在基体层1上。通过加热和施加压力的方法使得单层聚苯乙烯小球部分地嵌入基体层1。由于颗粒21为单层，当竖直方向的噪声振动通过缓冲颗粒层2时，不会产生颗粒21之间的挤压，也就不会产生颗粒21之间挤压产生的噪音信号。因此，将颗粒21设置为单层，能够更好地降低竖直方向的噪音，提高脉搏传感器的信号质量。
33.优选地，每个颗粒21部分地置于柔性层3内。其中，球形颗粒21嵌入柔性层3的深度
不超过球形颗粒21半径的二分之一。这样颗粒21被较为牢固地限制在基体层1和柔性层3之间，提高了装置的稳定性。
34.优选地，如图3所示，基体层1为圆台形或椭圆台形，与缓冲颗粒层2接触底面的面积大；与皮肤接触底面的面积小。这样一来，一方面，从人体皮肤传递的水平方向噪音信号被扩散到基体层1较宽区域，降低了噪音信号的能量密度，不仅在基体层1中耗散噪音的能量，而且在缓冲颗粒层2中耗散噪音的能量；另一方面，由于在脉搏测试时，基体层1被压迫在皮肤上，本发明的设置减小了基体层1与皮肤的接触面积，减少了皮肤其他位置的振动对压电薄膜层4所获取的脉搏信号的影响。
35.优选地，如图4所示，基体层1中设有圆盘11，圆盘11的材料为硅，圆盘11的轴沿图4中的竖直方向，圆盘11的高度小于圆盘11的半径。圆盘11更进一步地破坏了基体层1在竖直方向和水平方向振动的损耗和传导差异，将噪音信号引导到水平方向，进一步减少了压电薄膜层4所获取的脉搏信号中的噪音。
36.本发明将基体层1的材料选择为聚二甲基硅氧烷(简写为pdms)，聚二甲基硅氧烷是光学透明、具有一定弹性的介电弹性体材料。聚二甲基硅氧烷本身具有优异的生物相容性，聚二甲基硅氧烷器件能够满足医疗等特殊场合的应用要求。另外，在低温下，聚二甲基硅氧烷不会发硬；在高温下，聚二甲基硅氧烷也不易软化，能够保持柔性特质，适合在本发明中用于脉搏传感器。另外，由于聚二甲基硅氧烷具有一定的透气效果，在一定程度上缓冲了缓冲颗粒层2中的气流和噪声，降低了整个脉搏传感器中的噪声，提高了脉搏传感器的脉搏电信号质量。
37.在本发明中，基体层1为柔性材料、缓冲颗粒层2由不接触的颗粒21构成、柔性层3也为柔性材料，这些设置都使得本发明的脉搏传感器更贴合皮肤，适合穿戴式应用。
38.综上所述，本发明提供了一种降噪压电脉搏传感器，在脉搏传感器中引入缓冲颗粒层2，应用缓冲颗粒层2不仅能将水平方向振动或摆动产生的噪声能量耗散掉，也能将竖直方向的高频噪声能量耗散掉，减少了最终获取的脉搏信号中的噪声，提高了最终获取的脉搏信号的质量，在脉搏探测领域具有良好的应用前景。
39.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。