CN110426427A - 一种电容耦合传感器、其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容耦合传感器，包括第一电极层与第二电极层，以及位于第一电极层与第二电极层之间的介质层，第一电极层呈中空结构，所述结构自第一电极的上表面贯穿至第一电极的下表面。该传感器通过电极形状设计改变了传感器的电场分布，增强了传感器的非接触探测能力。该传感器可用于非接触式探测生物体的生理参数信号，例如呼吸或脉搏等，具有高灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种电容耦合传感器、其制备方法与应用。
背景技术
目前，市售的可监测生物体的生理参数，例如呼吸、脉搏等的传感设备大部分紧密贴合在生物体体表，存在较多弊端：首先，与生物体体表紧密贴合容易对生物体造成压迫感，影响其活动；其次，长期与生物体体表贴合，容易刺激皮肤，出现瘙痒等不适感；另外，这类传感设备不适用与皮肤有缺陷或者疾病的生物。
为此，用于监测生理参数的非接触式传感设备被提出，这类传感设备无需紧密贴合在生物体表面，只需设置在生物体活动范围内，例如衣服、手环、沙发、桌椅等，在不干扰生物体活动的前提下探测生物体生理参数信号。目前，医疗领域非接触式监测的主要方法有红外热成像法、多普勒雷达探测、基于光纤传感的心冲击描记法、磁阻抗监控法和电容耦合传感等。
电容耦合传感器是以电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换为电容量变化的一种转换装置，具有结构简单、重量轻、能耗低等优点，被广泛用于测量位移、角度、振动、速度、压力等。
根据电极设置，电容耦合传感器可分为自电容传感器和互电容传感器。自电容传感器如图1所示，由单个电极组成，基于测试电极与地面的相对电容。这类传感器用于测试生物体生理参数时，生物体相当于接地端，增加了电极与地面的相对电容。互电容传感器如图2所示，由一对电极组成，基于测试两电极之间的电容。当生物体靠近时，生物体干扰并破坏边缘电场并捕获两电极间部分电荷，从而降低了两电极间的电容值。
现有的电容耦合传感器的检测能力较弱，尤其是当待测信号较弱时，例如待测信号为生物体的呼吸和脉搏等生理信号等，灵敏度较低，探测效果欠佳甚至无法探测出待测信号。与自电容传感器相比，互电容传感器不易受环境共模噪声和空气循环变化的影响，然而其探测能力仍然较弱。
发明内容
针对上述技术现状，本发明旨在提供一种电容耦合传感器，用于非接触式探测待测信号时具有高灵敏度。
为了实现上述技术目的，本发明经过大量实验探索后发现，采用互电容传感器，即，电容耦合传感器包括第一电极层与第二电极层，以及位于第一电极层与第二电极层之间的介质层时，如果将第一电极层设计为中空结构，即在第一电极内部设置自第一电极层的上表面贯穿至第一电极下表面的空心部，则与第一电极层未设置中空结构相比，传感器的电场分布发生变化，在传感器边缘部位分布的电场增加，当外界物体靠近该传感器时，其对边缘电场干扰及破坏的力度增大，从而增加了两电极间电容值的变化，即提高了传感器的探测灵敏度。
即，本发明的技术方案为：一种电容耦合传感器，包括第一电极层与第二电极层，以及位于第一电极层与第二电极层之间的介质层；其特征是：所述第一电极层呈中空结构，所述中空结构自第一电极的上表面贯穿至第一电极的下表面。
所述第一电极层的横截面形状不限，包括中空的规则形状，例如中空的圆形、椭圆形、矩形等，以及中空的不规则形状等。
所述第二电极的横截面形状不限，包括规则形状，例如圆形、椭圆形、矩形等，以及不规则形状等。
所述介质层位于第一电极层与第二电极层之间，其形状不限。作为一种实现方式，介质层材料充满第一电极层与第二电极层之间，并且介质层的直径大于或者等于第一电极层的外径，以及介质层的直径大于或者等于第二电极层的直径。
所述中空结构不限，包括柱体、台体等。所述中空结构的横截面形状不限，包括规则形状，例如圆形、椭圆形、矩形等，以及不规则形状等。
为了进一步提高传感器的探测灵敏度，所述中空结构的横截面面积优选大于或者等于第二电极的横截面面积。
为了进一步提高传感器的探测灵敏度，所述第二电极在第一电极的垂直投影落入中空结构的横截面中。
另外，本发明人还发现，在相同条件下，当所述介质层的介电常数减小时，外界物体靠近该传感器，两电极间电容值的变化进一步增加，即进一步提高了传感器的探测灵敏度。究其原因，是因为当介质层的介电常数降低时，传感器对于边缘电场的束缚能力降低，当外界物体靠近该传感器时电子更容易逃逸，从而进一步提高了两电极间电容值的变化，即进一步提高了传感器的探测灵敏度。
作为优选，所述介质层由具有多孔结构的绝缘材料构成，该多孔结构有利于降低绝缘材料的介电常数。作为一种实现方式，所述具有多孔结构的绝缘材料的制备方法是：一种或多种绝缘材料按照不同比例均匀混合后加入水，然后高温固化，水蒸发后形成多孔结构。
考虑到传感器的可穿戴性，作为优选，所述电容耦合传感器具有柔性，即，第一电极、第二电极以及介质层由柔性材料构成，因此可良好地贴附在物体上。所述柔性材料是指材料可发生形变，例如拉伸、弯曲等。
柔性介质层材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的一种或者几种。
柔性第一电极层中包括柔性绝缘材料与导电材料。所述柔性绝缘材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的一种或者几种。所述导电材料包括但不限于石墨烯、碳粉、炭黑、碳纳米管、银粉、银纳米线、铜纳米管、液态金属中的一种或者几种。
柔性第二电极层中包括柔性绝缘材料与导电材料。所述柔性绝缘材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的一种或者几种。所述导电材料包括但不限于石墨烯、碳粉、炭黑、碳纳米管、银粉、银纳米线、铜纳米管、液态金属中的一种或者几种。
所述液态金属包括汞基合金、镓基合金、镓基合金，例如镓铟合金、镓铟锡合金等，以及过渡族金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓基合金。
本发明还提供了一种上述电容耦合传感器的制备方法，包括如下步骤：
在第一电极的表面制备第一绝缘材料层；在第二电极的表面制备第二绝缘材料层；将第一绝缘材料层与第二绝缘材料层粘结在一起，使第一绝缘材料层与第二绝缘材料层位于第一电极与第二电极之间。
所述第一电极的制备方法不限，包括打印、印刷等，作为一种实现方式，采用掩膜印刷的方法，即将制作好的掩模板贴于基板，将制备第一电极的填料均匀涂刷于基板上，然后去除掩膜板，加热固化后得到第一电极。
所述第二电极的制备方法不限，包括打印、印刷等。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明对电容式耦合传感器进行电极形状设计，使其中一个电极呈中空结构，从而改变了传感器的电场分布，使传感器边缘的电场增加，当外界物体靠近传感器时对边缘电场的干扰与破坏力增强，从而增强了电容传感器的非接触探测能力。
(2)本发明优选采用介电常数较小的介质层，或者优选通过结构设计降低介质层的介电常数，例如在介质层设置多孔结构等，使传感器对于边缘电场的束缚能力降低，当外界物体靠近传感器而使边缘电场受到干扰与破坏时，电子更容易逃逸，从而进一步增强了电容传感器的非接触探测能力。
(3)本发明的传感器结构简单，制作简单，成本低廉，属于非接触式传感器，无需紧密贴合在待测物体表面，只需设置在待测物体周围，通过非接触性的方式即可远距离探测待测信号，克服了传统的穿戴式监测技术引起的不适和不便。
(4)本发明的传感器具有灵敏度高，可探测微弱信号，例如可用于探测生物体的生理参数信号，如呼吸或者脉搏等，生物体表随着呼吸或者脉搏跳动的节奏会发生微弱形变，使体表距离传感器的距离发生微弱变化，对传感器的边缘电场的破坏程度不同，引起传感器的电容变化，通过探测电容变化率(ΔC/C)随时间的变化即可探测出生物体的呼吸或者脉搏参数。
附图说明
图1是自电容传感器的结构示意图。
图2是互电容传感器的结构示意图。
图3是本发明实施例1中的电容耦合传感器的结构示意图。
图4是本发明实施例1中电容耦合传感器的第一电极的横截面示意图。
图5是本发明实施例1中电容耦合传感器的第二电极的横截面示意图。
图6是本发明实施例1中的电容耦合传感器置于用户衣服上探测的电容变化率随时间的变化图。
图7是用户靠近实施例1、2、3中的电容耦合传感器时电容耦合传感器的投射电场图。
图8是用户靠近实施例1、2、3中的电容耦合传感器时电容耦合传感器的电容变化率随距离的变化图。
图9是用户从距离传感器200mm的位置靠近至传感器0mm时，实施例1、4、5、6、7的电容耦合传感器的电容变化率图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图1中的附图标记为：1-第一电极，2-第二电极，3-介质层。
实施例1：
电容耦合传感器的结构如图3所示，包括第一电极层1、第二电极层2，以及位于第一电极层与第二电极层之间的介质层3。
第一电极层1呈中空结构，中空结构为圆柱体，自第一电极的上表面贯穿至第一电极的下表面。如图4所示，第一电极层的横截面呈圆环形，内径为2.5cm，外径为3cm。第二电极层2为圆柱状，如图5所示，其横截面呈圆形，半径为2cm。
介质层3充满第一电极层与第二电极层之间，并且其外径大于或者等于第一电极的外径。介质层3是具有多孔结构的绝缘弹性材料PDMS，通过PDMS与水混合均匀后高温固化而成，其介质层的介电常数εr为2.0。
第一电极层1由第一弹性导电体固化而成。第一弹性导电体由弹性材料PDMS和液态金属混合均匀后固化而成。液态金属为镓铟锡合金，其质量比为镓:铟:锡＝62.5：21.5:16，在室温下呈液态，具有导电性。
第二电极层2由第二弹性导电体固化而成。第二弹性导电体由弹性材料PDMS和液态金属混合均匀后固化而成。液态金属为镓铟锡合金，其质量比为镓:铟:锡＝62.5：21.5:16，在室温下呈液态，具有导电性。
该电容耦合传感器的制备包括如下步骤：
(1)使用激光雕刻机在0.14mm厚的PET膜上分别雕刻出圆环形掩模版与圆形掩模版；
(2)将液态金属与PDMS以15:1的质量比进行混合，搅拌均匀；
(3)将圆环形掩模版置于光滑玻璃上，玻璃漏出部分呈内径为2.5cm、外径为3cm的圆环状，以及半径为2cm的圆状，将步骤(2)配置的液态金属与PDMS的混合物均匀刷于玻璃上，然后去除掩膜板，将玻璃放入60℃-80℃的干燥箱中干燥3h-4h，使混合物固化，待冷却后将样品取出，制得第一电极和第二电极。
(4)将PDMS与水以质量比6:4混合均匀，得到混合物A；
将混合物A流延在第一电极表面，使厚度达到1.5mm，随后放入70℃的干燥箱中干燥0.5h，待冷却后取出，得到固化在第一电极表面的具有多孔结构的PDMS层；
将混合物A流延在第二电极表面，使厚度达到1.5mm，随后放入120℃的干燥箱中干燥2h，待冷却后取出，得到固化在第二电极表面的具有多孔结构的PDMS层；
(5)将步骤(4)制得的固化在第一电极表面的具有多孔结构的PDMS层与固化在第二电极表面的具有多孔结构的PDMS层对接，使PDMS层位于第一电极与第二电极之间，对接面涂抹PDMS，然后放入60℃-80℃的干燥箱中干燥0.5h使其粘附牢固。
上述制得的电容耦合传感器可用于探测人体的生理信号，例如呼吸或者脉搏等。使用时，将该电容耦合传感器置于待测用户的活动范围区域，例如贴附在待测用户的衣服上，贴附在待测用户的座椅上等。传感器开启，随着待测用户的呼吸或者脉搏跳动，待测用户的体表与传感器之间的距离发生微弱变化，对传感器的边缘电场的破坏程度不同，引起传感器的电容变化。如图4所示为电容变化率随时间的变化图，利用该图可以探测出待测用户的呼吸或者脉搏参数。
实施例2：
本实施例中，电容耦合传感器的结构与实施例1中的电容耦合传感器的结构基本相同，所不同的是介质层是绝缘弹性材料PDMS，通过PDMS高温固化而成。即，与实施例1相比，介质层不具有多孔结构，其介质层的介电常数εr为3.0。
实施例3：
本实施例中，电容耦合传感器的结构与实施例2中的电容耦合传感器的结构基本相同，所不同的是第一电极为圆柱状，其横截面呈圆形，半径为3cm。即，第一电极层不设置中空结构。
上述实施例2、3中的电容耦合传感器可用于探测人体的生理信号，例如呼吸或者脉搏等。使用时，将该电容耦合传感器置于待测用户的活动范围区域，例如贴附在待测用户的衣服上，贴附在待测用户的座椅上等。传感器开启，随着待测用户的呼吸或者脉搏跳动，待测用户的体表与传感器之间的距离发生微弱变化，对传感器的边缘电场的破坏程度不同，引起传感器的电容变化。与实施例1类似，通过探测电容变化率随时间的变化可以探测出待测用户的呼吸或者，脉搏参数。
图5是用户靠近实施例1、2、3中的电容耦合传感器时，电容耦合传感器的投射电场图。从图5中可以看出，当用户靠近传感器时，与实施例3中的传感器相比，实施例1与实施例2中的传感器的边缘电场的变化更加显著。对比实施例1与实施例2中的传感器的边缘电场，实施例1中的电场线更加紧密。
图6是用户靠近实施例1、2、3中的电容耦合传感器时电容耦合传感器的电容变化率随用户与传感器之间距离的变化图。从图6中可以看出，实施例1、2、3的传感器的电容分别减少33.17％，15.34％和6.55％。
实施例4、5、6、7：
本实施例中，电容耦合传感器的结构与实施例1中的电容耦合传感器的结构基本相同，所不同的是第二电极的半径分别为3cm、2cm、1.5cm和1cm。
上述实施例4、5、6、7中的电容耦合传感器可用于探测人体的生理信号，例如呼吸或者脉搏等。使用时，将该电容耦合传感器置于待测用户的活动范围区域，例如贴附在待测用户的衣服上，贴附在待测用户的座椅上等。传感器开启，随着待测用户的呼吸或者脉搏跳动，待测用户的体表与传感器之间的距离发生微弱变化，对传感器的边缘电场的破坏程度不同，引起传感器的电容变化。与实施例1类似，通过探测电容变化率随时间的变化可以探测出待测用户的呼吸或者，脉搏参数。
当用户从距离实施例1、4、5、6、7中的传感器200mm的位置靠近至距离传感器0mm，测试各传感器的电容变化率，测试结果如图9所示，显示随着第一电极与第二电极的尺寸差增大，电容变化率增加，尺寸差大于5mm时，变化率趋于平滑。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种电容耦合传感器，包括第一电极层与第二电极层，以及位于第一电极层与第二电极层之间的介质层；其特征是：所述第一电极层呈中空结构，所述中空结构自第一电极的上表面贯穿至第一电极的下表面。
2.如权利要求1所述的电容耦合传感器，其特征是：所述中空结构包括柱状、台状；
作为优选，所述中空结构的横截面形状包括圆形、椭圆形、矩形。
3.如权利要求1所述的电容耦合传感器，其特征是：所述中空结构的横截面面积大于或者等于第二电极的横截面面积。
4.如权利要求1所述的电容耦合传感器，其特征是：所述第二电极在第一电极的垂直投影落入中空结构的横截面中。
5.如权利要求1所述的电容耦合传感器，其特征是：所述第一电极层的横截面形状包括中空的圆形、椭圆形、矩形；
作为优选，所述第二电极的横截面形状包括圆形、椭圆形、矩形。
6.如权利要求1所述的电容耦合传感器，其特征是：所述介质层由具有多孔结构的绝缘材料构成；
作为优选，所述具有多孔结构的绝缘材料的制备方法是：一种或多种绝缘材料按照不同比例均匀混合后加入水，然后高温固化，水蒸发后形成多孔结构。
7.如权利要求1所述的电容耦合传感器，其特征是：所述电容耦合传感器具有柔性。
8.如权利要求7所述的电容耦合传感器，其特征是：所述介质层材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的一种或者几种；
作为优选，所述第一电极层中包括柔性绝缘材料与导电材料；
作为优选，所述第二电极层中包括柔性绝缘材料与导电材料。
9.如权利要求8所述的电容耦合传感器，其特征是：所述柔性绝缘材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶、树脂、水凝胶、聚氨酯、苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、聚乙烯辛烯共弹性体、热塑性弹性体中的一种或者几种；
作为优选，所述导电材料包括石墨烯、碳粉、炭黑、碳纳米管、银粉、银纳米线、铜纳米管、液态金属中的一种或者几种。
10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的电容耦合传感器的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
在第一电极的表面制备第一绝缘材料层；在第二电极的表面制备第二绝缘材料层；将第一绝缘材料层与第二绝缘材料层粘结在一起，使第一绝缘材料层与第二绝缘材料层位于第一电极与第二电极之间。
11.如权利要求1至9中任一权利要求所述的电容耦合传感器用于非接触式探测生物体的生理信号。
12.如权利要求11所述的电容耦合传感器用于非接触式探测生物体的生理信号，其特征是：所述生理信号包括呼吸或脉搏。
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