CN113008417A - 基于多级结构的柔性压力传感器、制备方法及测量*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多级结构的柔性压力传感器、制备方法及测量***，该传感器包括：弹性多级结构，所述弹性多级结构包括依次设置的2级以上的弹性结构层，每一弹性结构层的表面均设置有阵列式微结构，不同级弹性结构层的阵列式微结构均朝向同一方向；其中，至少一层弹性结构层具有导电层；柔性电极层，所述柔性电极层至少一层，柔性电极层的导电面与导电层相接触。本发明提供的多级结构可以连续引入微结构参与压力作用下的变形，并进一步增加原有形变微结构的形变，能够在压力变高时补偿结构变形的饱和效应，从而提高压力传感器的灵敏度和动态线性范围，满足复杂压力测量与反馈控制的需要。

Description

基于多级结构的柔性压力传感器、制备方法及测量***

技术领域

本发明是关于一种基于多级结构的柔性压力传感器、制备方法及测量***，涉及可穿戴健康监测技术领域。

背景技术

近年来，可穿戴柔性电子设备在人体健康监测和人机交互方面的发展引起了人们的极大关注。柔性压力传感器能够模仿人体皮肤的感知功能，在检测各种生理信号方面显示出巨大的潜力，包括脉搏波、呼吸、肌肉运动、关节运动、步态识别等。衡量压敏可穿戴设备的基本指标包括灵敏度、动态测量线性工作范围、响应时间、耐用性和兼容性等。其中，高灵敏度对于捕捉微小信号，提供准确的人体生理信息具有重要意义。例如，通过准确记录和定量分析微弱的动脉脉搏波，可以获得大量的心血管信息，如心率、血管硬化等，为心血管疾病的诊断和预防提供有价值的信息。此外，高度敏感的压力传感器还可以用来检测人体的轻微触觉信号或运动，为智能假肢或人机界面等应用提供基础。

基于微阵列式弹性基底的柔性压力传感器能够有效地提升传感器灵敏度，然而由于微结构的弹性变形饱和，其高灵敏度仅存在于较小的压力范围内，经过饱和点后传感器的灵敏度显著降低。考虑到人体生理活动的压力范围跨越多个数量级，为在一个比较宽泛的压力范围内仍旧能够准确地捕捉到微小的压力变化信号，还需要进一步研究，使传感器同时兼具高灵敏度和宽线性动态范围，这也是目前柔性压力传感器设计的难点及热点之一。

此外，现有研究多注重柔性压力传感端的设计，缺少后续配套的信号处理、数据传输以及反馈控制等单元，限制了传感器在实际日常健康监测中的应用。因此，在实际应用中非常需要一种集成传感端、信号处理与传输端、以及具备一定反馈控制功能的可穿戴柔性压力传感***。

发明内容

针对上述问题，本发明的其中一目的是提供一种基于多级结构的柔性压力传感器，通过对传感器阵列结构的改进使传感器的灵敏度及线性压力动态范围均得到提升，即传感器能够在一个更加宽的压力范围内保持高灵敏度；

本发明的另一目的是提供一种与多级结构的柔性压力传感器配套的测量***，该***包含多级结构的柔性压力传感器、有线/无线传输接口、人工智能控制与信号处理单元，实现对传感信号，如脉搏、中医医师切脉、呼吸、心率、关节运动、声带振动等信号的实时监测与声光电或热或力的交互反馈控制；

本发明的又一目的是提供一种多级结构压力传感器的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于多级结构的柔性压力传感器，该传感器包括：

弹性多级结构，所述弹性多级结构包括依次设置的2级以上的弹性结构层，每一所述弹性结构层的表面均设置有阵列式微结构，不同级所述弹性结构层的阵列式微结构均朝向同一方向；其中，至少一所述弹性结构层具有导电层；

柔性电极层，所述柔性电极层至少一层，所述柔性电极层的导电面与所述导电层相接触。

进一步地，所述阵列式微结构采用凸半球、凹半球、三棱柱、圆柱、梯台、正方体或长方体中的一种或多种组合。

进一步地，所述弹性结构层设置有导电层的方式包括：

1)对与所述柔性电极层接触的弹性结构层的阵列式微结构表面涂覆导电材料形成导电层；或者对任何一级或几级弹性结构层的阵列式微结构表面涂覆导电材料形成导电层，并在其下配置与其相对的柔性电极层；

2)将导电材料与弹性材料预聚体混合，使弹性结构层整体均具有导电性形成整体导电层，在最底端弹性结构层或其中任意一层或多层弹性结构层下方配置柔性电极层。

进一步地，所述弹性多级结构的面积大于所述柔性电极层上导电区域的面积；所述柔性电极层包括柔性电极基底以及附着在所述电极基底上的导电电极层，所述导电电极层至少包括1对电极，所述电极朝向所述弹性结构层的导电层。

第二方面，本发明还提供一种基于本发明第一方面所述多级结构的柔性压力传感器的制作方法，包括以下步骤：

S1、根据弹性多级结构设计方案，制备阵列式微结构的阴模模板；

S2、将聚二甲基硅氧烷的预聚体与固化剂以设定比例的质量比充分混合，并置入真空箱中脱去搅拌过程中产生的气泡，然后将其旋涂在S1中阴模模板上；

S3、将S2中制作的样品放入烘箱中固化后剥离，制备不同级弹性结构层的薄膜基底；

S4、对S3所得的聚二甲基硅氧烷薄膜基底的结构面进行处理，并喷涂氧化石墨烯分散液，并置入烘箱中烘干；

S5、重复S4多次，直至得到一层致密的氧化石墨烯薄膜；

S6、将S5所得的表面涂覆有氧化石墨烯的弹性结构层置入烘箱中高温加热，得到还原氧化石墨烯；

S7、在薄膜上喷涂银纳米颗粒浆料，得到柔性电极层；

S8、按照多级结构设计方案的排列顺序，采用粘附材料，将S2到S6制备的所述多级弹性结构层叠加，将S7制备的柔性电极层放置于设定位置，保持各级弹性结构层的中心与柔性电极层的导电电极区域的中心重合，并引入导线与柔性电极层的引线相连接，封装得到基于多级结构的柔性压力传感器。

进一步地，在具有阵列式微结构的阴模模板上涂覆一层聚二甲基硅氧烷前驱液，然后置于烘箱中加热至其完全固化。

进一步地，选用还原氧化石墨烯作为阵列式微结构表面的导电层具体过程为：

首先，对弹性结构层带有阵列式微结构的表面进行氧等离子体处理；

然后，在其上涂覆氧化石墨烯分散液后放入烘箱直至烘干；

其次，氧化石墨烯分散液的涂覆过程重复2次以上；

最后，将上述制备的表面带有氧化石墨烯层的弹性结构层，置于烘箱中烘烤高温还原，使之成为还原氧化石墨烯。

进一步地，选用柔性聚萘二甲酸乙二醇酯作为柔性电极基底，并通过喷墨打印或光刻方式在其上制备预设图案的导电电极。

第三方面，本发明还提供一种测量***，包括本发明第一方面所述的柔性压力传感器、传输接口、人工智能控制与信号处理单元；

所述传输接口用于柔性压力传感器和人工智能控制与信号处理单元之间进行供电和信号传输；

所述人工智能控制与信号处理单元，用于将多个多级结构的柔性压力传感器的输出信号进行相应人体部位信号解析，并将解析得到的信号与存储的人体生理病理相关的大数据信息进行人工智能分析，输出或显示分析处理后的信号或信息，实现传感测量、健康智能分析与声、光、电或热或力的交互反馈控制。

进一步地，所述人工智能控制与信号处理单元包括人体部位信号解析模块、多路信号输入输出接口、人体感官刺激功能及报警模块、数据存储模块、施压模块、人体运动肢体康复训练监测反馈模块和多关节力量反馈控制模块中的一个或多个模块；

所述人体部位信号解析模块，用于根据压力传感器的输出性能曲线，将柔性压力传感器输出电流信号转变为压力信号，并根据柔性压力传感器所接触检测人体的不同部位，解析为对应的人体生理信号；

所述多路信号输入输出接口，用于同时连接检测多个柔性压力传感器的输出信号，并将采集的柔性压力传感器信号以及信号处理后的分析结果，通过传输接口输出传输到显示终端进行显示；

所述人体感官刺激功能及报警模块，用于动态监测人体呼吸信号或心率信号，通过对异常呼吸、心率的判断，以声光电或热或力的形式进行反馈预警，实现自动唤醒呼吸或心跳暂停患者；

所述人体运动肢体康复训练监测反馈模块和多关节力量反馈控制模块，用于实时采集附着于肢体关节处的柔性压力传感器的输出信号，并将其转换为压力信号，然后根据康复训练的力量大小需要，进行运动幅度的调整，达到改变运动力量的目的；或根据运动的幅度、频率等变化解析为肢体泛力或兴奋等生理特征健康状况信息；

所述数据存储模块，用于存储中医专家切脉、诊脉的大数据先验知识与脉诊经验信息构成大数据信息；也可用于存储类似新冠病毒有/无症状感染的温度、咳嗽、乏力、脉搏心率加快、咽部不适变声等生理特征变化大数据信息；

所述施压模块，其表面设置有所述多级结构柔性压力传感器，用于模仿中医专家的切脉动作，根据所述多级结构柔性压力传感器的输出信号进行切脉压力控制反馈互动与人工智能脉诊分析。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提供的多级结构可以连续引入微结构参与压力作用下的变形，并进一步增加原有形变微结构的形变，一方面增强传感器导电变化能力，另一方面能够在压力变高时补偿结构变形的饱和效应，从而提高压力传感器的灵敏度和动态线性范围，满足复杂压力测量与反馈控制的需要；

2、与导电微结构的面对面适形互锁配置和单电极配置相比，本发明的并列电极不仅使本征电阻最小，而且使接触电阻加倍，增强外加压力下输出电阻的变化，从而提高灵敏度；

3、本发明基于多级叠加策略，可以通过进一步扩大结构层的数量、微结构的形貌、微结构的大小来调整传感器的灵敏度、动态线性范围等性能指标，使制备的传感器适用于特定复杂应用场景，具有个性化定制测量的优势；

4、本发明的多级结构压力传感器的制备方法操作简单，成功率和可重复率较高，易于操作实施；

5、本发明的测量***具有多路信号输入输出接口和人工智能控制与信号处理单元，可以同时连接检测多个压力传感器的输出信号，并将采集的传感器信号以及人工智能处理后的分析结果，通过有线/无线传输接口传输，在计算机、手机或其它终端进行显示，实现对传感信号(如脉搏、中医医师切脉、呼吸、心率、关节运动、咳嗽、肢体乏力、声带振动信号、咽部不适变声等)的实时监测与声光电或热或力的交互反馈控制，满足人体健康监护以及远程医疗等应用需要。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的基于多级结构的柔性压力传感器结构示意图；

图2为本发明实施例的基于多级结构的柔性压力传感器拓展结构示意图；

图3为本发明实施例的基于多级结构的柔性压力传感器在不同外加压力作用下内部结构的形变过程示意图；

图4为现有技术基于单层阵列微结构的压力传感器在不同外加压力作用下内部结构的形变过程示意图；

图5为本发明实施例的基于多级结构的柔性压力传感器的制备方法示意图；

图6为本发明实施例的基于多级结构柔性压力传感器的测量***结构示意图；

图7为本发明实施例的基于多级结构柔性压力传感器的智能脉诊示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明提供的基于多级结构的柔性压力传感器、制备方法及测量***，包括：弹性多级结构，所述弹性多级结构包括依次设置的2级以上的弹性结构层，每一弹性结构层的表面均设置有阵列式微结构，不同级弹性结构层的阵列式微结构均朝向同一方向；其中，至少一弹性结构层具有导电层；柔性电极层，所述柔性电极层至少一层，柔性电极层的导电面与导电层相接触。本发明提供的多级结构可以连续引入微结构参与压力作用下的变形，并进一步增加原有形变微结构的形变，同时能够在压力变高时补偿结构变形的饱和效应，从而提高压力传感器的灵敏度和动态线性范围，满足复杂压力测量与反馈控制的需要。

实施例1

本实施例提供的基于多级结构的柔性压力传感器，包括自上而下依次设置的2级以上弹性结构层构成的多级弹性结构和至少1层柔性电极层。其中，每一弹性结构层的表面具有阵列式微结构，所有弹性结构层的阵列式微结构均朝向柔性电极层。

一些优选实施例中，不同级弹性微结构层的微结构尺寸可以逐级依次减小，也可以逐级依次增大，或者增大与减小混排，可以根据需求增加弹性结构层数并调整阵列微结构尺寸；当然，不同级弹性结构层的微结构尺寸可以相同，也可以不同，根据实际应用灵活选择使用调整，在此不做限制。

如图1所示的非限制性实施例，提供的是一种基于二级结构的柔性压力传感器，包括弹性一级结构层11、弹性二级结构层12和柔性电极层13。

弹性一级结构层11和弹性二级结构层12表面均具有均一的阵列式微结构；弹性一级结构层11的微结构面与弹性二级结构层12的无微结构面相接触；

弹性二级结构层12的微结构面的导电层与柔性电极层导电面131相接触，即柔性电极层13的导电面朝向弹性二级结构层12的微结构面。

一些优选实施例中，弹性多级结构中包括至少一级导电层，涂覆了导电材料的弹性层下方均配置与其相对的柔性电极层。弹性层结构与导电层的结合方式有两种：

一种是对与柔性电极层接触的弹性结构层的阵列式微结构表面涂覆导电材料，使之成为电敏感层，也可以根据实际应用需要，对多级结构中的任何一级或几级弹性结构层的阵列式微结构进行导电材料的涂覆，使之成为电敏感层，并在各个电敏感层下方配置与其相对的柔性电极层，即每层自己引出电极输出，也可以多层并联或串联合并在其最下方共用一个导电层引出电极输出，便于接入导线测量微结构变形产生的信号；在涂覆了导电材料的弹性层下方均配置与其相对的柔性电极层，即柔性电极层的数量与表面涂覆了导电材料的结构层数量相等。

另一种是将导电材料与弹性材料预聚体混合，使弹性结构层整体均具有导电性，并在最底端弹性层或其中任意一层弹性结构层下方配置柔性电极层，所有的多级结构层整体(表面及内部)都具有导电性。

上述多级结构可同时带来参与形变微结构数量增加、微结构的形变增加，这种双重效应能够弥补单层微结构的形变饱和，实现传感器灵敏度与线性范围的提升，满足复杂压力测量与反馈控制的需要。

一些优选实施例中，弹性结构层的表面设置的阵列式微结构可以采用凸半球、凹半球、三棱柱、圆柱、梯台、正方体、长方体或其他多边形状中的一种或多种混合结构方式，在此不做限制。如图2所示为一种三级结构的弹性薄膜层排列设计示例，微结构采用凸半球阵列，三级结构具有不同尺寸。

一些优选实施例中，不同级弹性结构层的微结构均朝向同一方向，如图1所示的柔性电极层13的柔性电极131朝向弹性结构层的微结构面。

一些优选实施例中，弹性结构层的面积大于柔性电极层上导电区域的面积；在外界压力作用下，上一级弹性结构层微结构的变形逐步扩大对下一级结构层的作用力的面积，带动下一级弹性结构层微结构变形，依次传递，并使参与形变的微结构数量逐渐增多，最后与下方柔性电极层相接触并发生形变。

一些优选实施例中，柔性电极层为银纳米颗粒浆料或其它金属、非金属导电材料。

一些优选实施例中，柔性电极层13包括柔性电极基底132以及附着在基底上的导电电极层131，导电电极层131至少包含1对电极，如图1所示的非限制性实施例中，也可以采用矩阵式排列的多对电极，这些矩阵式排列电极可以进行组合式选通，获取弹性结构层对应的整体或一个或多个局部区域形变产生的输出信号。

一些优选实施例中，弹性结构层可以采用聚二甲基硅氧烷。

本实施例以二级弹性结构层表面有导电材料涂覆，且柔性电极层就在最下面这一层为例说明基于多级结构的柔性压力传感器的工作原理：

当外加压力作用于柔性压力传感器上方时，压力首先会引起弹性一级结构层11中凸半球微结构的形变；随后弹性一级结构层11中凸半球微结构的形变将进一步在弹性二级结构层12中同时产生两种效应，一是参与变形微结构数量增加，二是单个微结构的形变增加，即单个微结构与电极的接触面积增加，如图3所示。这两种变化共同导致二级结构的导电层，即还原氧化石墨烯与导电电极之间的总接触面积在外加压力下逐渐增大，表现为输出电阻逐渐减小(压阻效应)。需要注意的是，常规基于单层阵列微结构的压力传感器，在外加压力下所有微结构同步变形并同时达到形变饱和，导致传感器的高灵敏度仅存在于有限的压力范围内，如图4所示。

综上所述，本实施例所提供的多级弹性结构能够通过引入新的微结构参与压力作用下的形变来弥补原有微结构的形变饱和，从而实现压力传感器的灵敏度和动态线性范围的同时提高。此外，由于聚二甲基硅氧烷具有良好的弹性，当压力释放时，传感器将回到初始状态，从而从一定程度上保证了传感器的可重复性。此外，本发明的基于多级结构的柔性压力传感器均由柔性材料组成，容易适形于不规则表面，使得压力传感器适用于人造电子皮肤、智能假肢、可穿戴柔性设备等领域。

实施例2

本实施例提供的基于多级结构的柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据弹性多级结构层设计方案，采用光刻或机械加工制备包含凸半球、凹半球、三棱柱、圆柱、梯台、正方体、长方体或其他多边形状中的一种或多种混合的阵列式微结构的阴模模板。

如图5所示的非限制性实施例，位于最上面的弹性一级结构层11的阵列式凸半球微结构直径为100μm、间距为300μm，位于中间的弹性二级结构层12的阵列式凸半球微结构直径为6μm、间距为8μm；

S2、将聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚体与固化剂以10：1的质量比充分混合，并置入真空箱中脱去搅拌过程中产生的气泡，然后将其旋涂在S1中弹性一级结构层11和弹性二级结构层11的阴模模板上；

S3、将S2中制作的样品放入60-100℃烘箱中固化1-2h后剥离，制备不同级弹性结构层的薄膜基底。

如图5所示的非限制性实施例，制备得到厚度约为100μm的弹性一级结构层和二级结构层的薄膜基底；

S4、对S3所得的弹性二级结构层的PDMS薄膜基底的结构面做氧等离子体处理，增加其表面的亲水性，并喷涂氧化石墨烯分散液，并置入烘箱中烘干；

S5、重复S4多次，直至得到一层致密的氧化石墨烯薄膜；

S6、将S5所得的表面涂覆有氧化石墨烯的弹性二级结构层置入100-300℃烘箱中1-3h，得到还原氧化石墨烯；

S7、使用喷墨打印机在柔性聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜上喷涂银纳米颗粒浆料，得到一对并排柔性电极；

如图5所示的非限制性实施例，导电电极层131是制备得到边长为6mm正方形的一对并排柔性电极；

S8、按照多级结构设计方案的排列顺序，采用胶带或其它粘附材料，将S2到S6制备的所述多级弹性结构层叠加，并固定于S7制备的柔性电极层的正上方，保持各级弹性结构层的中心与柔性电极层的导电电极区域的中心重合，并引入导线与柔性电极的引线相连接，封装得到基于多级结构的柔性压力传感器。

一些优选实施例中，在具有阵列式微结构的阴模模板上涂覆一层聚二甲基硅氧烷前驱液，然后置于60℃-100℃的烘箱中加热1h-2h至其完全固化，得到多级弹性结构层基底。

一些优选实施例中，选用还原氧化石墨烯作为弹性结构层的阵列式微结构表面的导电材料具体过程为：

首先，对弹性结构层带有阵列式微结构的表面进行氧等离子体处理；

然后，在其上涂覆氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)分散液后放入60℃-100℃烘箱直至烘干；

其次，氧化石墨烯分散液的涂覆过程重复2次以上；

最后，将上述制备的表面带有还原氧化石墨烯层的弹性结构层，置于100℃-300℃的烘箱中1h-3h，使之成为还原氧化石墨烯。

一些优选实施例中，选用柔性聚萘二甲酸乙二醇酯等柔性薄膜作为柔性电极基底，并通过喷墨打印或光刻等方式在其上制备预设图案的导电电极。

实施例3

如图6所示，本实施例提供的测量***，包括实施例1的柔性压力传感器、有线/无线传输接口和人工智能控制与信号处理单元。

有线/无线传输接口用于柔性压力传感器和人工智能控制与信号处理单元之间进行信号传输，即可以通过导线连接方式进行供电、传送信号，或通过电磁感应与无线通信连接方式进行供电、传送信号；

人工智能控制与信号处理单元，用于将多个多级结构的柔性压力传感器等的输出信号进行相应人体部位信号解析，并将解析得到的信号与存储的人体生理病理特征相关的大数据信息进行人工智能分析，通过液晶屏或其它显示预警单元输出或显示分析处理后的信号或信息，实现传感测量、健康智能分析与声、光、电或热或力等的交互反馈控制。

一些优选实施例中，人工智能控制与信号处理单元包括人体部位信号解析模块，用于根据压力传感器的输出性能曲线(电流随外加压力变化的曲线)，将柔性压力传感器的输出电流信号转变为压力信号，并根据柔性压力传感器所接触检测人体的不同部位，解析为对应的人体生理信号，例如脉搏信号、中医医师切脉信号、呼吸信号、心率信号、咳嗽信号、肢体乏力信号、关节运动信号、声带振动信号、咽部不适变声等。

一些优选实施例中，人工智能控制与信号处理单元还包括多路信号输入输出接口，可以同时连接检测多个柔性压力传感器的输出信号，并将采集的柔性压力传感器信号以及信号处理后的分析结果，通过有线/无线传输接口输出传输到计算机、手机或其它终端进行显示，实现人体健康智能监护和远程医疗等应用。

一些优选实施例中，人工智能控制与信号处理单元还包括有人体感官刺激功能及报警模块，可以动态监测人体呼吸信号或心率信号，一旦出现呼吸暂停、人体心率异常等健康问题，***将通过对异常呼吸、心率的判断，如呼吸暂停时间超过10s或心率<10次/分钟，立即以声光电或热或力的形式进行反馈预警，实现自动唤醒呼吸或心跳暂停患者。

一些优选实施例中，人工智能控制与信号处理单元还包括人体运动肢体康复训练监测反馈单元和多关节力量反馈控制模块，能够实时采集附着于肢体关节处的柔性压力传感器的输出信号，并将其转换为压力信号，然后根据康复训练的力量大小需要，进行运动幅度的调整，从而达到改变运动力量的目的；或根据运动的幅度、频率等变化解析为肢体泛力或兴奋等生理特征健康状况信息。

一些优选实施例中，人工智能控制与信号处理单元还包括数据存储模块，数据存储模块中存储有中医专家切脉、诊脉的大数据先验知识与脉诊经验信息构成大数据信息；或在数据存储模块中存储有类似新冠病毒有/无症状感染的温度、咳嗽、乏力、脉搏心率加快、咽部不适变声等生理特征变化大数据信息，可以进行新冠病毒有/无症状感染的快速筛查与辅助诊断。

一些优选实施例中，人工智能控制与信号处理单元还包含有仿生机器人手指或其他可以施加压力的模块，多级结构柔性压力传感器佩带在施压模块上，可以模仿中医专家的切脉动作，根据柔性压力传感器的输出信号进行切脉压力控制反馈互动与人工智能脉诊分析，实现可穿戴式或远程医疗方式的中医脉诊和人体健康预测预警等。

如图7所示的非限制实施例，下面详细说明采用本发明提供的基于多级结构的柔性压力传感器的测量***，进行人体中医脉诊的基本过程，包括以下步骤：

步骤一：被试者保持自然坐姿，手臂自然伸展，手腕朝上并放置于脉枕上，手腕与心脏部位同高；

步骤二：将基于多级结构的柔性压力传感***佩戴于手腕处，并保持柔性压力传感器处于手腕桡动脉上方寸、关、尺三个位置或其中任意一个或两个位置；

步骤三：待被试者呼吸平稳后启动脉象采集，柔性压力传感***中的施压模块模拟中医诊脉过程，向被测部位施加压力进行切脉操作，***同时记录并分离提取切脉压力以及脉搏信号，并根据采集信号对切脉压力进行实时控制调整，经过数个加压循环得到最佳切脉压力及脉象等信息后结束脉象采集；

步骤四：***自动结合采集到的切脉压力和脉搏信号进行信号预处理、特征提取等，结合中医专家切脉、诊脉的大数据先验知识与脉诊经验信息，进行人工智能分析，最终给出诊断结果；

步骤五：诊断结果通过有线/无线传输接口输出，在计算机、手机或其它终端显示。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于多级结构的柔性压力传感器，其特征在于，该传感器包括：

弹性多级结构，所述弹性多级结构包括依次设置的2级以上的弹性结构层，每一所述弹性结构层的表面均设置有阵列式微结构，不同级所述弹性结构层的阵列式微结构均朝向同一方向；其中，至少一层所述弹性结构层具有导电层；

柔性电极层，所述柔性电极层至少一层，所述柔性电极层的导电面与所述导电层相接触。

2.根据权利要求1所述的基于多级结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述阵列式微结构采用凸半球、凹半球、三棱柱、圆柱、梯台、正方体或长方体中的一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的基于多级结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述弹性结构层设置有导电层的方式包括：

1)对与所述柔性电极层接触的弹性结构层的阵列式微结构表面涂覆导电材料形成导电层；或者对任何一级或几级弹性结构层的阵列式微结构表面涂覆导电材料形成导电层，并在其下配置与其相对的柔性电极层；

2)将导电材料与弹性材料预聚体混合，使弹性结构层整体均具有导电性形成整体导电层，在最底端弹性结构层或其中任意一层弹性结构层下方配置柔性电极层。

4.根据权利要求1所述的基于多级结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述弹性多级结构的面积大于所述柔性电极层上导电区域的面积；所述柔性电极层包括柔性电极基底以及附着在所述电极基底上的导电电极层，所述导电电极层至少包括1对电极，所述电极朝向所述弹性结构层的导电层。

5.一种基于权利要求1～4任一项所述多级结构的柔性压力传感器的制作方法，包括以下步骤：

S1、根据弹性多级结构设计方案，制备阵列式微结构的阴模模板；

S2、将聚二甲基硅氧烷的预聚体与固化剂以设定比例的质量比充分混合，并置入真空箱中脱去搅拌过程中产生的气泡，然后将其旋涂在S1中阴模模板上；

S3、将S2中制作的样品放入烘箱中固化后剥离，制备不同级弹性结构层的薄膜基底；

S4、对S3所得的聚二甲基硅氧烷薄膜基底的结构面进行处理，并喷涂氧化石墨烯分散液，并置入烘箱中烘干；

S5、重复S4多次，直至得到一层致密的氧化石墨烯薄膜；

S6、将S5所得的表面涂覆有氧化石墨烯的弹性结构层置入烘箱中高温加热，得到还原氧化石墨烯；

S7、在薄膜上喷涂银纳米颗粒浆料，得到柔性电极层；

S8、按照多级结构设计方案的排列顺序，采用粘附材料，将S2到S6制备的所述多级弹性结构层叠加，将S7制备的柔性电极层放置于设定位置，保持各级弹性结构层的中心与柔性电极层的导电电极区域的中心重合，并引入导线与柔性电极层的引线相连接，封装得到基于多级结构的柔性压力传感器。

6.根据权利要求5所述柔性压力传感器的制作方法，其特征在于，在具有阵列式微结构的阴模模板上涂覆一层聚二甲基硅氧烷前驱液，然后置于烘箱中加热至其完全固化。

7.根据权利要求5所述柔性压力传感器的制作方法，其特征在于，选用还原氧化石墨烯作为阵列式微结构表面的导电层具体过程为：

首先，对弹性结构层带有阵列式微结构的表面进行氧等离子体处理；

然后，在其上涂覆氧化石墨烯分散液后放入烘箱直至烘干；

其次，氧化石墨烯分散液的涂覆过程重复2次以上；

最后，将上述制备的表面带有还原氧化石墨烯层的弹性结构层，置于烘箱中烘烤，使之成为还原氧化石墨烯。

8.根据权利要求5所述柔性压力传感器的制作方法，其特征在于，选用柔性聚萘二甲酸乙二醇酯作为柔性电极基底，并通过喷墨打印或光刻方式在其上制备预设图案的导电电极。

9.一种测量***，其特征在于，包括权利要求1～4任一项所述的柔性压力传感器、传输接口、人工智能控制与信号处理单元；

所述传输接口用于柔性压力传感器和人工智能控制与信号处理单元之间进行供电和信号传输；

所述人工智能控制与信号处理单元，用于将多个多级结构的柔性压力传感器的输出信号进行相应人体部位信号解析，并将解析得到的信号与存储的人体生理病理特征相关的大数据信息进行人工智能分析，输出或显示分析处理后的信号或信息，实现传感测量、健康智能分析与声、光、电或热或力的交互反馈控制。

10.根据权利要求9所述的测量***，其特征在于，所述人工智能控制与信号处理单元包括人体部位信号解析模块、多路信号输入输出接口、人体感官刺激功能及报警模块、数据存储模块、施压模块、人体运动肢体康复训练监测反馈模块和多关节力量反馈控制模块中的一个或多个模块；

所述人体部位信号解析模块，用于根据压力传感器的输出性能曲线，将柔性压力传感器输出电流信号转变为压力信号，并根据柔性压力传感器所接触检测人体的不同部位，解析为对应的人体生理特征信号；

所述多路信号输入输出接口，用于同时连接检测多个柔性压力传感器的输出信号，并将采集的柔性压力传感器信号以及信号处理后的分析结果，通过传输接口输出传输到显示终端进行显示；

所述人体感官刺激功能及报警模块，用于动态监测人体呼吸信号或心率信号，通过对异常呼吸、心率的判断，以声光电或热或力的形式进行反馈预警，实现自动唤醒呼吸或心跳暂停患者；

所述人体运动肢体康复训练监测反馈模块和多关节力量反馈控制模块，用于实时采集附着于肢体关节处的柔性压力传感器的输出信号，并将其转换为压力信号，然后根据康复训练的力量大小需要，进行运动幅度的调整，达到改变运动力量的目的；或根据运动的幅度、频率变化解析为肢体泛力或兴奋的生理特征健康状况信息；

所述数据存储模块，用于存储中医专家切脉、诊脉的大数据先验知识与脉诊经验信息构成大数据信息；或存储类似新冠病毒有/无症状感染的温度、咳嗽、乏力、脉搏心率加快、咽部不适变声的生理特征变化大数据信息；

所述施压模块，其表面设置有所述多级结构柔性压力传感器，用于模仿中医专家的切脉动作，根据柔性压力传感器的输出信号进行切脉压力控制反馈互动与人工智能脉诊分析。

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