一种基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置、方法及其感知单元制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置、方法及其感知单元制备方法，呼吸监测装置由压电薄膜阵列呼吸感知传感器、无线蓝牙式电信号处理集成器、空气过滤呼吸面罩和柔性电子线组成；压电薄膜阵列呼吸感知传感器内部结构主要由圆孔凹槽呼吸传感单元十字阵列结构组成，并由柔性凹槽阵列传感单元、导电薄膜、树脂呼吸面罩带、气流过滤薄网和圆截面呼吸感知通道组成；运动呼吸监测方法：根据压电效应，通过实时采集压电感知阵列单元产生的电压信号实时监控户外运动时人体内的呼吸次数(N)和呼吸量(Q)来表征人体在户外活动时的生理特征；感知单元制备方法：结合微机电系统(MEMS)加工技术，制备PVDF压电薄膜阵列传感单元。

A piezoelectric wearable breathing monitoring device for human motion and its method and preparation method of sensing unit

The invention is based on piezoelectric wearable human motion breathing monitoring device, method and preparation method of sensing unit. The breathing monitoring device consists of piezoelectric film array breathing sensing sensor, wireless Bluetooth electro-signal processing integrator, air filter breathing mask and flexible electronic wire. The internal structure of the piezoelectric film array breathing sensing sensor is mainly composed of a circular hole groove breathing sensing unit. The cross-array structure is composed of flexible groove array sensor unit, conductive film, resin breathing mask belt, airflow filter thin mesh and circular cross-section breathing sensing channel. Motion breathing monitoring method: According to piezoelectric effect, the number of breaths (N) and breathing volume (Q) in human body during outdoor exercise are monitored by real-time acquisition of voltage signals generated by piezoelectric sensing array unit. According to the physiological characteristics of human body in outdoor activities, the preparation method of sensing unit: PVDF piezoelectric thin film array sensor unit was fabricated by combining micro-electromechanical system (MEMS) processing technology.

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置、方法及其感知单元制备方法
：本专利技术涉及一种基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置、方法及其感知单元制备方法，属智能结构及系统领域。
技术介绍
：呼吸是人体的基本体征，尤其对运动员，正确有效的呼吸节奏不仅能够大大降低运动过程中出现的岔气、胸闷气短等现象，也可以有效的降低运动过程中体力分配的不合理，以及增大肺泡通气量，提高肺换气效率，帮助人体保持平稳的状态。美国国家体育生理部前主任纳迪-索科洛瓦斯博士和国内山西师范大学体育学院乔玉成教授研究表明，正确合理的换气，能够增加运动员有氧代谢所需的氧气，增加红血细胞，从而提高呼吸肌群的能力。目前，运动呼吸机往往整体过大，不适合户外锻炼和配合训练使用，同时随着MEMS技术和无线通讯技术的成熟，传感器微型化成为了可能。
技术实现思路
：本专利技术是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置、方法及其感知单元制备方法，根据压电效应，通过实时采集压电感知阵列单元产生的电压信号(时域信号(u-t)，频域信号(P-f))实时监控户外运动时人体内的呼吸次数(N)和呼吸量(Q)来表征人体在户外运动或日常训练时的生理特征；找出运动员日常训练中存在的呼吸节奏问题并科学的管控运动换气节奏，充分发挥人体心肺机能并提高训练效果，进而达到提高成绩的目的。本专利技术采用如下技术方案：一种基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置，由压电薄膜阵列呼吸感知传感器、无线蓝牙式电信号处理集成器、空气过滤呼吸面罩和柔性电子线组成；所述压电薄膜阵列呼吸感知传感器由压电薄膜十字阵列结构、柔性凹槽阵列传感单元、导电薄膜、树脂呼吸面罩带、气流过滤薄网和圆截面呼吸感知通道组成。进一步地，所述柔性凹槽阵列传感单元上表面为PVDF压电薄膜，并用导电银浆粘贴，根据正压电效应(d31)，呼吸产生的气流冲击PVDF压电薄膜，诱导使其产生垂直于薄膜表面振动变形，实时输出电荷，所述柔性凹槽阵列传感单元由4个圆孔凹槽呼吸传感单元16十字阵列构成，其中凹槽底部中心沉积一个微支撑柱(17)，当薄膜产生振动时，该微支撑柱(17)能够放大薄膜在垂直方向的变形，进而增大电荷输出量。进一步地，所述柔性凹槽阵列传感单元的外形结构设置成圆形、方形或者多边形；产生的电荷通过导电薄膜与信号接口相连，所述柔性凹槽阵列传感单元由4个圆孔凹槽呼吸传感单元十字阵列构成并固定在圆形基体表面。进一步地，所述气流过滤薄网安置于圆截面呼吸感知通道中。进一步地，所述无线蓝牙式电信号处理集成器由芯片、自供给电源和无线蓝牙组成。进一步地，所述柔性电子线埋入树脂呼吸面罩带中，两头分别与信号接口和无线蓝牙式电信号处理集成器相连。进一步地，所述芯片由信号采集模块、电路放大模块、滤波降噪模块、ADC模块、信号处理模块和存储处理模块组成。本专利技术还采用如下技术方案：一种基于压电可穿戴人体运动呼吸监测方法，包括人体呼吸量与薄膜流致激振能量谱之间传感标定算法和呼吸频率检测方法。进一步地，所述人体呼吸量与薄膜流致激振能量谱之间传感标定算法包含两部分，第一部分涉及流-固-电多物理场耦合作用，通过对其进行数值仿真，建立呼吸流速(v)与其产生压电信号幅值(U)之间的关系，在通过流量计算公式：流量(Q)＝流速(v)*单位时间(t)*圆截面传感通道截面积(S6)，即可建立呼吸流量与呼吸流速之间的关系，其中的流场控制方程如下：其中，(1c)为全微分算子，p为流场压强，ρ为流场密度，Vi为呼吸速度矢量，τij为应力张量，Skk为应变率张量；其中压电控制方程如下：其中,其中m为压电薄膜的质量，c为薄膜结构阻尼，k为刚度系数，Fy为流场作用在薄膜法向方向上的瞬时压力，θ为机电耦合项，R为外接电阻，v为外接电阻电压，Cp为压电层电容，yt为压电梁顶部法向方向瞬时位移，Voc即为每个凹槽传感单元产生的压电电信号Un阵列后，根据平均计算，可得到通过控制方程(1)，(2)，(3)，(4)和(5)即可求出压电电信号(U)与呼吸量(Q)之间的关系并输出时域信号(U-t)，所述该时域信号(U-t)经过滤波降噪模块、ADC模块和信号处理模块(FFT变换)，将时域信号转化为频域信号(P-f)，P为压电薄膜受呼吸振动产生的激频下的能量，最终建立人体呼吸量(Q)与薄膜流致激振能量谱(P)之间传感标定算法。进一步地，呼吸频率检测方法如下：根据时域信号以及压电效应，对其电压信号幅值进行正负标定，正值即为一次呼气(+N1)负值即为一次吸气(-N1)，存储处理模块将自动计入单位时间的呼、吸次数通过蓝牙推送至移动端。本专利技术还又采用如下技术方案：一种基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置中柔性凹槽阵列传感单元的制备方法，具体包括如下步骤：第1步：在圆形基体表面沉积一层氮化硅，并在氮化硅薄层表面沉积十字型聚酰亚胺薄层；第2步：在十字型区域沉积一层Au,用刻蚀的方法在其表面形成圆形区域；第3步：采用刻蚀的方法对圆形区域开圆槽；第4步：在每一个圆槽中心位置沉积一根支撑微圆柱，形成传感单元区域；第5步：在聚酰亚胺层上沉积若干Au电极，并黏贴导电薄膜与传感单元一一相连；第6步：在每个圆槽上部用导电银浆黏贴圆形PVDF压电薄膜；第7步：风干20小时，最终形成基于压电薄膜式的柔性凹槽阵列传感单元。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术针对运动员常规呼吸训练以及普通跑步爱好者提供了一种基于压电可穿戴户外运动无线呼吸监测装置及其感知单元制备方法，能够有效监控运动者呼吸方式和效果，配合训练，找出日常训练中存在的呼吸节奏问题并科学的管控运动换气节奏，能够充分发挥人体心肺机能并提高训练效果，进而达到提高成绩的目的。相对于现有技术有如下特点：1.凹槽传感单元上表面为PVDF压电薄膜并用导电银浆粘贴，根据正压电效应(d31)，呼吸产生的气流冲击凹槽上的压电薄膜，诱导使其产生垂直于薄膜表面振动变形，进而实时输出电荷，所有凹槽底部中心沉积一个支撑微圆柱，当薄膜产生振动时，该微梁能够放大薄膜在垂直方向的变形，进而增大电荷输出量，便于后续呼吸信号的提取、变换和分析；2.柔性凹槽传感的外形可以设置成圆形、方形、多边形等；产生的电荷通过导电薄膜与信号接口相连。传感单元整体采用十字方式布置并固定在圆形基体表面7，圆形截面传感通道中安置一层气流过滤薄网，能够减少人体呼吸过程中产生涡流的大小，优化人体呼吸产生气流的质量，增大压电薄膜对气流的感知能力。3.针对呼吸中涉及流-固-电多物理场耦合作用，通过对其进行数值仿真，建立压电电信号(U)与呼吸量(Q)之间的关系，获得了人体呼吸量与薄膜流致激振能量谱之间传感标定算法。4.根据时域信号以及压电效应，对其电压信号幅值进行正负标定，正值即为一次呼气(+N1)负值即为一次吸气(-N1)，存储处理模块将自动计入单位时间的呼、吸次数，可获得呼吸频率的检测方法。5.无线蓝牙由蓝牙收、发模块组成，将运动呼吸信息实时发送至移动端(手机)，帮助运动员在训练或者户外锻炼是实时监测自身的呼吸状态。6.其中自供给电源，能够收集压电薄膜产生的电能为芯片及无线蓝牙进行供电，无需外部电源，该方式电能收集可循环利用并绿色环保。7.结合MEMS加工技术，对压电薄膜(PVDF)呼吸感知单元的制备分别采用刻蚀和沉积等微结构加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置，其特征在于：由压电薄膜阵列呼吸感知传感器、无线蓝牙式电信号处理集成器、空气过滤呼吸面罩和柔性电子线组成；所述压电薄膜阵列呼吸感知传感器内部结构由圆孔凹槽呼吸传感单元(16)十字阵列结构组成，并由柔性凹槽阵列传感单元(9)、导电薄膜(14)、树脂呼吸面罩带(4)、气流过滤薄网(5)和圆截面呼吸感知通道(6)组成。

【技术特征摘要】
1.一种基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置，其特征在于：由压电薄膜阵列呼吸感知传感器、无线蓝牙式电信号处理集成器、空气过滤呼吸面罩和柔性电子线组成；所述压电薄膜阵列呼吸感知传感器内部结构由圆孔凹槽呼吸传感单元(16)十字阵列结构组成，并由柔性凹槽阵列传感单元(9)、导电薄膜(14)、树脂呼吸面罩带(4)、气流过滤薄网(5)和圆截面呼吸感知通道(6)组成。2.如权利要求1所述的基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置，其特征在于：所述柔性凹槽阵列传感单元(9)上表面为PVDF压电薄膜，并用导电银浆粘贴，根据正压电效应(d31)，呼吸产生的气流冲击PVDF压电薄膜，诱导使其产生垂直于薄膜表面振动变形，实时输出电荷，所述柔性凹槽阵列传感单元(9)由4个圆孔凹槽呼吸传感单元(16)十字阵列构成，其中凹槽(19)底部中心沉积一个微支撑柱(17)，当薄膜产生振动时，该微支撑柱(17)能够放大薄膜在垂直方向的变形，进而增大电荷输出量。3.如权利要求2所述的基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置，其特征在于：所述柔性凹槽阵列传感单元(9)的外形结构设置成圆形、方形或者多边形；产生的电荷通过导电薄膜(14)与信号接口(13)相连，所述柔性凹槽阵列传感单元(9)整体采用十字方式布置并固定在圆形基体(7)表面。4.如权利要求3所述的基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置，其特征在于：所述气流过滤薄网(5)安置于圆截面呼吸感知通道(6)中。5.如权利要求1所述的基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置，其特征在于：所述无线蓝牙式电信号处理集成器由芯片、自供给电源和无线蓝牙组成。6.如权利要求5所述的基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置，其特征在于：所述柔性电子线埋入树脂呼吸面罩带(4)中，两头分别与信号接口(13)和无线蓝牙式电信号处理集成器(2)相连。7.根据权利要求6所述的基于压电可穿戴人体运动呼吸监测装置，其特征在于：所述芯片由信号采集模块、电路放大模块、滤波降噪模块、ADC模块、信号处理模块和存储处理模块组成。8.一种基于压电可穿戴人体运动呼吸监测方法，其特征在于：包括人体呼吸量与薄膜流致激振能量谱之间传感标定算法和呼吸频率检测方法。9.如权利要求8所述的基于压电可穿戴人体运动呼吸监测方法，其特征在于：所述人体呼吸量与薄膜流致...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡捷，姚新科，付心诠，胡建俊，熊春香，
申请(专利权)人：胡捷，
类型：发明
国别省市：江苏,32