软电容式压力传感器制造技术

本文描述了用于连续可穿戴健康监测应用的软电容式压力传感器。弹性基底上的起皱金薄膜用作坚固的平行板电极，与聚合物形成坚固的结合，允许重复的法向力使薄膜变形而不会失效。通过结合支撑反电极的微脊结构以在弹性介电层内形成空腔，压力灵敏度进一步提高。压力传感器被配置成测量人体生理信号，例如从皮肤表面的桡动脉脉搏施加的压力。传感器检测到的桡动脉压力可以与动脉血压相关联。使用神经网络校准所述压力传感器可以确定绝对血压。络校准所述压力传感器可以确定绝对血压。络校准所述压力传感器可以确定绝对血压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】软电容式压力传感器
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求2018年11月08日提交的申请号为62/757,329的美国临时申请和2019年7月17日提交的申请号为62/875,418的美国临时申请的权益，其说明书通过引用整体并入本文。


[0002]本专利技术涉及用于血压读取的医疗设备。更具体地，本专利技术涉及用于连续可穿戴健康监测应用的基于柔性和可拉伸电容的压力传感器。此外，本专利技术还涉及用于连续压力读数的压力传感器的神经网络的校准。

技术介绍

[0003]动脉脉搏包含大量的心血管信息，包括已经被临床上用于定量评估和监测心血管疾病以及一般健康状况的收缩压和舒张压。使用无创血压(NIBP)监测工具，可以在身体的许多不同部位测量这些动脉脉搏，如肱动脉和桡动脉。研究表明，每天监测血压波动可以提供有关心血管健康的洞察。因此，需要持续监测血压以更好地了解血压波动及其对心血管健康的影响。
[0004]使用可充气的肱臂袖带的示波法测量已广泛应用于临床，但是是间歇性的，并且仅在大约30
‑
40秒的持续时间内提供一个收缩压和舒张压值。另外，连续监测逐搏血压需要检测和分析外周动脉的每个心搏周期。容积钳夹指套法是一种能够测量逐搏血压的方法，但是目前尚不具备能够进行动态监测的形状因子(form factor)。
[0005]动脉压平张力测量法是另一种NIBP方法，其使用压力传感器，通常是手持式探头，来局部压扁(压平)动脉。随后，通过调节动脉压平度来测量动脉压。压平张力测量法在很大程度上取决于操作者是否将压力传感器始终放置在动脉上以测量脉搏压力，这对于动态连续监测是不适用的。较新的替代方法使用软传感器，能够改善与人体贴合性。适形性改善了传感器与身体之间的耦合，从而可以更精确地测量动脉脉搏。然而，当前报道的软传感器测量两点之间的脉搏传播时间，这是使用理论模型而不是根据脉搏压力波形的幅度变化来计算逐搏血压的一种方法。此外，需要开发一种高度灵敏的压力传感器可以检测较小的压力(<5kPa；近似于健康受试者的桡动脉脉搏在皮肤表面施加的压力)，并且具有较高的响应时间(～100ms；桡动脉脉搏波形中舒张和收缩点之间的近似时间)。
[0006]电容式压力传感器由于其简单的设备设计，快速的响应时间，相对较低的迟滞以及低功耗要求而备受关注，这些都是软可穿戴电子应用非常需要的。当使用软电介质材料时，介质层的压缩会导致电容增加，其等于：其中，ε
o
是真空的介电常数，ε
r
是介电材料的相对介电常数，A是平行板电极的表面积重叠，d是平行板电极之间的距离。
[0007]电容传感器可以配置为使用多路数据采集工具来“映射”压力。例如，电容式传感器的网格可以在空间上解析表面上的局部压力。电容式传感器的简单布局使其成为检测机械压力的一种有吸引力的方式。然而，当前的电容传感器通常具有低压敏感度(小于或等于约0.5
‑
1kPa
‑1)的特征，由于介电层的小压缩会影响动脉脉搏测量，并且尚未用于长期研究(>30秒)以可靠地检测到桡动脉脉搏。
[0008]先前报道的电容式传感器通常使用坚硬的基底(即，聚乙烯(PET))，这可能会限制其在检测桡动脉脉搏中的应用。例如，PET基底很硬，可能会阻止与人体的适形接触(conformal contact)。同样，坚硬的基底可能会使应力在较大区域上离开原位(delocalize)，从而可能衰减信号。这对于获取可靠的数据以及用于空间分辨率的映射功能可能具有不利影响。另一个限制是用于开发现有电容式传感器的电极的耐用性。这些电极很脆，不能承受较大的弯曲/拉伸/扭转应变。其他先前报道的类似皮肤的电容式压力传感器使用弹性碳纳米管(CNT)导体，支撑在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上，具有低压敏感度，这将使其难以测量动脉脉搏压力。其他类型的电容式压力传感器在介电层中结合了PDMS微金字塔结构以显着改善压力灵敏度，或在微毛PDMS结构中改善与皮肤表面的贴合度，随后放大了动脉脉搏压力测量值。这些传感器已经证明，通过在传感器上施加更多的压力到皮肤中，它们能够在桡动脉脉压波形中实现稍大的变化。然而，这些变化很小，可能表明压力传感器的动态范围不足以进行压平张力测量法。

技术实现思路

[0009]本专利技术的一个目的是提供灵敏的机械压力传感器和制造所述传感器的方法，以测量人体生理信号，如独立权利要求所述的例如从桡动脉脉搏施加到表皮(皮肤)表面上的压力。此外，本文描述了用于连续监测脉动性血流的所述传感器的精确校准。本专利技术的实施例在从属权利要求中给出，并且如果它们不相互排斥，则可以彼此自由组合。
[0010]动脉压平是通过减小压力传感器和动脉之间的弹性阻力(即皮肤)来实现一致的脉压测量的关键组成部分。为了实现动脉压平和一致的脉压测量，需要压力传感器在宽动态范围内具有较高的压力灵敏度。在软电容式压力传感器中实现宽动态范围的一种这样的方法包括使用微脊结构形成气隙。
[0011]在一些方面，本专利技术的特征在于软电容式压力传感器，其结合了褶皱的金属薄膜以开发用于桡动脉张力测量应用的软可拉伸电极。例如，电容式压力传感器可以测量和监测脉动血流。当桡动脉对传感器施加压力时，可以使传感器的平行板靠得更近。薄膜的褶皱结构为薄膜的反复弯曲创造了坚固性。这使得连续的动脉脉压测量在较大的动态范围内具有足够的灵敏度和小于10ms的快速响应时间来捕捉脉压波形的细节。
[0012]当支撑在软弹性基底上时，高度起皱的薄膜对机械应变具有机械稳定性。由于这些电极的柔软性，传感器有可能顺应人体并准确测量来自动脉脉搏的压力。为了增加压力敏感度和动态范围，在介电层中包括微脊结构，以在0
‑
10kPa的宽压力范围内将压力敏感度提高多达5倍。这些微结构提升反电极，以在介电层中形成一个空气腔，从而增加了介电层的可以被压缩的量。实际上，这减小了介电层中的弹性电阻。有效介电常数也会降低由于空气腔的存在(ε
air
＝1)。当介电层被压缩时，有效介电常数随着空气腔体积的减小而增加，从而导致电容变化更大。通过与FDA批准的NIBP监测设备进行比较，证明了使用这些软电容式
压力传感器对逐搏血压进行连续测量。
[0013]在一些实施例中，电容式压力传感器可以包括第一电极层、第二电极层、介电层和一个或多个弹性脊，介电层设置在所述第一电极层上，使得介电层在第一和第二电极层之间，一个或多个弹性脊从所述第二电极层朝向介电层和第一电极层突出。一个或多个弹性脊形成气隙以分离第一电极层和第二电极层。当传感器处于休止状态时，气隙设置在第一电极层和第二电极层之间。气隙起到第二介电层的作用。当传感器被压缩时，第一电极层和第二电极层彼此靠近，从而减小气隙的高度并增加传感器的压力灵敏度和电容。在一个实施例中，第一电极层可以包括弹性体层和设置在弹性体层与介电层之间的导电金属膜。在另一个实施例中，第二电极层可以包括弹性体层和设置在弹性体层上的导电金属膜。在非本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电容式压力传感器(100)，包括：a.第一电极层(110)；b.第二电极层(120)；c.介电层(130)，所述介电层设置在所述第一电极层(110)上，使得所述介电层(130)在所述第一和第二电极层(110、120)之间；和d.一个或多个弹性脊(125),其从所述第二电极层(120)朝向所述介电层(130)和所述第一电极层(110)突出，其中所述一个或多个弹性脊(125)形成气隙(140)以分离所述第一电极层(110)和所述第二电极层(120)；其中，当所述传感器(100)处于休止状态时，所述气隙(140)设置在所述第一电极层(110)和所述第二电极层(120)之间，其中，所述气隙(140)用作第二介电层，其中当所述传感器(100)被压缩时，所述第一电极层(110)和所述第二电极层(120)彼此靠近，从而减小所述气隙的高度并增加所述传感器的压力灵敏度和电容。2.根据权利要求1所述的传感器(100)，其中，所述第一电极层(110)包括弹性体层(112)和设置在所述弹性体层(112)上的导电金属膜(114)，其中，所述导电金属膜(114)位于所述弹性体层(112)和所述介电层(130)之间。3.根据权利要求2所述的传感器(100)，其中，所述第二电极层(120)包括弹性体层(122)和设置在所述弹性体层(122)上的导电金属膜(124)。4.根据权利要求3所述的传感器(100)，其中，所述弹性体层(112、122)包括聚二甲基硅氧烷或聚氨酯。5.根据4所述的传感器(100)，其中，所述导电金属膜(114、124)包括碳纳米管或金，银，铜或铝的起皱的薄膜。6.根据权利要求1所述的传感器(100)，其中，所述介电层(130)包括硅酮弹性体，锆钛酸铅，钛酸钡，聚偏二氟乙烯或氧化锆，二氧化钛或二氧化硅的氧化物。7.根据权利要求1所述的传感器(100)，其中，在0
‑
10kPa之间的压力范围内，所述传感器的压力灵敏度为大约0.1kPa
‑1至大约0.2kPa
‑1。8.根据权利要求1所述的传感器(100)，其中，所述传感器的响应时间小于大约20ms。9.一种监测受试者的血压的方法，所述方法包括：a.提供根据权利要求1所述的电容式压力传感器(100)；b.将所述传感器(100)附接到受试者的手腕的桡动脉处；c.使用所述传感器(100)测量受试者的血压信号，其中桡动脉的脉搏引起所述传感器的压缩，其中所述传感器(100)检测与桡动脉脉搏相对应的血压信号；和d.使用校准模型从测量的信号中确定绝对血压值。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述血压被逐搏监测。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：米歇尔，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：