CN107212505A - 带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋 - Google Patents

Abstract

一种带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋，包括若干设置在其中一只鞋内的传感单元，传感单元包括通过双面胶粘结的一对PET层、分别设置在各PET层上的银浆层、覆盖银浆层的接触碳浆层，接触碳浆层之间设有中空结构，碳浆层上设有间隔碳浆层，其技术要点是：所述间隔碳浆层上设有网格，银浆层上设有若干磁感线圈并与整流模块和电源模块连接，另一只鞋内设有若干磁场线切割磁感线圈的磁条。其具有结构合理、压感数据输出精度高、造价低、使用寿命长、适用范围广等优点。

Description

带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋

技术领域

本发明涉及薄膜开关传感器领域，具体说是一种带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋。

背景技术

现有的薄膜开关产品大多数属于单一的电阻值输出类型，即当压力达到最低值时薄膜开关的电阻由断开（电阻无穷大）到接通（产生一定的电阻值），电阻值不会随着压力的增加而改变或者改变量很小。而将这类薄膜开关应用到传感器领域，该传感器输出的基本是单一的通&断信号，无法实现对于不同压力需要与其相对应的电阻值输出，即实现真正意义的压感数据的输出。例如，跑动科技公司于2016年6月推出的智能跑步鞋垫，虽然把传感器的传感单元设置在脚底主要压力点如五个脚趾和脚跟等处，但是每个传感单元的压感数据输出值单一，无法识别穿戴者是否为同一人。若将上述技术方案用于智能穿戴设备，则功能过于单一。此外，人在跑步时会对鞋底造成极大的瞬时冲击，对于现有的薄膜开关传感器结构而言，该冲击力易造成银浆层的断裂，造成数据不稳定，该产品的使用寿命在一年左右的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋，从根本上解决了上述问题，其具有结构合理、压感数据输出精度高、造价低、使用寿命长、适用范围广等优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：该带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋，包括若干设置在其中一只鞋内的传感单元，传感单元包括通过双面胶粘结的一对PET层、分别设置在各PET层上的银浆层、覆盖银浆层的接触碳浆层，接触碳浆层之间设有中空结构，碳浆层上设有间隔碳浆层，其技术要点是：所述间隔碳浆层上设有网格，银浆层上设有若干磁感线圈并与整流模块和电源模块连接，另一只鞋内设有若干磁场线切割磁感线圈的磁条。

进一步的，所述压力传感器结构分别设置在与脚尖、脚心或/和脚跟对应的位置上。脚尖具体可包括五个区域，即第一跖骨所在区域、第二和第三跖骨头部所在区域、第一跖骨根部所在区域、第三跖骨根部所在区域及第五跖骨根部所在区域；脚心具体是指骰骨所在区域；脚跟具体是指脚跟骨所在区域。

进一步的，所述网格均布在间隔碳浆层上。

进一步的，所述银浆层与PET层之间设有保护碳浆层。

进一步的，所述保护碳浆层或间隔碳浆层由以下原料按照重量百分比制备而成：螺旋碳纤维3~5wt%；导电炭黑18~20wt%；膨胀石墨2~5wt%；二氧化硅1~2wt%；树脂10~25wt%；树脂溶剂42~64wt%；助剂0.2~1wt%；

树脂选自热塑性聚氨酯（TPU）、聚氨酯（PU）或天然乳胶（NR）中的一种以上；

树脂溶剂选自二甲基甲酰胺、环己酮、丁酮、二价酸酯、醋酸正丙酯或水的一种以上；

助剂选自分散剂0.2~0.3wt%或流平泡剂0.2~0.3wt%的一种以上；分散剂选自线性烷基酰胺类或枝型多聚羧酸、月桂酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇单月桂酸酯的一种以上；流平消泡剂选自聚醚改性聚硅氧烷。

进一步的，所述螺旋碳纤维、导电炭黑、膨胀石墨与树脂的重量比为1.2~5.0：4.0~10.0：0.8~5.0：10.0。

本发明还提供了上述间隔碳浆层或保护碳浆层的制备方法，其技术要点是，包括以下步骤：

步骤1）将树脂充分溶解于溶剂中，在转速≥2000rpm搅拌条件下，依次加入二氧化硅，助剂、导电螺旋碳纤维、导电炭黑、膨胀石墨；

步骤2）导电螺旋碳纤维采用通用的催化乙炔热解法制备螺旋碳纤维，然后2000℃石墨化处理；

步骤3）将组分混合均匀后经三辊研磨机研磨至≤60μm，再用球磨机研磨至≤30μm，得到粘度30~50Pa·S的油墨。

本发明的有益效果：而根据足部形状在相应位置设置网格单元，则可根据受力位置的不同、受力位置输出电流、输出总电流以及所对应的时间循环点之间的匹配关系等这些压感数据得到唯一的身份信息，从而可作为身份识别装置的检测端。例如，在脚尖、脚心和脚跟部分别设置带有网格结构的该传感单元，某人在特定时间单元内行走或跑步姿态发生改变，则特定的传感器的特定传感单元位置会受到人脚部周期性施加的作用力，从而特定的传感单元上循环输出电流A1~An、总输出电流I以及时间单元的特定时间点T1~Tn这组数据呈周期性变化，而通过设置匹配函数f（T）=aAn*bI*cTn，则可获得以时间T为横坐标，以f(T)为纵坐标的特征曲线。通过检测传感器不同传感单元位置按时间顺序的循环受力情况，即可获得不同行走姿态对足底受力的影响，从而得到唯一的身份标识。

进一步的，人在走路时，通常是按照脚跟、脚心、脚尖的顺序与地面接触，按照脚跟、脚心、脚尖的顺序离开地面以完成一次踏步循环。而根据人体自重、足部大小、腿部肌肉、走路习惯等的差异，会引起足部特定位置对鞋底压力的微妙差异。在奔跑中，除遵循上述规律外，足部对地面的向下冲力、脚掌（脚跟、脚心、脚尖）与鞋底的接触面积均不相同。而采用现有的传感单元，通常只能检测到单一的信号，例如检测在特定时间点与地面接触的足部部位。若想输出多种电流信号，则需设置极大数量的传感单元，由此导致需要复杂的信号接收系统及高昂的制造成本，且由于传感单元最小面积的限制，很难做到精确的信号输出。如图4所示，例如在某一传感单元的左上角施加压力，现有技术中的薄膜开关则以左上角为受力中心向边缘扩散，受力中心部的接触碳浆层完全接触，受力中心外缘处的接触碳浆层由内向外接触程度逐渐减小，由此虽然理论上但实际上不会产生根据受力程度而变化的电流信号，而且不能精确确定实际受力大小，由于薄膜弹性的不可克服因素，必然会存在极大误差，无法用于身份识别这一高精度用途。

本发明仅通过在传感单元的接触碳浆层之间设置带有网格结构的间隔碳浆层，在几乎不改变制造成本的前提下，位于网格处的接触碳浆受挤压时变形接触，即可显著减小输出信号的变化区间，提高精度。虽然部分接触碳浆层由于网格的阻隔无法接触，但并不影响该传感单元输出不同的电流信号。此外，通过网格结构间隔碳浆层的设置，网格结构将足部的冲击力分散，从而提高了银浆层和接触碳浆层的韧性。

进一步的，间隔碳浆层的配方中，螺旋碳纤维3~5wt%的用量可有效提升油墨的压弹性。螺旋导电碳纤维和膨胀石墨粉具有良好的压缩回弹性，与导电炭黑、二氧化硅岛链结构一起在高弹性树脂中形成明显的压缩变形效应，这种压缩改变了保护碳浆层内导电网络的致密程度，进而这种碳浆的导电性能具有随着压力值的变化而发生变化的特性。将这种碳浆做成网格等形状的结构介于接触碳浆层之间，一方面可提高接触碳浆层的耐磨、柔韧性能，并使得传感单元的输出电流值随着接触碳浆层受压接触部分的变化而产生不同的输出信号，另一方面具有变压力变电阻的导电特性的间隔碳浆层在受压产生弹性变形的过程中，可以连续性改变间隔碳浆层与接触碳浆层以及接触碳浆层之间的的接触程度，使得传感单元的输出电阻（或电流）值保持连续性地相应改变，即提高了传感器受到不同压力时与其相对应的输出值的精度。

由于银浆层脆性高，在弯折时易断裂。而人在奔跑时，对鞋垫的冲力显著增大，冲击瞬间则可产生极大的瞬时形变量，若采用现有的具有大面积银浆层的薄膜传感器，则极易折断，这显然限制了薄膜开关在该领域的使用。而在银浆层与PET之间设置具有压缩回弹性的保护碳浆层，则可提高显著银浆层的韧性，从而提高其使用寿命，扩大适用范围。具体而言，接触碳浆层与保护碳浆层分别设置在银浆层两侧，并不会影响其正常使用，保护碳浆层位于银浆层与PET层之间，避免银浆层与PET层直接接触。压力传感器收到脚部冲击时，保护碳浆层将冲量吸收，由于其压缩回弹的材料特性而将冲量分散，避免其直接作用于银浆层，由此可显著提高压力传感器的使用寿命。

压力传感器需要设置独立的电源，而可穿戴的智能设备使用频率高，则需要采用可充电电源，使用时仍存在一定的不便。本发明通过在鞋内设置磁感线圈和产生磁感线的永磁磁条，可在人体行走或跑步过程中自行发电，并将电量经过整流模块后存储在电源模块中。一方面，由于压力传感器耗电量较低；另一方面，由于鞋内有无线充电装置，则可保证在无需定期取下电源充电的情况下无限制使用，从而提高了使用的便利性。可在其中一只鞋内设置磁感线圈，在另一只鞋内设置永磁磁条。当然，也可在左右鞋内同时设置磁感线圈和磁条，在不影响使用舒适度的前提下均可。

此外，根据变阻范围广的特点。还可根据不同压力判断人的行为动作，将其应用于VR领域，进一步提升智能设备的逼真效果。

附图说明

图1为本发明的分解结构示意图；

图2为本发明的剖视结构示意图；

图3为本发明的使用状态示意图；

图4为本发明传感单元的工作原理示意图；

图5为本发明传感器的工作原理示意图；

图6为本发明另一种接触碳浆层结构的示意图。

附图标记说明：1 PET层、2保护碳浆层、3银浆层I、4接触碳浆层、5间隔碳浆层、6双面胶带层、7银浆层II、8通孔、9磁条、10磁感线圈、11整流模块、12处理器模块、13电源模块、14传感单元、15RF模块。

具体实施方式

以下结合图1~6，通过具体实施例详细说明本发明的内容。该带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋采用了一种电阻随压力改变的压力传感器，其包括通过双面胶带粘结的一对PET层1、分别设置在各PET层上的银浆层I 3和银浆层II 7、覆盖银浆层的接触碳浆层4，接触碳浆层之间的双面胶带上设有由通孔8形成的中空结构，接触碳浆层4上设有间隔碳浆层5，间隔碳浆层上设有网格结构。优选的，网格均布在间隔碳浆层5上。银浆层I 3或银浆层II 7与PET层1之间设有保护碳浆层2。间隔碳浆层与保护碳浆层采用了相同的原料和方法制备而成，并采用了与现有薄膜开关导电碳浆层（或接触碳浆层）不同的具有回弹特性的碳浆配方，采用该配方制成的碳浆层方阻值范围：50kΩ~1000kΩ/sq。

如图2所示，接触碳浆层由于未采用具有明显回弹特性的组分，上、下接触碳浆层4在压力作用下接触时如果没有间隔碳浆层，通常这种情况下如前面的技术背景介绍的，只能达到薄膜开关产品基本的单一的电阻值输出技术效果，即当压力达到最低值时薄膜开关的电阻由断开（电阻无穷大）到接通（产生一定的电阻值），电阻值不会随着压力的增加而改变或者改变量很小。由于带有网格结构的间隔碳浆层为接触碳浆层提供了弹性保护作用，一方面增加了上、下接触碳浆层面之间的耐磨损性能，即防止接触层直接接触长时间受力逐渐磨损导致接触电阻不稳定，影响压感数据的检测精度；另一方面，由于间隔碳浆层的网格结构及其弹性特性，使得传感器单元受压接通后，随着压力的增加，接触碳浆层（如图4所示）透过网格的接触面积（模块）也相应增加，产生的电阻值也相应变化，即随着压力的增加，电阻值也对应发生变化，产生变压力变电阻输出的技术效果。而且由于间隔碳浆层本身非绝缘具有较高的方阻值，介于绝缘和一般接触碳浆之间，它与接触碳浆层共同构成导电碳浆层，增加了不同压力范围的电阻输出，使得带有网格结构的间隔碳浆层的这种传感单元的反应更为灵敏。另外，由于采用了具有回弹特性的保护碳浆层和间隔碳浆层，提高了压力传感器的整体韧性，进一步延长了银浆层和接触碳浆层的使用寿命。

具有压缩回弹性的保护碳浆层由以下原料按照重量百分比制备而成：螺旋碳纤维3~5wt%；导电炭黑18~20wt%；膨胀石墨2~5wt%；二氧化硅1~2wt%；树脂10~25wt%；树脂溶剂42~64wt%；助剂0.2~1wt%；

树脂选自热塑性聚氨酯（TPU）、聚氨酯（PU）或天然乳胶（NR）中的一种以上。

其中，螺旋导电碳纤维采用通用的催化乙炔热解法制备的螺旋碳纤维，然后进行2000℃石墨化处理，使得螺旋碳纤维电导率得以提升，螺旋碳纳纤维3～5%的用量可有效提升油墨的压弹性。导电炭黑优选电阻率≤2Ω·m，如荷兰AKZO（阿克苏. 诺贝尔）公司的科琴黑 Ketjenblack EC300J、600JD型、德国Degussa公司的Printex XE-2B及美国Cabot公司的BP2000（Black Pearls 2000）等。导电炭黑的质量百分比太低油墨电阻会偏高，比例太高会导致油墨附着力下降，18wt%~20wt%比例相对更加合适。3wt%～4wt%的膨胀石墨粉为市售高膨胀率石墨经高速气磨粉碎机粉碎至约40μm后的粉体，用于协调油墨的压弹性和电阻，采用该配比可优化油墨的变阻性。二氧化硅为粒度≤10μm的气相二氧化硅。树脂可选用10wt%~25wt%的高弹性的热塑性聚氨酯（TPU）、聚氨酯（PU）或天然乳胶（NR）中的一种以上，该范围匹配其它物料的配比后，过网性和墨性最佳。树脂溶剂选自二甲基甲酰胺、环己酮、丁酮、二价酸酯、醋酸正丙酯或水的一种以上。助剂选自分散剂0.2~0.3wt%或流平泡剂0.2~0.3wt%的一种以上，该配比范围可保证良好的消泡和流平性。分散剂选自线性烷基酰胺类或枝型多聚羧酸、月桂酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇单月桂酸酯的一种以上。流平消泡剂选自聚醚改性聚硅氧烷。

优选的，螺旋碳纤维、导电炭黑、膨胀石墨与树脂的重量比为1.2~5.0：4.0~10.0：0.8~5.0：10.0。

上述保护碳浆层可采用下述方法制备：

步骤1）将树脂充分溶解于溶剂中，在转速≥2000rpm搅拌条件下，依次加入二氧化硅，助剂、导电螺旋碳纤维、导电炭黑、膨胀石墨；

步骤2）导电螺旋碳纤维采用通用的催化乙炔热解法制备螺旋碳纤维，然后2000℃石墨化处理；

步骤3）将组分混合均匀后经三辊研磨机研磨至≤60μm，再用球磨机研磨至≤30μm，得到粘度30~50Pa·S的油墨。

将上述压力传感器用于智能穿戴设备，如鞋类制品，可采用以下结构。该智能鞋包括若干设置在其中一只鞋内的压力传感器，压力传感器包括通过双面胶带粘结的一对PET层、分别设置在各PET层上的银浆层、覆盖银浆层的接触碳浆层，接触碳浆层之间的双面胶带设有中空结构，接触碳浆层上设有间隔碳浆层，间隔碳浆层上设有网格结构，银浆层与PET层之间设有保护碳浆层。银浆层上设有若干磁感线圈10，分别与各磁感线圈两端相连的整流模块11，与整流模块串联的电源模块13，电源模块13与各传感单元14并联，同时电源模块与RF模块15和处理器模块12串联。另一只鞋内设有若干磁场线切割磁感线圈的磁条9。为提高使用精度，传感单元分别设置在与脚尖、脚心或/和脚跟对应的位置上。脚尖优选包括五个区域，即第一跖骨所在区域、第二和第三跖骨头部所在区域、第一跖骨根部所在区域、第三跖骨根部所在区域及第五跖骨根部所在区域，脚心优选骰骨所在区域，脚跟优选脚跟骨所在区域。

使用时，由电源模块向处理器模块供电，处理器模块根据时间点向各传感单元输出脉冲电流，由于各传感单元相应时刻接触碳浆层的接触面积不同，所产生的阻值不同，进而生成不同大小的电流信号，该电流信号经过处理器进行压感数据处理后，由RF模块发送至智能设备接收端，如智能手机。

例如，当走路时，不同时刻相应位置的传感单元（以A~G为例，实际使用中，考虑开发成本与生产难度，可适当增减或更换位置）的输出电流如表1所示：

表1

注：t1~t6为第一次脉冲循环，其中t1时刻右脚落地作为支撑部，左脚悬空；t2时刻左脚脚跟与地面接触，其他部位尚未与地面接触；t3时刻脚跟与骰骨同时与地面接触，其他部位尚未与地面接触，但此时脚跟受力明显减小；t4时刻跖骨末端与骰骨同时与地面接触，脚跟向前倾离地，脚尖即将与地面接触，骰骨受力明显减小；t5时刻跖骨前端与末端同时与地面接触，骰骨刚好前倾离地，跖骨末端受力明显减小；t6时刻跖骨末端前倾离地，跖骨前端逐渐前倾离地，左脚完成一次踏步循环。

由于不同穿戴者的走路姿态不同，因此在t1~t6期间所产生的电流Ia~Ig也会存在差异。由此，可分别在t1~t6各时刻分别获得唯一的对应编码值，而将各编码值合并后，即可获得类似于加密代码的特定身份识别编码（代码共八位，分别对应T、A~G，即相当于的在第一位代码T不断时， A~G位具有唯一对应的编码，当全部代码匹配后才程序在继续进行）。此外，即使是同一佩戴者，也有可能在行走速度不同时产生差异，此时则应设定数据采集的起始时间和结束时间，并在该采集区间内多次测量样本，获得趋势线或获得各电流信号的可信区间，从而避免解码数据过于单一导致无法识别的问题。

此外，为进一步提高识别精度，而将两个接触碳浆层之间设置如图6所示的斜面结构，上述身份识别的技术方案在实际应用中，可能会存在下列可能：各传感单元的电流输出仅与接触碳浆层的接触面积有关，因此，即使在传感器上的不同位置，只要接触面积相同仍可输出同样的电流造成误认。为解决该问题，而采用具有斜面结构的接触碳浆层，由于斜面的设置，在接触碳浆层不同的接触位置必定会输出不同的电流信号，从而避免了误认。为方便间隔碳浆层的铺设，通常将其中一个接触碳浆层设为斜面，另一个接触碳浆层设为平面。由于接触碳浆层厚度较小，即使设置斜面也基本不会对传感单元的正常功能产生其他不利影响，但却可有效解决上述问题。图6中并未示出间隔碳浆层等其他结构或部件，本领域技术人员根据本发明的构思应该可以毫无疑义的推断出具有斜面结构的传感器单元的结构。且接触碳浆层之间的间隔距离呈图6所示的非对称式梯度分布，颜色越深接触碳浆层之间的间隙越小，间隙最小值为间隔碳浆层的厚度。

选取时间点t1~tn时，建议采用等间隔取点，一方面便于设计脉冲输出程序，另一方面可使数据采集和识别算法更为简单。当然，也可采用时间间隔不等的取点法，进一步提高身份编码的特异性。

实施例1

先将热塑性聚氨酯树脂25g在40℃搅拌的情况下，充分溶解于环己酮与二甲基甲酰胺1：1的75g溶剂中。然后在3000rpm的高速搅拌下中依次逐步加入2g二氧化硅，0.2g二十烯基十八烷基酰胺、3.5g导电螺旋碳纤维、20g导电炭黑、4g膨胀石墨。在此高速剪切搅拌下运行2h，最后将组分混合均匀后经三辊研磨机研磨至细度低于60μm，再用球磨机研磨至细度低于30μm。

本实施例中，该原料比例下所得油墨的各参数为：粘度45Pa·S、方阻变化为50kΩ~1000kΩ/sq（丝网印刷至PET薄膜上，厚度18μm±1.8μm），膜层硬度80A。

实施例2

先将水性聚氨酯树脂25g常温搅拌的情况下，充分溶解于75g丁酮中。然后在2000rpm的高速搅拌下中依次逐步加入2.5g亲水性二氧化硅，0.2g月桂酸钠、3g导电螺旋碳纤维、18g导电炭黑、4g膨胀石墨。在此高速剪切搅拌下运行1h，最后将组分混合均匀后经三辊研磨机研磨至细度低于60μm，再用球磨机研磨至细度低于30μm。

本实施例中，该原料比例下所得油墨的各参数为：粘度34Pa·S、方阻变化为50kΩ~1000kΩ/sq (丝网印刷至PET薄膜上，厚度15μm±1.5μm)，膜层硬度75A。

实施例3

先将天然乳胶5g和水性聚氨酯20g常温搅拌下，充分混合溶解于75g任意比例混合的二价酸酯与醋酸正丙酯的混合溶液中。然后在2000rpm的高速搅拌下中依次逐步加入1.5g亲水性二氧化硅，0.2g聚乙二醇单月桂酸酯、4g导电螺旋碳纤维、20g导电炭黑、2g膨胀石墨粉。在此高速剪切搅拌下运行1h，最后将组分混合均匀后经三辊研磨机研磨至细度≤60μm，再用球磨机研磨至细度≤30μm。

本实施例中，该原料比例下所得油墨的各参数为：粘度36Pa·S、方阻变化为50kΩ~1000kΩ/sq (丝网印刷至PET薄膜上，厚度12μm±1.2μm)，膜层硬度70A。

Claims (6)

1.一种带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋，包括若干设置在其中一只鞋内的传感单元，传感单元包括通过双面胶粘结的一对PET层、分别设置在各PET层上的银浆层、覆盖银浆层的接触碳浆层，接触碳浆层之间设有中空结构，碳浆层上设有间隔碳浆层，其特征在于：所述间隔碳浆层上设有网格，银浆层上设有若干磁感线圈并与整流模块和电源模块连接，另一只鞋内设有若干磁场线切割磁感线圈的磁条。

2.根据权利要求1所述的带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋，其特征在于：所述传感单元分别设置在与脚尖、脚心或/和脚跟对应的位置上。

3.根据权利要求1或2所述的带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋，其特征在于：所述网格均布在间隔碳浆层上。

4.根据权利要求3所述的带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋，其特征在于：所述银浆层与PET层之间设有保护碳浆层。

5.根据权利要求4所述的带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋，其特征在于，所述保护碳浆层由以下原料按照重量百分比制备而成：螺旋碳纤维3~5wt%；导电炭黑18~20wt%；膨胀石墨2~5wt%；二氧化硅1~2wt%；树脂10~25wt%；树脂溶剂42~64wt%；助剂0.2~1wt%；

树脂选自热塑性聚氨酯（TPU）、聚氨酯（PU）或天然乳胶（NR）中的一种以上；

树脂溶剂选自二甲基甲酰胺、环己酮、丁酮、二价酸酯或醋酸正丙酯的一种以上；

助剂选自分散剂0.2~0.3wt%或流平泡剂0.2~0.3wt%的一种以上；分散剂选自线性烷基酰胺类或枝型多聚羧酸、月桂酸钠、聚乙烯醇、聚乙二醇单月桂酸酯的一种以上；流平消泡剂选自聚醚改性聚硅氧烷。

6.根据权利要求5所述的带有电阻随压力改变的压力传感器的鞋，其特征在于：所述螺旋碳纤维、导电炭黑、膨胀石墨与树脂的重量比为1.2~5.0：4.0~10.0：0.8~5.0：10.0。