CN115804587A - 一种鞋垫式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种鞋垫式压力传感器，包括：电极层设置有多个叉指电极和集成线路，所述集成线路与多个所述叉指电极连接；隔离层位于所述电极层上方；压感层，所述压感层位于所述隔离层上方，所述压感层上设置有多个压感点位，多个所述压感点位与多个所述叉指电极在层面方向一对一的相互对应，用于使所述压感点位与所述叉指电极一对一的力接触；所述电极层和所述压感层之间存在气腔；处理器与所述集成线路连接。压感层中的压感点位和电极层中的叉指电极进行一对一的压力检测，提高采集数据的精确性，且能够采集到单一压感点位受到的压力；处理器用于对采集到的数据进行收集和运算，实时检测压力数据，并通过如热力图、力值图等可视化的方式呈现结果。

Description

一种鞋垫式压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种鞋垫式压力传感器。

背景技术

压力传感器是采集足底压力的关键设备，目前用于足底压力采集的柔性传感器常大多是由电容式或电阻式传感元件集成，以电容式传感单元为基础的压力传感器其灵敏度较低、信号标定和电路设计比较复杂，以电阻式传感单元为基础的压力传感器，大多是由具有多孔或多层蓬松结构的压感层的内部结构发生形变导致阻值变化，释放作用力后传感器的恢复时间长，且不能恢复到初始状态，导致传感器的稳定性差、寿命短，而且，为了在有限的区域内完成多个电阻式传感元件的布局，常以串联或使用多层线路的方式进行集成，串联线路会造成传感元件间的信号干扰。因此，现有技术中的压力传感器均无法精准有效地检测足底压力，无法满足现有检测需求。

发明内容

基于此，有必要针对如何精确有效地检测足底压力问题，提供一种鞋垫式压力传感器，包括：

电极层，所述电极层上设置有叉指电极和集成线路，所述叉指电极的数量为多个，其中，所述集成线路与多个所述叉指电极连接；

隔离层，所述隔离层设置在所述电极层的上层；

压感层，所述压感层设置在所述隔离层的上层，所述压感层上设置有多个压感点位，多个所述压感点位与多个所述叉指电极在层面方向上一对一的相互对齐，用于使所述压感点位与所述叉指电极一对一的力接触；

所述电极层和所述压感层之间存在气腔；

处理器，所述处理器与所述集成线路连接。

在其中一个实施例中，多个所述叉指电极分布在所述电极层上，且每个所述叉指电极均连接有正极导线和负极导线。

在其中一个实施例中，多个所述负极导线汇集到一条汇集导线上，多条所述正极导线和一条所述汇集导线共同构成所述集成线路，所述集成线路为N+1布线方式。

在其中一个实施例中，所述叉指电极由电极材料构成，所述电极层采用丝网印刷技术将电极材料印刷到柔性基底上制备而成。

在其中一个实施例中，所述压感点位由压感材料构成，所述压感层采用丝网印刷技术将压感材料印刷到柔性基底上制备而成。

在其中一个实施例中，所述隔离层上设置有多个安装定位孔，多个所述安装定位孔与多个所述叉指电极在层面方向一对一的相互对应，且所述叉指电极的至少一部分定位安装至所述安装定位孔内。

在其中一个实施例中，所述隔离层上开设有通气口，所述通气口的数量为多个，所述通气口和所述安装定位孔相连。

在其中一个实施例中，所述隔离层、所述压感层和所述电极层中的至少一者由柔性材料制备而成。

在其中一个实施例中，所述电极层、所述隔离层和所述压感层形状和尺寸一致，所述各层面对面贴合在一起。

在其中一个实施例中，数据采集模块，所述数据采集模块与所述集成线路连接；

数据处理模块，所述数据处理模块与所述数据采集模块连接。

上述鞋垫式压力传感器中隔离层的存在，使电极层与压感层之间存在气腔，通气口的设计便于气腔中的空气排出与填充；当释放作用力后，空气的及时填充可使电极层与压感层迅速分开，缩短传感元件的恢复时间，确保样品的稳定性与可重复性；压感层中的压感点位和电极层中的叉指电极在层面方向上一对一互相对应，使得压感点位和叉指电极进行一对一的压力检测，提高了采集数据的精确性，且能够采集到单一压感点位受到的压力；处理器用于对采集到的数据进行收集和运算，使得能够实时检测压力数据，并通过如热力图、力值图之类可视化的方式呈现结果。

附图说明

图1为本发明提供的鞋垫式压力传感器的平面图；

图2为本发明提供的鞋垫式压力传感器的隔离层平面图；

图3为本发明提供的鞋垫式压力传感器的侧视图；

图4为本发明提供的鞋垫式压力传感器的压感点位、安装定位孔、叉指电极结构图；

附图标号：

1-压感点位；

2-正极导线；

3-负极导线；

4-集成线路；

5-安装定位孔；

6-隔离层；

7-通气口；

8-压感层；

9-电极层；

10-叉指电极。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅附图1至附图4，本发明一实施例提供了一种鞋垫式压力传感器，包括：

电极层9，所述电极层9上设置有叉指电极10和集成线路4，所述叉指电极10的数量为多个，其中，所述集成线路4与多个所述叉指电极10连接；

隔离层6，所述隔离层6设置在所述电极层9上层；

压感层8，所述压感层8设置在所述隔离层6上层，所述压感层8上设置有多个压感点位1，多个所述压感点位1与多个所述叉指电极10在层面方向上一对一的相互对齐，用于使所述压感点位1与所述叉指电极10一对一的力接触；

所述电极层9和所述压感层8之间存在气腔；

处理器，所述处理器与所述集成线路4连接。

需要说明的是，电极层9、隔离层6和压感层8的形状和尺寸可以设计为相同或不相同，而且电极层9、隔离层6和压感层8的形状可以根据需求设计为例如圆形、方形、三角形等多种规则形状以及其他不规则形状，在如图1所示的实施例中，为了方便描述，限定电极层9、隔离层6和压感层8的形状为匹配于人体足底的形状进行技术方案的说明，以更佳地匹配于人体站立。

在该实施例中，本发明提供的鞋垫式压力传感器为分层图形式设计，共分为三层，分别是电极层9、隔离层6和压感层8。其中，电极层上设置有多个叉指电极10，多个叉指电极10依据足底受力位置分布。在一优选实施例中，电极层9上设置有20个叉指电极10(线宽为0.35mm，间距为0.75mm，最外圈直径为15.5mm)。可选的，叉指电极10的数量不做限定，可以是按照传感器大小选择不同数量的叉指电极10，选择叉指电极10的数量越多，对于足底压力的检测更加精准。电极层9上设置有集成线路4，集成线路4和电极层9上每一个叉指电极10相连接，叉指电极10和压感点位1接触之后产生的压力信息通过连接在每一个叉指电极10上的集成线路4传输。

在该实施例中，多个所述压感点位1与多个所述叉指电极10的层面方向是指电极层、隔离层、压感层的层叠方向。多个所述压感点位1与多个所述叉指电极10在层面方向上一对一的相互对齐，且是指在层面方向上，多个所述压感点位1与多个所述叉指电极10的投影能够相互重叠。

在该实施例中，隔离层6设置在压感层8和电极层9的中间，由于设置有隔离层6，电极层9和压感层8中间会形成气腔，气腔的形状与隔离层6上的安装定位孔5的形状和尺寸相同，在电极层9和压感层8接触时，气腔受到挤压变小消失，在电极层9和压感层8分离时，气腔失去挤压作用力，重新恢复初始形状。电极层9和压感层8在每一次接触和分开的过程中，会有空气填充和排除，通气口的存在使得空气的排出和填充更加方便；空气在气腔中及时排出，可以使得压感层8和电极层9在受到压力之后更加迅速地接触，同时也避免了空气在电极层9和压感层8接触过程中，对压力的检测造成影响，导致误差；当释放作用力后，空气的及时填充可使电极层9与压感层8迅速分开，缩短传感元件的恢复时间，确保样品的稳定性与可重复性。

在该实施例中，电极层9上的集成线路4连接在处理器上，处理器的存在使得鞋垫式压力传感器检测出来的压力数据被采集、分析、运算，最终以可视化的方式呈现出来。

在该实施例中，鞋垫式压力传感器的检测范围可通过调整传感器中压感层8压感点位1的阻值、叉指电极10的图形设计、隔离层6的厚度进行调控，可满足不同的应用群体。

在其中一个实施例中，多个所述叉指电极10分布在所述电极层9上，且每个所述叉指电极10均连接有，正极导线2和负极导线3。

在该实施例中，每一个叉指电极10上都设置有两条导线分别引出，其中一条导线为正极，另外一条导线为负极。受到压力作用后，压感层8的压感点位1和叉指电极10互相接触，根据压感点位1上的阻值以及压感点位1和叉指电极10接触的面积，在叉指电极10上会形成不同大小的电流，电流附带有该叉指电极10所处位置受到的压力信息，通过正极和负极导线3，将压力信息传输出去。

在其中一个实施例中，多个所述正极导线2每一根都单独引出，所述负极导线3汇集到一条线路上，构成汇集导线，多个所述正极导线2和一个汇集导线共同构成所述集成线路4，这种形成构成的所述集成线路4为N+1布线方式。

在该实施例中，电极层9上设置有多条导线构成集成线路4，其中，每一个叉指电极10上引出的正极导线2单独引出，每一个叉指电极10上引出的负极导线3共用一条导线，整个集成线路4中，包括N(N为叉指电极10数量)条正极导线2和1条负极导线3，共同构成了N+1布线式线路。其中负极导线3的线路限定为1条，所有叉指电极10的负极导线3共用一条，可选的，其中正极导线2的线路数量不做限定，可以是和叉指电极10数量相等的任何数量。

在一优选实施例中，电极层9上叉指电极10的数量为20个，20个叉指电极10引出的正极导线2为20条，负极导线3共用一条线路，一共引出21条导线分布在电极层9上。

在该实施例中，集成线路4采用N+1的布线方式在有限的区域内能有效减少导线数量，增加叉指电极10的数量，且叉指电极10之间不会产生信号干扰，提高采集数据的精确性。

在其中一个实施例中，所述叉指电极10由电极材料构成，所述电极层9采用丝网印刷技术将电极材料印刷到柔性基底上制备而成。

在该实施例中，叉指电极10由电极材料制备，可选的，电极材料的选择不做限定，可以是满足叉指电极10工作条件的任何电极材料，比如：导电银浆或碳浆等。

在该实施例中，电极层9由电极材料采用丝网印刷技术印到柔性基底上完成制备，丝网印刷是指用丝网作为版基，并通过感光制版方法，制成带有图文的丝网印版。其工作原理为：丝网印刷由五大要素构成，即丝网印版、刮印刮板、油墨、印刷台以及承印物。丝网印刷基本原理是：利用丝网印版图文部分网孔透油墨，非图文部分网孔不透墨的基本原理进行印刷。印刷时在丝网印版一端上倒入油墨，用刮印刮板在丝网印版上的油墨部位施加一定压力，同时朝丝网印版另一端移动。油墨在移动中被刮板从图文部分的网孔中挤压到承印物上。由于油墨的粘性作用而使印迹固着在一定范围之内，印刷过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触，接触线随刮板移动而移动，由于丝网印版与承印物之间保持一定的间隙，使得印刷时的丝网印版通过自身的张力而产生对刮板的反作用力，这个反作用力称为回弹力。由于回弹力的作用，使丝网印版与承印物只呈移动式线接触，而丝网印版其它部分与承印物为脱离状态。使油墨与丝网发生断裂运动，保证了印刷尺寸精度和避免蹭脏承印物。当刮板刮过整个版面后抬起，同时丝网印版也抬起，并将油墨轻刮回初始位置。至此为一个印刷行程。丝网印刷具有以下优点：(1)不受承印物大小和形状的限制。(2)版面柔软印压小。(3)墨层覆盖力强。(4)适用于各种类型的油墨。(5)耐旋光性能强(6)印刷方式灵活多样。(7)制版方便、价格便宜、技术易于掌握。(8)附着力强。(9)可纯手工丝印，也可机印。(10)适于长期展示，在室外的广告富有表现力。采用丝网印刷技术印制叉指电极10，便于检测点位及数量根据应用需求灵活调整。

在其中一个实施例中，所述压感点位1由压感材料构成，所述压感层8采用丝网印刷技术将压感材料印刷到柔性基底上制备而成。

在该实施例中，所述压感点位1有压感材料制备，可选的，压感材料的选择不做限定，可以是符合压感点位1制备要求的任何材料，比如石墨烯复合材料。

在该实施例中，压感材料的选择直接影响到压感点位1的阻值，通过选择不同的压感材料，可以调整压感点位1的阻值，进而调整鞋垫式压力传感器的检测范围。

在该实施例中，压感点位1是压感材料通过丝网印刷技术印刷在压感层8上的，其中压感点位1的形状和尺寸直接影响到压感点位1的阻值，通过控制制备压感点位1时压感点位1的大小，可以调整压感点位1的阻值，进而调整鞋垫式压力传感器的检测范围。

在其中一个实施例中，所述隔离层6上设置有多个安装定位孔5，多个所述安装定位孔5与多个所述叉指电极10在层面方向一对一的相互对应，且所述叉指电极10的至少一部分嵌入到所述安装定位孔5内。

在该实施例中，隔离层6上设置有多个安装定位孔5，并且安装定位孔5和叉指电极10在层面方向一对一互相对应，使得在鞋垫式压力传感器工作时，压感点位1受到压力作用，压感点位1通过安装定位孔5直接和叉指电极10接触，进而改变流过叉指电极10的电流大小，接收到的压力信息转化为电流信息传输出去。

在该实施例中，隔离层6的厚度直接影响到鞋垫式压力传感器所能检测到的压力值范围，其中，隔离层6的厚度越厚，鞋垫式压力传感器能够检测到的压力值越高，隔离层6的厚度越薄，能够检测到的压力值越低。可选的隔离层6的厚度不做限定，可以是在一定范围内的任何厚度。

在其中一个实施例中，所述隔离层6上开设有通气口7，所述通气口7的数量为多个，所述通气口7和所述安装定位孔5相连。

在该实施例中，隔离层6上设置有通气口7，且通气口7和安装定位孔5相连；在鞋垫式压力传感器受到压力作用时，压感层8和电极层9在压力的作用下相互挤压，其中压感层8上的压感点位1和电极层9上的叉指电极10通过隔离层6上的安装定位孔5相互接触，在作用力消失后，压感层8和电极层9相互远离，在这个过程中，压感点位1和叉指电极10在互相接触时，所对应安装定位孔5中的空气通过与其相连的通气口7排出，使得压感点位1和叉指电极10顺利贴合在一起；压感点位1和叉指电极10互相远离时，所对应安装定位孔5中的空气通过与其相连的通气口7填充，使得压感点位1和叉指电极10顺利分离；空气的及时填充可使电极层9与压感层8迅速分开，缩短传感元件的恢复时间，确保样品的稳定性与可重复性。

在其中一个实施例中，所述隔离层6、所述压感层8和所述电极层9中的至少一者由柔性材料制备而成。

在该实施例中，压感层8和电极层9是由柔性材料制备而成，可选的，制备压感层8和电极层9的柔性材料不做限定，可以是满足压感层8和电极层9制备需求的任何柔性材料，比如PET膜、PI膜。可选的，制备隔离层6的柔性材料不做限定，可以是满足隔离层6制备需求的任何柔性材料，比如覆胶PET、双面胶、热熔胶膜等。

在该实施例中，鞋垫式压力传感器的三层结构：隔离层6、压感层8和电极层9均采用柔性材质，具有良好耐弯折性，弯折次数高达10万次以上，使得本发明提供的鞋垫式压力传感器具有良好的耐用性。

在其中一个实施例中，

所述电极层9、所述隔离层6和所述压感层8形状和尺寸一致，所述各层面对面贴合在一起。

在该实施例中，电极层9面对面贴合在隔离层6的下表面，压感层8面对面贴合在隔离层6的上表面，压感层8、隔离层6和电极层9形成了三层式结构，在制备过程中，采用激光切割技术完成隔离层6的制备，压感层8和电极层9依据隔离层6的尺寸和形状进行制备。

在其中一个实施例中，处理器包括：

数据采集模块，所述数据采集模块与所述集成线路4连接；

数据处理模块，所述数据处理模块与所述数据采集模块连接。

在该实施例中，处理器分为数据采集模块和数据处理模块，处理器和电极层9的集成线路4相连接，电极层9上叉指电极10和压感层8的压感点位1共用作用下检测出所受压力，并将压力信息通过集成线路4传输给处理器。其中，数据采集模块负责将集成线路4中传输过来的数据进行采集，并且将采集完成的数据传输至数据处理模块；数据处理模块依据数据采集模块传输而来的数据，对数据进行处理，将处理完成之后的数据采用热力图、力值图等方式呈现出来。

在该实施例中，处理器的类别不做限定，可选的，可以是能够和集成线路4连接，并且对集成线路4传输的数据进行采集处理的任何处理器，比如：外置控制单元等。

本发明提供了一种鞋垫式压力传感器，有以下有益效果：

(1)鞋垫式压力传感器由印刷技术制备，便于检测点位及数量根据应用需求灵活调整，且传感器的三层结构均采用柔性材质，具有良好耐弯折性，弯折次数高达10万次以上。

(2)鞋垫式压力传感器中隔离层6的存在，使电极层9与压感层8之间存在气腔，通气口设计便于气腔中的空气排出与填充；当释放作用力后，空气的及时填充可使电极层9与压感层8迅速分开，缩短传感元件的恢复时间，确保样品的稳定性与可重复性。

(3)鞋垫式压力传感器的检测范围可通过调整传感器中压感层8阻值、叉指电极10的图形设计、隔离层6的厚度进行调控，可满足不同的应用群体。

(4)传感元件的集成采用N+1的布线方式在有限的区域内能有效减少电极数量，增加传感元件的数量，且传感元件之间不会产生信号干扰，提高采集数据的精确性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种鞋垫式压力传感器，其特征在于，包括：

电极层，所述电极层上设置有叉指电极和集成线路，所述叉指电极的数量为多个，其中，所述集成线路与多个所述叉指电极连接；

隔离层，所述隔离层设置在所述电极层的上层；

压感层，所述压感层设置在所述隔离层的上层，所述压感层上设置有多个压感点位，多个所述压感点位与多个所述叉指电极在层面方向上一对一的相互对齐，用于使所述压感点位与所述叉指电极一对一的力接触；

所述电极层和所述压感层之间存在气腔；

处理器，所述处理器与所述集成线路连接。

2.根据权利要求1所述的鞋垫式压力传感器，其特征在于，

多个所述叉指电极分布在所述电极层上，且每个所述叉指电极均连接有正极导线和负极导线。

3.根据权利要求2所述的鞋垫式压力传感器，其特征在于，

多个所述负极导线汇集到一条汇集导线上，多条所述正极导线和一条所述汇集导线共同构成所述集成线路。

4.根据权利要求1所述的鞋垫式压力传感器，其特征在于，

所述叉指电极由电极材料构成，所述电极层采用丝网印刷技术将电极材料印刷到柔性基底上制备而成。

5.根据权利要求1所述的鞋垫式压力传感器，其特征在于，

所述压感点位由压感材料构成，所述压感层采用丝网印刷技术将压感材料印刷到柔性基底上制备而成。

6.根据权利要求1所述的鞋垫式压力传感器，其特征在于，

所述隔离层上设置有多个安装定位孔，多个所述安装定位孔与多个所述叉指电极在层面方向一对一的相互对应，且所述叉指电极的至少一部分定位安装至所述安装定位孔内。

7.根据权利要求6所述的鞋垫式压力传感器，其特征在于，

所述隔离层上开设有通气口，所述通气口的数量为多个，所述通气口和所述安装定位孔相连。

8.根据权利要求7所述的鞋垫式压力传感器，其特征在于，

所述隔离层、所述压感层和所述电极层中的至少一者由柔性材料制备而成。

9.根据权利要求1所述的鞋垫式压力传感器，其特征在于，

所述电极层、所述隔离层和所述压感层的形状和尺寸相同，所述电极层、所述隔离层和所述压感层沿着层面方向贴合在一起。

10.根据权利要求1所述的鞋垫式压力传感器，其特征在于，所述处理器包括：

数据采集模块，所述数据采集模块与所述集成线路连接；

数据处理模块，所述数据处理模块与所述数据采集模块连接。

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