一种具有两个电极的多区域压敏垫

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，具体涉及一种具有两个电极的多区域压敏垫，用于检测人体在床上的存在、不存在及运动情况。

背景技术

目前，可通过应用程序对被监视用户或患者是否在床上，或者用户或患者是否已起床并离开床，进行监控以实时掌控被监视者的动态。最突出的是照顾老人、照顾儿童和照顾有特殊护理需求或情况的病人。例如，在就寝时间中，老年人迫切需要卧床休息；住院病人卧床时间较长，他们也有相同的下床需求。这些人在就寝期间下床活动，跌倒事故增加，休息时间异常延长而没有移动或不活动，此时，被监护者可能存在危险。因此，有必要提醒护理人员注意任何异常活动和任何异常活动的警报，使护理人员能够对这些安全问题做出快速反应。

用于检测被监视者何时下床的设备有多种，这些设备使用压力开关或压敏传感器垫来测量床上的压力或负载，当测得的压力降到预定义阈值以下时，会触发警报，其有效的逻辑信号在很大程度上取决于传感器电路的有效电阻。此外，随着使用时间的推移，氧化和老化效应会增加传感器电路的电阻，当总电阻达到一个逻辑电平不确定的阈值时，压敏传感器垫的寿命就结束了。而且，目前的多区压敏传感器垫一般由两个以上的电极组成，这种传感器垫的电极数与传感器的分区数成正比，使得这些设备的功耗和总成本随着电极数量的增加而增加。

在提供更准确和可靠的患者是否躺在床上的指示方面，监控领域的从业人员的实质性变化和巨大的努力仍然存在，因此，对改进的压敏传感器垫具有更高的需求。

发明内容

基于此，本发明提供了一种具有两个电极的多区域压敏垫，其仅通过两个电极连接到主机，该中央处理单元根据一个或多个压力传感器区域上的压力的存在或不存在，以及通过对相对可变电阻电路的电压电平的测量，来调整各种异常情况的警报，从而大大延长了多区域压敏垫的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有两个电极的多区域压敏垫，包括第一电极和第二电极，其中：

所述第一电极连接主机的输入端口，所述第二电极连接主机的数字接地返回端口；

所述主机包括至少一个微控制器，所述微控制器连接有第一模数转换模块和第二模数转换模块，由所述第一电极输出到主机的输入端口的电信号分为原始直流信号和交流信号，所述直流信号经所述输入端口馈入所述第一模数转换模块，所述交流信号经输入端口再通过电容器旁路，通过低通滤波器(LPF)滤波，以及通过放大电路放大并馈入第二模数转换模块；

微控制器还存储有开路条件下预设的阈值电压电平和预设的时间间隔；

微控制器通过测量来自所述第一模数转换模块的输出端口的电压值来检测多区域压敏垫上有人体的存在，则该电压值低于开路条件的预设阈值电压电平并且持续预设的时间间隔；

微控制器通过测量来自所述第一模数转换模块的输出端口的电压值来检测多区域压敏垫上没有人体的存在，则该电压值会返回到开路条件的预设阈值电压电平，并持续预设的时间间隔。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述微控制器通过测量来自所述第一模数转换模块的输出端口的低于开路条件的预设阈值电压电平的电压值来检测人体在多区域压敏垫上的移动，同时，测量来自所述第二模数转换模块的输出端口的交流信号的幅度。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述交流信号的幅度与人体在多区域压敏垫上运动的幅度成正比。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述微控制器中内置有校准例程，所述微控制器检测来自所述第一模数转换模块的输出端口的电压值，如果所述电压值在开路条件的预设阈值电压电平之内，则需要进行校准。

作为本发明的进一步优选技术方案，通过运行所述校准例程，利用源自多区域压敏垫的整个电路的电阻的新测量来刷新存储在所述微控制器中的阈值电压电平。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述多区域压敏垫还包括电连接所述第一电极和所述第二电极的多区域的无源压力传感器，所述无源压力传感器为层叠结构，该层叠结构包括顶层、中间层和底层，顶层具有顶部传感器矩阵，中间层为中间柔性绝缘垫片，底层具有底部传感器矩阵，其中，所述顶部传感器矩阵为可变电阻传感器行矩阵，所述底部传感器矩阵为可变电阻传感器列矩阵。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述顶部传感器矩阵和所述底部传感器矩阵均设置在相应层的电路基板上，该电路基板由柔性热塑性薄膜构成，并且所述顶部传感器矩阵和所述底部传感器矩阵的矩阵电路由电迹线、嵌入式电阻器和可变电阻传感器节点组成。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述柔性热塑性薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯片(PET)。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述矩阵电路是通过在所述电路基板上使用均匀的聚合物厚膜(PTF)碳油墨按预设的聚合物厚膜碳迹线图案印刷形成。

作为本发明的进一步优选技术方案，印刷的所述聚合物厚膜碳迹线的特定段的电阻值由其迹线图案的有效长度和总宽度来确定，并且通过在电路基板上印刷连续的聚合物厚膜碳迹线或多条聚合物厚膜碳迹线的组合来制造具有特定电阻值的嵌入式电阻器。

作为本发明的进一步优选技术方案，印刷的所述聚合物厚膜碳迹线的特定段的电阻遵循以下公式：

Rt＝Rs(L/W)

其中：

Rt是特定段的电阻，单位为[Ω]；

Rs是薄层电阻率，单位[Q/mm

L是长度，单位为[mm]；

W是宽度，单位为[mm]。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述聚合物厚膜碳迹线的印刷图案的两端作为所述嵌入式电阻器的端子，所述嵌入式电阻器通过其端子连接于由印刷的聚合物厚膜碳迹线所形成电路中。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述可变电阻传感器节点由一一对应的位于顶层上的顶部接触垫和位于底层上的底部接触垫组成，所述顶部接触垫和所述底部接触垫采用相同、均匀的聚合物厚膜碳油墨刷而制成；中间柔性绝缘垫片上设有与每个所述可变电阻传感器节点相对应的开口，当于开口区域施加重量或压力时到顶层上时，相应开口允许顶部接触垫进入并与底部接触垫电接触以实现开关功能。

作为本发明的进一步优选技术方案，每个所述可变电阻传感器节点的电阻有效值与顶部接触垫和底部接触垫之间的物理接触面积成反比。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述主机中，在所述第一模数转换模块和数字地之间的电路处于开路的条件下，在主机的硬件电路中定义开路电压电平，所述硬件电路具有上拉电阻器，所述第一模数转换模块的输入端与所述上拉电阻器连接。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述微控制器通过监视来自所述第一模数转换模块的输入端所测量的电压电平的一致性来滤除噪声信号，并忽略开路状态下的预设阈值电压电平波动的信号。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述微控制器通过测量来自第二模数转换模块输出的交流信号的幅度来检测人在多区域压敏垫上的移动，并且交流信号分量来自每个可变电阻传感器节点的电阻的变化。

作为本发明的进一步优选技术方案，当所述传感器节点中的任何一个或多个电接触时，所述无源压力传感器的电路等效于可变电阻器。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述可变电阻器与所述上拉电阻器组成等效分压电路，等效分压电路跨接于第一电极与第二电极之间，当无源压力传感器连接到微控制器时，第一电极和第二电极之间的电压由下式导出：

V(sensor)＝Vcc(R(sensormat)/(R(pull-up)+R(sensormat)))

其中：

V(sensor)为多区域压敏垫的第一电极以第二电极为公共端输入到第一模数转换模块的电压；

Vcc为主机提供的电源，上拉电阻器的一端与此电源相连；

R(pull-up)为上拉电阻器的电阻；

R(sensor mat)为多区域压敏垫的第一电极与第二电极之间的电阻。

本发明的具有两个电极的多区域压敏垫，通过上述技术方案，可以达到如下有益效果：

1)普通的多区域压敏传感器垫的电极数量大于两个，这种类型的传感器垫的电极数量与传感器节点的数量成正比，这些传感器垫的功耗和总成本随着电极数量的增加而增加。本发明仅使用两个电极(第一电极和第二电机)来连接到主机的微控制器的两个高阻抗输入端口，有了这两个电极，它可以在一个多区域压敏传感器垫中设置方多达36个单独的传感器区域(传感器节点)，使得硬件结构简单，组装方面大大减少了成本，而且功耗低；

2)多区域压敏传感器垫通过测量每个传感器节点的逻辑电平来检测患者的运动，此方法要求将权重从传感器节点上完全删除，以便可以声明有效地逻辑级别。本发明实现了次级交流信号路径，其可以从基本模拟信号中提取交流分量，并且将交流信号放大到主机的微控制器，使得其够检测到轻微运动的水平；

3)每个可变电阻传感器节点上的移动会改变该传感器节点的有效电阻，因此会生成小的交流信号，该信号会在基本模拟信号上进行调制，从而可检测患者的轻微活动，它有助于系统跟踪患者的健康状况，例如睡眠质量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明具有两个电极的多区域压敏垫与主机通讯连接提供的一实例的结构示意图；

图2本发明具有两个电极的多区域压敏垫的电路图；

图3为组成顶部传感器矩阵的可变电阻传感器行矩阵的局部电路图；

图4为组成底部传感器矩阵的可变电阻传感器列矩阵的局部电路图。

图中：Electrode A、第一电极，Electrode B、第二电机，MCU、微控制器，ADC_A、第一模数转换模块，ADC_B、第二模数转换模块，1、嵌入式电阻器，2、可变电阻传感器节点。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1至图4所示，本发明公开了一种具有两个电极的多区域压敏垫，包括第一电极、第二电极，以及电连接第一电极和第二电极的无源压力传感器，所述第一电极连接主机的输入端口，所述第二电极连接主机的数字接地返回端口，该中央处理单元根据一个或多个位于压力传感器区域的无源压力传感器上是否存在压力来发出各种异常情况的警报。

所述无源压力传感器为层叠结构，该层叠结构包括顶层、中间层和底层三个功能层，顶层具有顶部传感器矩阵，中间层为中间柔性绝缘垫片，底层具有底部传感器矩阵，其中，所述顶部传感器矩阵为可变电阻传感器行矩阵，所述底部传感器矩阵为可变电阻传感器列矩阵。实际应用中，三个功能层的无源压力传感器封装在柔软、灵活且防水的小袋中。

所述顶部传感器矩阵和所述底部传感器矩阵均设置在相应层的电路基板上，该电路基板由柔性热塑性薄膜构成。在一实施例中，所述柔性热塑性薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯片(PET)，但不限于此。

所述顶部传感器矩阵和所述底部传感器矩阵的矩阵电路由电迹线、嵌入式电阻器和可变电阻传感器节点组成。所述矩阵电路是通过在所述电路基板上使用均匀的聚合物厚膜(PTF)碳油墨按预设的聚合物厚膜碳迹线图案印刷形成，即电迹线、嵌入式电阻器和可变电阻传感器节点为印刷在电路基板上具有导电功能的聚合物厚膜碳迹线图案。

印刷的所述聚合物厚膜碳迹线的特定段的电阻值由其迹线图案的有效长度和总宽度来确定，并且通过在电路基板上印刷连续的聚合物厚膜碳迹线或多条聚合物厚膜碳迹线的组合来制造具有特定电阻值的嵌入式电阻器。

无源压力传感器具有多个传感器节点，每个传感器节点对应一个压力检测区域，每个传感器节点的电阻值在100欧姆到30K欧姆的范围内，整个无源压力传感器电路的电阻值在1.5K欧到500K欧之间。印刷的所述聚合物厚膜碳迹线的特定段的电阻遵循以下公式：

Rt＝Rs(L/W)

其中：

Rt是特定段的电阻，单位为[Ω]；

Rs是薄层电阻率，单位[Ω/mm

L是长度，单位为[mm]；

W是宽度，单位为[mm]。

所述聚合物厚膜碳迹线的印刷图案的两端作为所述嵌入式电阻器的端子，所述嵌入式电阻器通过其端子连接于由印刷的聚合物厚膜碳迹线所形成电路中。

所述可变电阻传感器节点由一一对应的位于顶层上的顶部接触垫和位于底层上的底部接触垫组成，所述顶部接触垫和所述底部接触垫采用相同、均匀的聚合物厚膜碳油墨刷而制成；中间柔性绝缘垫片上设有与每个所述可变电阻传感器节点相对应的开口，当于开口区域施加重量或压力时到顶层上时，相应开口允许顶部接触垫进入并与底部接触垫电接触以实现开关功能。

每个所述可变电阻传感器节点的电阻有效值与顶部接触垫和底部接触垫之间的物理接触面积成反比。多区域压敏垫上的物理接触区域与传感器节点被人体部分覆盖的部分成正比，因此，每个传感器节点的电阻有效值与被人体部位覆盖的部分成反比。

主机包括至少一个微控制器(以下简称MCU)，该MCU可以通过本地或公共WiFi网络连接到Internet服务通过本地或公共WiFi网络，以及可以通过本地蓝牙网络连接本地护理人员的附加无线控制器。

图1表示具有两个电极的多区域压敏垫的等效电路，所述第一电极连接主机的输入端口，所述第二电极连接主机的数字接地返回端口。

在中央处理单元中，所述微控制器连接有第一模数转换模块和第二模数转换模块，由所述第一电极输出到主机的输入端口的电信号分为原始直流信号和交流信号，所述直流信号经所述输入端口馈入所述第一模数转换模块，所述交流信号经输入端口再通过电容器旁路，通过低通滤波器(LPF)滤波，以及通过放大电路放大并馈入第二模数转换模块；微控制器还存储有开路条件下预设的阈值电压电平和预设的时间间隔；

所述主机中，在所述第一模数转换模块和数字地之间的电路处于开路的条件下，在主机的硬件电路中定义开路电压电平，所述硬件电路具有上拉电阻器，所述第一模数转换模块的输入端与所述上拉电阻器连接。

微控制器通过测量第一模数转换模块输出的电压电平来检测人的存在，任何低于开路条件的预设的阈值电压电平，且持续预设的时间间隔，代表多区域压敏垫上有人体的存在。

在所述第一模数转换模块和数字地之间的电路处于开路的条件下，在主机的硬件电路中定义开路电压电平，所述硬件电路具有上拉电阻器，所述第一模数转换模块的输入端通过所述上拉电阻器连接到硬件电路提供的电源。开路电压通常设置为电源电压的95％。在制造过程中的校准例行程序期间，该开路电压的值被记录在微控制器的非易失性存储器位置中。此外，开路条件的阈值被定义为开路电压值的90％，该校准阈值被登记在微控制器的非易失性存储器中的特定位置。微控制器通过检测第一模数转换模块输出的电压电平恢复到预设开路电压电平或高于预设开路电压电平，并且电压电平保持预设的时间间隔来判断是否有人，确定是否有人的预设时间间隔是以毫秒为单位的预定义值。微控制器通过监测输入第一模数转换模块的电压电平的一致性来滤除噪声信号，且开路条件的预设阈值波动的信号将被忽略。

微控制器通过测量来自第二模数转换模块输出的交流信号的幅度来检测人在床上的运动，交流信号分量来自每个传感器节点的电阻变化。

当任何一个或多个传感器节点电接触时，如上所述的无源压力传感器的电路等效于单个可变电阻器。图2描绘了一个等效分压器电路，该等效分压器电路由所述可变电阻器与所述上拉电阻器组成，等效分压电路跨接于第一电极与第二电极之间，当无源压力传感器连接到微控制器时，第一电极和第二电极之间的电压由下式导出：

V(sensor)＝Vcc(R(sensormat)/(R(pull-up)+R(sensormat)))

其中：

V(sensor)为多区域压敏垫的第一电极以第二电极为公共端输入到第一模数转换模块的电压；

Vcc为主机提供的电源，上拉电阻器的一端与此电源相连；

R(pull-up)为上拉电阻器的电阻；

R(sensor mat)为多区域压敏垫的第一电极与第二电极之间的电阻。

在本发明中，Vcc的值和R(pull-up)的值都是固定值，因此，V(sensor)随着R(sensor mat)的有效电阻的变化而变化。在上面的公式中，由于人体在床上(多区域压敏垫)的移动，R(sensor mat)随着多区域压敏垫的有效电阻的变化而变化。

当人体在床上(多区域压敏垫)上，较大的移动会更大程度地更改每个传感器节点的覆盖区域，并且较大的移动可能会触发传感器节点的电接触状态。因此，多区域压敏垫的总电阻的变化幅度与运动幅度成正比。因此，根据上述公式，交流信号的振幅与运动的振幅成正比。

主机根据第一模数转换模块和第二模数转换模块的两者输出信息进行组合判断，以向护理人员发送相应事件消息：

上面的列表中，微控制器通过测量来自所述第一模数转换模块的输出端口的电压值来检测多区域压敏垫上有人体的存在，则该电压值低于开路条件的预设阈值电压电平并且持续预设的时间间隔；微控制器通过测量来自所述第一模数转换模块的输出端口的电压值来检测多区域压敏垫上没有人体的存在，则该电压值会返回到开路条件的预设阈值电压电平，并持续预设的时间间隔。微控制器通过测量来自所述第一模数转换模块的输出端口的低于开路条件的预设阈值电压电平的电压值来检测人体在多区域压敏垫上的移动，同时，测量来自所述第二模数转换模块的输出端口的交流信号的幅度。所述交流信号的幅度与人体在多区域压敏垫上运动的幅度成正比。

所述微控制器中内置有校准例程，所述微控制器检测来自所述第一模数转换模块的输出端口的电压值，如果所述电压值在开路条件的预设阈值电压电平之内，则需要进行校准。通过运行所述校准例程，利用源自多区域压敏垫的整个电路的电阻的新测量来刷新存储在所述微控制器中的阈值电压电平。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。