一种应变-惯性传感器及集成方法

技术领域

本发明属于可穿戴设备技术领域，具体涉及一种应变-惯性传感器及集成方法。

背景技术

过去几十年来，人们一直致力于开发更加友好的人机交互智能方法。目前广泛使用的人机交互方式，如键盘、鼠标、手柄和触摸屏等，始终让我们在与虚拟世界的交互过程中存在隔阂。手势是人类传递信息的重要方式，不仅灵活性高，而且可以表达丰富的信息。数据手套作为实现手势识别的重要方法，因其具有准确度高、不易受环境干扰等优点，受到研究人员的青睐。目前主流的数据手套设计方案有两种：基于惯性测量单元或基于柔性应变传感器。柔性应变传感器具有精度高、噪声小、重量轻、成本低、穿戴舒适等显著优势；惯性测量单元可以估计手部运动的加速度、旋转角度和空间位置。因此，开发一种柔性应变传感器和惯性测量单元的集成方法，对于新一代可穿戴手势识别设备的研制具有重要意义。

目前，柔性应变传感器多基于硅胶等弹性材料基底，使用过程中直接贴敷于手部皮肤，不仅容易影响手部关节的正常运动，而且难以实现多次重复使用。以布基魔术贴和织物作为基底，实现柔性应变传感器的快速穿戴和重复使用，能够同时满足舒适性和适应性，符合用户的穿戴习惯。

经过对现有技术的检索发现，中国南方科技大学Xingyu Jiang等人在ScienceAdvances,2021,7(3):eabe3778撰文“Multilayered electronic transfer tattoo thatcan enable the crease amplification effect”，在聚苯乙烯-丁二烯苯乙烯(SBS)薄膜上打印金属聚合物导体(MPCs)，制作了一个多层集成的电子纹身(Electronic tattoos)，包含15个应变传感器和1个加热器，可以实现800％的高度拉伸，在轻薄的同时具有良好的保型性和粘性，可以很好的嵌入皮肤上的折痕，实现手势识别。然而，该电子纹身使用时需要贴敷包裹在手背上，并嵌入皮肤的细微褶皱中，不够便利，无法快速穿戴。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所Guqiao Ding等人在Journal ofMaterials Chemistry A,2020,8(29),14778-14787撰文“Conductive graphene-based E-textile for highly sensitive,breathable,and water-resistant multimodalgesture-distinguishable sensors”，开发了一种铜颗粒功能化混合石墨烯纺织品，具有优异的导电性、柔软性、透气性和耐洗刷性，并基于石墨烯纺织品的柔性传感器，实现了压力、应变和弯曲感应。然而，该款布基柔性传感器是通过缝合的方式与织物手套集成，难以重复多次使用。要及时适应不同用户的手部大小，调整布基应变传感器的集成位置，满足不同用户的需求仍然存在一定难度。

CN107885335A公开了一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，包括数据采集控制装置、PC机及若干个有机柔性纤维应变传感器。其中，所述有机柔性纤维应变传感器为核壳结构纤维，内层为敏感材料层，外层为绝缘保护层，通过编织方式嵌入可穿戴仿行编织物中。但是，核壳结构纤维应变传感器的直径约0.8～2mm，远大于普通织物纤维的直径，难以与普通织物布料一体化集成。

CN112764533A公开了一种用于手套式键盘的柔性碳系应变传感器阵列，将三组以聚二甲基硅氧烷、Ecoflex等可拉伸材料为衬底的柔性应变传感器，布局于聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、丁腈橡胶、皮革、硅胶等手套上，实现手势识别。但是，该设计方案基于柔性应变传感器检测的关节弯曲度还原手势，仅能识别有限种静态手势，无法估计手的空间位置，也无法获取手指运动时的加速度和旋转角度，进而还原精细的手指运动。

综上所述，可穿戴手势识别设备的研发目前仍面临两个主要问题：1、缺少柔性应变传感器和惯性测量单元的一体化集成方法；2、缺少以织物为基底，易与普通衣物手套快速集成和分离的柔性应变传感器。因此，快速制备以织物和魔术贴为基底的柔性应变传感器，并将其与惯性测量单元一体化可靠集成，以识别精细手指或身体其他关节运动状态，具有非常重要的实用价值和创新意义。可有效提高柔性应变传感器在衣物表面的便携穿脱，并与惯性测量单元一体化配合使用的能力。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种应变-惯性传感器及集成方法，第一步将液态硅胶刮涂至导电织物表面，之后对其加热烘干，等待液态硅胶渗入导电织物并半固化；第二步将惯性测量单元焊接在以聚酰亚胺薄膜为基底的柔性电路上，并将其放置于半固化液态硅胶上压紧；第三步，在柔性电路和半固化的液态硅胶表面继续刮涂液态硅胶，将柔性电路完全包裹；第四步等待上半层的液态硅胶处于有较大粘性的半固化状态时，将其与布基勾面导电魔术贴的背面粘接，最后加热固化成型，得到应变-惯性传感器。该方法对于快速制备以织物和魔术贴为基底的柔性应变传感器，并将其与惯性测量单元一体化可靠集成，以识别精细手指或身体其他关节运动状态，具有非常重要的实用价值和创新意义。可有效提高柔性应变传感器在衣物表面的便携穿脱，并与惯性测量单元一体化配合使用的能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种应变-惯性传感器，包括导电织物1、介质层2、惯性测量单元3、柔性电路4和导电魔术贴；从上向下依次为导电织物1、介质层2和导电魔术贴；导电织物1和导电魔术贴作为电极，与介质层2一起构成布基魔术贴应变传感器；

所述导电织物1为布料与金属聚合物导体或金属微粒结合制成；

所述惯性测量单元3焊接在柔性电路4上；

所述介质层2采用弹性材料作为基底，完全包裹惯性测量单元3和柔性电路4；

所述导电魔术贴包括勾面基底5、勾面6和毛面7；所述勾面基底5与介质层2粘合；所述勾面6与勾面基底5为一体；所述毛面7设置在布基魔术贴应变传感器之外，在使用时与勾面6粘合。

优选地，所述导电织物1是通过电解电镀或金属镀膜或金属包覆方法使普通布料与金属聚合物导体或金属微粒结合制成。

优选地，所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚氨酯TPU、聚偏氟乙烯PVDF或聚萘酯PEN。

优选地，所述惯性测量单元3为ADIS系列、LPMS-CURS3系列、BMX055、MPU-9250或LSM9DS0的6轴或9轴芯片模块。

优选地，所述柔性电路4采用聚酰亚胺PI、聚酯PET、聚乙烯醇PVA、聚萘二甲酯乙二醇酯PEN柔性聚合物作为基底材料。

一种应变-惯性传感器集成方法，包括如下步骤：

步骤1：在导电织物1上刮涂液态弹性材料，等待其半固化；

步骤2：将惯性测量单元3焊接至柔性电路4上，使柔性电路4平整无弯折；将柔性电路4平铺在半固化的弹性材料上，使柔性电路4的导线引出侧与弹性材料边缘对齐；

步骤3：在柔性电路4和半固化的弹性材料上，继续刮涂液态弹性材料，使柔性电路4及其上的惯性测量单元3完全包裹于弹性材料内部；等待上半层弹性材料半固化；弹性材料形成介质层2；

步骤4：将导电魔术贴的勾面基底5与半固化的介质层2进行粘合，等待介质层2弹性材料完全固化，得到应变-惯性传感器。

优选地，所述导电织物1是将钠和镓质量比为3:1的液态金属分散在乙醇中得到分散液，然后将针织棉布完全浸入分散液中，等待30分钟，等待分散液完全浸透针织棉布，后放入烘箱80摄氏度加热烘干2小时得到。

优选地，所述弹性材料替换为水凝胶；同时将惯性测量单元3焊接至柔性电路4上之后，需要用聚对二甲苯parylene封装柔性电路4整体，使柔性电路4外部包裹一层电路封装层11，使其具有防水性。

本发明的有益效果如下：

现有研究大多基于单一的柔性应变传感器或基于单一的惯性测量单元制备数据手套以实现手势识别，缺少柔性应变传感器与惯性测量单元的一体化集成方法。而且，多数柔性应变传感器以硅胶等弹性材料为基底，直接贴敷于手上进行手势识别，既不符合穿戴习惯，又难以重复多次使用。为了解决这一问题，本发明提出一种应变-惯性传感器及集成方法，以导电织物和导电魔术贴作为电极，硅胶、水凝胶等弹性材料作为介质层，柔性电路被介质层完全包覆，对新一代可穿戴手势识别设备的研制具有非常重要的实用价值和创新意义。

附图说明

图1为本发明应变-惯性传感器的结构示意图。

图2为本发明集成方法的工艺流程图。

图3为本发明实施例应变-惯性传感器使用方法示意图。

图4为本发明实施例的双勾面电极变体图。

图5为本发明实施例的介质层材料变体图。

图中标记：导电织物1、介质层2、惯性测量单元3、柔性电路4、勾面基底5、勾面6、毛面7、导电魔术贴双勾面8、渗透层9、水凝胶层10、电路封装层11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提供一种应变-惯性传感器及集成方法，能够快速制备便携式穿戴的电容式柔性应变传感器，并将其与惯性测量单元一体化集成，实现手势识别。

所述方法涉及导电织物、介质层、惯性测量单元、柔性电路和导电魔术贴五部分。其中，导电织物以棉型织物、丝型织物、纯化纤织物等织物布料为基底，通过电解电镀、金属镀膜、金属包覆等方法浸涂液态金属实现导电性，使普通布料与金属聚合物导体或金属微粒结合制成。

所述介质层采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(TPU)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚萘酯(PEN)等绝缘弹性材料作为基底，通过两次刮涂完全包裹惯性传感器和柔性电路。

所述惯性测量单元可使用ADIS系列、LPMS-CURS3系列、BMX055、MPU-9250和LSM9DS0等常用6轴或9轴芯片模块，焊接在基于聚酰亚胺(PI)的柔性电路上。

所述导电魔术贴分为勾面和毛面两部分，勾面用于做柔性应变传感器的基底，毛面可缝制在织物布料上，或者一些织物布料本身即可作为毛面使用，如粗棉布。

一种应变-惯性传感器的集成方法步骤如下：

第一步，在导电织物上刮涂液态硅胶等弹性材料，等待其半固化，过程中刮涂液态硅胶等弹性材料渗透进导电织物中，提高了整体的结构强度。

第二步，将惯性测量单元焊接至柔性电路上，保证柔性电路基底尽可能平整无弯折。然后，将其平铺在半固化的液态硅胶等弹性材料上，保证柔性电路的导线引出侧与弹性材料边缘对齐。

第三步，在柔性电路和已经半固化的弹性材料上，继续刮涂液态弹性材料，保证柔性电路上的惯性测量单元和基底完全包裹于弹性材料内部。等待上半层弹性材料半固化。上下层材料的一致性，保证了介质层的一体化粘合强度。

第四步，将导电魔术贴勾面基底与半固化的上层液态弹性材料进行粘合，等待介质层弹性材料完全固化，界面牢固粘合，得到夹层式集成的应变-惯性传感器。

实施例：

在一具体实施例中，参照图1所示，应变-惯性传感器的夹层式集成结构分为导电织物1与介质层2、惯性测量单元3、柔性电路4、导电魔术贴勾面基底5与导电魔术贴勾面6六个部分组成。其中，导电织物1是将钠和镓质量比为3:1的液态金属分散在乙醇中得到分散液，然后将针织棉布完全浸入分散液中，等待30分钟，等待分散液完全浸透针织棉布，后放入烘箱80摄氏度加热烘干2小时得到。

参照图2所示，布基魔术贴应变传感器及其与惯性测量单元的夹层式集成方法工艺流程，主要分为以下四步：

第一步，在导电织物1上刮涂液态PDMS，刮涂厚度约3毫米，然后将其放置于室温环境下1小时，等待液态PDMS半固化，过程中液态PDMS渗透进导电织物1中，提高了整体的结构强度。

第二步，将9轴的惯性测量单元3(MPU-9250)焊接至以聚亚酰胺(PI)为基底的柔性电路4(FPCB)上，保证PI基底尽可能平整无弯折。然后，将已焊接MPU-9250的柔性电路4平铺在半固化的液态PDMS上，保证柔性电路4的导线引出侧与PDMS边缘对齐。

第三步，在柔性电路4和已经半固化的PDMS上，继续刮涂3～5毫米的液态PDMS，保证柔性电路4上的惯性测量单元3和基底完全包裹于PDMS内部。将其放置于室温环境下1小时，等待上半层液态PDMS半固化。期间，下半层PDMS已接近于完全固化，上下层材料的一致性，保证了介质层2的一体化粘合强度。

第四步，将导电魔术贴勾面基底5与半固化的上层液态PDMS进行粘合，将整体放置于烘箱中60摄氏度加热烘干2小时，等待介质层2PDMS完全固化，界面牢固粘合，得到夹层式集成的应变-惯性传感器。

参照图3所示，为应变-惯性传感器的使用方法图。人手穿戴织物手套，在手指部位缝制了导电魔术贴毛面7。夹层式集成了MPU-9250的布基魔术贴应变传感器，其导电魔术贴勾面6可与手套上的导电魔术贴毛面7快速粘合或分离，实现手势识别。粗棉布、毛绒、棉纱等织物布料制成的手套，本身即可作为导电魔术贴毛面7，无需额外缝制即可实现夹层式集成了MPU-9250的布基魔术贴应变传感器与手套的快速粘合与分离。

在另一具体实施例中，对导电魔术贴勾面6进行变体设计，如图4所示。导电魔术贴双勾面8在导电魔术贴勾面基底5的背侧，有对称的一面微勾，首先用激光切割机在导电魔术贴勾面基底5上切出一排平行狭缝作为渗透层9，各个狭缝间距0.5～1毫米，狭缝长度小于导电魔术贴勾面基底5宽度。保持工艺流程基本不变，仅在第三步，柔性电路4上刮涂完液态PDMS后，不要等待液态PDMS半固化，趁其仍粘稠时将导电魔术贴双勾面8与上层液态PDMS粘合，在PDMS固化期间会逐步渗入狭缝，保证了结构的一体化强度。同时，具有平行狭缝的导电魔术贴勾面基底5在手指弯曲时更容易发生形变，不阻碍手指的正常弯曲运动。双勾面导电魔术贴的狭缝切割方法，目的是在进一步增加结构强度的同时，使导电魔术贴基底易于弯曲，不影响正常的手指活动。狭缝形状可为平行直线或其他任意曲线，狭缝长度不超过导电魔术贴基底宽度。

在另一具体实施例中，对介质层2材料进行变体设计，如图5所示。介质层2由PDMS替换为水凝胶。水凝胶是固态且有粘性的，容易和自身、布、聚合物薄膜等多种材料紧密粘合。相比于PDMS等弹性材料，水凝胶更软、自适应变形量更大，集成于手套上穿戴更舒适无感。同时，水凝胶可重复粘黏，工艺流程中出现较大对齐对准误差时，可重新粘合。由于水凝胶含有水分，作为介质层2时柔性电路4不可直接与水凝胶层10直接接触。因此，将惯性测量单元3(MPU-9250)焊接至柔性电路4上之后，需要用聚对二甲苯(parylene)封装柔性电路4整体，使柔性电路4外部包裹一层约20～30微米厚的电路封装层11，使其具有防水性。