玻璃基光电容积脉冲波盖板材料及制备方法和应用

技术领域

本发明属于智能穿戴设备技术领域，特别是涉及一种玻璃基光电容积脉冲波盖板材料及制备方法和应用。

背景技术

近年来随着科学技术的不断进步，智能穿戴设备也不断向多功能、集成化发展。现有的智能穿戴设备普遍具备对心率、血氧、心电以及睡眠质量等人体生理状况的监控功能，为了实现此功能，一般是在穿戴设备的后盖上增加大量传感器的光学通道，且还需要该光学通道具有高度的防串扰特性，以用于检测人体生理状况。

目前市场上主流智能穿戴的盖板材质主要为金属和陶瓷。但是，金属材质的盖板对传感器的信号采集有一定的干扰，而陶瓷材质的盖板在成本造价上略高，且其强度很难满足需求。

玻璃作为新的盖板材料，近些年一直备受关注。相较于金属材质、陶瓷材质而言，玻璃的材质更显时尚，对智能穿戴传感器的信号采集的干扰性较小，同时具有高分辨率、高对比度和透过率满足防串扰特性，能够应用于智能穿戴设备技术领域。但是，由于盖板材料上需要设置大量传感器的光学通道，这就需要盖板上同时具有光吸收性能的玻璃材料和具有高透过率的玻璃材料，而上述两种玻璃材料的加工性能差异较大，难以在同一加工条件下熔接，因此在将多种玻璃熔合在一起，以将其制备成具有多个高透过率和高度防串扰特性的传感器通道的智能穿戴的盖板材料时上一直是十分困难的课题。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种玻璃基光电容积脉冲波盖板材料及制备方法和应用，所要解决的技术问题是如何提供一种具有大量传感器光学通道的盖板材料，使其既具有较高的透过率，又具有高防串扰性，从而使其能够在盖板材料内部形成若干光学通路，通过两种玻璃折射率的不同使得光线在第一玻璃内传播时将光线仅限制在第一玻璃内传播，从而减少光线传播过程中发生散射等问题，减少光线传播过程中的能量损耗，提高光线在玻璃盖板内的传播距离；同时其还具有较高的机械强度，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，其包括：

玻璃基板，其材质为第一玻璃；所述第一玻璃在25～300℃的平均膨胀系数为89～99×10

环形结构件，其嵌设于所述玻璃基板内；所述环形结构件以轴线垂直于所述玻璃基板表面的方向贯通所述玻璃基板的上下表面设置；所述环形结构件的材质为第二玻璃；所述第二玻璃在25～300℃的平均膨胀系数小于所述第一玻璃在25～300℃的平均膨胀系数；所述第二玻璃的玻璃化转变温度为600～630℃，软化点温度为690～710℃；所述第一玻璃的软化点温度小于所述第二玻璃的软化点温度，二者差值为20～40℃。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，其中以质量百分含量计，所述第二玻璃包括：

SiO

Al

Na

K

CaO0～4％；

MgO0～5％；

B

ZrO

Fe

Ni

MnO

优选的，前述的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，其中所述第一玻璃的折射率大于所述第二玻璃的折射率。

优选的，前述的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，其中所述玻璃基光电容积脉冲波盖板材料为圆形薄片；所述圆形薄片上设置有n个环形结构件，n为1～10的自然数；所述环形结构件呈线性阵列分布于所述圆形薄片上，或者，所述环形结构件呈圆周阵列分布于所述圆形薄片上。

优选的，前述的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，其中所述玻璃基光电容积脉冲波盖板材料的外径为23～25mm；所述环形结构件的壁厚为0.3～2mm。

优选的，前述的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，其中所述玻璃基光电容积脉冲波盖板材料的厚度为0.3～2mm。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种玻璃基光电容积脉冲波盖板材料的制备方法，其包括以下步骤：

1)以第一玻璃制备玻璃柱；以第二玻璃为皮管、以第一玻璃为芯棒，将所述皮管和所述芯棒组合为玻璃棒管；将所述玻璃棒管拉制为单丝；所述第一玻璃在25～300℃的平均膨胀系数为89～99×10

2)在所述玻璃柱上打若干孔；所述孔的孔径与所述单丝的外径匹配；

3)沿所述玻璃柱轴线的方向将所述单丝安装于所述孔内，得到熔压材料；

4)将所述熔压材料进行真空熔压，然后滚圆、切片、磨抛；

5)将磨抛后薄片进行化学强化，得到玻璃基光电容积脉冲波盖板材料。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的制备方法，其中所述真空熔压的熔压温度为555～695℃，熔压时间为20～100min。

优选的，前述的制备方法，其中所述化学强化是将磨抛后薄片置于硝酸钠和硝酸钾的混合溶液中，于320～480℃的温度下保持4～14h。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种智能穿戴设备，其包括前述的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料。

借由上述技术方案，本发明提出的一种玻璃基光电容积脉冲波盖板材料及制备方法和应用至少具有下列优点：

本发明提出的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料及制备方法和应用，其通过合理调控高透过玻璃材料(本发明的第一玻璃)和的高吸收玻璃材料(本发明的第二玻璃)膨胀系数、玻璃化转变温度、软化点温度和可化学强化性等物性参数配合，使其能够达到较优化的参数匹配性，从而可以通过下述方法将其加工为具有大量传感器光学通道的盖板材料：将第一玻璃加工为玻璃柱，并按照预设的光学通道的目标位置和尺寸在所述玻璃柱上打孔；同时，以第一玻璃为芯棒，第二玻璃为皮管，将二者组合为玻璃棒管拉制为与玻璃柱上的孔尺寸匹配的单丝；再将单丝安装至孔内，得到熔压材料；最后再将所述熔压材料进行真空熔压后，进行后续的滚圆、切片和磨抛操作；最后通过化学强化作用使其达到较高的机械强度，从而得到一种具有大量传感器光学通道的盖板材料，使其既具有较高的透过率，又具有高防串扰性，同时还具有较高的机械强度，从而更加适于实用。进一步的，两种玻璃的折射率不同，所述第一玻璃的折射率大于所述第二玻璃的折射率，使得在盖板材料内部能够形成若干通路，通过两种玻璃折射率的不同使得光线在第一玻璃内传播时将光线仅限制在第一玻璃内传播，从而减少光线传播过程中发生散射等问题，减少光线传播过程中的能量损耗，提高光线在玻璃盖板内的传播距离；同时其还具有较高的机械强度，从而更加适于实用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明玻璃基光电容积脉冲波盖板材料制备流程示意图；

图2是本发明实施例1制备的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料示意图；

图3是本发明实施例2制备的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料示意图；

图4是本发明实施例3制备的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种玻璃基光电容积脉冲波盖板材料及制备方法和应用其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明提出一种玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，如附图2至附图4所示，其包括：

玻璃基板11，其材质为第一玻璃；所述第一玻璃在25～300℃的平均膨胀系数为89～99×10

环形结构件12，其嵌设于所述玻璃基板内；所述环形结构件以轴线垂直于所述玻璃基板表面的方向贯通所述玻璃基板的上下表面设置；所述环形结构件的材质为第二玻璃；所述第二玻璃在25～300℃的平均膨胀系数小于所述第一玻璃在25～300℃的平均膨胀系数；所述第二玻璃的玻璃化转变温度为600～630℃，软化点温度为690～710℃；所述第一玻璃的软化点温度小于所述第二玻璃的软化点温度，二者差值为20～40℃。

上述技术方案中，第一玻璃为高透过玻璃材料，第二玻璃为高吸收玻璃材料；本发明的技术方案通过合理调控第一玻璃和的第二玻璃的膨胀系数、玻璃化转变温度、软化点温度和可化学强化性等物性参数配合，使其能够达到较优化的参数匹配性，从而可以通过本发明的制备方法制备出具有大量传感器光学通道的盖板材料。

本发明还提出一种玻璃基光电容积脉冲波盖板材料的制备方法，如附图1所示，其包括以下步骤：

首先是以第一玻璃制备玻璃柱，得到第一玻璃的玻璃柱；所述玻璃柱的制备方法可以采用现有技术中任意制备玻璃柱的方法，本发明不作具体限定。为了制备常规尺寸的盖板材料，本发明优选所述玻璃基光电容积脉冲波盖板材料为圆形薄片；制造所述圆形薄片的所述玻璃柱的外径尺寸为35～38mm。然后是按照预先设计的孔的位置和尺寸，在所述第一玻璃的玻璃柱上打孔，得到具有若干孔的玻璃柱；所述孔的轴线平行于所述玻璃柱的轴线。为了优化所述盖板材料上光学通道的尺寸，本发明优选所述孔的深度为5～300mm，孔径为3～11mm。为了使所述盖板材料能够更好地采集信息，优选所述圆形薄片上设置有n个环形结构件，n为1～10的自然数；进一步的，优选所述环形结构件呈线性阵列分布于所述圆形薄片上，或者，所述环形结构件呈圆周阵列分布于所述圆形薄片上。所述打孔可以采用现有技术中任意玻璃打孔的方法，本发明不作具体限定。

与上述步骤并行的步骤是单丝的制备。首先是以第二玻璃为皮管、以第一玻璃为芯棒，将所述皮管和所述芯棒组合为玻璃棒管。为了制备常规尺寸的盖板材料，同时为了实现皮管和芯棒的较佳配合，本发明优选所述芯棒的外径尺寸为25～28mm；优选所述皮管的壁厚尺寸为2～8mm，内径尺寸为27～31mm，外径尺寸为32～40mm。然后是将所述玻璃棒管拉制为单丝；为了优化所述盖板材料上光学通道的尺寸，本发明优选所述单丝的外径尺寸为3～11mm，长度为50～900mm；为了使单丝与孔能够较佳配合，所述单丝的外径尺寸误差为±0.015mm。所述环形结构件一方面要求确保第一玻璃内传播的光线不会透过所述第二玻璃而造成光能量的损失，因此其壁厚不宜过薄；另一方面较薄的厚度也可以使盖板材料保持第一玻璃具有较大的横截面尺寸，从而使得光线具有较大的传播路径，提高透过的光线强度，因此其壁厚不宜过厚；本发明优选所述环形结构件的壁厚为0.3～2mm。所述玻璃棒管的组合和单丝拉制根据玻璃的物理性质可以采用现有技术中任意适合的工艺进行组合拉制，本发明不作具体限定。

上述玻璃柱打孔与单丝拉制步骤中，控制所述孔的孔径与所述单丝的外径匹配，以便于后期能够顺利将单丝组合安装于孔内。

其次是将所述单丝安装于所述孔内，得到熔压材料。所述单丝与孔的组装可以采用现有技术中任意孔与棒组装的方法，本发明不作具体限定。

再次是将所述熔压材料进行真空熔压，该步骤的技术目的是为了将两种玻璃完整地熔接为一个整体。上述步骤中所述真空熔压是将前述步骤单丝安装于玻璃柱中得到的组合体装入专用的热压模具中，并将其放入真空炉内进行真空熔压。为了使两种玻璃能够较好地熔接为一个整体，本发明优选所述真空熔压的真空度为100～200Pa，熔压温度为555～695℃，熔压时间为20～100min；所述真空熔压的压缩比优选为0.8～1.0；进一步优选熔压温度为615～635℃，熔压时间为35～48min。真空熔压结束后，再将其脱模。

复次是将脱模后得到的半成品进行滚圆、切片和磨抛，该步骤的技术目的是为了控制所述盖板材料的质量以及尺寸。本发明优选所述玻璃基光电容积脉冲波盖板材料的外径为23～25mm，厚度为0.3～2mm。

最后是将将磨抛后的薄片进行化学强化，从而提高薄片的机械强度，得到本发明的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料。

上述技术方案中，所述第一玻璃为高透过玻璃材料，其可以采用符合规定物性参数的任意玻璃。在本发明的一些具体实施例中，所述第一玻璃的组分如下：SiO

为了确保第二玻璃的物性参数与第一玻璃的物性参数进行匹配，在本发明的一些具体实施例中，采用的第二玻璃为组分如下：SiO

为了保证由所述环形结构件形成的光学通道能够有效地实现防串扰效果，本发明优选所述第一玻璃的折射率大于所述第二玻璃的折射率。

根据所述第一玻璃和第二玻璃的物性参数确定合适的化学强化方法进行化学强化。本发明优选所述化学强化是将磨抛后的薄片置于硝酸钠和硝酸钾的混合溶液，也即化学强化液中，于320～480℃的温度下保持4～14h；利用离子交换的方式改变盖板材料表面的结构，在其表面形成一层压应力层，从而增加盖板的热稳定性和机械强度；进一步优选于340～430℃的温度下保持6～8h。进一步的，以摩尔百分含量计，所述化学强化液中为NaNO

通过上述技术方案制备的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，其既具有较高的透过率，又具有高防串扰性，可以在盖板材料内部形成若干光学通路，通过两种玻璃折射率的不同使得光线在第一玻璃内传播时将光线仅限制在第一玻璃内传播，从而减少光线传播过程中发生散射等问题，减少光线传播过程中的能量损耗，提高光线在玻璃盖板内的传播距离；同时其还具有较高的机械强度，通过落球实验方法测试表明，其可以在落球15cm自由下落时无破损；进一步的，在更优的工艺条件下，其可以在落球25cm自由下落时无破损。

本发明还提出一种智能穿戴设备，其包括前述的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料。本发明所述玻璃基光电容积脉冲波盖板材料可以应用到智能穿戴设备中，将电极定位于外层玻璃基材上，使光学传感器子系统能够发射和接收光。光可被发射到用户的皮肤中并从用户的皮肤反射，以确定用户的一些生物参数，诸如心率、血压、脉搏、血氧、葡萄糖水平等。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

若无特殊说明，以下所涉及的材料、试剂等均为本领域技术人员熟知的市售商品；若无特殊说明，所述方法均为本领域公知的方法。除非另外定义，所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内的普通技术人员所理解的通常意义。

实施例1：

本实施例制备一种包含一个环形结构件的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，如附图2所示，其包括玻璃基板11和设置于所述玻璃基板上的1个环形结构件12，其具体制备步骤如下：

1)以第一玻璃为材料制备玻璃柱，并按设计图的尺寸和数量进行打孔；其中，以质量百分含量计，第一玻璃的组成如下：SiO

2)以第二玻璃为材料制备皮管、以第一玻璃为材料制备芯棒，将所述皮管和所述芯棒组合为玻璃棒管，再将所述玻璃棒管拉制为单丝；其中，第一玻璃的组分同步骤1)；以质量百分含量计，第二玻璃的组成如下：SiO

3)将步骤2)得到的单丝安装于步骤1)得到的孔中，将组合体装入专用热压模具中并放入真空炉内，进行真空熔压，真空度为150Pa，熔压温度为615℃，熔压时间为35min；熔压后脱模，再进行滚圆、切片和磨抛进行加工，得到外径为Φ26.8mm、厚度0.88mm的圆形薄片。

4)将步骤3)得到的圆形薄片置于15％NaNO

本实施例制备的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料中，第一玻璃在25～300℃的平均膨胀系数为95×10

实施例2：

本实施例制备一种包含五个环形结构件的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，如附图3所示，其包括玻璃基板11和设置于所述玻璃基板上的5个环形结构件12，其具体制备步骤同实施例1，区别在于：

1)第一玻璃的组成如下：SiO

2)第二玻璃的组成如下：SiO

3)熔压温度为625℃，熔压时间为48min。

4)强化温度为410℃，强化时间为8h。

本实施例制备的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料中，第一玻璃在25～300℃的平均膨胀系数为98×10

实施例3：

本实施例制备一种包含六个环形结构件的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料，如附图4所示，其包括玻璃基板11和设置于所述玻璃基板上的6个环形结构件12，其具体制备步骤同实施例1，区别在于：

1)第一玻璃的组成如下：SiO

2)第二玻璃的组成如下：SiO

3)熔压温度为635℃，熔压时间为46min。

4)强化温度为430℃，强化时间为6h。

本实施例制备的玻璃基光电容积脉冲波盖板材料中，第一玻璃在25～300℃的平均膨胀系数为92×10

本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。