摩擦纳米感应单元、及使用了该单元的自驱动传感头盔

技术领域

本发明涉及可穿戴器件领域，更具体的，涉及摩擦纳米感应单元、以及使用了该单元的自驱动传感头盔。

背景技术

据估计，全世界每年有4200万人患有轻微脑震荡，特别是在以滑雪、美式足球和拳击为代表的运动中。患者头部发生的撞击或颠簸是导致轻微脑震荡的重要原因。然而，轻微脑震荡的诊断缺乏客观的评估标准和便携式监测技术。

头盔常作为一种防护用具，在相应场景下实现对处于运动状态人员的安全保护。已有的头盔主要具有防撞击的功能，有的头盔也安装了刚性加速度传感器来判断轻微脑震荡的发作，然而与轻度脑震荡相关的人头运动学取决于外力的大小、方向和位置。因此，需要对头部撞击进行强度和位置分析，而不是像现有头盔这种简单的受力阈值警报。

此外，已有的力学传感器，如压电、压阻和电容传感器，提供宽检测范围，但灵敏度低，并且仍然受到材料和能源的挑战。并且这些传统传感器工作过程中需要电池或者直流电源为其实现恒定的能量供给，因此产生的大量能源消耗，并使得器件使用的场景和效率受到大幅度限制。

因此，研究一种无源、柔性的传感器以及传感头盔来实时监测轻微脑震荡具有重要意义。

发明内容

基于此，有必要针对现有头盔的监测功能单一、使用的传统传感器需要额外供电导致使用受限的问题，提供摩擦纳米感应单元、及使用了该单元的自驱动传感头盔。

本发明采用以下技术方案实现：

第一方面，本发明公开了一种摩擦纳米感应单元，包括：基板一、基板二、弹性半球、电极层、弹性架。

基板二与基板一间隔设置。弹性半球设置在基板一面向基板二的一面。弹性半球的表面设置有摩擦层。电极层设置在基板二面向基板一的一面。弹性架连接在基板一和基板二之间，用于将基板一、基板二分开，使摩擦层和电极层分离。基板一或基板二受到外力作用时，弹性架产生形变，基板一与基板二产生相互移动。当摩擦层与电极层接触时，发生电荷转移，并形成感应电势差。

作为第一方面进一步的方案，摩擦层采用具备电负性的材料；电极层采用具备电正性的材料。

作为第一方面进一步的方案，弹性架包括若干根弹性杆，若干根弹性杆组成两端贯通的巢状结构，巢状结构其中一端与基板一连接、另一端与基板二连接。

作为第一方面进一步的方案，摩擦纳米感应单元采用3D打印一体成型。

作为第一方面进一步的方案，基板二面向基板一的一面设置有凹槽；电极层设置在凹槽中。凹槽在一侧留有开口，电极层对应开口设置有凸起部，凸起部卡进开口、用于引出导线。

第二方面，本发明公开了自驱动传感头盔，包括：内壳、N个自驱动传感器、信号控制模块；

内壳的形状与佩戴者头部对应。N个自驱动传感器均匀设置在内壳上。自驱动传感器为第一方面的摩擦纳米感应单元。信号控制模块用于接收并处理自驱动传感器的感应电势差，以得到内壳所受外力的大小及作用区域。

作为第二方面进一步的方案，信号控制模块包括：柔性电路板、电荷放大器、微控制器。柔性电路板与N个自驱动传感器的电极层通过导线连接。电荷放大器与柔性电路板连接。柔性电路板将N个自驱动传感器的感应电势差传输给电荷放大器。电荷放大器将感应电势差转换成电压信号。微控制器与电荷放大器连接。微控制器将电压信号转换成数字信号，并对应换算出所受外力的大小及作用区域。

作为第二方面进一步的方案，信号控制模块还通过无线通讯与用户终端进行通信；用户终端通过颜色映射呈现出内壳所受外力大小及作用区域。

作为第二方面进一步的方案，内壳设置了N个安装槽，用于安装自驱动传感器。自驱动传感器的基板二与安装槽固定连接；自驱动传感器的基板一在无外力作用时伸出安装槽。

作为第二方面进一步的方案，自驱动传感头盔还包括外壳。外壳包住内壳，用于对内壳进行保护。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

1，本发明基于接触分离起电的原理进行设计，处于单电极工作模式，利用弹性架使摩擦层和电极层在无外力作用时保持分离，又在基板二或基板一受到外力作用时，产生形变，进而造成摩擦层和电极层接触，就可发生电荷转移、并形成感应电势差。这样，无需再外接电源，依据感应电势差进而表征所受外力的情况，简单方便。

2，本发明的自驱动传感头盔，采用在对应于佩戴者头部的外壳上均匀设置N个摩擦纳米感应单元，通过摩擦纳米感应单元感应外力作用，从而反映出外力的大小及作用区域，耐久性好、灵敏度高。

附图说明

图1为本发明实施例1中提供的摩擦纳米感应单元的结构图；

图2为图1中摩擦纳米感应单元的爆炸图；

图3为图1中摩擦纳米感应单元的状态变化图；

图4为图1中摩擦纳米感应单元的耐久性测试图；

图5为本发明实施例2中提供的自驱动传感头盔的结构图；

图6为图5中自驱动传感头盔的工作流程图；

图7为本发明实施例2中提供的外壳图；

图8为图7的外壳与图5的自驱动传感头盔装配后的仰视图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、基板一，2、弹性半球，3、弹性架，4、电极层，5、基板二，6、内壳，7、安装槽，8、外壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，图1为实施例1中提供的摩擦纳米感应单元的结构图。一种摩擦纳米感应单元包括：基板一1、基板二5、弹性半球2、电极层4、弹性架3。

基板二5与基板一1间隔设置。两个基板的形状没有严格限定，采用规则图形即可——例如圆形、多边形等。本实施例1中，将基板一1、基板二5加工成六边形。

参看图2的爆炸图，弹性半球2固定在基板一1面向基板二5的一面。一般的，弹性半球2、基板一1是一体成型结构，可以通过3D打印加工出来。弹性半球2的表面喷涂有摩擦层，与电极层4配合使用。

电极层4固定在基板二5面向基板一1的一面。如图2所示，基板二5面向基板一1的一面加工出凹槽，电极层4嵌装进凹槽中。另外，凹槽在一侧留出开口，电极层4对应开口加工出凸起部，凸起部卡进开口，用于后续引出导线。

弹性架3连接在基板一1和基板二5之间，用于将基板一1、基板二5分开，使摩擦层和电极层4分离。

如图1所示，弹性架3包括若干根弹性杆。若干根弹性杆组成两端贯通的巢状结构，巢状结构其中一端与基板一1连接、另一端与基板二5连接。

首先，弹性架3具有一定的支撑力，在无外力作用时，可以将基板一1、基板二5分开，使摩擦层和电极层4分离。其次，弹性架3又具有一定的弹性，在受到外力作用时，会产生形变，而使基板一1与基板二5产生相互移动。若外力足够大，可以使摩擦层与电极层4接触。再次，由于弹性架3为多杆件组成的巢状结构，更加聚焦在起压缩效果的外力上，降低误报。

基板一1或基板二5受到外力作用时，弹性架3产生形变，基板一1与基板二5产生相互移动。当摩擦层与电极层4接触时，会发生电荷转移、并形成感应电势差。

这里是应用了接触分离起电的原理：

参看图3：未发生压缩时，摩擦层与电极层4不接触，处于A状态。受到压缩时，摩擦层向电极层4移动，处于B状态。摩擦层与电极层4发生接触，处于C状态，由于摩擦层具有更强的捕获负电荷的能力，因此摩擦层获得了负电荷，电极层4则留下正电荷，这样两者即形成了感应电势差。并且随着外力作用，摩擦层压在电极层4上，由于弹性半球2的形发生形变，摩擦层与电极层4从点接触发展到面接触，电荷转移的强度不断增加，感应电势差也同步增大——当面接触达到最大时，感应电势差也达到峰值。若外力消失，弹性架3形变恢复，摩擦层逐渐与电极层4分离，感应电势差会在两者分离后开始降低。感应电势差的峰值与外力存在线性关系。

需要注意的是，摩擦层采用具备电负性的材料制成(例如PVDF-HFP树脂、PTFE、PVC等)，以使其具有更强的捕获负电荷的能力。电极层4采用具备电正性的材料，即导电材料(例如铜、铝等金属材料，或掺杂碳纳米管的热塑性聚氨酯这类改性材料)制成，从而实现上述过程中留下正电荷。

本实施例1中，摩擦层采用PVDF-HFP树脂。电极层4采用掺杂碳纳米管的热塑性聚氨酯。

对于基板一1、基板二5、支撑架，本实施例1采用了相同的材料——热塑性聚氨酯。由于热塑性聚氨酯材料适合3D打印，可以采用3D打印技术将本实施例1的摩擦纳米感应单元一体化打印出来，无需进行部件组件的安装，避免了螺丝等连接件。对于摩擦层，后续增加一道喷涂工序即可。

另外，发明人对上述的摩擦纳米感应单元进行性能、耐久性实验验证：

发明人使用3D打印机打印出摩擦纳米感应单元，尺寸规格为30mm*30mm*9mm(未受外力作用状态)。

经过性能测试，摩擦纳米感应单元平均灵敏度为0.214V/KPa，响应时间为30ms，最小分辨率为1.415KPa，在0至200KPa的范围内表现出了出色的传感能力。

另外，参看图4，图4的左部表示第1轮测试，右部表示经过了3000轮之后的第30001轮测试。

第1轮测试中，在0至50KPa，摩擦纳米感应单元所受的压力(x)与感应电势差的峰值(y)可以拟合出第一个关系式：y＝0.251x-0.358。在5050KPa至100KPa，摩擦纳米感应单元所受的压力(x)与感应电势差的峰值(y)可以拟合出第②个关系式：y＝0.177x+2.787。

第30001轮测试中，在0至50KPa，摩擦纳米感应单元所受的压力(x)与感应电势差的峰值(y)可以拟合出第三个关系式：y＝0.241x-0.335。在5050KPa至100KPa，摩擦纳米感应单元所受的压力(x)与感应电势差的峰值(y)可以拟合出第四个关系式：y＝0.170x+2.934。

第一个关系式与第三个关系式相差不大，第二个关系式与第四个关系式相差不大，可知，摩擦纳米感应单元具有良好的耐久性。

实施例2

本实施例2公开了自驱动传感头盔，包括内壳6、N个自驱动传感器、信号控制模块。

内壳6作为整个头盔的骨架。内壳6的形状与佩戴者头部对应，以便于佩戴者进行佩戴。一般的，内壳6也可以采用热塑性聚氨酯材料，通过3D打印进行加工。处于美观等方向的考虑，可以将内壳6设计成晶格曲面。

N个自驱动传感器均匀设置在内壳6上，实现头部的全面覆盖。自驱动传感器使用实施例1的摩擦纳米感应单元。本实施例2中，自驱动传感器一共设置了32个。当然，自驱动传感器可以根据不同规格进行调整，数量不易过少，至少要大于15个。

参看图5，本实施例2中，内壳6加工出与自驱动传感器相同数量的安装槽7，用于安装自驱动传感器。即，将内壳6进行镂空式加工，一方面可以降低头盔的整体重量，另一方面也具有一定的设计感。

自驱动传感器的基板二5与安装槽7固定连接。也就是说，基板二5固定在安装槽7内。而且要保证：在无外力作用时，基板一1自然伸出安装槽7，这样才能感应到外力作用。

信号控制模块用于接收并处理自驱动传感器的感应电势差，以得到内壳6所受外力的大小及作用区域。具体的，信号控制模块包括柔性电路板、电荷放大器、微控制器。

柔性电路板与N个自驱动传感器的电极层4通过导线连接。处于结构紧凑设计的要求，可以将柔性电路板贴合内壳6面向头部的一侧，并对应自驱动传感器的分布进行电路布局。这样，自驱动传感器的电极层4引出一小段导线，即可与柔性电路板连接，进而将感应电势差作为信号引出。需要注意的是，只有自驱动传感器受到足够大的压力时，该自驱动传感器才会产生感应电势差。

电荷放大器与柔性电路板连接。柔性电路板将N个自驱动传感器的感应电势差传输给电荷放大器。电荷放大器将感应电势差转换成电压信号。电荷放大器相对于对自驱动传感器传输的信号进行整流，从而提供稳定的电压信号。微控制器与电荷放大器连接。

微控制器将电压信号转换成数字信号，并对应换算出所受外力的大小及作用区域。具体的，微控制器依据数字信号的来源得到外力作用的区域，根据数字信号反推出所受外力大小。

下面举例进行说明：假设头盔某一区域受到足够大的外力作用，该区域设置了M个自驱动传感器，就产生了M个感应电势差，并进而通过电荷放大器形成了M个电压信号，M个电压信号经过微控制器转换成M个数字信号。这M个数字信号就对应于头盔的该区域，其中任一个的数字信号可以定位到更小的位置(即该数字信号对应的驱动传感器的安装位置)。而对M个数字信号进行解析，可得到电压数据，依据电压数据的峰值(即感应电势差的峰值)并依据关系式即可反算出所受压力值。

对于电荷放大器、微控制器，可以采用集成式设计，形成一个集成子模块，安装在内壳6上。需要说明的是，信号控制模块采用单独供电，例如纽扣电池等常见的微型电源，便于安装在集成子模块上。

在另一个实施例中，参看图6，信号控制模块还可以包括无线通信模块，从而使信号控制模块可以通过无线通讯与用户终端进行通信。用户终端可以是手机、计算机等智能终端。用户终端接收微控制器的处理结果，通过颜色映射呈现出内壳6所受外力的大小及作用区域，更加直观的反映出外力作用情况。

当然，还可以增设外壳8。参看图7，外壳8形状比内壳6大一圈。如图8所示，外壳8包住内壳6，利用外壳8对内壳6进行保护。外壳8可以依据客户要求的进行外观定制，例如图7所示的镂空网装饰。

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。