CN116086576A - 超薄柔性称重传感器、足底压力采集模块及足底压力测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超薄柔性称重传感器，通过采用无空腔传感结构和力集中层，实现优异的重复性以及标定后的优异线性，具有直接替代普通压力传感器和普通称重传感器组合使用的能力。进一步的，本发明还公开一种利用上述超薄柔性称重传感器作为足压压力采集模块的足底压力测试系统，该系统既能保证测量数据的高精确度、高重复性，又可以不必在足压采集模块中配合使用额外的称重传感器，省略了校准过程，减少系统的复杂性，降低了使用成本，也提升了用户体验。

Description

超薄柔性称重传感器、足底压力采集模块及足底压力测试系统

技术领域

本发明属于压力传感器领域，具体涉及一种超薄柔性称重传感器及足底压力测试系统。

背景技术

医学上，测量足底压力分布对于治疗某些疾病具有重要意义，比如基于足底压力分布制作矫形鞋垫治疗高弓足与扁平足。目前医院里足压分布测量主要依靠搭载传统的薄膜压力传感器的足压板，但采用传统的薄膜压力传感器存在准确度低的问题。而准确度低又主要体现在薄膜压力传感器的重复性差，比如，同一个人两次测量，可能得到的结果误差很大，因此，一般需要搭配数个体积和质量均较大的平行梁称重传感器使用，在测试过程中需要对薄膜压力传感器的结果进行不断校准从而保证整体测试系统的准确度和重复性。

称重传感器(loadcell)作为力学传感器的一种，是考虑了使用地的重力加速度与空气浮力影响之后，通过把被测量(质量)转换成另一种被测量(输出)来测量质量的力传感器称重传感器按转换方法分为液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、光电式、电阻应变式等八类，其中电阻应变式的称重传感器使用最广。称重传感器与压力传感器之间，一个重要的区别是误差标准不同，称重传感器有整体的误差带要求，普通压力传感器没有误差带要求，不同性能有不同的误差衡量方法。相比压力传感器，称重传感器有着更高的精度和可靠性要求，但是目前主流的称重传感器的结构整体偏大，厚度较厚，且为刚体，通常只用于体重秤、地磅上，使用场景受到很大限制。

公开号为CN112535472A的中国专利，公开了一种基于体重自校准的足底动态步态分析系统及分析方法，其采用的解决方案是搭载两套基于称重传感器的传感系统，对压力传感器的结果进行标定。但这会存在两个问题：1)若称重传感器损坏，则压力传感器也不能正常使用；2)搭载薄膜压力传感器同时又搭载额外的称重传感器，不仅提高了成本，也增加了测试系统复杂程度。

发明内容

为解决上述问题，本发明首先公开一种超薄柔性称重传感器，通过采用无空腔传感结构和力集中层，实现优异的重复性以及标定后的优异线性，具有直接替代普通压力传感器和普通称重传感器组合使用的能力。进一步的，本发明还旨在利用上述超薄柔性称重传感器用于足压采集测试系统中的压力采集模块，这样既保证了测量数据的高精确度、高重复性，又可以不用担心太大太硬的传统称重传感器不方便用于足压采集，使得足压采集系统轻便的同时又能准确的采集足底数据。

本发明的第一方面公开一种超薄柔性称重传感器，其主要包括电极层、功能层、封装层、粘合层和力集中层；所述电极层包括第一柔性基底以及布置在第一柔性基底上的单面电极；所述功能层包括第二柔性基底以及布置在第二柔性基底上的敏感膜；所述电极层和功能层重叠布置使单面电极和敏感膜形成界面接触，并通过封装层将电极层和功能层封装成无空腔传感结构；所述力集中层通过粘合层与无空腔传感结构固定连接，并与所述功能层相邻。

作为一种可选方案，所述敏感膜为导电薄膜，所述超薄柔性称重传感器为电阻式传感器。

作为一种可选方案，所述敏感膜为离电薄膜，所述超薄柔性称重传感器为离电式传感器。

作为一种可选方案，所述敏感膜为阻抗薄膜，所述超薄柔性称重传感器为阻抗式传感器。

作为一种可选方案，所述第一柔性基底上开设有至少一个排气孔，所述排气孔位于无空腔传感结构的传感区域内且避开单面电极中的电极。

作为一种可选方案，所述单面电极为单个电极单元，或者所述单面电极包括多个阵列排布的电极单元。

作为一种可选方案，所述敏感膜为热固性薄膜。

作为一种可选方案，所述无空腔传感结构经大压力适配，敏感膜表面的粗糙程度与单面电极表面的粗糙程度相接近。

作为一种可选方案，所述无空腔传感结构的厚度小于等于250微米，其中，第二柔性基底的厚度在25～45微米以内；所述粘合层的厚度在35～55微米以内，力集中层的厚度在100～500微米范围以内。

本发明的第二方面公开一种用于制备第一方面或其任意一项可选方案所述的超薄柔性称重传感器的方法，主要包括：

在第一柔性基底上制作单面电极，形成电极层；

在第二柔性基底上制作敏感膜，形成功能层；

将电极层和功能层进行热压封装形成封装层，并由此得到无空腔传感结构；

通过粘合层将力集中层与无空腔传感结构相粘合。

作为一种可选方案，该方法还包括对所述无空腔传感结构施加大压力进行大压力适配，使所述敏感膜表面的粗糙程度与单面电极表面的粗糙程度相接近。

本发明的第三方面公开一种足底压力采集模块，其特征在于，包括压力采集板和布置在所述压力采集板上的若干超薄柔性称重传感器，所述超薄柔性称重传感器为第一方面或其任意一项可选方案所述的超薄柔性称重传感器；所述超薄柔性称重传感器为阵列式排布，电极层与压力采集板相邻。

作为一种可选方案，该模块还包括布置在所述超薄柔性称重传感器表面的保护层。

本发明的第四方面公开一种足底压力测试系统，其特征在于，包括如第三方面或其可选方案所述的足底压力采集模块，以及通讯模块、分析模块和显示模块；所述通讯模块用于获取压力采集模块输出的电信号，并将所述电信号传输至分析模块；所述分析模块用于根据压力标定曲线将电信号转化为压力数据，得到受试者的足底压力分布数据，并基于所述压力数据计算得到受试者体重；所述显示模块用于显示分析模块输出的足底压力分布数据和受试者体重。

有益效果：

1)本发明采用无空腔传感结构的超薄柔性称重传感器，配合力集中层，在负荷范围内重复受压时，敏感膜和电极层接触的位置相对偏移较少，传感器重复性可以达到D0.1级称重传感器0.35％～0.7％的重复性误差标准。

2)本发明可采用基于低杨氏模量的热固性的弹性体复合材料的敏感膜，在负荷范围内重复受压时，永久性形变的蠕变较少，可进一步提升传感器的重复性。

3)本发明采用具有无空腔传感结构的超薄柔性称重传感器配合预施加的大压力，使得敏感膜表面的微结构发生一定的塑性变形，和电极层表面微结构的粗糙度相接近，又可进一步提升了传感器的重复性。

4)本发明所公开的足底压力测试系统采用具有的优异重复性和准确度的超薄柔性称重传感器进行压力数据采集，不必在足压采集模块中配合使用额外的称重传感器，省略了校准过程，减少系统的复杂性，降低了使用成本，也提升了用户体验。

附图说明

图1为实施例1公开的电阻式超薄柔性称重传感器的结构示意图。

图2为单面电极的结构示意图，其中：(a)为矩形叉指电极；(b)为圆形叉指电极；(c)为螺旋电极。

图3为带有排气孔的电极层结构示意图。

图4为超薄柔性称重传感器的工作原理。

图5为有无力集中层的受力情况，其中：(a)为无力集中层时竖直方向施力示意；(b)为无力集中层时斜向施力示意；(c)为有力集中层时斜向施力示意。

图6为标定前和标定后的柔性传感器线性输出，其中：(a)为标定前柔性传感器线性输出；(b)为标定后的柔性传感器线性输出。

图7为超薄柔性称重传感器的制作工艺流程示意图，其中：(a)为热转印功能膜；(b)为热压封合；(c)为大压力适配；(d)为粘合力集中层。

图8为足底压力测试系统的系统构成示意图。

图9为足底压力采集模块的结构示意图。

图10为足底压力采集模块走线示意图，其中：(a)为单层走线示意图；(b)为双层走线示意图。

具体实施方式

应当理解，当在本发明中使用时，术语“包括”指定所述的特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或组的存在，但不排除一个或多个其它的特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或组的存在或添加。本发明中关于数值范围的表示均包括端点值。

空间上相对的术语，例如“上”、“下”、“顶”、“底”等，可以在这里为了便于描述而用于描述如图中所示的一个元件或特征与另外的元件或特征的关系。这些术语被描述为基于附图中所示的方向的相对概念，并且应当理解，除了附图中所示的定向之外，这些空间相对术语旨在还包括设备使用或操作中的不同定向。

除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解的是，诸如在通常使用的词典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且除非在本发明中清楚地定义，否则将不以理想化或过于形式化的含义来解释。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步解释说明。

如图1所示，实施例1公开一种电阻式超薄柔性称重传感器，具有多层结构，分别为电极层11、功能层12、封装层13、粘合层14、力集中层15。电极层11主要包括柔性基底111和形成于柔性基底111上的单面单极112，其中，柔性基底111可以选择树脂类薄膜材料，例如，PI(聚酰亚胺)薄膜、PC(聚碳酸酯)薄膜、PET(涤纶树脂)薄膜；单面电极112的材料可以是铜、银、金等导电金属，也可以是ITO(掺锡氧化铟)、ATO(掺锑氧化锡)等n型半导体材料。功能层12主要包括柔性基底121和形成于柔性基底121上的敏感膜122，其中，柔性基底121主要选择具有柔性、耐磨损特点的材料制作，例如PEEK(聚醚醚酮)膜材料、PPS(聚苯硫醚)膜材料、PET膜材料；敏感膜122为导电材料，敏感膜122主要构成为高分子树脂材料(10％～95％)、固化剂(1％～50％)、溶剂(0％～85％)、添加剂(0％～5％)、导电填料(4％～80％)，上述成分比例均为质量比。其中，高分子树脂包括但不限于环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯、聚氨酯；固化剂包括但不限于常用的环氧树脂固化剂、丙烯酸树脂固化剂、有机硅树脂固化剂、不饱和聚酯固化剂、聚氨酯固化剂；添加剂包括但不限于常用的流平剂、消泡剂等；导电填料包括但不限于导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属导电微粉等；溶剂包括但不限于常用的油墨用的溶剂，比如异氟尔酮、松油醇等。封装层13主要用于将电极层11和功能层12封装形成无空腔传感结构，具体可使用包括但不限于PES(聚醚砜)、PA(聚酰胺纤维)、TPU(热塑性聚氨酯弹性体)等热熔胶膜材料通过热压封装形成。粘合层14包括但不限于超薄双面胶(例如，tesa50、tesa30)、氰基丙烯酸盐粘合剂等，主要用于连接无空腔传感结构和力集中层15。力集中层15作为超薄柔性称重传感器的受力面，可选用具有一定强度的材料制作，例如，FR4(玻璃纤维环氧树脂材料)薄片、PEEK(聚醚醚酮)薄片、POM(聚甲醛)薄片等。需要注意的是，力集中层15应与无空腔传感结构中的功能层12相邻，传感器的力传递顺序为从力集中层15到功能层12，并导致功能层12形变。

在厚度设计上，无空腔传感结构的厚度通常控制在250微米以内，但并不限于此，只要能实现柔性特点即可。本实施例中，无空腔传感结构的厚度优选在100～200微米。通常，功能层12中柔性基底121的厚度越大，同等压力下，功能层形变越小，传感器的敏感度会随之降低；但如果柔性基底121太薄，生产难度和成本都会增高，特别是印刷一致性好的压敏膜难度增大。本实施例中，柔性基底121的厚度优选25～45微米。粘合层14厚度可控制在35～55微米。力集中层15的厚度太薄会对力集中的效果有所减弱，太厚则会导致传感器笨重且影响柔性效果，本实施例中，力集中层15的厚度优选100～500微米。因此，本实施例中，超薄柔性称重传感器的总厚度通常控制在200～800微米，既能保证传感器的性能，又能实现超薄、柔性的效果。

本发明对电极层11中单面电极112的具体图案和形式不做限制，如图2(a)、图2(b)所示，可以是常见的叉指电极，如图2(c)所示，也可以是螺旋电极。采用叉指电极时，电极图案可以是圆形，也可以是方形、矩形或其它形状。本实施例中，单面电极112采用常用的叉指电极，相邻叉指之间的间距可根据需求进行设计，通常间距越小，电极密度越大，传感器的性能也会越好。作为一种优选方案，叉指电极中相邻叉指之间的间距与叉指宽度的比为1:1.5。

结合图3所示，还可以在电极层11中柔性基底111上开设有排气孔16，主要用于热压封装时防止功能层12和电极层11之间形成封闭气腔。排气孔16可以设置一个、两个，或者多个，但考虑到为了不影响传感器电极密度设计以及减少外部环境灰尘进入对传感器性能的影响，排气孔16一般不多于6个，直径通常在0.5毫米以内。为不影响无空腔传感结构的传感效果，排气孔16具体可设置在单面单极112和敏感膜122形成的感应区域内且避开电极的位置处，这样可以保证排气孔16被封装到感应区域内。

结合图4所示，实施例1所述的电阻式超薄柔性称重传感器的传感原理是：初始状态下(未受力作用下)，无空腔传感结构中功能层12和电极层11之间没有空腔高度，功能层12中的敏感膜122和电极层11中的单面电极112形成界面接触(即敏感膜122和单面电极112在局部发生小面积的微结构接触)，此时，导电通道较少，电阻极大，接近断路。

在传感器受压状态下(受到力作用时)，无空腔传感结构中超薄、柔性的功能层12发生形变，敏感膜122与单面电极112充分接触，使得接近断路的叉指电极导通。受力越大，功能层12形变越大，敏感膜122与单面电极112的接触面积越大(包括与电极表面微结构接触以及与电极纵向方向上接触)，形成的导电通道就越多，使得单面电极112之间电阻越小，即电导率越大。以此将传感器的受力与电导率联系起来，优异的传感器重复性使得不同时间同一力值测量得到的电导率几乎没有变化，保证了超薄柔性称重传感器的准确度。

重复性是衡量传感器准确度的决定性因素。传统薄膜式压阻传感器的重复性误差只能达到5％左右，而称重传感器的重复性误差要求小于对应允差的0.35～0.7分度值，对应一百分度数的称重传感器允差即为0.35％～0.7％，因此，传统薄膜式压阻传感器自身的重复性达不到称重传感器的要求，在使用时时常需要通过重复性高的称重传感器来进行校准。本发明采用无空腔传感结构工艺，使得功能层12中每一区域在重复受力时都能不偏移位置的被压下去，即受压时功能层12各区域与单面电极11各部分的相对位置关系基本不变，使得柔性称重传器的重复性误差能够达到0.35％～0.7％，甚至更小，并且，还能使传感器做的更薄。

本发明还将无空腔传感结构与力集中层15结合使用。结合图5(a)和图5(b)所示，无力集中层时，当传感器受到斜向的力作用时，压敏膜122的形变具有偏向性，与电极接触面积发生变化，同等大小力值作用下，传感器的重复性会受到力的输入方向影响。结合图5(c)所示，本发明通过力集中层15可将传感器表面受到的大面积或者多方向的力集中为固定面积以及固定竖直方向的力，由此减少了力作用面积和方向变化导致的重复性变差问题。基于力集中层和无空腔传感结构的结合，本发明制作的部分超薄柔性称重传感器自身的重复性误差甚至可达到0.2％～0.5％。通过图6(a)可以看出超薄柔性称重传感器有很好的重复性，三次加载重复性误差小于0.35％；通过图6(b)可以看出逐负载点标定后，传感器输出线性很好。

实施例1中采用的电阻式超薄柔性称重传感器相较于其它传感机理的传感器，还具有价格低廉、生产成本低等特点，更重要的是，相比传统电容式传感器因寄生电容大易导致信号受到干扰严重的缺点，电阻式传感器受到信号干扰更小，需要的外部电路也更加简单。

进一步，本发明还可以对敏感膜112的材料进行改进，采用热固性的敏感膜材料。传统的薄膜式压力传感器的敏感膜材料一般使用热塑性的功能材料，例如，热塑性的聚氨酯碳膜、热塑性的聚氨酯碳膜均具有明显的的缺点，即易于蠕变。易于蠕变的热塑性的聚氨酯碳膜随着承重负荷、环境温度、湿度变化，蠕变程度也不一样，这可能会一定程度影响传感器的重复性和准确度。相比之下，热固性的敏感膜材料具有较好的耐蠕变特性以及耐热性。本发明使用具有低杨氏模量的热固性的弹性体复合材料作为敏感膜，例如，热固性碳膜(具体可以是热固性硅胶碳膜、热固性环氧树脂碳膜、热固性丙烯酸脂碳膜、热固性聚氨酯碳膜)，以及热固性碳纳米管、热固性石墨烯、热固性金属导电微粉复合膜等热固性导电薄膜。低杨氏模量的热固性的弹性体复合材料在受到压力时，很容易发生弹性形变(可恢复)，并且有一个较大的弹性形变范围，即使到达屈服强度也不会发生较大的塑性形变(不可恢复)，且永久性的蠕变较少，因此，基于低杨氏模量的热固性的弹性体复合材料敏感膜的传感器本身在负荷范围内重复受压时，永久性形变的蠕变较少，相较于采用热塑性的敏感膜材料的传感器的重复性就更好，这使得超薄柔性称重传感器自身的重复性误差甚至可以达到0.2％。

进一步的，本发明还可以对无空腔传感结构进行大压力适配，也即在无空腔传感结构形成后在较大压力(如300kPa～800kPa)下施压，使得敏感膜122表面的微结构与电极紧密接触并发生适配的微形变，不可逆形变使得微结构中的尖锐凸起(也称“凸起点”)钝化，使得敏感膜122表面粗糙程度和电极表面的粗糙程度相接近(即适配程度更高)，防止传感器在量程内重复受压使用时造成敏感膜122表面的尖锐凸起局部力过度集中而发生不可逆形变，导致传感器的重复性变差。需要说明的是，大压力适配是基于热固性或热塑性材料在大压力作用下压缩会发生不可逆形变的原理，当传感器受到大的压力作用下时，敏感膜微结构与电极层微结构接触，并且由于电极通常是金属材料，形变难度大，所以通常是敏感膜微结构的凸起点发生微形变并和电极上微结构的轮廓逐渐近似，粗糙程度变得接近。但是敏感膜微结构与电极层微结构并不会完全契合，仅有部分区域契合，撤去大压力，在使用量程内重复施压，敏感膜微结构的尖锐凸起由于已经钝化，不会再发生应力集中导致的不可逆变形降低传感器重复性，并且大压力后由于敏感膜微结构与电极层微结构粗糙度更接近，且存在一些区域敏感膜微结构与电极层微结构契合使得传感器重复受压时重复性上升。

实施例1所述的超薄柔性称重传感器的制作方法主要包括以下五个部分：

制作电极层：设计单面电极的图案，采用fpc制造工艺、柔性印刷工艺或微纳制造工艺等电极制作工艺在柔性基底111上制作单面电极112，形成电极层11。

制作功能层：通过丝网印刷或采用狭缝涂布机涂布等方式将敏感材料(例如，热固性导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属导电微粉复合浆料)印刷或涂覆(包括喷涂、刮涂、浸涂等)到柔性基底121上，形成功能层12。

热压封装形成无空腔传感结构：通过激光切割将电极层11和功能层12切割出需要的形状(例如，圆形、矩形)和尺寸，先将电极层11进行热转印，再进一步和功能层12进行热压封装，形成封装层13，得到无空腔传感结构。该部分主要包括热转印功能层和热压封合电极两个子步骤，具体如下：

结合图7(a)所示，热转印功能层过程是通过在离型PET薄膜21上放置功能层12，然后覆盖封装层13(例如，PES等热熔胶)，再覆盖一层低粘度的PET薄膜22，最后在100～120摄氏度下热压机施加1～2psi压力进行热压，将功能层12转印到封装层13上；

结合图7(b)所示，降温到室温后可直接揭掉功能层12上的离型PET薄膜21(离型PET不会和胶粘合)，再在功能层12下方依次放置电极层11、低粘度的PET薄膜23，最后在110～120摄氏度、1～2psi压力下进行热压封合，形成封装层12；降温到室温后再揭去低粘度的PET薄膜22和PET薄膜23，由此得到无空腔传感结构。

大压力适配：结合图7(c)所示，对无空腔传感结构施加一个大压力(300kPa～800kPa)进行大压力适配，使得敏感膜表面的粗糙程度和电极表面的粗糙程度相接近。

具体的，在经过热转印功能层、热压封合电极后得到了无空腔传感结构，再给该结构施加一个300kPa～800kPa大压力，使得敏感膜122表面微结构中的凸起点处发生力的集中而形变(不可逆)，与电极表面的微结构形成一定的适配，即使得压敏膜122与叉指电极112的粗糙度相接近，即微结构接触处轮廓变得相接近，有一定契合度。

连接力集中层：激光切割与无空腔传感结构适合尺寸的粘合层14和力集中层15，通过粘合层14将力集中层15粘合到封装层13上，至此得到实施例1所述的超薄柔性称重传感器，如图7(d)所示。

需要说明的是，在上述过程中，制作电极层和制作功能层并不严格先后顺序，也可以同步完成，而连接力集中层也可以先于大压力适配之前完成，本发明并不作具体限制。

实施例2公开一种离电式超薄柔性称重传感器，该传感器与实施例1的不同主要在于功能层，实施例1中的功能层的敏感膜主要是导电薄膜，形成电阻式的超薄柔性称重传感器，随着压力增大，导电敏感膜形变，增大与电极层叉指电极的接触面积，从而改变叉指电极间的阻值、电导率；而实施例2中的功能层的敏感膜主要是离电材料(电解质复合材料)，电极和电解质接触面处会形成双电层电容，随着压力增大，离电敏感膜形变，增大与电极层叉指电极的接触面积，从而增大双电层电容，以此来实现力学量到电学信号的转换，这也是离电传感的原理。离电式超薄柔性称重传感器的敏感膜材料组成为高分子树脂材料(10％～95％)、固化剂(1％～50％)、溶剂(0％～85％)、添加剂(0％～5％)、液体离子功能材料(4％～80％)，上述成分比例均为质量比。其中，液态离子材料包括但不限于常温离子液体、高沸点有机电解液。高沸点有机电解液含有固态电解质和高沸点有机溶剂，固态电解质包括但不限于LiTFSI、LiOTF、LiPF6、LiBF4等常用固态电解质，高沸点有机溶剂主要为可以溶解前述固态电解质的溶剂，包括但不限于碳酸酯类溶剂、柠檬酸酯类溶剂、环氧大豆油类溶剂、乙二醇醚类溶剂等；高沸点有机溶剂包括但不限于常用的油墨用的溶剂，比如异氟尔酮、松油醇等。这种离电式超薄柔性称重传感器的传感器结构类似实施例1，且制作工艺基本相同，也同样能达到高重复性和准确度的目的。

实施例3公开一种阻抗式超薄柔性称重传感器，该传感器与实施例1的不同主要在于功能层，实施例3中的功能层的敏感膜主要是阻抗薄膜，该薄膜本身既有电阻，又有电感的感抗、电容的容抗，单面电极和阻抗薄膜面接触会形成电阻、感抗或容抗，随着压力增大，阻变敏感膜形变，增大与电极层叉指电极的接触面积，此时电阻减小，容抗增大。这种阻抗式超薄柔性称重传感器的传感器结构类似实施例1，且制作工艺基本相同，也同样能达到高重复性和准确度的目的。

实施例4公开一种多通道超薄柔性称重传感器，该传感器与实施例1的不同主要在于电极层，实施例1中的单面电极为单个电极单元，形成的是传感器单体；实施例4中的单面电极是由多个电极单元阵列排布形成的电极阵列，可以是单面走线电极，也可以是双面走线电极，得到的是多通道传感器。当然，这种多通道超薄柔性称重传感器也可以基于实施例2所述的离电式超薄柔性称重传感器的传感机理，或者基于实施例3所述的阻抗式超薄柔性称重传感器的传感机理，仅在于电极层设置不同。电极单元的排列方式可以是矩形阵列，也可以是圆形阵列，具体根据需求设置，并不限于此。电极层可以通过fpc制造工艺、柔性印刷工艺、微纳制造工艺在柔性基底上大面积印刷电极和线路。在其它条件相同的情况下，实施例1这种传感器单体在测试准确度和重复性上相对于实施例4这种多通道传感器通常会更高，但对于大面积的应用场景，多通道传感器的优势就显得更为突出。

如图8所示，实施例5公开一种足底压力测试系统，该系统主要包括足底压力采集模块、通讯模块和分析模块三个部分。其中，足底压力采集模块搭载多个称重传感器，用于采集受试者的足底压力数据；通讯模块用于将各个称重传感器采集到的数据统一发送至分析模块；分析模块用于将采集到的结果进行分析计算以及可视化处理，并可将结果反馈至输出端。

作为足底压力测试系统核心部分，足底压力采集模块主要包括压力采集板2和布置在压力采集板上的若干超薄柔性称重传感器1。其中，压力采集板1具体可选择FR4(玻璃纤维环氧树脂)、PEEK(聚醚醚酮)、PPS(聚苯硫醚)、PC(聚碳酸酯)、POM(聚甲醛)、PPO(聚苯醚)等材料制作的耐磨板状结构。超薄柔性称重传感器1具体可采用实施例1中所述的电阻式超薄柔性称重传感器、实施例2中所述的离电式超薄柔性称重传感器或者实施例3中所述的阻抗式超薄柔性称重传感器。考虑到保证数据采集的均匀性，压力采集板1上的超薄柔性称重传感器1需要保证排列的尽量均匀，具体可呈阵列式排布，例如，矩形阵列(如图9所示)或圆形阵列，由此形成称重传感器阵列。超薄柔性称重传感器1可以采用多种线路排布方式，但是必须考虑线路排布正负极接线不能同面交叉，可选择的线路排布有单层走线、双层走线，其中单层走线分别为纵向引出正极，横向引出负极，如图10(a)所示；双层走线则通过涉及过孔来避免线路的交叉，如图10(b)所示。当然，在其它实施例中，也可以直接采用超薄柔性称重传感器设置在压力采集板上，实现足底压力数据采集。

单个超薄柔性称重传感器1可通过超薄的双面胶固定在压力采集板2的平整面上，需要注意的是，固定时将超薄柔性称重传感器1的电极层11与压力采集板2相邻，力集中层15远离压力采集板2布置。布置在压力采集板2上的超薄柔性称重传感器1可与足底直接形成接触，也可以在超薄柔性称重传感器1布置的传感区域上布置一层整体的保护层，在传感区域周围边缘使用3～5mm宽度的的双面胶长条粘合保护层，形成大面积的覆盖保护，保护层可以是柔性涤纶、棉、尼龙织物。

通讯模块可通过线路或者蓝牙、wifi、NFC等通讯方式连接压力采集模块和分析模块。

分析模块需要对超薄柔性称重传感器采集的数据进行分析计算，图6可以看出逐负载点标定后，传感器输出线性很好，根据标定后的超薄柔性称重传感器线性输出，通过采集准确度高的电学信号，可以准确分析压力采集模块上受试者的足底压力分布数据和体重状况，并且依赖于本发明的超薄柔性称重传感器的高重复性，重复测试的测试结果偏差较小，可以对受试者进行周期性采样，跟踪受试者的足底压力分布变化、体重变化。

具体的，受试者踩在足压采集系统上，通讯模块将采集的电学信号(电阻、感抗、容抗)输出到分析模块，根据压力标定曲线将电学信号转化为压力数据，就可以知道压力采集板上受压部分的各个超薄柔性称重传感器的压力值，即可得到准确的受试者足底压力分布数据。

对于受试者体重可有两种方式获得：(1)每一个数据变换的超薄柔性称重传感器(已有固定面积)，可根据P＝F/S(P为压强，F为受力，S为受力面积)，计算出每个超薄柔性称重传感器的力F,就可以计算所有受力的超薄柔性称重传感器受力F的总和FSUN，根据FSUM＝mg(m为人体重量，g为重力加速度)，就可以计算出人体重量m；(2)也可以根据负载(Kg)标定曲线，直接将电阻信号转换为重量值，计算所有受力的超薄柔性称重传感器负载总和，即可得到受试者重量。

进一步的，足底压力测试系统还包括显示模块，用于向用户显示分析模块输出的受试者足底压力数据和体重数据。在一种实施方式中，通讯模块、分析模块和显示模块也可以直接配置在移动终端或计算机上，由此降解系统的成本，也能提升用户体验。

上述足底压力测试系统利用超薄柔性称重传感器做成传感阵列，用于足底压力数据采集，这样既可以保证采集的高点阵密度、高准确度以及人体高贴合度，使得足部每一个位置的压力都可以被采集，又不需要另外搭载校准模块，同时还具有高准确度、高重复性的特点，能更加准确计算人体的体重与地反力。

最后需要说明的是，尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (22)

1.一种超薄柔性称重传感器，其特征在于，包括电极层、功能层、封装层、粘合层和力集中层；所述电极层包括第一柔性基底以及布置在第一柔性基底上的单面电极；所述功能层包括第二柔性基底以及布置在第二柔性基底上的敏感膜；所述电极层和功能层重叠布置使单面电极和敏感膜形成界面接触，并通过封装层将电极层和功能层封装成无空腔传感结构；所述力集中层通过粘合层与无空腔传感结构固定连接，并与所述功能层相邻。

2.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述敏感膜为导电薄膜，所述超薄柔性称重传感器为电阻式传感器。

3.如权利要求2所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述敏感膜的成分包括：质量比为10％～95％的高分子树脂材料、1％～50％的固化剂、0％～85％的溶剂、0％～5％的添加剂、4％～80％的导电填料；所述高分子树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯或聚氨酯中一种或几种的组合；所述固化剂为环氧树脂固化剂、丙烯酸树脂固化剂、有机硅树脂固化剂、不饱和聚酯固化剂或聚氨酯固化剂；所述添加剂为流平剂和消泡剂；所述溶剂为异氟尔酮、松油醇中一种或几种的组合；所述导电填料为导电炭黑、碳纳米管、石墨烯或金属导电微粉。

4.如权利要求2所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述敏感膜为热固性碳膜、热固性碳纳米管、热固性石墨烯或热固性金属导电微粉复合膜。

5.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述敏感膜为离电薄膜，所述超薄柔性称重传感器为离电式传感器。

6.如权利要求5所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述敏感膜的成分包括：质量比为10％～95％的高分子树脂材料、1％～50％的固化剂、0％～85％的溶剂、0％～5％的添加剂、4％～80％的液体离子功能材料；所述高分子树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯或聚氨酯中一种或几种的组合；所述固化剂为环氧树脂固化剂、丙烯酸树脂固化剂、有机硅树脂固化剂、不饱和聚酯或聚氨酯固化剂；所述添加剂为流平剂和消泡剂；所述溶剂为异氟尔酮、松油醇中一种或几种的组合；所述导电填料为常温离子液体和高沸点有机电解液。

7.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述敏感膜为阻抗薄膜，所述超薄柔性称重传感器为阻抗式传感器。

8.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述第一柔性基底上开设有至少一个排气孔，所述排气孔位于无空腔传感结构的传感区域内且避开单面电极中的电极。

9.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述第一柔性基底为PI薄膜、PC薄膜、PET薄膜中的任意一种；所述第二柔性基底为PET薄膜、PEEK薄膜、PPS薄膜中的任意一种。

10.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述单面电极为单个电极单元，或者所述单面电极包括多个阵列排布的电极单元。

11.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述单面电极为叉指电极或螺旋电极。

12.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述单面电极采用铜、银、金中的任意一种制作，或者采用ITO或ATO制作。

13.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述封装层为PES、PA、TPU热熔胶中的任意一种。

14.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述粘合层为超薄双面胶或者氰基丙烯酸盐粘合剂。

15.如权利要求1所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述力集中层为FR4薄片、PEEK薄片、POM薄片中的任意一种。

16.如权利要求1至15任意一项所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述无空腔传感结构经大压力适配，敏感膜表面的粗糙程度与单面电极表面的粗糙程度相接近。

17.如权利要求1至15任意一项所述的所述的超薄柔性称重传感器，其特征在于，所述无空腔传感结构的厚度小于等于250微米，其中，第二柔性基底的厚度在25～45微米以内；所述粘合层的厚度在35～55微米以内，力集中层的厚度在100～500微米范围以内。

18.一种用于制备如权利要求1至17任意一项所述的超薄柔性称重传感器的方法，其特征在于，包括：

在第一柔性基底上制作单面电极，形成电极层；

在第二柔性基底上制作敏感膜，形成功能层；

将电极层和功能层进行热压封装形成封装层，并由此得到无空腔传感结构；

通过粘合层将力集中层与无空腔传感结构相粘合。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括对所述无空腔传感结构施加大压力进行大压力适配，使所述敏感膜表面的粗糙程度与单面电极表面的粗糙程度相接近。

20.一种足底压力采集模块，其特征在于，包括压力采集板和布置在所述压力采集板上的若干超薄柔性称重传感器，所述超薄柔性称重传感器为权利要求1至17中任意一项所述的超薄柔性称重传感器；所述超薄柔性称重传感器为阵列式排布，电极层与压力采集板相邻。

21.如权利要求20所述的足底压力采集模块，其特征在于，还包括布置在所述超薄柔性称重传感器表面的保护层。

22.一种足底压力测试系统，其特征在于，包括如权利要求20至21中任意一项所述的足底压力采集模块，以及通讯模块、分析模块和显示模块；所述通讯模块用于获取压力采集模块输出的电信号，并将所述电信号传输至分析模块；所述分析模块用于根据压力标定曲线将电信号转化为压力数据，得到受试者的足底压力分布数据，并基于所述压力数据计算得到受试者体重；所述显示模块用于显示分析模块输出的足底压力分布数据和受试者体重。

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