一种智能鞋垫及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种智能鞋垫，包括柔性电路板、多孔结构的传感层及包裹它们的封装部，柔性电路板包括设置在柔性衬底第一表面上的第一电极阵列，设置在与第一表面相对的第二表面上的第一感应电极层，封装部包括覆盖第一表面的第一封装层及覆盖第二表面的第二封装层，沿柔性衬底向第一封装层的方向，第一电极阵列及传感层依次层叠嵌设在第一封装层中。第一感应电极层和第二封装层用于构成摩擦纳米发电机，柔性衬底、第一电极阵列和传感层用于构成柔性压力传感器阵列。该智能鞋垫的结构简单、成本低廉、穿着舒适度高，既可实现自供能，又可检测人足底受压情况。本发明专利技术还提供了该智能鞋垫的制备方法及智能鞋子、自供能步态信息采集系统。

【技术实现步骤摘要】
一种智能鞋垫及其制备方法和应用
本专利技术涉及生物医学工程
，尤其涉及一种智能鞋垫及其制备方法和应用。
技术介绍
目前，常见的智能鞋通常具有内置电池或发电装置，内置电池的受体积限制，电池容量往往达不到较长时间的续航；而常规的发电装置(如包括踏压转动机构、传动机构、微型发电机)不仅结构复杂、体积庞大、成本高，而且发电效率低，且鞋底发生较大变形，走路时容易产生不适感。此外，现有的智能鞋中的姿态传感器(如压力传感器)与上述发电装置集成到鞋垫中的难度高，且多为硬质材料，且舒适度低。因此，有必要提供一种成本低、结构简单、舒适度高，并集成采集压力和自供能的智能鞋垫及系统。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术提供了一种具有大量程的柔性压力传感器和高性能摩擦纳米发电机的智能鞋垫、智能鞋子及相关系统，以解决智能鞋垫中供电设备的续航性差、体积大、发电效率低的问题及目前压力传感器难集成到鞋垫中的问题。具体地，本专利技术第一方面提供了一种智能鞋垫，包括柔性电路板、传感层及包裹所述柔性电路板和传感层的封装部，其中，所述柔性电路板包括设置在柔性衬底的第一表面上的第一电极阵列，以及设置在与所述第一表面相对的第二表面上的第一感应电极层，所述封装部包括相对设置的第一封装层和第二封装层，所述第一封装层覆盖所述第一表面，所述第二封装层覆盖所述第二表面，沿所述柔性衬底向所述第一封装层的方向，所述第一电极阵列和所述传感层依次层叠嵌设在所述第一封装层中，所述传感层具有多孔结构；其中，所述第一感应电极层和所述第二封装层用于构成摩擦纳米发电机，所述柔性衬底、第一电极阵列和传感层用于构成柔性压力传感器阵列。本专利技术第一方面提供的智能鞋垫中，融入了结构简单的摩擦纳米发电机及大量程的柔性压力传感器阵列，且二者之间的结合紧密、可被封装部较好地保护，所形成的智能鞋垫的稳定性高、一体性强；其中，柔性压力传感器阵列的衬底柔软、传感层具有多孔结构，可使得柔性压力传感器阵列较柔软，进而使所述智能鞋垫穿着舒适，且还能通过大量程的柔性压力传感器真实反映其穿着者的步态信息；而所述封装部的第二封装层还作为所述摩擦纳米发电机的摩擦层，在人穿着智能鞋垫走路的过程中，因外力的施加和撤去，所述第二封装层会得到电子产生负电荷，并且通过静电感应原理使所述第一感应电极层产生正感应电荷，从而产生电势差，使得所述摩擦纳米发电机输出电能，实现将人行走过程中产生的机械能高效率地转化为电能，避免了浪费。可选地，所述传感层的多孔结构的孔径为50-500μm。进一步地，所述传感层的厚度为1-5mm。例如1mm、2mm、3mm、4mm、5mm等。若所述传感层的厚度太薄，则会造成传感不灵敏。本专利技术中，所述传感层包括阵列排布的多个传感单元，每个传感单元均是具有多孔结构。其中，柔性衬底上的一个传感单元和位于该传感单元之下的一个第一电极构成了一个柔性压力传感器。可选地，所述第二封装层的厚度为≥1mm。这样可减少其与地面摩擦所到导致的磨损。进一步地，所述第二封装层的厚度不超过5mm，以尽可能保证摩擦纳米发电机对外力的响应较灵敏，使其具有较好的摩擦电性能。可选地，所述封装部具有多孔结构。这样可使得所述智能鞋垫穿着较舒适。进一步地，所述封装部的多孔结构的孔径为100-300μm。本专利技术中，所述封装部作为智能鞋垫的外层，其大小、形状可定制；其中，所述柔性电路板的形状也可根据人脚轮廓来定制。其中，所述柔性衬底的材质为绝缘材料，可以选自聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯中的一种或多种，但不限于此。其中，所述第一电极阵列的材质独立地选自铜、铝、银、铂、金、钛、铱、钯、铌、钽及其合金、氮化钛(TixNy)、氧化铱(IrOx)、氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺氟二氧化锡(FTO)和掺磷二氧化锡(PTO)中的至少一种，但不限于此。优选为价格低廉的铜。本专利技术中，所述第一电极阵列是间隔设置在柔性衬底上，而所述第一感应电极层是整面设置在所述柔性衬底的第二表面。所述传感层的多个传感单元与多个第一电极的排布方式(如位置、数量)相同。可选地，所述第一电极阵列中的每个第一电极和第一感应电极层分别引出有导线，以便于与下文所述的处理模块或供能模块电连接。在本专利技术一实施方式中，所述第一电极阵列的每个第一电极具有叉指图案。即，每个第一电极为叉指电极。此时，所述柔性压力传感器阵列包括压阻式柔性压力传感器；从每个第一电极处引出有两根导线。可便于后续在每个第一电极之间加载每个压阻式柔性压力传感器工作所要的能源，以及下文的处理模块电连接。对于压阻式柔性压力传感器而言，所述传感层的多孔传感材料可以包括导电材料和聚合物弹性体。其中，所述聚合物弹性体为绝缘材料，可以选自聚氨酯(PU)类弹性体、聚二甲基硅氧烷(PDMS)类弹性体、聚烯烃类弹性体中的一种或多种；所述导电材料可以选自导电炭黑、碳纳米管、石墨烯片和金属纳米材料(如金纳米颗粒、银纳米颗粒、银纳米片等)中的一种或多种。所述传感层的构成材料中的聚合物弹性体可以与所述封装部之间实现良好的贴合效果。其中，对于聚烯烃类可以列举SEBS(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物)、SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、POE(乙烯-辛烯共聚物)、EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)。可选地，所述传感层的厚度与所述第一电极阵列的厚度之和小于或等于所述第一封装层的厚度。进一步可选地，所述传感层的厚度与所述第一电极阵列的厚度之和等于所述第一封装层的厚度。此时，所述传感层的上表面(背离所述第一电极阵列的一面)与所述第一封装层的上表面齐平(即，所述传感层的上表面从所述第一封装层中露出)。这样所述智能鞋底在穿着过程中可较好地保持整体形状的稳定、厚度的均一性，不易因传感层、封装部的弹性模量不一致而造成坍塌。在本专利技术其他实施方式中，所述第一电极阵列的每个第一电极不具有叉指图案。此时，所述传感层上还设有与所述第一电极阵列相对应的第二电极阵列，所述第二电极阵列也嵌设在所述第一封装层中。此种情况下，所述柔性压力传感器阵列包括所述柔性衬底、第一电极阵列、传感层和第二电极阵列。所述第二电极阵列与第一电极阵列的材质可以相同或不同。进一步地，若所述传感层的构成材料为多孔PU类弹性体、PDMS类弹性体、EVA泡棉等介电材料，则该柔性压力传感器阵列为电容式压力传感器阵列；若所述传感层的材料为PZT、PVDF等柔性压电材料，则该柔性压力传感器为压电式压力传感器阵列。此时，所述第一电极阵列中的每个第一电极、第二电极阵列中的每个第二电极分别引出有导线，其中，当柔性压力传感器阵列为电容式时，每个第一电极和与其对应的第二电极之间加载每个电容式柔性压力传感器工作所要的能源。可选地，所述第一电极阵列、所述传感层、所述第二电极阵列的厚度之和小于或等于所述第一封装层的厚度。进一步可选地，所述第二电极阵列的上表面(背离所述传感层的一面)与所述第一封装层的上表面齐平(即，所述第二电极阵列的上表面从所述第一封装层中露出)。这样本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能鞋垫，其特征在于，包括柔性电路板、传感层及包裹所述柔性电路板和传感层的封装部，其中，所述柔性电路板包括设置在柔性衬底的第一表面上的第一电极阵列，以及设置在与所述第一表面相对的第二表面上的第一感应电极层；所述封装部包括相对设置的第一封装层和第二封装层，所述第一封装层覆盖所述第一表面，所述第二封装层覆盖所述第二表面，沿所述柔性衬底向所述第一封装层的方向，所述第一电极阵列和所述传感层依次层叠嵌设在所述第一封装层中，所述传感层具有多孔结构；其中，所述第一感应电极层和所述第二封装层用于构成摩擦纳米发电机，所述柔性衬底、第一电极阵列和传感层用于构成柔性压力传感器阵列。/n

【技术特征摘要】
1.一种智能鞋垫，其特征在于，包括柔性电路板、传感层及包裹所述柔性电路板和传感层的封装部，其中，所述柔性电路板包括设置在柔性衬底的第一表面上的第一电极阵列，以及设置在与所述第一表面相对的第二表面上的第一感应电极层；所述封装部包括相对设置的第一封装层和第二封装层，所述第一封装层覆盖所述第一表面，所述第二封装层覆盖所述第二表面，沿所述柔性衬底向所述第一封装层的方向，所述第一电极阵列和所述传感层依次层叠嵌设在所述第一封装层中，所述传感层具有多孔结构；其中，所述第一感应电极层和所述第二封装层用于构成摩擦纳米发电机，所述柔性衬底、第一电极阵列和传感层用于构成柔性压力传感器阵列。


2.如权利要求1所述的智能鞋垫，其特征在于，所述传感层的厚度与所述第一电极阵列的厚度之和小于或等于所述第一封装层的厚度。


3.如权利要求2所述的智能鞋垫，其特征在于，所述第一电极阵列的每个第一电极具有叉指图案，所述传感层的材料包括导电材料和聚合物弹性体；其中，所述聚合物弹性体选自聚氨酯类弹性体、聚二甲基硅氧烷类弹性体、聚烯烃类弹性体中的一种或多种；所述导电材料选自导电炭黑、碳纳米管、石墨烯片和金属纳米材料中的一种或多种。


4.如权利要求1所述的智能鞋垫，其特征在于，所述传感层上还设有与所述第一电极阵列相对应的第二电极阵列，所述第二电极阵列嵌设在所述第一封装层中；所述传感层的材料为聚合物弹性体，或者为压电材料。


5.如权利要求2所述的智能鞋垫，其特征在于，所述摩擦纳米发电机还包括第二感应电极层，其嵌设在所述第二封装层远离所述第一感应电极层的一面，且所述第一感应电极层与所述第二封装层不接触层叠设置。


6.如权利要求1-5任一项所述的智能鞋垫，其特征在于，所述传感层的厚度为1-5mm；所述封装部具有多孔结构。


7.一种智能鞋垫的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在柔性衬底的第一表面上制备第一电极阵列、在与所述第一表面相对的第二表面上制备第一感应电极层，得到柔性电路板；
(2)将所述柔性电路板置于定制的模具中，倒入封装部浆料进行发泡，发泡结束后取出，得到包裹有所述柔性电路板的封装部，其中，所述封装部包括相对设置的第一封装层和第二封装层，所述第一封装层覆盖所述第一表面，所述第二封装层覆盖所述第二表面，且所述第一封装层具有孔阵列，所述第一电极阵列的第一电极从所述孔阵列的孔中露出；
(3)将含有牺牲性材料的传感层浆料填充到步骤(2)得到的封装部的所述孔阵列的孔中，加热固化，再浸入水中以溶解脱除所述牺牲性材料，干燥后形成具有多孔结构的传感层，完成智能鞋垫的制作；其中，沿所述柔性衬底向所述第一封装层的方向，所述第一电极阵列和所述传感层依次层叠嵌设...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭争春，黄画怿，王子娅，管晓，张琦，孟博，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44