[发明专利]一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器及方法

权利要求书

1.一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器测量足底压力及动态变化的方法，所述测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器，包括中间绝缘介质(3)，粘接于中间绝缘介质(3)上层的上层离子凝胶阵列(2)和下层的下层离子凝胶阵列(4)；上层离子凝胶阵列(2)的上表面粘贴一层上层绝缘介质(1)，下层离子凝胶阵列(4)的下表面粘贴一层下层绝缘介质(5)；金属电极(6)粘贴于上层绝缘介质(1)与上层离子凝胶阵列(2)的连接处以及下层绝缘介质(5)与下层离子凝胶阵列(4)的连接处；纽扣电池(8)、控制采集模块(9)和蓝牙模块(10)集成在电路板(11)上，通过导线(7)连接金属电极(6)，纽扣电池(8)为上层离子凝胶阵列(2)和下层离子凝胶阵列(4)供电；所述上层离子凝胶阵列(2)和下层离子凝胶阵列(4)采用柔软、透明的PVA凝胶；上层绝缘介质(1)、中间绝缘介质(3)、下层绝缘介质(5)采用柔软、透明的硅胶；所述上层离子凝胶阵列(2)、下层离子凝胶阵列(4)、上层绝缘介质(1)、中间绝缘介质(3)和下层绝缘介质(5)的厚度为微米量级；

其特征在于：所述测量足底压力及动态变化的方法为：在交流电供电时，上层离子凝胶阵列(2)和下层离子凝胶阵列(4)的离子凝胶单元的金属电极-离子凝胶界面产生两个双电层，电容为Cd_i，与中间绝缘介质电容Cs_i串联；金属电极和离子凝胶中的电荷分布距离是纳米量级，中间绝缘介质上下表面的电荷分布距离是微米量级，估计Cd_i/Cs_i≥10⁵，因此测得电容中间绝缘介质(3)的厚度为d，与离子凝胶单元接触面积为s，在初始状态下电容值为ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数；设弹性体变形后体积不变，在足底压力作用下，绝缘介质长度被拉伸为λ倍，厚度会被压缩为倍，面积被拉伸为λ²倍，则受压后的电容值为C_i＝λ⁴Cs_i0；控制采集模块(9)打开控制开关测得某个电容信号C_i或全部电容信号对应的电压信号U_i，由蓝牙模块(10)发送到手机，通过计算得到足底各部分压力P_i和总压力P，P_i＝kU_i；k为压力与电压的比例系数；某个离子凝胶单元的动态电容信号对应的电压信号U_i(t)峰峰值之间的间隔t即为步幅周期或跳跃周期，一定时间T内的步数或起跳次数

2.根据权利要求1所述的测量足底压力及动态变化的方法，其特征在于：所述上层离子凝胶阵列(2)和下层离子凝胶阵列(4)由六边形离子凝胶单元组成，在有测量精度要求时，减小上层离子凝胶阵列(2)和下层离子凝胶阵列(4)的六边形离子凝胶单元的尺寸，增加总体六边形离子凝胶单元数量，或在压力大的部位增加六边形离子凝胶单元数量。

3.根据权利要求2所述的测量足底压力及动态变化的方法，其特征在于：每个所述六边形离子凝胶单元由单独电路连接，最后合成一条总线连接控制采集模块(9)，通过测量每个六边形离子凝胶单元的信号，反映足部实时的压力分布情况；所述电路板(11)上布置DC/AC电路将纽扣电池(8)的直流电信号转化为交流电信号，给离子凝胶供电，避免材料特性改变；

所述金属电极(6)与上层离子凝胶阵列(2)和下层离子凝胶阵列(4)形成电子-离子混合电流回路传递电信号；由于电压降大都发生在中间绝缘介质(3)上，金属电极-电解质交界面的双电层处电压降远小于1V，离子凝胶不会发生电化学反应，因此，能够采用低电压纽扣电池(8)供电；

所述电路板(11)集成控制采集模块(9)、蓝牙模块(10)和纽扣电池(8)安装于鞋帮根部。