一种基于聚合物传感器的心率测量耳机的制作方法

本发明属于心率测量技术领域，具体涉及一种基于聚合物传感器的心率测量耳机。

背景技术：

随着生活水平的提高，人们越来越关注自身健康，运动受到越来越多人的欢迎。心率是衡量运动效果，控制运动量的最有效标准，能够为用户提供脂肪燃烧、心肺锻炼和峰值锻炼的区间，这些数据可以帮助运动更加科学，同时对用户长期的运动效果有一定的评估作用。因此，心率测量是现有穿戴运动设备最为基础和关键的监测指标。

在心率监测领域，目前最准确的是心率带，但由于穿戴效果不佳，影响观感，没有受到广泛关注，取而代之的是各类手环和手表。但是，各类手环和手表产品心率测量的准确性严重依赖于用户的佩戴情况，如果用户佩戴较松，心率模块不能贴着皮肤，就会导致心率测量不准确。尤其是在运动过程中，手臂运动给佩戴状态带来一些不确定性影响，进而影响测量准确性。

相比手腕，耳旁区域是多种身体参数测试的理想地点，颈内动脉系统垂直沿着耳道区域运行，毛细血管系统贯穿耳屏、耳垂。在人们日常从事各种运动中，耳朵的位置尤其是耳内都相对稳定且没有过于激烈的动作，这就使其成为了一个理想的、稳定的测试平台。因此，耳内心率测量具有更高准确性。

目前已有一些在耳内测量心率的商业耳机产品，这些产品主要采用光电法监测心率，这种方法在手环和手表心率测量设备中应用广泛。其原理是由于人体的皮肤、骨骼、肌肉、脂肪等对于光的反射是固定值，而毛细血管和动脉、静脉由于随着脉搏容积不停变大变小，所以对光的反射值是波动值，而这个波动值正好与心率一致，所以光电容积法正是通过这个波动的频率来确定使用者的心率数据。这种方式的技术方案已经比较成熟，价格也相对较低，但是这种方式存在一些缺点，比如耗电快，影响智能穿戴设备续航，同时也容易受环境光或皮肤表面的干扰，造成心率数据的误差。

近年来，随着穿戴技术快速发展，出现了较多柔性压力聚合物材料，实验通过手腕、喉部和胸前佩戴，证明可以测量心率、呼吸节奏等生理参数，但还没有耳内测量的相关装置或设想。本发明提出利用柔性聚合物压力传感器来制作入耳式柔性心率测量耳套装置，具有测试原理简单、省电，而且几乎不增加耳机结构复杂性和质量的优点，具有重要推广价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于聚合物传感器的入耳式柔性心率测量耳套装置，通过感知耳内血管脉动压力来准确测量心率。

本发明采用以下技术方案：

一种基于聚合物传感器的心率测量耳机，包括本体，本体包括带柔性聚合物压力传感器的柔性耳套，柔性耳套套装在耳机上盖结构上，耳机上盖结构与耳机下盖结构连接，耳机上盖结构与耳机下盖结构之间设置有相互连接的微控制电路、传感器测量电路、电源模块和蓝牙模块，柔性耳套接触耳内血管用于运动过程中的心率监测，传感器测量电路能够将电响应信号发送至微控制电路，微控制电路通过蓝牙模块发送移动终端用于显示。

具体的，柔性耳套包括外缘帽和内套管，内套管设置在外缘帽的中心，内套管的底面和台阶表面分别设置有柔性耳套内管内外表面电极，两个柔性耳套内管内外表面电极之间间隔设置。

进一步的，耳机上盖结构的出音管顶端圆环侧面和颈缩下台阶表面分别设置有出音管外部电极，两个出音管外部电极间隔设置，分别通过电极引线与传感器测量电路连接。

更进一步的，内套管与耳机上盖结构的出音管扣接，依靠柔性耳套的弹性力保证出音管外部电极有效接触。

进一步的，外缘帽的表面整体涂覆有绝缘保护层。

具体的，柔性聚合物压力传感器采用有源柔性聚合物压力传感材料制成，有源柔性聚合物压力传感材料包括离子聚合物、复合离子聚合物材料或压电聚合物，制成离子聚合物/复合离子聚合物有表面结构的膜片状压力传感器、柔性耳套形状一体式的压力传感器或离子聚合物/复合离子聚合物无表面结构的膜片状压力传感器作为柔性耳套；膜片状压力传感器为长条结构或弧形结构，沿柔性耳套的外缘帽表面周向或径向设置。

进一步的，离子聚合物/复合离子聚合物有表面结构为沟道型微结构或台状型微结构。

具体的，柔性聚合物压力传感器采用无源聚合物压力传感材料制成，包括电阻式聚合物压力传感器和/或电容式聚合物压力传感器，制成无表面结构的弧形结构膜片状压力传感器、柔性耳套形状一体式压力传感器、有表面结构的膜片状压力传感器或耳塞形状压力传感器作为柔性耳套，膜片状压力传感器为长条结构或弧形结构，沿柔性耳套的外缘帽表面周向或径向设置。

进一步的，表面结构为道型微结构、台状型微结构、金字塔型微结构或柱状微结构。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于聚合物传感器的入耳式柔性心率测量耳套装置，可通过感应耳道内血管的脉搏，实时测量人体心率状况，从而了解使用人的心率健康状况，及时警示心率异常状态。

进一步的，柔性耳套可自由适应人体耳道形状，同时表面可布置用于传感心率信号的电极。

进一步的，设置的音管外部电极可传递心率信号至测量电路。其圆台结构在保证精确电路连接的同时，也可以方便的拆卸柔性耳套。

进一步的，绝缘保护层可以有效保护测量信号不受外部人体电荷的影响，保证心率信号的准确性，同时改善柔性耳套的佩戴舒适性。

进一步的，柔性聚合物压力传感器采用有源柔性聚合物压力传感材料制成，其在感知耳道血管脉动时可在材料内部直接产生电信号，从而形成实时心率信号。

进一步的，传感器的表面结构可针对耳道血管脉动的影响进一步提高传感器灵敏度。

进一步的，柔性聚合物压力传感器采用无源聚合物压力传感材料制成，其在感知耳道血管脉动时可导致拆料特性的变化，针对材料特性的测量可得到实时心率信号。

进一步的，表面结构的设置可针对耳道血管脉动的影响进一步放大其特性的变化，进而提高传感器灵敏度。

综上所述，本发明采用基于聚合物传感器对耳道血管脉动压力的测量可以有效监测人体心率变化，其测试原理简单、省电，几乎不增加耳机结构复杂性和质量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本体结构图，其中，(a)为整体构成，(b)为各部件组成爆炸图；

图2为柔性耳套整体结构示意图；

图3为离子聚合物/复合离子聚合物材料铸膜成型的柔性耳套示意图，其中，(a)为无表面结构型，(b)为带表面结构型，(c)为不同表面微结构类型；

图4为任意聚合物膜片式压力传感器的柔性耳套示意图，其中，(a)为周向分布，(b)为径向分布；

图5为无源聚合物压力传感器模具成型柔性耳套，其中，(a)为无表面结构型，(b)为带表面结构型，(c)为不同表面微结构类型；

图6为微结构膜片式聚合物压力传感器的柔性耳套示意图，其中，(a)为周向分布，(b)为径向分布；

图7为柔性耳套传感器电极及封装，其中，(a)为含有传感器的柔性耳套，(b)为电极接口布置，(c)为封装保护层；

图8为柔性耳套与出音管电极接口示意图，其中，(a)为出音管上电极布置，(b)为电极连接剖面图，(c)为电极接触截面图；

图9为有源聚合物压力传感器的电量测量电路，其中，(a)为电流测量电路，(b)为电荷测量电路；

图10为无源聚合物压力传感器的电参量测量电路，其中，(a)为电桥测量电路，(b)为恒电流源测量电路。

其中：1.本体；11.柔性耳套；12.耳机上盖结构；13.喇叭；14.传感器测量电路；15.电源模块；16.蓝牙模块；17.微控制电路；18.耳机下盖结构；111.内套管；112.外缘帽；21.离子聚合物/复合离子聚合物无表面结构；22.离子聚合物/复合离子聚合物有表面结构；221.沟道型微结构；222.台状型微结构；223.金字塔型微结构；32.膜片状压力传感器；41.无源聚合物无表面结构；42.无源聚合物有表面结构；424.柱状微结构；61.柔性耳套内管内外表面电极；62.绝缘保护层；71.出音管外部电极；81.反馈电阻；82.运算放大器；83.反馈电容；91.传感器等效阻抗；92.电桥臂电阻。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种基于聚合物传感器的入耳式柔性心率测量耳套装置，采用溶液铸膜、交联或者热压等工艺方式形成一体化柔性耳套，或者制成膜片状传感器嵌入或贴附于柔性硅胶耳塞表面，构成耳内接触式心率传感器。经过传感器测量电路转换，心率响应的电信号通过微控制电路处理并通过蓝牙模块发送到终端设备，对心率信息分析与显示。本发明对心率测量的准确性高，便于穿戴，具有较高的推广应用价值。

请参阅图1，本发明一种基于聚合物传感器的入耳式柔性心率测量耳套装置，包括本体1，本体1包括带柔性聚合物压力传感器的柔性耳套11、耳机上盖结构12和耳机下盖结构18。

带柔性聚合物压力传感器的柔性耳套11套装在耳机上盖结构12上，耳机上盖结构12与耳机下盖结构18连接构成内部安装空间，内部安装空间内设置有相互连接的微控制电路17，喇叭13，传感器测量电路14、电源模块15和蓝牙模块16，带柔性聚合物压力传感器的柔性耳套11接触耳内血管用于运动过程中心率准确监测，通过柔性聚合物压力传感器测量静止或运动状态下人耳内血管脉动，电响应信号经传感器测量电路14进入微控制电路17处理，并通过蓝牙模块16发送到手机和ipad等移动蓝牙终端，对心率信息分析与显示。

请参阅图2、图7和图8，柔性耳套11包括外缘帽112和内套管111，内套管111设置在外缘帽112的中心，柔性耳套内管内外表面电极61分布于内套管111的底面和台阶表面，两个柔性耳套内管内外表面电极61之间留出充分间隙防止短路；并在外缘帽112表面整体涂覆绝缘保护层62以作保护，且改善柔性耳套的佩戴舒适性。

请参阅图8，在耳机上盖结构12的出音管部分布置电极接口，出音管外部电极71位置分别位于出音管顶端圆环侧面和颈缩下台阶表面，两个出音管外部电极71之间留出充分间隙防止短路，且两个出音管外部电极71通过电极引线与传感器测量电路14连接；内套管111与耳机上盖结构12的出音管扣接时，依靠柔性耳套的弹性力保证出音管外部电极71有效接触。

传感器测量电路14根据柔性聚合压力传感器原理不同包括两大类，一是电量测量电路测量电压、电流或者电荷等，适用于有源聚合物压力传感器；另一类是电参数测量电路测量电阻或者电容等，适用于无源聚合物压力传感器。

所有类型的聚合物压力传感材料都可制成无结构膜片状，或者制成(压电聚合物、压电驻极体聚合物除外)上下表面积不同的微结构的膜片状压力传感器，微结构为沟道型微结构221、台状型微结构222、金字塔型微结构223和柱状微结构424。

膜片状为长条膜或弧形膜结构，沿外缘帽112的周向或者径向贴附或者嵌于硅胶柔性耳套11内。

柔性聚合物压力传感器所使用的传感材料包括有源柔性聚合物压力传感材料和无源聚合压力传感材料两大类。

根据不同柔性聚合物压力传感原理和材料特性，选择不同的感知结构(是否带有表面微结构)、安装形式(膜片分布式安装或一体式传感器)及其成型工艺(溶液铸膜、交联成型和热压成型)，获得不同形式的柔性耳套11

请参阅图3和图4，有源柔性聚合物压力传感材料包括离子聚合物和/或复合离子聚合物材料，制成离子聚合物/复合离子聚合物有表面结构22的膜片状压力传感器32，或者制成柔性耳套形状一体式的压力传感器作为柔性耳套11；膜片状压力传感器32为弧形结构；为提高传感器灵敏度，离子聚合物/复合离子聚合物有表面结构22为沟道型微结构221或台状型微结构222。

请参阅图4，有源柔性聚合物压力传感材料还包括压电聚合物，压电驻极体聚合物，用于制成离子聚合物/复合离子聚合物无表面结构21的膜片状压力传感器32，作为柔性耳套11。

其中，膜片状压力传感器32沿外缘帽112的表面周向或径向设置。

请参阅图5，无源柔性聚合物压力传感材料包括电阻式聚合物压力传感器和/或电容式聚合物压力传感器，制成无表面结构41的弧形结构膜片状压力传感器32，或者制成柔性耳套形状一体式压力传感器；为提高传感器灵敏度，制成有表面结构42的膜片状压力传感器32或者耳塞形状压力传感器作为柔性耳套11，表面结构42为道型微结构221、台状型微结构222、金字塔型微结构223或柱状微结构424。

请参阅图6，膜片状压力传感器32沿外缘帽112的表面周向或径向设置。

柔性聚合物压力传感器的材料如属于溶液挥发成型的聚合物，例如离子聚合物、复合离子聚合物材料、pvc凝胶、掺杂导电颗粒的热塑性聚氨酯弹性体等，或者如属于交联成型聚合物，例如掺杂导电颗粒的硅橡胶，用于电容式传感器的硅橡胶等。设计柔性耳套结构模具，通过溶液铸膜形成耳塞形状的柔性传感器，为提高传感器灵敏度，通过改进模具并铸造带沟道、台状或锥形等上下表面积不同的微结构的耳塞形状的柔性聚合物压力传感器。

柔性聚合物压力传感器的材料如属于热塑性聚合物，例如掺杂导电颗粒的热塑性聚氨酯弹性体等。设计柔性耳套结构模具，通过热压成型制作耳塞形状的柔性传感器，为提高传感器灵敏度，通过改进模具并铸造带沟道、台状、锥形或者柱状等微结构的耳塞形状的柔性聚合物压力传感器。

不同的有源柔性聚合物压力传感器选择不同的电量测量电路，压电聚合物和压电驻极体聚合物传感器采用电压或者电荷测量电路；离子聚合物和复合离子聚合物材料优先采用电流或者电荷测量电路，也可采用电压测量电路。

请参阅图9，柔性耳套11上的柔性聚合物压力传感器通过电极接口和引线与传感器测量电路14连接，根据柔性聚合压力传感器原理不同选择不同的测量电路。

请参阅图9，有源柔性聚合物压力传感器选择不同的电量测量电路：

压电聚合物和压电驻极体聚合物传感器采用电压或者电荷测量电路(图9(b))；

离子聚合物和复合离子聚合物材料优先采用电流(图9(a))或者电荷测量电路(图9(b))，运算放大器82的负极和输出端并联反馈电阻81或反馈电容83，通过反馈电阻81或反馈电容83调节运算放大器82的转换增益，也可采用电压测量电路。

无源柔性聚合物压力传感器的电参量采用电桥电路测量电阻或电容；或以恒流源为激励，测量传感器两端电压来感知血管脉动。

请参阅图10，无源聚合物压力传感器选择不同的电参量测量电路：

采用电桥电路测量电阻或电容(图10(a))，电桥电路包括依次串联的电阻三个电桥臂电阻92和一个传感器等效阻抗91；或以恒流源为激励，测量传感器两端电压(图10(b))来感知血管脉动，电参量测量电路包括电桥臂电阻92和传感器等效阻抗91。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本实施例中，主要介绍不同形式的柔性耳套的结构、安装和工艺。

有源柔性聚合物压力传感材料包括杜邦公司的nafion材料和旭硝子公司的flemion材料、聚电解质凝胶等；以及pvdf和离子液体复合材料，热塑性聚氨酯弹性体和离子液体复合材料等。

请参阅图3，离子聚合物和复合离子聚合物材料可以采用溶液挥发成膜方式成型，设计柔性耳套结构模具，以离子聚合物/复合离子聚合物材料一体铸膜成型无表面结构；为了提高传感器灵敏度，以离子聚合物/复合离子聚合物材料一体铸膜成型有表面结构，有表面结构的上下表面积不同，表面结构为沟道型微结构221、台状型微结构22(棱台或者圆台)2，或金字塔型微结构223(棱锥或者圆锥)等。

请结合图4(a)，离子聚合物和复合离子聚合物材料采用传统工艺制成离子聚合物/复合离子聚合物无表面结构21的膜片状压力传感器32，膜片状压力传感器32的膜片可以周向设置或径向设置，将两片及以上的膜片状压力传感器32沿周向或者径向贴附于外缘帽112上，便可获得具有压力感知能力的柔性耳套11。

为了提高膜片状压力传感器的灵敏度，通过模具铸膜制成离子聚合物/复合离子聚合物有表面结构22的膜片状压力传感器32，采用相同方法贴附于本体上，便可获得具有压力感知能力的柔性耳套11，表面结构为沟道型微结构221或台状型微结构222。

请结合图4(b)，有源柔性聚合物压力传感材料还包括聚偏二氟乙烯(pvdf)及其改性聚合物；etouch公司压电薄膜等。压电聚合物和压电驻极体聚合物由于成型工艺复杂，采用传统工艺制成制成离子聚合物/复合离子聚合物无表面结构21的膜片状压力传感器32，膜片状压力传感器32周向或径向设置，将两片及以上的膜片状压力传感器32沿着周向或者径向贴附于外缘帽112上，便可获得具有压力感知能力的柔性耳套11。

无源柔性聚合物压力传感材料包括掺杂导电颗粒的聚合物复合材料，聚合物可为各种硅橡胶和热塑性聚氨酯弹性体等，导电颗粒可为碳纳米管、活性炭、导电石墨和金属纳米颗粒和纳米线材料等；高介电常数柔性聚合物(硅橡胶、聚氯乙烯(pvc)凝胶)、离子聚合物和复合离子聚合物材料等。

请结合图5和图6，掺杂导电颗粒的热塑性聚氨酯弹性体、pvc凝胶、离子聚合物和复合离子聚合物材料等可以通过溶液挥发成型；掺杂导电颗粒的硅橡胶和用于电容式传感器的硅橡胶等能够通过溶液交联成型；掺杂导电颗粒的热塑性聚氨酯弹性体等能够通过热压成型。

无源聚合物压力传感器材料采用传统工艺制成无源聚合物无表面结构41的膜片状压力传感器32，可以周向设置，也可以径向设置，将两片及以上的膜片状压力传感器32沿着周向或者径向贴附于外缘帽112上，便可获得具有压力感知能力的柔性耳套11。

为了提高传感器灵敏度，通过改进模具并铸造无源聚合物有表面结构42的膜片状压力传感器32，采用相同方法贴附于外缘帽112上，便可获得具有压力感知能力的柔性耳套11，无源聚合物有表面结构42为沟道型微结构221、台状型微结构222(棱台或者圆台)、金字塔型微结构223(棱锥或者圆锥)或柱状微结构424(棱柱或者圆柱)等。

通过上述实施例，可以获得不同聚合物压力传感材料和不同结构的柔性耳套11，传感器两电极分布于柔性耳套的外援帽两侧。结合图7和图8，通过柔性电极将柔性耳套内管内外表面电极61引至柔性耳套内管的底面和台阶表面，两电极之间留出充分间隙防止短路。并在柔性耳套外表面涂敷一层绝缘保护层62以作保护，且改善柔性耳套的佩戴舒适性。

柔性耳套内管的直径略小于出音管台阶的直径，在柔性耳套弹性力的作用下，柔性耳套内管内外表面电极61和出音管外部电极71会产生稳固的接触，从而保证与传感器测量电路的连接。

综上所述，本发明利用柔性聚合物压力传感器测量耳道内血管的脉搏，从而可以监测使用人的心率健康状况，其测试原理简单、省电，几乎不增加耳机结构的复杂性和质量，具有重要推广价值。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

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