CN102980691A - 三维界面应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维界面应力传感器，主要解决现有技术不能实时测量三维界面应力的问题。其包括顶层(1)、驱动电极(2)、中间层(3)、感应电极(4)和底层(5)。驱动电极(2)耦合于顶层(1)的下表面；中间层(3)由四个分隔柱(31,32,33,34)组成，这四个分隔柱固定在顶层(1)与底层(5)之间；感应电极(4)由Z向感应电极(41)、X向感应电极(42)和Y向感应电极(43)组成，Z向感应电极(41)耦合于底层(5)上表面的中心位置，X向感应电极(42)和Y向感应电极(43)分别耦合于底层(5)上表面的两条相邻的边上，且相互垂直。本发明具有实时测量三维界面应力，几何尺寸小，测量范围大，灵敏度高，易于集成的优点，可用于康复医学、矫形外科、体育训练和制鞋业中。

Description

三维界面应力传感器

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，特别涉及三维界面应力传感器，可用于测量假肢中截肢表面与假肢接口之间的界面应力分布和足底界面应力分布。

背景技术

界面应力传感器被认为是测量假肢中截肢表面与假肢接口之间的界面应力分布和足底界面应力分布的关键器件，被广泛应用于康复医学、矫形外科、体育训练和制鞋业中。

截肢表面与假肢接口之间的表面应力分布被认为是医学工程的一项新的研究内容。据世界卫生组织测算，全球残疾人约占总人口的5%。另据全国残疾人抽样调查显示，我国约有6000万残疾人，其中截肢者约有89万人，占残疾人总数的1.48%，最新的统计显示这一数字每年不断增加中。这些截肢者绝大部分依靠假肢行走，对于截肢者而言，假肢的好坏直接影响到他们的生活。在不牺牲移动性的前提下，获得良好的舒适性成为众多医生和科研工作者追求的目标。为了帮助患者改善舒适性，获得截肢表面和假肢接口之间界面应力的分布对于一个假肢接口系统而言，显得尤为重要。

足底应力分布被认为是生物力学的一项重要研究内容。在康复医学中，足底应力分布被认为是研究某些疾病的重要参考数据；在矫形外科中，足底应力分布的测量被认为是步态研究的支撑和关键技术；在体育训练中，足底应力的测量与分析可以指导运动员训练，最大程度地避免运动受伤，从而提高运动员的成绩；在制鞋业中，分析不同人群足底应力的分布可以使制鞋工程师设计出更舒适的鞋子；此外，随着近年来爱好运动和体育锻炼的人数的增加，因为运动导致足部受伤的病人也在不断增加，由于其中大部分不知道受伤的原因，严重阻碍了病情的防治。因此，准确便捷地测量足底应力分布就显得尤为迫切。

为了获得截肢表面和假肢接口之间的界面应力分布和准确便捷地测量足底应力的分布，必须研发能够用于电子皮肤的新型界面应力传感器，由于截肢表面和假肢接口之间以及足底应力不光存在与界面垂直的正应力，而且存在与界面不垂直的剪切力，所以要求该传感器能够实时、准确、便捷地测量三维界面应力。

已经有许多文献报道了能够测量截肢表面和假肢接口之间的界面应力分布的器件，这些器件包括电阻应变测量计(resistive strain gauges)、压电电阻计(piezoelectric resistors)、光电电缆(ber-optic cables)及波导器件(waveguides)、充气腔器件(gas-filled cavities)，和基于电容的方法(capacitance-based methods)。然而，这些器件都只能测量正应力，却不能同时测量剪切力。

有些报道尝试建立数学模型根据正应力来预测剪切力，但是最新的报道发现这些数学模型都不准确。而且，基于这些技术的器件很难用于测量足底应力分布。因为基于这些器件的传感器不但本身增加应力，而且体积太大，很难方便地应用于鞋底狭小的空间。此外，这些器件不仅容易受到干扰，而且很难标定。

综上所述，已报道的界面应力传感器存在如下缺点：（1）只能测量正应力，却不能同时测量剪切力，即不能解决实时测量三维界面应力的问题；（2）几何尺寸太大，不能用于假肢或鞋底狭小的空间；（3）灵敏度低，测量范围太小；（4）外围电路复杂，难以集成传感器阵列。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于平板电容和超弹塑性材料的三维界面应力传感器，以减小几何尺寸、简化所需外围电路，增大测量范围、提高灵敏度，实现对三维界面应力的实时测量。

本发明是这样实现的：

一、技术原理

众所周知，平板电容的输出电容与极板间距成反比，与极板间的重合面积成正比，即当一个正压力加载到平板电容时，感应电极和驱动电极的极板间距发生变化，引起输出电容发生变化；当一个剪切力加载到平板电容时，感应电极和驱动电极的重合面积发生变化，引起输出电容发生变化。

本发明即利用平板电容的这一特性，选择恰当的超弹塑性材料作为中间介质，发明制作出新型界面应力传感器。当传感器加载三维界面应力时，利用极板间距的变化引起Z向输出电容的变化，来测量与界面垂直的Z向正压力；利用极板间的重合面积发生变化引起X和Y向输出电容的变化，来测量与界面平行的X向剪切力和Y向剪切力，已达到实时测量三维界面应力的目的。

二、技术方案

本发明所述的三维界面应力传感器，包括顶层、驱动电极、中间层、感应电极和底层，其特征在于：

所述的驱动电极，耦合于顶层的下表面；

所述的中间层，由四个分隔柱组成，这四个分隔柱固定在顶层与底层之间；

所述的感应电极，由Z向感应电极、X向感应电极和Y向感应电极组成，Z向感应电极耦合于底层上表面的中心位置；X向感应电极和Y向感应电极分别耦合于底层上表面的两条相邻的边上，且相互垂直。

作为优选，所述的三维界面应力传感器，其特征在于顶层和底层为PCB板，形状为正方形；

作为优选，所述的三维界面应力传感器，其特征在于驱动电极的大小能够完全覆盖Z向感应电极，部分覆盖Y向感应电极和Y向感应电极；

作为优选，所述的一种三维界面应力传感器，其特征在于四个分隔柱的形状为正方体，材料为超弹塑性材料；

作为优选，所述的三维界面应力传感器，其特征在于四个分隔柱与顶层下表面和底层上表面的四个角对齐放置。

作为优选，所述的三维界面应力传感器，其特征在于Z向感应电极的形状为正方形，X向感应电极和Y向感应电极的形状为长方形。

本发明由于采用由Z向感应电极、X向感应电极和Y向感应电极组成感应电极，且将Z向感应电极耦合于底层上表面的中心位置，X向感应电极和Y向感应电极分别耦合于底层上表面的两条相邻的边上的相互垂直放置位置，使得传感器能够实时测量三维界面应力，即可测量与界面垂直的Z向正压力、与界面平行的X向剪切力和Y向剪切力；同时由于中间层采用超弹塑性材料的四个分隔柱组成，不仅减小了传感器的几何尺寸，使其几何尺寸只有1cm×1cm，而且增大了测量范围，使正压力在0~220kPa、剪切力在0~70kPa范围内均可测量；此外由于中间层位于顶层和底层之间，组成了平板电容传感器，简化了所需外围电路，使得传感器易于集成传感器阵列，便于制作电子皮肤或者智能鞋垫，以应用于康复医学、矫形外科、体育训练和制鞋业中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的内部结构图；

图3是本发明驱动电极结构示意图；

图4是本发明感应电极结构示意图。

具体实施例

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容以后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求数所限定的范围。

参照图1和参照图2，本发明所述的传感器主要由顶层1、驱动电极2、中间层3、感应电极4和底层5组成。其中：

顶层1和底层5为PCB板，形状为正方形，大小为1cm×1cm，但不局限于此形状和大小，这里采用PCB板以便于驱动电极2和感应电极4的耦合，采用正方形以便于集成传感器阵列，从而制作电子皮肤和智能鞋垫，用来测量截肢表面与假肢接口之间和鞋底的界面应力分布。

驱动电极2耦合于顶层1的下表面，形状为正方形，如图3所示，但不局限于此形状，使得驱动电极2和感应电极4之间构成平板电容的结构，可根据输出电容的大小来测量加载于传感器表面的界面应力。

中间层3固定在顶层2与底层5之间，中间层3由分隔柱31、32、33和34组成，这四个分隔柱固定在顶层2与底层5之间，形状为正方体，材料为PDMS超弹塑性材料，但不局限于此形状和材料。固定时，该四个分隔柱与顶层1的下表面和底层5的上表面的四个角对齐放置，由于采用了四个正方体分隔柱的结构和形状，减小了传感器的几何尺寸，使其几何尺寸只有1cm×1cm；分隔柱采用了PDMS超弹塑性材料，增大了传感器的测量范围，使其可测量0~220kPa范围内的正压力和0~70kPa范围内的剪切力。

感应电极4耦合于底层5的上表面，感应电极4由Z向感应电极41、X向感应电极42和Y向感应电极43组成，Z向感应电极41耦合于底层5上表面的中心位置，形状为正方形，但不局限于此形状，X向感应电极42和Y向感应电极43分别耦合于底层5上表面的两条相邻的边上，且相互垂直，以用来测量与界面平行的X向剪切力和Y向剪切力，其形状为长方形，但不局限于此形状，使得传感器在加载剪切力时，驱动电极2分别与X向感应电极42和Y向感应电极43的重合面积能发生较大的改变，以提高传感器的灵敏度。如图4所示，感应电极4形状结构和位置安排，使得传感器具有了实时测量三维界面应力的功能，即与界面垂直的Z向正压力、与界面平行的X向剪切力和Y向剪切力。

如图2所示，驱动电极2的大小能够完全覆盖Z向感应电极41，部分覆盖Y向感应电极42和Y向感应电极43，使得驱动电极2与Z向感应电极41组成Z向正压力测量电容，根据其输出大小可实时测量加载于传感器表面的Z向正压力，驱动电极2与X向感应电极42和Y向感应电极43组成X向剪切力测量电容和Y向剪切力测量电容，根据其输出大小可实时测量与界面平行的X向剪切力和Y向剪切力，从而达到实时测量三维界面应力的目的。

Claims (6)

1.一种三维界面应力传感器，包括顶层（1）、驱动电极（2）、中间层（3）、感应电极（4）和底层（5），其特征在于： 

所述的驱动电极（2），耦合于顶层（1）的下表面； 

所述的中间层（3），由四个分隔柱（31、32、33，34）组成，这四个分隔柱固定在顶层（1）与底层（5）之间； 

所述的感应电极（4），由Z向感应电极（41）、X向感应电极（42）和Y向感应电极（43）组成，Z向感应电极（41）耦合于底层（5）上表面的中心位置；X向感应电极（42）和Y向感应电极（43）分别耦合于底层（5）上表面的两条相邻的边上，且相互垂直。 

2.根据权利要求1所述的三维界面应力传感器，其特征在于顶层（1）和底层（5）为PCB板，形状为正方形。 

3.根据权利要求1所述的三维界面应力传感器，其特征在于驱动电极（2）的大小能够完全覆盖Z向感应电极（41），部分覆盖Y向感应电极（42）和Y向感应电极（43）。 

4.根据权利要求1所述的一种三维界面应力传感器，其特征在于四个分隔柱（31、32、33，34）的形状为正方体，材料为超弹塑性材料。 

5.根据权利要求1或3所述的三维界面应力传感器，其特征在于四个分隔柱（31、32、33，34）与顶层（1）下表面和底层（5）上表面的四个角对齐放置。 

6.根据权利要求1所述的三维界面应力传感器，其特征在于Z向感应电极（41）的形状为正方形，X向感应电极（42）和Y向感应电极（43）的形状为长方形。 

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