CN105433963B - 测量单对牙齿咬合力的新型凝胶薄膜电容式传感器及方法 - Google Patents

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Abstract

一种测量单对牙齿咬合力的新型凝胶薄膜电容式传感器及方法，传感器包括绝缘介质，绝缘介质的上下表面各粘贴一层作为电解质的离子凝胶，这两种物质都是柔软的和透明的，形成可随压力变化的电容器，在其上下表面各粘贴一层绝缘介质，避免外部寄生电容对测量结果的影响；通过金属电极引出导线连接到采集卡，形成离子‑电子混合电流回路，得到电容信号，通过数据运算得到单对牙齿咬合力随时间变化数据；该电容式传感器采用新型凝胶材料保证了在尽量真实还原牙齿咬合情况下准确测量牙齿咬合力，而且该材料具有良好的重复测量精度，成本低廉，易于加工，可一次性使用，干净卫生，高透明性使得传感器在传输电信号的同时可以观察到牙齿的变化。

Description

测量单对牙齿咬合力的新型凝胶薄膜电容式传感器及方法
技术领域
本发明属于一种电容式压力传感器，具体涉及一种测量单对牙齿咬合力的新型凝胶薄膜电容式传感器及方法。
背景技术
牙齿咬合力可以客观反映口腔病牙的损坏程度，并对多种牙周病的诊断有重要的参考价值。然而人们对疼痛的感觉是区域性的，因此需通过分别测量单对牙齿咬合力来帮助确定该区域中具体哪对牙齿不健康，并为义齿的准确安装提供了定量参考。但是传统的牙齿咬合力测量传感器存在如下问题：首先，以往的机械式、电阻应变计式或基于压电效应等均属于硬质传感器探头，受试者在咬硬质探头时会出现自我保护的反射性抑制机制，此时所测得的咬合力值通常偏低于正常情况下的咬合力值；其次，以往的硬质传感器探头外面通常需覆盖一层弹性物质或橡胶套起保护作用，但传感器的厚度对咬合力值的测量影响较大，且此类橡胶套在临床测量中难以保证彻底消毒；最后，传统材料不透明，测量过程中无法观测到牙齿的变化。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种测量单对牙齿咬合力的新型凝胶薄膜电容式传感器及方法，本发明采用了新型柔软、薄且透明的凝胶材料制作可实时测量单对牙齿咬合力，测量时不会激起受试者的自我保护反射性抑制机制，同时传感器厚度极小且材料透明，从而能准确记录单对咬合力随时间变化的数据，并且可以观察到牙齿的变化。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种测量单对牙齿咬合力的新型凝胶薄膜电容式传感器，包括绝缘介质3，均匀粘接在绝缘介质3上层的上离子凝胶2，均匀粘接在绝缘介质3下层的下离子凝胶4，所述上离子凝胶2、绝缘介质3和下离子凝胶4形成电容器，上离子凝胶2的上表面粘贴一层上绝缘介质1，下离子凝胶4的下表面粘贴一层下绝缘介质5，在下绝缘介质5和下离子凝胶4连接处粘贴的金属电极引出下导线6，在上绝缘介质1和上离子凝胶2连接处粘贴的金属电极引出上导线7。
所述上离子凝胶2和下离子凝胶4采用的材料为水凝胶离子导体，其厚度为微米量级；所述绝缘介质3、上绝缘介质1和下绝缘介质5的厚度也为微米量级。
所述上离子凝胶2和下离子凝胶4以及绝缘介质3、上绝缘介质1和下绝缘介质5均柔软透明。
测量中由直流稳压电源供电，金属电极与离子凝胶形成电子-离子混合电流回路传递电信号，模仿了轴突的作用，几乎所有的电压降都发生在绝缘介质上，金属电极-电解质交界面的双电层处电压降远小于1V，使得离子凝胶不会发生电化学反应，并且离子凝胶在多次加载后，电容与压力的关系只有很小的漂移，几乎可以忽略，因此具有良好的重复测量精度。
所述的测量单对牙齿咬合力的新型凝胶薄膜电容式传感器的测量方法，受压时，若绝缘介质3长度和宽度方向被拉伸为λ倍，变形后认为体积不变，则厚度方向被压缩为倍，变形后电容C为初始状态电容C0的λ4倍，电容值随变形的变化十分明显，易于测量；下导线6和上导线7连接到通过直流稳压电源供电的采集卡上并将得到电容值信号传递给采集卡，采集卡采集得到电容值信号通过微处理器进行数字运算获取单对牙齿咬合力大小，通过数据通讯连接口传输给终端以显示牙齿咬合力大小随时间的变化曲线。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用柔软的、透明的离子凝胶和绝缘介质制作电容传感器，一方面消除了受试者在咬硬物时所出现的自我保护机制对咬合力的影响，能更真实的还原正常情况下人的牙齿咬合情况，从而准确测量单对牙齿咬合力值，另一方面传感器所具有的透明性使得在传输电信号的同时，可以观察到牙齿的变化。
2、本发明所采用的作为电解质的水凝胶离子导体厚度可以加工到很薄，达到微米量级，并且具有良好的生物相容性，满足咬合力测量需要的“物理上的隐形性”的需求，因此在测量咬合力时不会约束牙齿，从而可以避免传感器厚度对牙齿咬合力测量准确度的影响。
3、本发明在测量中由直流稳压电源供电，金属电极与离子导体水凝胶形成电子-离子混合电流回路传递电信号，模仿了轴突的作用，几乎所有的电压降都发生在绝缘介质上，使得离子凝胶不会发生电化学反应，并且离子凝胶在多次加载后，电容与压力的关系只有很小的漂移，几乎可以忽略，因此具有良好的重复测量精度。本发明所采用材料成本低廉，易于加工，使得此传感器可做一次性使用，干净卫生。
附图说明
图1为本发明新型凝胶薄膜电容传感器结构示意图。
图2为本发明考虑双电层时新型凝胶薄膜电容传感器的等效电路图。
图3为本发明新型凝胶薄膜电容传感器测量单对牙齿咬合力测量系统原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种测量单对牙齿咬合力的新型凝胶薄膜电容式传感器，是一种新型柔软、薄且透明的凝胶制作的实时测量单对牙齿咬合力的薄膜电容式传感器，包括绝缘介质3，绝缘介质3的上层均匀粘接有上离子凝胶2，绝缘介质3的下层均匀粘接有下离子凝胶4，上离子凝胶2、绝缘介质3和下离子凝胶4形成电容器，为避免外部寄生电容的影响，在上离子凝胶2的上表面均匀粘贴一层上绝缘介质1，下离子凝胶4的下表面均匀粘贴一层下绝缘介质5，在上绝缘介质1和上离子凝胶2中的上离子凝胶之间通过金属电极引出上导线7，在下绝缘介质5和离子凝胶4连接处粘贴的金属电极引出下导线6。在绝缘介质1的上表面和下绝缘介质5的下表面作用咬合力，若绝缘介质3的厚度为d，与上离子凝胶2、下离子凝胶4接触面积为A，则初始状态下电容值计算公式为其中ε0为真空介电常数，εr为介质相对介电常数，在牙齿咬合力作用下，假设绝缘介质为理想弹性体，若立方体绝缘介质的长度和宽度均被拉伸为初始长度的λ倍，变形后可认为体积不变，厚度会被压缩为初始长度的倍，则受压力变形后的电容值为可以看到，压缩后电容变化将会十分明显，便于测量。如图2所示，讨论由于金属电极与电解质凝胶接触交界面产生的双电层对电容测量值的影响，在直流稳压电源供电时，金属电极-电解质界面的双电层表现为电容属性，与绝缘介质电容器并联，则通过两个金属电极测量的电容与绝缘介质电容CD和双电层电容CEDL有这样的关系：电极和离子导体中的电荷分布距离是纳米量级，但是绝缘介质上下表面的电荷沿着厚度分布(绝缘介质厚度是毫米量级)，通常来说，CEDL/CD～105，因此测量的电容主要是绝缘介质的电容，即C～CD，双电层电容的影响可以忽略。而且电压降主要发生在绝缘介质上，界面处双电层电压远小于1V，因此不会有电化学反应的发生，保证允许该电容式传感器长时间重复使用，而且多次循环加载后只有很小的漂移，具有良好的重复测量精度。
如图3所示，本发明的工作原理为：在上绝缘介质1和上离子凝胶2连接处粘贴的金属电极引出上导线7，在下绝缘介质5和下离子凝胶4连接处粘贴的金属电极引出下导线6，将下导线6和上导线7连接到采集卡上，得到电容信号C，通过微处理器进行数字运算获取单对牙齿咬合力大小P＝kC(k为实验确定的常数,范围为1～5pF/N)，通过数据通讯连接口传输给电脑，显示牙齿咬合力大小随时间的变化曲线。

Claims (5)

1.一种测量单对牙齿咬合力的凝胶薄膜电容式传感器，其特征在于：包括绝缘介质(3)，均匀粘接在绝缘介质(3)上层的上离子凝胶(2)，均匀粘接在绝缘介质(3)下层的下离子凝胶(4)，所述上离子凝胶(2)、绝缘介质(3)和下离子凝胶(4)形成电容器，上离子凝胶(2)的上表面粘贴一层上绝缘介质(1)，下离子凝胶(4)的下表面粘贴一层下绝缘介质(5)，在下绝缘介质(5)和下离子凝胶(4)连接处粘贴的金属电极引出下导线(6)，在上绝缘介质(1)和上离子凝胶(2)连接处粘贴的金属电极引出上导线(7)。
2.根据权利要求1所述的测量单对牙齿咬合力的凝胶薄膜电容式传感器，其特征在于：所述上离子凝胶(2)和下离子凝胶(4)采用的材料为水凝胶离子导体，其厚度为微米量级；所述绝缘介质(3)、上绝缘介质(1)和下绝缘介质(5)的厚度也为微米量级。
3.根据权利要求1所述的测量单对牙齿咬合力的凝胶薄膜电容式传感器，其特征在于：所述上离子凝胶(2)和下离子凝胶(4)以及绝缘介质(3)、上绝缘介质(1)和下绝缘介质(5)均柔软透明。
4.根据权利要求1所述的测量单对牙齿咬合力的凝胶薄膜电容式传感器，其特征在于：测量中由直流稳压电源供电，下导线(6)接触的金属电极与下离子凝胶(4)形成电子-离子混合电流回路传递电信号，上导线(7)接触的金属电极与上离子凝胶(2)形成电子-离子混合电流回路传递电信号，模仿了轴突的作用，几乎所有的电压降都发生在绝缘介质(3)上，下导线(6)接触的金属电极-下离子凝胶(4)交界面的双电层处电压降远小于1V，上导线(7)接触的金属电极-上离子凝胶(2)交界面的双电层处电压降远小于1V，使得上离子凝胶(2)、下离子凝胶(4)都不会发生电化学反应，并且上离子凝胶(2)、绝缘介质(3)和下离子凝胶(4)形成的电容结构在垂直方向上多次受到相同压力后，电容与咬合力的对应关系只有很小的漂移，几乎可以忽略。
5.权利要求1所述的测量单对牙齿咬合力的凝胶薄膜电容式传感器的测量方法，其特征在于：受压时，若绝缘介质(3)长度和宽度方向被拉伸为λ倍，变形后认为体积不变，则厚度方向被压缩为倍，变形后电容C为初始状态电容C0的λ4倍，电容值随变形的变化十分明显，易于测量；下导线(6)和上导线(7)连接到通过直流稳压电源供电的采集卡上并将得到电容值信号传递给采集卡，得到电容值信号C，采集卡上的微处理器对电容值信号C进行数字运算，获取单对牙齿咬合力大小P＝kC，其中k为实验确定的常数,范围为1～5N/pF，再通过采集卡上的数据通讯连接口传输给终端以显示牙齿咬合力大小随时间的变化曲线。
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