CN105559941A - 测量全牙列动态啮合的凝胶薄膜阵列式电容传感器及方法 - Google Patents

Abstract

一种测量全牙列动态咬合的凝胶薄膜阵列式电容传感器及方法，绝缘介质的上下表面各粘贴一层作为电极的离子凝胶，上离子凝胶成行分布，下离子凝胶成列分布，投影到中间的绝缘介质，这三者重合部分形成电容器阵列，在上下表面各粘贴一层绝缘介质，避免外部寄生电容的影响，利用行列扫描法获取不同感测点处电容信号，得到全口咬合时的每对牙齿接触的先后顺序、接触时的咬合力大小以及随时间的变化；电容传感器具有高精度、高灵敏度，高分辨率意味能够测量到力的微小变化，使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动态啮合过程，而且该材料具有良好重复测量精度，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

测量全牙列动态啮合的凝胶薄膜阵列式电容传感器及方法

技术领域

本发明属于一种阵列式电容压力传感器，具体涉及一种测量全牙列动态啮合的凝胶薄膜阵列式电容传感器及方法。

背景技术

在全牙列动态啮合过程中哪对牙齿首先接触、接触时的相互作用力大小以及咬合过程中力随时间的变化是牙科医生诊断病人牙齿咬合状况的重要依据。传统咬颌测试材料，如咬颌纸，能测出“咬合结果印记”，却无法精确测量和记录咬合接触的前后顺序或咬合力的相对大小，准确性欠佳。因此需设计一种记录全口牙列咬合接触的力分布与时间及两者对应关系的测量装置，提供最为准确的啮合过程中咬合力有关数据，比如在正畸治疗后可以精确的记录和分析牙合干扰的时间长短、咬合高点的位置以及颌力中心的位置，以指导医生正确调整牙合。但是传统的牙齿咬合力测量传感器存在如下问题：首先，电容式传感器具有高精度、高灵敏度，高分辨率保证对力的敏感性，能够感应出力的微小变化，而且温度稳定性好，然而目前普遍使用的电阻式传感器精度受外界环境如温度影响大，并且分辨率不高，难以实现高精度地记录在全牙列啮合过程中咬合力变化趋势；其次，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往往低于正常情况下的咬合力值，而且传统材料不透明，测量过程中无法观测到牙齿的变化；最后，硬质传感器探头外面通常需覆盖橡胶套起保护作用，但传感器的厚度对咬合力的测量影响较大，且此类橡胶套在临床中难以保证彻底消毒。

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全牙列动态啮合的凝胶薄膜阵列式电容传感器及方法，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啮合过程的阵列式电容传感器，因此本发明在用于测量牙齿咬合力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，可达到微米量级，而且材料透明，从而能准确记录全口咬合接触的力分布与时间及两者对应关系，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：

测量全牙列动态啮合的凝胶薄膜阵列式电容传感器，包括绝缘介质3，其形状为U型且在弧形中间位置向外伸出预设长度的长方体便于引出导线，绝缘介质3的上层均匀粘接有上离子凝胶2，上离子凝胶2中的离子凝胶成行分布，绝缘介质3的下层均匀粘接有下离子凝胶4，下离子凝胶4中的离子凝胶成列分布，上离子凝胶2的上表面粘贴上绝缘介质1，下离子凝胶4的下表面粘贴下绝缘介质5；所述上离子凝胶2、下离子凝胶4、上绝缘介质1和下绝缘介质5的形状与绝缘介质3的形状相适配，形成整个U型结构且弧形中间位置向外伸出预设长度的长方体；上离子凝胶2、绝缘介质3和下离子凝胶4的若干个交点处分别形成若干个阵列式电容传感器，即上离子凝胶2、下离子凝胶4投影到绝缘介质3，这三者的重合部分形成若干个阵列式电容传感器；阵列式电容传感器充满整个U型结构，采用行列布线的方式连接这些电容传感器；阵列式电容传感器布线模式为在上离子凝胶2上沿着弧形轮廓线布置若干条引线x_i，通过石墨电极连接到每一行的电容传感器其中1≤j≤n，n为列引线数；在下离子凝胶4上布置若干条垂直于引线x_i的引线y_j，通过石墨电极连接到每一列的电容传感器其中，m为行引线数；将这些引线x_i、y_j从弧形中间位置向外伸出的长方体中引出连接到采集卡。

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。

所述的测量全牙列动态啮合的凝胶薄膜阵列式电容传感器的测量方法，上离子凝胶2、下离子凝胶4投影到绝缘介质3，这三者的重合部分形成若干个阵列式电容传感器，若对应于某一部分，绝缘介质3的长度和宽度均被拉伸为初始长度的λ倍，变形后认为体积不变，厚度会被压缩为初始长度的倍，变形后电容为初始状态电容的λ⁴倍，电容值随变形的变化十分明显，易于测量，有良好的灵敏度，将每行、每列引线分别连接到采集卡的引脚上，并由直流电源供电，通过行列扫描检测这些电容值信号，根据每一点电容值发生变化的顺序和位置，确定与感测点对应的那对牙齿在全牙列咬合过程中接触的先后顺序，通过实验得到测量的电容值和咬合力的关系式P＝kC，其中k为实验确定的某一常数，范围为1～5pF/N，从而确定牙齿对在接触过程中的咬合力大小，并将咬合力传输给终端以显示全口咬合接触的力分布与时间及两者对应关系，便能够获得全牙列中每对牙齿接触的先后顺序，接触时力的相对大小以及接触过程中咬合力的变化情况。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明采用阵列式电容传感器测量全牙列动态咬合过程中哪对牙齿首先接触、接触时作用力的相对大小以及咬合力在该过程中的变化情况，电容传感器具有结构简单、高精度、高灵敏度和动态响应特性好等优点，能够感应到力的微小变化，高分辨率有利于记录全牙列接触过程中咬合力随时间的变化关系，在咬合力作用下的传感器阵列，通过行列扫描法能够得到每个感应点处的受力大小及先后顺序，即快速捕捉到哪对牙齿首先进入咬合状态以及咬合过程中力的改变。

2、本发明采用柔软、薄且透明的离子凝胶和绝缘介质制作阵列式电容传感器，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测量的影响，能更真实的还原正常情况下人的牙齿咬合情况，使受试者体验到更加自然的咬合过程，且该阵列式电容传感器的厚度可达微米量级，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，准确反映全牙列啮合过程中牙齿咬合力的变化以及每对牙齿接触的先后顺序，而且材料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；

3、本发明在测量中由直流稳压电源供电，石墨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，离子凝胶在多次加载、卸载后，电容与压力的对应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为本发明测量全牙列动态啮合的凝胶薄膜阵列式电容传感器分层结构示意图。

图2为本发明新型凝胶薄膜阵列式电容传感器的内部引线布置示意图。

图3为本发明新型凝胶薄膜阵列式电容传感器的等效电路图。

图4为本发明新型凝胶薄膜阵列式电容传感器测量全牙列动态啮合过程的系统原理示意图。

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，本发明测量全牙列动态啮合的凝胶薄膜阵列式电容传感器，包括绝缘介质3，其形状为U型且在弧形中间位置向外伸出预设长度的长方体便于引出导线，绝缘介质3的上层均匀粘接有上离子凝胶2，上离子凝胶2中的离子凝胶成行分布，绝缘介质3的下层均匀粘接有下离子凝胶4，下离子凝胶4中的离子凝胶成列分布，上离子凝胶2的上表面粘贴上绝缘介质1，下离子凝胶4的下表面粘贴下绝缘介质5；所述上离子凝胶2、下离子凝胶4、上绝缘介质1和下绝缘介质5的形状与绝缘介质3的形状相适配，形成整个U型结构且弧形中间位置向外伸出预设长度的长方体；上离子凝胶2、绝缘介质3和下离子凝胶4的若干个交点处分别形成若干个电容器，即上离子凝胶2、下离子凝胶4投影到绝缘介质3，这三者的重合部分形成若干个阵列式电容传感器，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，完成电容传感器阵列的封装。在上绝缘介质1的上表面和下绝缘介质5的下表面作用咬合力，以阵列中的一个电容器为例进行说明，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，ε_r为介质相对介电常数，在牙齿咬合力作用下，假设绝缘介质3为理想弹性体，若对应于上离子凝胶2和下离子凝胶4交点处的那一部分绝缘介质3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，有良好的灵敏度。全牙列啮合过程中其他若干个感测点处均有电容变化。

如图2所示，阵列式电容传感器充满整个U型结构，采用行列布线的方式连接这些电容传感器。阵列式电容传感器布线模式为在上离子凝胶2上沿着弧形轮廓线布置若干条引线x_i，通过石墨电极连接到每一行的电容传感器在下离子凝胶4上布置若干条垂直于引线x_i的引线，通过石墨电极连接到每一列的电容传感器将这些引线x_i、y_j从弧形中间位置向外伸出的长方体中引出连接到采集卡。

如图3所示，若干电容传感器的上下电极导线分别连接到引线x_i、y_j，从而形成阵列式电容传感器电路，通过扫描电路便可得到每一电容的数据信息，每一电容单元的电容值发生变化的顺序、大小以及位置，反映了与传感单元对应的那对牙齿咬合过程中接触的先后顺序、接触时的相对大小以及咬合力在接触过程中随时间的变化关系。

如图4所示，本发明的工作原理为：将每行、列引线分别连接到采集卡的引脚上，并由直流电源供电，通过行列扫描检测这些电容值信号，根据每一点电容值发生变化的顺序和位置，确定与感测点对应的那对牙齿咬合过程中接触的先后顺序，通过实验得到测量的电容值和咬合力的关系式P＝kC(k为实验确定的某一常数，范围为1～5pF/N)，从而得到阵列结构中受力单元的位置及咬合力大小，并将咬合力传输给终端以显示全口咬合接触的力分布与时间及两者对应关系，便可获得全牙列中每对牙齿接触的先后顺序，接触时力的相对大小以及接触过程中咬合力随时间的变化等信息。

Claims (4)

1.测量全牙列动态啮合的凝胶薄膜阵列式电容传感器，其特征在于：包括绝缘介质(3)，其形状为U型且在弧形中间位置向外伸出预设长度的长方体便于引出导线，绝缘介质(3)的上层均匀粘接有上离子凝胶(2)，上离子凝胶(2)中的离子凝胶成行分布，绝缘介质(3)的下层均匀粘接有下离子凝胶(4)，下离子凝胶(4)中的离子凝胶成列分布，上离子凝胶(2)的上表面粘贴上绝缘介质(1)，下离子凝胶(4)的下表面粘贴下绝缘介质(5)；所述上离子凝胶(2)、下离子凝胶(4)、上绝缘介质(1)和下绝缘介质(5)的形状与绝缘介质(3)的形状相适配，形成整个U型结构且弧形中间位置向外伸出预设长度的长方体；上离子凝胶(2)、绝缘介质(3)和下离子凝胶(4)的若干个交点处分别形成若干个阵列式电容传感器，即上离子凝胶(2)、下离子凝胶(4)投影到绝缘介质(3)，这三者的重合部分形成若干个阵列式电容传感器；阵列式电容传感器充满整个U型结构，采用行列布线的方式连接这些电容传感器；阵列式电容传感器布线模式为在上离子凝胶(2)上沿着弧形轮廓线布置若干条引线x_i，通过石墨电极连接到每一行的电容传感器其中，n为列引线条数；在下离子凝胶4上布置若干条垂直于引线x_i的引线y_j，通过石墨电极连接到每一列的电容传感器其中，m为行引线条数；将这些引线x_i、y_j从弧形中间位置向外伸出的长方体中引出连接到采集卡。

2.根据权利要求1所述的测量全牙列动态咬合过程的新型凝胶薄膜阵列式电容传感器，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所述的测量全牙列动态咬合过程的新型凝胶薄膜阵列式电容传感器，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.权利要求1所述的测量全牙列动态咬合过程的新型凝胶薄膜阵列式电容传感器的测量方法，其特征在于：若对应于上离子凝胶(2)和下离子凝胶(4)某一交点处的那部分绝缘介质(3)的长度和宽度均被拉伸为初始长度的λ倍，变形后认为体积不变，厚度会被压缩为初始长度的倍，变形后电容为初始状态电容的λ⁴倍，电容值随变形的变化十分明显，易于测量，有良好的灵敏度，将每行、每列引线分别连接到采集卡的引脚上，并由直流电源供电，通过行列扫描检测这些电容值信号，根据每一点电容值发生变化的顺序和位置，确定与感测点对应的那对牙齿咬合过程中接触的先后顺序，通过实验得到测量的电容值和咬合力的关系式P＝kC，其中k为实验确定的某一常数，范围为1～5pF/N，从而确定牙齿对在接触过程中的咬合力大小，并将咬合力传输给终端以显示全口咬合接触的力分布与时间及两者对应关系，便能够获得全牙列中每对牙齿接触的先后顺序，接触时力的相对大小以及接触过程中咬合力的变化情况。