CN106543695A - 三维动作捕捉仪感测复合膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维动作捕捉仪感测复合膜。三维动作捕捉仪感测复合膜包括运动传感器、处理单元、存储单元、控制单元和显示单元；所述运动传感器，包括绝缘层，感测电极以及感测复合膜；所述感测复合膜的至少一部分埋入所述绝缘层中以接触所述感测电极，所述感测复合膜是由压电材料薄膜和压阻材料薄膜组成的柔性复合材料。本发明通过提供一种三维动作捕捉仪感测复合膜中使用的感测复合膜，以实现在保持原有压电性能的同时感测薄膜的韧性及强度得到进一步改进，以及三维动作捕捉仪感测复合膜生产工艺的简化和检测模块的小型化。
Description
技术领域
本发明属于医疗电子器械，更具体地说，本发明涉及一种三维动作捕捉仪感测复合膜，本发明还涉及这种捕捉仪中使用的感测复合膜。
背景技术
在康复医学、人体工程以及体育等各个方面的研究过程中，都有测定人体运动空间位置和移动方位的要求。现存的一些动作感应技术都是依照外部力量的帮助而实现方位确定的目标，这些操作方式有十分严格的要求，且操作程序复杂，投入成本高，也很容易被外部的因素影响和干扰。三维动作捕捉仪感测复合膜的出现直接将这种问题解决，其能够监测人体的运动部位，通过对加速度、角速度的物理量的测定，计算得出三维动作方式。
运动传感器，是实现三维动作捕捉的关键设备之一。运动传感器用于测量物体加速度的加速度传感器根据原理不同大致可以分为压阻式、电容式、压电式和热对流式。其中，压电式和压阻式的结构较为简单，体积较小，易于生产。但因为这两种传感器的基本电机械性能不同，所以它们的低频响应也明显不同。由于压电加速度传感器仅对加速度和应力的动态变化敏感，只对加速度的变化有响应，对静态和“直流”加速度则响应为零。压阻式的结构简单，实现较为容易，适合用来测量低频加速度应用。
目前的运动传感器，多数是单方面利用压电效应等检测瞬态力变化，或者是利用压阻效应等测量稳态较缓慢力的变化。如果只需要同一个感测膜就能检测出静态力变化，又能反馈动态力作用，即通过一个感测膜实现压电压阻性能，无疑能够促进三维动作捕捉技术的进一步发展。
发明内容
1、本发明的目的。
本发明提供一种三维动作捕捉仪感测复合膜，以实现生产工艺的简化和检测模块的小型化。
本发明提供一种三维动作捕捉仪感测复合膜中使用的感测复合膜，以实现在保持原有压电性能的同时感测薄膜的韧性及强度得到进一步改进。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提供了一种三维动作捕捉仪感测复合膜，包括运动传感器、处理单元、存储单元、控制单元和显示单元；所述运动传感器，包括绝缘层，感测电极以及感测复合膜；所述感测复合膜的至少一部分埋入所述绝缘层中以接触所述感测电极，其特征在于所述感测复合膜是由压电材料薄膜和压阻材料薄膜组成的柔性复合材料。
作为本发明三维动作捕捉仪感测复合膜的一种优选，其中压电材料为FeCl3/纳米BaTiO3粒子/有机硅树脂复合材料。
作为本发明三维动作捕捉仪感测复合膜的另一种优选，其中压电材料中FeCl3的含量为0.3wt%～1.8wt%；特别是0.3wt%～1.2wt%；尤其是0.9wt%～1.2wt%。
作为本发明三维动作捕捉仪感测复合膜的另一种优选，压电材料中纳米BaTiO3粒子的含量为45wt%。压阻材料为碳纳米管/聚氨酯复合材料。
作为本发明三维动作捕捉仪感测复合膜的另一种优选，压阻材料中的碳纳米经过强酸化学处理。
作为本发明三维动作捕捉仪感测复合膜的另一种优选，压阻材料中碳纳米管的管径为3nm~50nm，长度1μm~50μm；特别是管径为3nm~10nm，长度40μm~50μm。
3、本发明的有益效果。
通过制备一种压电材料薄膜和压阻材料薄膜组成的柔性复合材料，使三维动作捕捉仪感测复合膜中运动传感器在保持检测灵敏度的前提下缩小了成品体积且简化了生产工艺。
通过制备一种FeCl3/纳米BaTiO3粒子/有机硅树脂复合材料，使三维动作捕捉仪感测复合膜中感测复合膜兼备良好的拉伸性能和柔韧性。
通过将FeCl3添加到纳米BaTiO3粒子和有机硅树脂中进行复合，提高了感测复合膜的柔韧性。
通过对FeCl3添加量的控制，得到了具有高拉伸强度的感测复合膜。
附图说明
图1是三维动作捕捉仪感测复合膜的原理框图。
图2是运动传感器的纵向剖面结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，三维动作捕捉仪感测复合膜包括运动传感器1、处理单元2、存储单元3、控制单元4和显示单元5。
图2是运动传感器1的纵向剖面结构示意图，运动传感器1包括绝缘层5，感测电极6、7以及感测复合膜8。所述感测复合膜的至少一部分埋入所述绝缘层5中以接触感测电极6、7。所述感测复合膜是由压电材料薄膜9和压阻材料薄膜10组成的柔性复合材料，其中压电材料薄膜9上表面暴露于外界，下表面外围与第一感测电极6接触；压阻材料薄膜10布置于压电材料薄膜9下表面，下表面中间与第二感测电极7接触。第一感测电极6和第二感测电极7相互不接触。
感测复合膜中的压阻材料为碳纳米管/聚氨酯复合材料，按下列方式制备得到：称取多层碳纳米管粉末加入DMF试剂中，将溶液置于磁力搅拌机上磁力搅拌30分钟，然后超声分散2小时；加入聚氨酯继续磁力搅拌1小时，使得聚氨酯充分溶解；继续将该混合溶液超声分散2小时；磁力搅拌30分钟，保证在多层碳纳米管中聚氨酯的分散度；真空脱泡30分钟制得压阻材料母液；将母液注入模具中，恒温真空干燥2小时制得薄膜。
上述多层碳纳米管可以事先进行强酸化学处理，方法如下：按的3：1比例将98%的浓硫酸和70%的浓硝酸混合，放入适量多壁碳纳米管，用超声波清洗器以的40kHz的频率连续超声分散8小时。待混合物冷却到室温后，用大量去离子水稀释去除酸液，再用孔径为0.2μm的过滤膜，收集多层碳纳米管。
上述实施例中，薄膜中多层碳纳米管含量控制在0.5~3wt%，碳纳米管选用管径为3nm~50nm，长度1μm~50μm，优选为管径为3nm~10nm，长度40μm~50μm，使用此规格的碳纳米管可以使压阻材料达到更好的电性能。
压电材料采用FeCl3/纳米BaTiO3粒子/有机硅树脂复合材料，按下列方式制备得到：取三口烧瓶，将FeCl3粒子超声分散在甲苯中，加入一定物料比的纳米BaTiO3粒子和有机硅树脂，将烧瓶放于水浴箱中80℃机械搅拌30分钟；将混合液球磨分散6小时；用旋转蒸发仪去除混合液中溶剂后加入交联剂和铂催化剂，常温下搅拌30分钟；将搅拌均匀的混合液真空脱泡30分钟，制得压电聚合物混合料；将成型模具预热并涂抹脱模剂，将混合料浇注入模具中，置于烘箱中80℃下干燥3小时固化成型，从而制得压电复合材料。
上述实施例中交联剂使用甲基苯基含氢硅油，也可使用其他含氢硅油类交联剂。有机硅树脂选用乙烯基封端甲基苯基硅树脂，也可使用其他常用有机硅聚合物。
通过控制加入的原料配比，最终获得的复合材料中FeCl3的含量为0.3wt%～1.8wt%，优选为0.3wt%～1.2wt%，尤其是0.9wt%～1.2wt%；纳米BaTiO3粒子的含量为30wt%～55wt%，优选为45wt%。
为了使纳米BaTiO3粒子在有机硅树脂中达到更好的分散效果，可以在制备混合料前对纳米BaTiO3粒子进行改性。作为一种举例，可以使用硅烷偶联剂按照下列方法进行改性：将质量比为1：5：10硅烷偶联剂、纳米BaTiO3和甲苯混合，40℃快速搅拌10分钟；然后，滴加稀盐酸；反应5小时后离心分离，并将粉体水洗至中性后于100℃干燥；最后，研磨成均匀粉末。经过改性后的纳米BaTiO3粒子因表面附着的有机硅基团与有机有机硅树脂之间产生了较强的相互作用，从而具有较好的分散性，保证了所制压电材料薄膜各处性能的均匀性。
制备柔性复合感测复合膜的步骤如下：在制得的FeCl3/纳米BaTiO3粒子/有机硅树脂复合薄膜上涂布碳纳米管/聚氨酯母液，恒温真空干燥2小时。母液中可以适量加入胶粘剂以增加压阻薄膜和压电薄膜的粘附性。也可以分别制取压阻薄膜和压电薄膜，通过胶粘剂粘连后辊压成型。
实施例1：
1、制备压阻材料薄膜：
称取强酸处理过的多层碳纳米管粉末加入DMF试剂中，将溶液置于磁力搅拌机上磁力搅拌30分钟，然后超声分散2小时；加入聚氨酯继续磁力搅拌1小时，使得聚氨酯充分溶解；继续将该混合溶液超声分散2小时；磁力搅拌30分钟，保证在多层碳纳米管中聚氨酯的分散度；真空脱泡30分钟制得压阻材料母液；将母液注入模具中，恒温真空干燥2小时制得薄膜。薄膜中多层碳纳米管含量为1wt%。
2、制备压电材料薄膜：
将FeCl3粒子超声分散在甲苯中，加入一定量的纳米BaTiO3粒子和乙烯基封端甲基苯基硅树脂，80℃搅拌30分钟；将混合液球磨分散6小时，去除混合液中溶剂后加入甲基苯基含氢硅油和铂催化剂，常温下搅拌30分钟；将搅拌均匀的混合液真空脱泡30分钟；将成型模具预热并涂抹脱模剂，将混合料浇注入模具中，置于烘箱中80℃下干燥3小时固化成型。配制成含55wt%BaTiO3，并含有0.3wt%FeCl3的有机硅树脂薄膜。
3、制备柔性感测复合膜：在制得的FeCl3/纳米BaTiO3粒子/有机硅树脂复合薄膜上涂布碳纳米管/聚氨酯母液，恒温真空干燥2小时。
实施例2至9：
使用与实施例1相同的工艺制备压阻材料薄膜、压电材料薄膜及感测复合膜。不同之处列于表1。
对比试验1：
使用与实施例1相同的工艺制备压电材料薄膜、压电材料薄膜及感测复合膜。不同之处列于表1。
感测复合膜压电性能试验：
通过压力发生装置给感测复合膜施加一个应力，测试柔性感测复合膜的压电层输出对应该信号的电荷。实验测得单独压电薄膜灵敏度为1220pC/MPa，感测复合膜的灵敏度结果列于表1中，结果表明感测复合膜的压电灵敏度相较单一压电膜的灵敏度几乎没有改变，都具有较高的感测敏感度。
压电材料柔韧性试验：
对压电材料薄膜进行DSC测试，结果表明随着FeCl3用量的增加，材料的玻璃化转变温度逐渐降低。FeCl3的加入，提高了复合材料的柔韧性。但是FeCl3含量超过1.2wt%时复合材料的拉伸强度会降低。结果列于表1中。
压电材料拉伸强度试验：
采用万能拉伸机，按照ASTMD-638标准测试样条的拉伸性能：制备标准的哑铃形样品（长80.0mm×宽12.5mm×厚4.0mm），以1.0mm/min度进行拉伸试验，测量至少5个样后取平均值。
通过表1可以看出，当FeCl3添加量为0.3wt%～1.2wt%时压电材料已经有较好的拉伸性能；当FeCl3添加量在0.9wt%~1.2wt%，BaTiO3含量为45wt%时，压电材料具有较高拉伸强度的同时具有较低的玻璃化转变温度，兼备良好的拉伸性能和柔韧性。
表1添加成分含量及测试结果
Claims (10)
1.一种三维动作捕捉仪感测复合膜，包括运动传感器、处理单元、存储单元、控制单元和显示单元；所述运动传感器，包括绝缘层，感测电极以及感测复合膜；所述感测复合膜的至少一部分埋入所述绝缘层中以接触所述感测电极，其特征在于所述感测复合膜是由压电材料薄膜和压阻材料薄膜组成的柔性复合材料。
2.根据权利要求1所述的三维动作捕捉仪感测复合膜，其特征在于所述压电材料为FeCl3/纳米BaTiO3粒子/有机硅树脂复合材料。
3.根据权利要求2所述的三维动作捕捉仪感测复合膜，其特征在于所述压电材料中FeCl3的含量为0.3wt%～1.8wt%。
4.根据权利要求3所述的三维动作捕捉仪感测复合膜，其特征在于所述压电材料中FeCl3的含量为0.3wt%～1.2wt%。
5.根据权利要求4所述的三维动作捕捉仪感测复合膜，其特征在于所述压电材料中FeCl3的含量为0.9wt%～1.2wt%。
6.根据权利要求2至5中任意一项所述的三维动作捕捉仪感测复合膜，其特征在于所述压电材料中纳米BaTiO3粒子的含量为45wt%。
7.根据权利要求1所述的三维动作捕捉仪感测复合膜，其特征在于所述压阻材料为碳纳米管/聚氨酯复合材料。
8.根据权利要求7所述的三维动作捕捉仪感测复合膜，其特征在于所述压阻材料中的碳纳米经过强酸化学处理。
9.根据权利要求8所述的三维动作捕捉仪感测复合膜，其特征在于所述压阻材料中碳纳米管的管径为3nm~50nm，长度1μm~50μm。
10.根据权利要求9所述的三维动作捕捉仪感测复合膜，其特征在于所述压阻材料中碳纳米管的管径为3nm~10nm，长度40μm~50μm。
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