CN106618521A - 基于pvdf压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器及其制备方法 - Google Patents

基于pvdf压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器及其制备方法，包括：保护层，贴紧皮肤，覆盖于敏感层表面；敏感层，覆盖于背衬层上表面；背衬层，置于基板上；电极层，包括至少两根从敏感层表面引出并贯穿基板的电极；基板，集成了传感器的信号预处理电路。本发明的传感器尺寸小，灵敏度高，易于加工，可穿戴，适用于腕部运动信号及肌音信号的测量。

Description

基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及生理检测领域，特别是涉及一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器及其制备方法，用于测量人体运动时腕部产生的运动信号及肌音信号。
背景技术
早在1810年，生理学家William Hyde Wollaston等人就发现肌肉动作时会有轻微的振动，这种振动频率低至2-100Hz，大部分能量分布在5-50Hz之间，信号的强弱与肌肉动作力度有关，动作越大信号越强，他们把这种信号称为肌音信号。肌音信号可以利用传感器直接安装于皮肤表面进行采集。人体手腕或脚腕运动时肌肉除了会发出肌音信号还会产生运动信号，这些信号都比较微弱，频率低，干扰强，随机性强而且包含着丰富的信息。
目前国内外用于检测生理信号的传感器也有一些应用，诸如加拿大Concordia大学的J.Dargahi小组利用PVDF的优良传感特性成功研究出一系列触觉传感器用于医疗器械，方便医学诊断；国内北京颐松公司腿动压电加速度传感器TD-3，可以检测出人体肌音信号，但价格高、体积大且无法舒适穿戴。
调研发现，目前能实际使用的采集生物运动信号的传感器很少，体积都偏大，而能满足日常舒适可穿戴式使用的监测需求的几乎没有，而且传感器模块与信号预处理模块往往都是分开的，因此开发一款智能化、便携化和集成化的腕部传感器显得尤为重要。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明目的是：提供了一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器及其制备方法，将柔性传感器集成在传感器信号预处理电路上来采集人体运动时腕部肌肉产生的肌音信号及运动信号，有效监测人体腕部运动情况，包括脉搏跳动情况。
为了解决背景技术中的技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，包括：
保护层（1），贴紧皮肤，覆盖于敏感层（2）表面；
敏感层（2），覆盖于背衬层（3）上表面；
背衬层（3），置于基板（5）上；
电极层（4），包括至少两根从敏感层（2）表面引出并贯穿基板的电极；
基板（5），集成了传感器的信号预处理电路。
所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述保护层（1）是由高分子聚合物PET聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的透明薄膜。
所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述敏感层（2）由高分子聚合物PVDF聚偏氟乙烯制成并双面均镀有铝的厚度为100-200um的压电薄膜。
所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述背衬层是一个切面为半圆的圆柱体橡胶块，材质为聚氯乙烯和邻二甲酸二异辛酯的混合材质。
所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述聚氯乙烯和邻二甲酸二异辛酯的混合比的范围为5:1-3:1。
所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述电极层包括两根从敏感层表面引出的电极，其中电极的材料采用导电无纺布、铜箔或漆包线，电极的引出方式为粘贴、印刷或物理切割。
所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述电极的材质还可以是金、铂、镍、银、碳纳米管、石墨烯或银纳米线中的一种或多种的组合。
所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述基板包括有两个用于将敏感层从基板正面到背面的引出的垂直于基板的方形通孔。
所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述信号预处理模块包括一个差分电荷放大器及一个低通滤波器，低通滤波器是二阶的或四阶的巴特沃斯滤波器或切比雪夫滤波器，其截止频率范围为20-200Hz。用于放大传感信号、滤除干扰信号和抗混叠。
可穿戴式腕部集成传感器的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1、首先对传感器基板进行清洗；
S2、然后使用制作好的模具制备出背衬层；
S3、将柔性背衬层粘在清洁、干燥的基板上事先已确定好的位置处；
S4、接下来，再将敏感层粘贴在柔性背衬层上，注意将敏感层的PVDF压电薄膜两端从基板预留的方形通孔中穿出到背面；
S5、基板背面用导电银胶引出并固化的方法引出电极；
S6、最后在PVDF压电薄膜表面再覆盖一层保护层。
本发明的基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器的原理是：
（1）PVDF聚偏氟乙烯压电薄膜在受到应力作用时，会将薄膜两侧受到的应力变化转换为薄膜两侧的电荷变化输出；通过信号预处理模块的差分电荷放大器后，就能转换为电压变化输出；
（2）采用柔性橡胶背衬层，且为曲面结构，使得传感器受到应力时产生的形变增大，即增加了传感器的灵敏度。且柔性材料穿戴在手腕上舒适度较高，不会产生不利于日常活动的感受；
（3）人体皮肤表面声阻抗为2.18×10-6kg/m2•s，PET声阻抗为2.06×10-6kg/m2•s，很接近人体皮肤，具有很好的阻抗匹配性；
（4）信号预处理模块原理，采用差分电荷放大，可以有效将PVDF压电薄膜受到应力作用两面产生的电荷变化转化为电压变化，并能够降低干扰，提高信噪比。截止频率为20-200Hz的低通滤波器有效滤出一些由于空间电磁干扰而产生的高频噪声且能抗混叠干扰。
采用上述方案，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明中的PVDF腕部传感器，体积小，可用于可穿戴式设备，如腕表、手环等等。且使用方便为大众所接受，不影响日常活动；
（2）传感器的敏感材料由柔性高分子聚合物保护，防汗液腐蚀；
（3）传感器自身集成了信号放大滤波模块，灵敏度高，安全可靠；
（4）采用柔性半圆柱体背衬层凸起结构，有效的增加了灵敏度。
附图说明
图1是本发明实例提供的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器结构示意图。
图2是本发明实例提供的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器的基板示意图。
图3是本发明实例提供的可穿戴式腕部集成传感器附着在手环上的结构示意图。
图4是本发明实例提供的可穿戴式腕部集成传感器基板信号预处理电路的电路图。
附图中各部件的标记如下：（1）-保护层；（2）-敏感层；（3）-背衬层；（4）-电极层；（5）-基板；（6）-方形通孔；（7）-可穿戴式腕部集成传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施实例：
如图3是本发明实例提供的基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器7穿戴在人体手腕上的结构示意图，可使传感器穿戴在腕部表带上测量人体生理信号。
如图1、2，一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，包括保护层1、敏感层2、背衬层3、电极层4、集成了信号预处理电路的基板5。保护层：覆盖于敏感层PVDF压电薄膜表面的，用于避免人体皮肤直接和PVDF压电薄膜接触，造成的人体汗液对PVDF压电薄膜的腐蚀；敏感层：覆盖于背衬层表面的PVDF压电薄膜层，是传感器的传感部件，用于将传感器所受应力转化为传感器薄膜两侧电荷变化；背衬层：置于基板之上的柔性的切面为半圆的圆柱块；基板：集成了传感器信号预处理电路的超薄电路板；电极层：包括两条从敏感层表面引出的电极。
保护层1由高分子聚合物PET聚对苯二甲酸乙二醇酯构成，且声阻抗值在人体表皮和敏感层2之间，与人体表皮很接近。
传感器尺寸为12mm×9mm×3mm。其中保护层1是为厚度为0.012mm的超薄透明PET聚对苯二甲酸乙二酯薄膜，声阻抗与皮肤及敏感层均较接近，能够保护敏感层不被人体汗液等体液腐蚀。
敏感层2是厚度为100-200um的双面均镀有金属铝的PVDF偏聚氟乙烯压电薄膜。
背衬层3是一个切面为半径为2.5mm的邵氏硬度为50A的半圆柱体橡胶块，材质为80%的聚氯乙烯和20%的邻二甲酸二异辛酯混合材质。
电极层4包括两根从敏感层表面引出的电极，电极层采用漆包线。
基板5包括有两个用于将敏感层2从基板5正面到背面的引出的垂直于基板5的方形通孔6。
信号预处理电路包括一个差分电荷放大器及一个截止频率为100Hz的二阶巴特沃斯低通滤波器。传感器以差分方式接入信号预处理模块。
一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、制作传感器时，首先用丙酮或无水乙醇对传感器基板进行清洗；
S2、然后使用制作好的模具制备出切面为半径为2.5mm的半圆柱体背衬块；
S3、将柔性背衬层用胶水粘在清洁、干燥的基板上事先已确定好的位置处；
S4、接下来，再将PVDF压电薄膜用胶水粘贴在柔性衬底上，注意将PVDF压电薄膜两端从基板预留的方形通孔中穿出到背面；
S5、背面用导电银胶引出并固化方法引出电极，电极可以是铜箔，表面可用绝缘漆绝缘；
S6、最后在PVDF压电薄膜表面再覆盖一层PET层作为保护层。
以上所述仅为本发明的实例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，包括：
保护层（1），贴紧皮肤，覆盖于敏感层（2）表面；
敏感层（2），覆盖于背衬层（3）上表面；
背衬层（3），置于基板（5）上；
电极层（4），包括至少两根从敏感层（2）表面引出并贯穿基板的电极；
基板（5），集成了传感器的信号预处理电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述保护层（1）是由高分子聚合物PET聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的透明薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述敏感层（2）由高分子聚合物PVDF聚偏氟乙烯制成并双面均镀有铝的厚度为100-200um的压电薄膜。
4.根据权利要求3所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述背衬层是一个切面为半圆的圆柱体橡胶块，材质为聚氯乙烯和邻二甲酸二异辛酯的混合材质。
5.根据权利要求4所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述聚氯乙烯和邻二甲酸二异辛酯的混合比的范围为5:1-3:1。
6.根据权利要求4所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述电极层包括两根从敏感层表面引出的电极，其中电极的材料采用导电无纺布、铜箔或漆包线，电极的引出方式为粘贴、印刷或物理切割。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述电极的材质还可以是金、铂、镍、银、碳纳米管、石墨烯或银纳米线中的一种或多种的组合。
8.根据权利要求7所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述基板包括有两个用于将敏感层从基板正面到背面的引出的垂直于基板的方形通孔。
9.根据权利要求7所述的一种基于PVDF压电薄膜的可穿戴式腕部集成传感器，其特征在于，所述信号预处理模块包括一个差分电荷放大器及一个低通滤波器，低通滤波器是二阶的或四阶的巴特沃斯滤波器或切比雪夫滤波器，其截止频率范围为20-200Hz。
10.一种基于权利要求1所述可穿戴式腕部集成传感器的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1、首先对传感器基板进行清洗；
S2、然后使用制作好的模具制备出背衬层；
S3、将柔性背衬层粘在清洁、干燥的基板上事先已确定好的位置处；
S4、接下来，再将敏感层粘贴在柔性背衬层上，注意将敏感层的PVDF压电薄膜两端从基板预留的方形通孔中穿出到背面；
S5、基板背面用导电银胶引出并固化的方法引出电极；
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