CN109084915B - 一种检测人体生理信号的方法及其传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检测人体生理信号的方法及其传感器。所述方法通过检测挠曲电材料发生应变梯度而产生的挠曲电信号来实现生理信号大小或/和方向的检测。具体的，通过在柔性极性高分子层设计特殊的结构，使得其内部形成较强的梯度应变，从而产生较强的挠曲电信号；挠曲电信号的方向与梯度应变的方向相同，所以可与据此判断出器件所受力的方向。基于柔性极性高分子的柔性挠曲电传感器，能够灵敏的检测出人体生理信号如肌肉运动信号的方向，从而收集详尽的人体生理信息。

Description

一种检测人体生理信号的方法及其传感器
技术领域
本发明涉及电子科学与生物医学领域，具体涉及一种检测生理作用力信号的方法及其传感器。
背景技术
现今社会，随着电子科学与生物医学的互相渗透，人们已不仅仅满足于传统电子设备，如智能手机、电脑等给我们生活带来的便利。越来越多的人希望智能化电子器件能够直接应用于电子-生物交互界面。其中可穿戴的智能电子设备受到越来越多的关注。可穿戴智能电子设备能够与人体皮肤直接接触，从而收集人体健康信息如脉搏信号，来评估人体健康状况；或者读取人体肌肉运动，从而识别人体的肢体语言和面部表情，加强人机交互。脉搏信号和肌肉运动信号其本质是复杂的生理信号，不仅需要区分应力的大小，还需要同时检测应力的方向。如何在识别人体生理信号，如脉搏和肌肉运动信号的大小的同时，识别此类信号的方向是当前可穿戴器件需要解决的主要问题。
目前，市场上主流的可穿戴电子设备，如运动手环，手表等，能够通过内置的光电检测器检测到脉搏跳动的频率，以及通过集成的加速计，来判断肢体运动的强度和方向。这类可穿戴电子设备因为不具备柔性，不能够与人体皮肤紧密的贴合，因此只适用于收集和检测相对简单且信号强度较大的人体生理信号。对于精细的人体生理信号，如脉搏周期信号波形的识别，血液流动方向的判断，以及面部表情运动的大小以及方向的识别和区分，需要通过能与人体紧密贴合的柔性可穿戴压力传感器件来实现。
柔性压力传感器主要分为电阻型、压电型以及晶体管型器件。电阻型柔性压力传感器的工作原理是基于材料的应变电阻随机械形变而产生阻值的变化，通过测量阻值的大小来确定受力的大小。压电型柔性压力传感器则是利用了压电效应，即具有永久极化的材料在应力作用下，材料表面产生表面电荷，此电荷密度与外力成正比关系，与外电路连接后，可根据测得电信号的大小来确定受力的大小。晶体管型器件则是利用介电层在外力作用下，电容值发生变化，引起半导体层中载流子浓度和运输速率发生变化，由此建立测得的电信号与所受外力大小的关系。上述几种柔性压力传感器均能够实现对于应力大小精确的检测，然而利用单个器件很难判断应力的方向。目前的解决方案是将多个柔性压力传感器件集成为多维度传感阵列，通过同时检测多阵列点的信号，来判断受力的方向或物体运动的轨迹。但该方法的分辨率受限于单个检测器件的体积大小，由于上述几种柔性压力传感器件均具有多层的器件结构和复杂的电路，所以难以提高其分辨率。
发明内容
本发明目的之一在于提供一种检测人体生理信号的方法，本发明所述方法是一种利用挠曲电效应来实现对于信号的检测，是一种能够实现力的大小和方向的检测方法。
本发明的目的之二在于提供一种用于实现上述检测方法的传感器，所述传感器为柔性挠曲电型压力传感器件，能够实现对于脉搏及肌肉运动信号等复杂生理信号的大小和方向的检测。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
本发明提供一种检测人体生理信号的方法，所述方法通过检测挠曲电材料发生应变梯度而产生的挠曲电信号来实现生理信号大小或/和方向的检测。
本发明所述方法更具体的是利用挠曲电材料的挠曲电性诱导的极化强度与应变梯度成线性关系来测量力的大小，同时应变梯度的方向决定挠曲电信号的极性，能够区分力的方向。即，作为生理信号的外力作用于挠曲电材料发生梯度应变，挠曲电材料的挠曲电信号与发生的梯度应变成线性关系，挠曲电信号的极性也取决于梯度应变的方向，通过检测挠曲电材料发生梯度应变产生的挠曲电信号的情况，实现生理信号的大小和/或方向的检测。
进一步的，为了放大挠曲电效应，本发明优选挠曲电材料具有特定的几何结构，通过设计特定的几何结构，使得材料内部的应力在某些区域集中，从而得到较大的应变梯度，增强挠曲电信号。
本发明设计的特定几何结构为任意可在材料内部产生应力集中的结构，优选为柱状结构、棱台结构或金字塔结构，更优选为棱台结构；特定几何结构的尺寸优选为纳米到微米范围，在此尺寸范围内均可很好的实现本发明的目的。
本发明所述的特定几何结构，可以通过微纳加工方法制备，优选为光刻、纳米压印、模板浇铸、等离子体刻蚀或3D打印等现有技术方法制备。优选为模板浇铸的方法，即将挠曲电材料溶液浇铸在具有特殊结构的模板上，得到所述特定结构。挠曲电材料溶液所用溶剂可以为任意常用可溶解挠曲电材料的溶剂，以极性高分子材料为例，溶剂可以如2-丁酮、丙酮等；模板可以为硅模板、镍模板、铝模板和聚二甲基硅氧烷模板等。
本发明所述的挠曲电材料可以为一切具有挠曲电效应的材料，优选为具有柔性、挠曲电效应强、极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯二元共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯二元共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物、聚乙烯或环氧树脂等。
进一步的，本发明所述极性高分子材料优选为偏氟乙烯-三氟乙烯的二元共聚物或偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物，本发明选用的二元和三元聚合物，具有极强的挠曲电效应，且已经商品化，能够较容易的大规模获得；所述二元共聚物的摩尔比例优选偏氟乙烯：三氟乙烯为(65-71)：(28-34)，更优选70:30；所述三元共聚物的摩尔比例优选偏氟乙烯：三氟乙烯：氟氯乙烯为(65-71)：(30-34)：(7-9)，更优选68:32:8。在这个配比范围的聚合物，具有较强的挠曲电效应。
进一步的，本发明所述方法，本发明检测挠曲电材料发生应变梯度而产生的挠曲电信号的方法为现有技术中已知的方式，可以通过在挠曲电材料的上面与下面添加电极，并引出导线，通过任意常规测试电流电压信号的方法来读取挠曲电信号随外力的变化情况，优选为电学仪器读取，如示波器、电化学工作站或源表等。
本发明还提供一种传感器，所述传感器为柔性挠曲电型压力传感器件，来测量脉搏和肌肉等生理信号的大小和方向，从下到上依次包含柔性基底、柔性电极、挠曲电材料、柔性电极和柔性基底。
进一步的，本发明所述的柔性电极可以镀在柔性基底上。
进一步优选的，本发明所述的挠曲电材料具有特定几何结构，所述的特定几何结构为任意可在材料内部产生应力集中的结构，优选为柱状结构、棱台结构或金字塔结构，更优选为棱台结构；特定几何结构的尺寸优选为纳米到微米范围，在此尺寸范围内均可很好的实现本发明的目的。
本发明所述的特定几何结构，可以通过微纳加工方法制备，优选为光刻、纳米压印、模板浇铸、等离子体刻蚀或3D打印等现有技术方法制备。优选为模板浇铸的方法，即将挠曲电材料溶液浇铸在具有特殊结构的模板上，得到所述特定结构。挠曲电材料溶液所用溶剂可以为任意常用可溶解挠曲电材料的溶剂，以极性高分子材料为例，溶剂可以如2-丁酮、丙酮等；模板可以为硅模板、镍模板、铝模板和聚二甲基硅氧烷模板等。
本发明所述的挠曲电材料可以为一切具有挠曲电效应的材料，优选为具有柔性、挠曲电效应强、极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯二元共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯二元共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物、聚乙烯或环氧树脂等。
进一步的，本发明所述极性高分子材料优选为偏氟乙烯-三氟乙烯的二元共聚物或偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物，本发明选用的二元和三元聚合物，具有极强的挠曲电效应，且已经商品化，能够较容易的大规模获得；所述二元共聚物的摩尔比例优选偏氟乙烯：三氟乙烯为(65-71)：(28-34)，更优选70:30；所述三元共聚物的摩尔比例优选偏氟乙烯：三氟乙烯：氟氯乙烯为(65-71)：(30-34)：(7-9)，更优选68:32:8。在这个配比范围的聚合物，具有较强的挠曲电效应。
本发明所用柔性基底可以为任意的柔性基底，如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、蚕丝蛋白或聚二甲基硅氧烷等。
本发明所用柔性电极可以为任意可弯折的电极材料，如金属电极、氧化铟锡薄膜电极或聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐薄膜电极。
挠曲电效应是一种不同于压电效应的、应用更为广泛的力电转换机制。其存在于所有的介电材料中，对晶体的对称性没有要求。基于挠曲电效应的电信号产生是因为物体受到了不均匀变形，内部发生了梯度应变。挠曲电性诱导的极化强度是与应变梯度成线性关系。挠曲电信号作为一个三维张量，可以用一个三维矩阵来描述，其极性取决于梯度应变的方向。当物体受到一个特定方向的力时，内部产生的应变梯度的方向与受力方向相同，因此本发明利用物体的挠曲电效应不仅能判断所受力的大小，还能检测所受力的三维空间方向。
本发明为了放大挠曲电效应，设计了特定的结构使得某些区域应力集中，从而得到较大的应变梯度，实现信号放大的作用。
本发明所述利用柔性挠曲电型压力传感器件，可以用来测量脉搏和肌肉等生理信号的大小和方向，其方法为将柔性挠曲电型压力传感器件紧密固定在测试部位，利用电学仪器读取挠曲电信号的变化情况即可实现生理信号大小和方向的检测。固定器件的方法可以为常规的固定方法，如利用胶带固定。本发明所述的方法，不仅可以实现生理信号大小的检测，还可以实现方向的检测。
附图说明
图1柔性挠曲电型压力传感器件上特殊结构实物图；
图2柔性挠曲电型压力传感器件分辨力方向原理示意图；
图3柔性挠曲电型压力传感器件用于区分肌肉运动方向。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明，未特别说明的，均为本领域的常规方法，所用试剂如无特别说明，均为常规试剂。
实施例1
将具有导电氧化铟锡(ITO)镀层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜按照一定大小剪出两片，一片约为3cm*2cm的长方形，一片约为3cm*1.5cm的长方形，将经过粗细砂纸分别打磨过的细铜丝放于ITO一面边缘区域，使用银浆将ITO表面的铜丝覆盖，并放置于红外灯照射边缘区域，烘干银浆。之后放于真空烘箱内，于真空条件下，加热至100℃并保持4小时，去除银浆内多余溶剂。
棱台结构的制备采用溶液浇铸的方法，将偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)(摩尔比例70：30)溶解于N，N-二甲基甲酰胺中配成溶液，浓度为40mg/ml。将溶液滴于具有倒棱台结构的硅模板上，棱台的上底和下底均为正方形，其中上底边长27微米，下底边长50微米，高14微米。在60℃烘箱内，保温12小时，成膜。在成膜过程中，薄膜自动脱离模板。之后将薄膜放入真空烘箱内，在真空条件下加热至120℃并保持4小时，以除去剩余溶剂，并将薄膜退火处理。制备成的棱台结构如图1所示。
将制备的具有棱台结构的铁电高分子薄膜贴合于一片PET薄膜的ITO表面，并在铁电薄膜的另一面覆盖上另一片有ITO镀层的PET薄膜。最后通过绝缘胶带封装使用。将封装好的器件贴于手指关节，肘关节，颈部以及眉毛处，通过电学仪器(电化学仪CHI800B)对因为身体各处关节运动产生的挠曲电压信号进行测试，可以判断出此类生理信号的强度、频率以及方向。
该器件分辨力方向原理如图2所示；可以明显的看到，当一块硬币在器件上分别向左和向右滚动时，棱台结构受方向不同(斜向左下方向和斜向右下方向)的力，这两个不同方向的力在垂直方向上的分力为硬币的重力，在水平方向上的分力方向相反。可以看到棱台结构内部产生的应变梯度的大小与所施加力的大小成正比，其方向与所施加的力的方向相同，即由于应变梯度而产生的挠曲电信号的方向与棱台结构上所施加力的方向相同，由此可以通过挠曲电信号的方向来判断传感器所受力的大小和方向。
利用传感器检测颈部肌肉运动方向如图3所示。当头部左右90°转动时，会带动颈部肌肉运动，可以看到，当头部转动方向一致时，产生的信号方向一致；而头部转动方向相反时，产生的信号方向想反。同时由于头部转动时，每次转动的幅度，速度等都有差异，因此造成了相同方向转动头部时，贴于颈部肌肉的传感器测得的信号会有差异。
由此可见，本发明所述的方法和传感器，不仅可以检测生理信号的大小，还可以检测生理信号的方向。
实施例2
本实施方式与实施例1的不同点是：所用极性高分子材料为偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯三元共聚物P(VDF-TrFE-CFE)(摩尔比例68：32：8)。
实施例3
本实施方式与实施例1的不同点是：棱台结构的制备方法为纳米压印的方法。将偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)(摩尔比例70：30)溶解于N，N-二甲基甲酰胺中配成溶液，浓度为40mg/ml。将溶液滴于具有导电氧化铟锡(ITO)镀层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜上，薄膜大小约为3cm*2cm的长方形。在60℃烘箱内，保温12小时，成膜。将纳米压印模板(棱台状模板)轻轻放在制得的P(VDF-TrFE)薄膜上，再在上面叠一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)垫作为缓冲层。将叠好的样品放入纳米压印机内部，纳米压印机为锡英普林纳米压印设备制造有限公司生产，加压至0.6MPa后升温至120℃并保持10分钟。在经过降温程序降至室温后，脱离模板就可以制得特定结构的铁电聚合物薄膜。其余器件制备和测试方法相同。
实施例4
本实施方式与实施例1的不同点是所用柔性基底为镀有金电极的PDMS基底，用溅射镀金仪在其PDMS上镀金电极，电流约为4mA，每次镀110s，镀4次。特殊结构的制备方法可采用溶液浇铸和纳米压印中的任何一种，其余器件制备和测试方法相同。
实施例5
本实施方式与实施例1的不同点是所用特殊结构为金字塔结构，金字塔底面为正方形，其规格分为两种，其一底边边长为50微米，高为25微米；其二底边边长为3微米，高为1.5微米。特殊结构的制备方法可采用溶液浇铸和纳米压印中的任何一种，其余器件制备和测试方法相同。
实施例6
本实施方式与实施例1的不同点是：所用特殊结构为柱状结构，圆柱体底面直径为200纳米，高度为60纳米。特殊结构的制备方法为纳米压印，其余器件制备和测试方法相同。
以上列举仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不仅限于以上实施例，还可以有许多变形。由本发明内容可直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种检测人体生理信号的方法，其特征在于，作为生理信号的外力作用于挠曲电材料发生梯度应变，通过检测挠曲电材料发生梯度应变产生的挠曲电信号的情况，实现生理信号的大小和/或方向的检测；所述挠曲电材料为偏氟乙烯-三氟乙烯的二元共聚物或偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物；所述二元共聚物的摩尔比例偏氟乙烯：三氟乙烯为（65-71）：（28-34），所述三元共聚物的摩尔比例偏氟乙烯：三氟乙烯：氟氯乙烯为（65-71）：（30-34）：（7-9）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挠曲电材料具有特定几何结构，所述特定几何结构为柱状结构、棱台结构或金字塔结构；特定几何结构的尺寸为纳米到微米范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二元共聚物的摩尔比例偏氟乙烯：三氟乙烯为70:30；所述三元共聚物的摩尔比例偏氟乙烯：三氟乙烯：氟氯乙烯为68:32:8。
4.一种柔性挠曲电型压力传感器，其特征在于，从下到上依次包含柔性基底、柔性电极、挠曲电材料、柔性电极和柔性基底；所述挠曲电材料为偏氟乙烯-三氟乙烯的二元共聚物或偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物；所述二元共聚物的摩尔比例偏氟乙烯：三氟乙烯为（65-71）：（28-34），所述三元共聚物的摩尔比例偏氟乙烯：三氟乙烯：氟氯乙烯为（65-71）：（30-34）：（7-9）。
5.根据权利要求4所述的柔性挠曲电型压力传感器，其特征在于，所述挠曲电材料具有特定几何结构，所述特定几何结构为柱状结构、棱台结构或金字塔结构；特定几何结构的尺寸为纳米到微米范围。
6.根据权利要求4所述的柔性挠曲电型压力传感器，其特征在于，所述二元共聚物的摩尔比例偏氟乙烯：三氟乙烯为70:30；所述三元共聚物的摩尔比例偏氟乙烯：三氟乙烯：氟氯乙烯为68:32:8。
7.根据权利要求4所述的柔性挠曲电型压力传感器，其特征在于，所述柔性电极镀在柔性基底上。
8.根据权利要求4所述的柔性挠曲电型压力传感器，其特征在于，所述柔性基底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、蚕丝蛋白或聚二甲基硅氧烷。
9.根据权利要求4所述的柔性挠曲电型压力传感器，其特征在于，所述柔性电极为金属电极、氧化铟锡薄膜电极或聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐薄膜电极。
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