CN111780898A - 一种适于曲面应力测量的柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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王凤霞
林起航
王铭炯
陈涛
孙立宁
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    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material

Abstract

本发明实施例公开了一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器及其制备方法。该柔性压力传感器包括具有第一容纳腔和第二容纳腔的垫片模具，均匀分布在第一容纳腔内和第二容纳腔内的多个力感应层，用于将多个力感应层连接的丝网印刷电极，用于将多个力感应层和丝网印刷电极分别封装在第一容纳腔内和第二容纳腔内的柔性封装层。该柔性压力传感器同时兼具柔性与生物兼容性，从而与膝关节的曲面很好地贴合，真实地反应膝关节的应力。

Description

一种适于曲面应力测量的柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器的技术领域，特别是涉及一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
人工全膝关节置换术是为减轻患者膝关节疼痛、改善膝关节功能和维持膝关节稳定所采取的一种外科手术方式。人工全膝关节置换手术将关节假体直接植入人体内，目前已成为关节严重病变的主要治疗手段之一。在人工全膝关节置换术中，软组织平衡性能不仅影响膝关节动力学，还直接影响手术后人工膝关节寿命以及病人在膝关节置换术后的生活质量。
目前，常规的全膝关节置换手术的软组织平衡主要依靠临床医生的视觉观察，其很大程度上依赖于医生的手术经验，给手术增加了很大的不确定性和危险性。因此，软组织平衡的可量化是一个迫切的需求。
很多公司基于软组织平衡量化的需求，采用微型传感器布置在人工假体上。微型传感器作为应力感知装置，可以有效测量全膝关节置换术中的软组织的应力。然而，在实际使用过程中，微型传感器为刚性传感器，使得微型传感器与膝关节表面不能很好的贴合，单点式的应力测量不能很好地反映膝关节应力的大小。进一步地，传统的刚性传感器由于宽的检测范围和高的灵敏度不能兼具，极大地限制了手术成功率和患者术后康复。虽然目前市场上也有柔性传感器，但是现有的柔性传感器结构和制备方法复杂、成本高昂，无法直接适用于医疗康复领域的应用。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种结构及制备方法简单且能够直接适用于曲面应力测量的柔性压力传感器及其制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种结构及制备方法简单且能够直接适用于曲面应力测量的柔性压力传感器及其制备方法。本发明实施例提供适用于曲面应力测量的柔性压力传感器同时兼具柔性与生物兼容性，从而与膝关节的曲面很好地贴合，真实地反应膝关节的应力。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器，其中，所述柔性压力传感器包括：垫片模具，用于作为待检测曲面物的替换物，包括第一容纳腔和第二容纳腔，所述第一容纳腔和所述第二容纳腔关于中心轴对称；多个力感应层，用于感应膝关节的应力大小，均匀分布在第一容纳腔内和第二容纳腔内；丝网印刷电极，用于连接所述多个力感应层；柔性封装层，用于将所述多个力感应层和所述丝网印刷电极分别封装在第一容纳腔内和第二容纳腔内。
作为本发明的进一步改进，所述第一容纳腔内分布3个力感应层，每个力感应层通过所述丝网印刷电极连接；所述第二容纳腔内分布3个力感应层，每个力感应层通过所述丝网印刷电极连接。
作为本发明的进一步改进，3个力感应层均匀间距地分布在第一容纳腔内或者第二容纳腔内。
作为本发明的进一步改进，每个力感应层包括柔性基底、印刷电极单元、力感应层单元、柔性封装单元。
作为本发明的进一步改进，所述力感应层采用生物兼容的柔性压阻材料制成。
作为本发明的进一步改进，所述柔性压阻材料包括导电织物、气凝胶和离子凝胶的一种或者多种。
作为本发明的进一步改进，所述丝网印刷电极采用丝网印刷方式结合导电油墨印刷而成。
作为本发明的进一步改进，所述柔性封装层采用生物兼容的柔性聚合物将所述力感应层、丝网印刷电极与垫片模具固定。
作为本发明的进一步改进，所述垫片模具采用3D打印光固化方法，以半月形凹槽设计图案为基础制作而成。
本发明实施例还提供一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的制备方法，其中，该方法包括步骤S1:在预设形状的模具上制备柔性基底作为丝网印刷电极的基底；步骤S2:在步骤S1的基础上，采用丝网印刷方式、以导电油墨为印刷材料，印刷一层导电电极作为柔性压力传感器的丝网印刷电极；步骤S3：在制备好的弹性体中掺杂预设比例的导电材料，作为柔性压力传感器的力感应层；步骤S4：采用3D打印技术，结合树脂尼龙材料，制备具有半月形凹槽形状的垫片模具；步骤S5：在步骤S4的基础上，结合生物兼容性的柔性聚合物，制备柔性封装层，将垫片模具、力感应层和丝网印刷电极封装成一体。
本发明具有以下优点：
本发明实施例所提供的适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的多个力感应层采用掺杂导电填料的弹性体，对于压力有明显的电学响应信号，同时兼具高柔性，能够很好地贴合曲面物(如膝关节)而反应真实的关节应力。本发明实施例所提供的适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的丝网印刷电极采用的是丝网印刷方式、垫片模具采用3D打印方式，极大地降低关节应力测量装备的制造成本，更适合医疗康复领域的大规模生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的结构示意图。
图2为图1所示实施例中力感应层的结构示意图；
图3为图1所示实施例中一种丝网印刷电极的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的制造方法的流程示意图。
图中标号说明：
100、柔性压力传感器 10、力感应层 20、垫片模具
30、丝网印刷电极 40、柔性封装层 11、柔性基底
13、印刷电极单元 15、力感应层单元 17、柔性封装单元
50、第一容纳腔 60、第二容纳腔
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的结构示意图。在该实施例中，一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器100包括：具有第一容纳腔50和第二容纳腔60的垫片模具20，均匀分布在第一容纳腔50内和第二容纳腔60内的多个力感应层10，用于连接多个力感应层10的丝网印刷电极30，用于将多个力感应层10和丝网印刷电极30分别封装在第一容纳腔50内和第二容纳腔60内的柔性封装层40。
继续参考图1，垫片模具20用于作为待检测曲面物的替换物。在本发明实施例中，以膝关节作为待检测曲面物的具体实施例详细阐述。第一容纳腔50和第二容纳腔60关于中心轴AA对称。垫片模具20采用3D打印光固化方法，以半月形凹槽设计图案为基础制作而成。打印材料具体可以采用树脂材料、尼龙材料和玻璃纤维材料中的一种或几种。
多个力感应层10数量均等地均匀地分布在第一容纳腔内50和第二容纳腔60内。在图1所示实施例中，第一容纳腔50内分布3个力感应层，每个力感应层10通过丝网印刷电极40连接；第二容纳腔60内分布3个力感应层10，每个力感应层10通过丝网印刷电极40连接。当然，在其他实施例中，每个容纳腔内的多个力感应层10的数量也可以为其他数量，如2个、4个、5个等。由于第一容纳腔50和第二容纳腔60的结构一致且内部设置一致，所以，本发明实施例仅具体描述第二容纳腔60的情况作为示例。
第二容纳腔60内的3个力感应层10均匀间距地分布，具体如，第一个力感应层10位于第一容纳腔60的腔顶部，第二个力感应层10位于第一容纳腔60的腔中部，第三个力感应层10位于第一容纳腔60的腔底部。第二个力感应层10分别与第一力感应层10和第三力感应层的间距相等。
力感应层10采用生物兼容的柔性压阻材料制成。柔性压阻材料包括导电织物、气凝胶和离子凝胶的一种或者多种。如图2所示，力感应层10包括柔性基底11、印刷电极单元13、力感应层单元15、柔性封装单元17。
本发明实施例所提供的适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的多个力感应层采用掺杂导电填料的弹性体，对于压力有明显的电学响应信号，同时兼具高柔性，能够很好地贴合待检测曲面物(如膝关节)而反应真实的关节应力。
如图3所示，为图1所示实施例中一种丝网印刷电极的示意图。每个容纳腔内的力感应层10处都有丝网印刷电极30的路径。丝网印刷电极3用于连接多个力感应层10并传输其所感知的应力大小的信号。在该实施例中，丝网印刷电极30采用丝网印刷方式结合导电油墨印刷而成。导电油墨材料包括金系导电油墨、银系导电油墨、铜系导电油墨、碳系导电油墨中的一种或多种。
柔性封装层40采用生物兼容的柔性聚合物将力感应层10、丝网印刷电极40与垫片模具20固定。柔性封装层40的制作材料具体包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)和热塑性聚氨酯中的一种或几种。
本发明实施例所提供的适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的丝网印刷电极采用的是丝网印刷方式、垫片模具采用3D打印方式，极大地降低关节应力测量装备的制造成本，更适合医疗康复领域的大规模生产。
如图4所示，本发明实施例提供一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的制备方法的流程示意图。在该实施例中，适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的制备方法包括五个步骤，每个步骤的具体内容如下所述。
步骤S1:在预设形状的模具上制备柔性基底作为丝网印刷电极的基底。预设形状具体可以为曲面物的形状，在本发明实施例中可以为膝关节。在其他实施例中，预设形状可以为人体其他曲面部位形状。
步骤S2:在步骤S1的基础上，采用丝网印刷方式、以导电油墨为印刷材料，印刷一层导电电极作为柔性压力传感器的丝网印刷电极。
步骤S3：在制备好的弹性体中掺杂预设比例的导电材料，作为柔性压力传感器的力感应层。
步骤S4：采用3D打印技术，结合树脂尼龙材料，制备具有半月形凹槽形状的垫片模具。
步骤S5：在步骤S4的基础上，结合生物兼容性的柔性聚合物，制备柔性封装层，将垫片模具、力感应层和丝网印刷电极封装成一体。
下面将结合具体的材料和工业应用方法，阐述五个柔性压力传感器制作方法的实施例。
实施例一：
将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物倒在制作好的模具中，放在加热台上加热，固化后揭下，作为整个柔性压力传感器的柔性基底。使用丝网印刷机器，银浆作为导电油墨，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上印刷一层电极，放入烘箱中，100℃加热4小时，制作成导电电极。在再生丝素蛋白溶液中加入PEDOT:聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和聚氨酯复合导电填料，在烘箱中60℃加热2小时，切割成统一规格的6个力感应层。利用3D打印技术，以树脂为打印材料，将设计好的垫片模型光固化成垫片模具。将上述制备好的6个感应层和印刷电极装配在一起，使用生物兼容的柔性脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)预聚物将其封装在一起，形成完整的压力传感器，并将其固定在制作好的垫片模具中，制备成性能优异的用于关节应力测量的柔性压力传感器。
实施例二：
将脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)预聚物倒在制作好的模具中，放在加热台上加热，固化后揭下，作为整个柔性压力传感器的柔性基底。使用丝网印刷机器，银浆作为导电油墨，在脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)基底上印刷一层电极，放入烘箱中，100℃加热4小时，制作成导电电极。在再生丝素蛋白溶液中加入PEDOT:聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和聚氨酯复合导电填料，在烘箱中60℃加热2小时，切割成统一规格的6个力感应层。利用3D打印技术，以尼龙材料为打印材料，将设计好的垫片模型光固化成垫片模具。将上述制备好的6个感应层和印刷电极装配在一起，使用生物兼容的柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物将其封装在一起，形成完整的压力传感器，并将其固定在制作好的垫片模具中，制备成性能优异的用于关节应力测量的柔性压力传感器。
实施例三：
将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物倒在制作好的模具中，放在加热台上加热，固化后揭下，作为整个柔性压力传感器的柔性基底。使用丝网印刷机器，银浆作为导电油墨，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上印刷一层电极，放入烘箱中，100℃加热4小时，制作成导电电极。在洁净的编织物中加入PEDOT:聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和Ag NWs复合导电填料，在烘箱中80℃加热3小时，切割成统一规格的6个力感应层。利用3D打印技术，以尼龙材料为打印材料，将设计好的垫片模型光固化成垫片模具。将上述制备好的6个力感应层和印刷电极装配在一起，使用生物兼容的柔性脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)预聚物将其封装在一起，形成完整的压力传感器，并将其固定在制作好的垫片模具中，制备成性能优异的用于关节应力测量的柔性压力传感器。
实施例四：
将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物倒在制作好的模具中，放在加热台上加热，固化后揭下，作为整个柔性压力传感器的柔性基底。使用丝网印刷机器，金系油墨作为导电油墨，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上印刷一层电极，放入烘箱中，100℃加热4小时，制作成导电电极。在再生丝素蛋白溶液中加入PEDOT:聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和Cu NWs复合导电填料，在烘箱中60℃加热2小时，切割成统一规格的6个力感应层。利用3D打印技术，以树脂为打印材料，将设计好的垫片模型光固化成垫片模具。将上述制备好的6个力感应层和印刷电极装配在一起，使用生物兼容的柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物将其封装在一起，形成完整的压力传感器，并将其固定在制作好的垫片模具中，制备成性能优异的用于关节应力测量的柔性压力传感器。
实施例五：
将脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)预聚物倒在制作好的模具中，放在加热台上加热，固化后揭下，作为整个柔性压力传感器的柔性基底。使用丝网印刷机器，碳系油墨作为导电油墨，在脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)基底上印刷一层电极，放入烘箱中，100℃加热4小时，制作成导电电极。在聚氨酯溶液中加入聚乙撑二氧噻吩(PEDOT):聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和Au NWs复合导电填料，在烘箱中60℃加热2小时，切割成统一规格的6个力感应层。利用3D打印技术，以玻璃纤维材料为打印材料，将设计好的垫片模型光固化成垫片模具。将上述制备好的6个力感应层和印刷电极装配在一起，使用生物兼容的柔性脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)预聚物将其封装在一起，形成完整的压力传感器，并将其固定在制作好的垫片模具中，制备成性能优异的用于关节应力测量的柔性压力传感器。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器包括：
垫片模具，用于作为待检测曲面物的替换物，包括第一容纳腔和第二容纳腔，所述第一容纳腔和所述第二容纳腔关于中心轴对称；
多个力感应层，用于感应膝关节的应力大小，均匀分布在第一容纳腔内和第二容纳腔内；
丝网印刷电极，用于连接所述多个力感应层；
柔性封装层，用于将所述多个力感应层和所述丝网印刷电极分别封装在第一容纳腔内和第二容纳腔内。
2.根据权利要求1所述的一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一容纳腔内分布3个力感应层，每个力感应层通过所述丝网印刷电极连接；所述第二容纳腔内分布3个力感应层，每个力感应层通过所述丝网印刷电极连接。
3.根据权利要求2所述的一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器，其特征在于，3个力感应层均匀间距地分布在第一容纳腔内或者第二容纳腔内。
4.根据权利要求1所述的一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器，其特征在于，每个力感应层包括柔性基底、印刷电极单元、力感应层单元、柔性封装单元。
5.根据权利要求1所述的一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器，其特征在于，所述力感应层采用生物兼容的柔性压阻材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压阻材料包括导电织物、气凝胶和离子凝胶的一种或者多种。
7.根据权利要求1所述的一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器，其特征在于，所述丝网印刷电极采用丝网印刷方式结合导电油墨印刷而成。
8.根据权利要求1所述的一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性封装层采用生物兼容的柔性聚合物将所述力感应层、丝网印刷电极与垫片模具固定。
9.根据权利要求1所述的一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器，其特征在于，所述垫片模具采用3D打印光固化方法，以半月形凹槽设计图案为基础制作而成。
10.一种适用于曲面应力测量的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
步骤S1:在预设形状的模具上制备柔性基底作为丝网印刷电极的基底；
步骤S2:在步骤S1的基础上，采用丝网印刷方式、以导电油墨为印刷材料，印刷一层导电电极作为柔性压力传感器的丝网印刷电极；
步骤S3：在制备好的弹性体中掺杂预设比例的导电材料，作为柔性压力传感器的力感应层；
步骤S4：采用3D打印技术，结合树脂尼龙材料，制备具有半月形凹槽形状的垫片模具；
步骤S5：在步骤S4的基础上，结合生物兼容性的柔性聚合物，制备柔性封装层，将垫片模具、力感应层和丝网印刷电极封装成一体。
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