CN2255237Y - 聚偏氟乙烯压电膜医用多功能柔性传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为聚偏氟乙烯压电膜医用多功能柔性传感器，是一种使用聚偏氟乙烯(PVDF)压电膜制成的柔软的人体用传感器，属于医疗仪器领域。由上下两层构成的保护布层、位于保护布层一端并在布层中间的传感元件和位于保护布层另一端的搭接装置组成，其特征在于传感元件由橡胶气囊和固定在其上的敏感部分组成，不仅可以测量人体的血压、心率和血流声音，而且还可以测量出对信噪比要求更高的脉象波形的信号，它的机械阻抗和人体的机械阻抗更匹配，脉象测量结果失真度低、重复性好。

Description

聚偏氟乙烯压电膜医用多功能柔性传感器

本实用新型为聚偏氟乙烯压电膜医用多功能柔性传感器，是一种使用聚偏氟乙烯(PVDF)压电膜制成的柔软的人体用传感器，属于医疗仪器领域。

当前，随着生活水平的提高，人们越来越关心自己的身体健康情况，同时，生活节奏的加快，使得人体心脏承受的压力增大，因此个人保健问题是现代生活的重要课题之一。

西方医学中，经常用听诊器听取人的心音。心音是由于心脏及其中血液的机械活动产生的振动，从心音的情况可以直接判断出心脏是否在健康工作。在定期体检时，医生一般不必听取心音，但是需要记录心率和血压值。中医理论则指明，脉象，即脉搏跳动的波形，能够反映人体各部位的健康状况。如何把中医切脉时的主观感觉用客观的定量的电子信号描述出来，是中医现代化的一个热门课题。

由此可见，心率、血压、心音、脉象这四个参数是日常医疗保健中最重要的参数。现有的传感器一般只能测量其中的一到两个参数，例如，使用光电二极管只能测量心率，使用固体压电材料(PZT、罗切尔盐等)只能测量血压等。

美国专利4,443,730中介绍了一种柔性压电换能装置。换能器为薄膜或带状，比较柔软，与人体测量点可以紧密、确切地接触。因此使用该换能器可以同时测量血压、心率、心音等参数。该换能器的结构如图1所示，图中1为换能器主体，2为换能材料，可以是有机高分子压电材料，也可以是高分子材料与压电陶瓷的共混材料。压电材料反向重合，阳极4相对，位于内层，之间有一辅助电极3，其大小和形状与压电材料相同，作用是当压电材料的阳极镀层破碎时，也能收集破碎了的压电材料所产生的信号。在压电材料的一侧，两层压电材料的中间通过导电胶12粘接了一对固体电极片10用做正极的主引出电极，其面积小于压电膜的面积，中间焊有低噪声屏蔽电缆的芯线11做引出线，13为其焊点。压电膜的阴极面5上粘接有阴极引出电极6，其大小和形状与压电膜相同。阴极引出电极的外层是绝缘层8，由PE薄膜或其它绝缘膜构成。绝缘层的外层是屏蔽层9，由金属网构成，金属网中的金属丝与换能器的长度方向成45°角，其直径不大于55μm，相邻金属丝之间的距离不大于88μm。换能器的最外层是柔软的塑料膜7，它包裹住了整个装置，包括屏蔽层。

上述换能器在使用时附着在另外的基体上，可完成人体心率、心音、血压等参数的测量。但它存在着结构复杂、柔性不足、信号噪声比不高等缺点，限制了它的进一步应用。而且在它的结构设计中未考虑到脉象测量，故若用它来测脉象要造成信号失真。

本实用新型的目的在于消除上述缺点，提供一种使用高分子压电材料聚偏氟乙烯压电膜制成的传感器，使其具有结构简单、原材料容易获得、信号噪声比高等特点。

本实用新型中的聚偏氟乙烯压电膜多功能医用柔性传感器，由上下两层构成的保护布层、位于保护布层一端并在布层中间的传感元件和位于保护布层另一端的搭接装置组成，其特征在于传感元件由橡胶气囊和固定在其上的敏感部分组成；敏感部分为多层结构，两侧最外层为铝箔，与该铝箔内壁分别紧贴的是两片聚乙烯薄膜，在两层聚乙烯薄膜之间有二片聚偏氟乙烯压电膜居于最内层；两片聚偏氟乙烯压电膜一端的内侧各粘接一小块铜片，两铜片之间有一引出导线，该压电膜同一端的外侧各粘接一小块铜片，其上分别焊有引出导线，同一端最外层铝箔外侧焊有一根引出导线。搭接装置可以是尼龙搭扣和钢环配合使用，也可以单独使用按扣或尼龙搭扣。敏感部分中与铝箔内壁分别紧贴的除了可以是聚乙烯薄膜外，还可以是聚丙烯薄膜、聚酯薄膜等其它塑料薄膜。敏感部分两侧最外层除铝箔外，还可以为铝膜。敏感部分中与聚偏氟乙烯压电膜一端内外侧粘接的除铜片外，还可以是铜箔或其它金属薄片或薄膜。敏感部分中聚偏氟乙烯压电膜的长度为50-120mm，宽度为25～60mm，厚度为30～150μm，压电常数d₃₃为14～45PC/N。

本实用新型附图的图面说明如下：

附图1是美国专利4,443,730中的换能器的结构示意图。

附图2是本实用新型中整个传感器的外形示意图。

附图3是图2中的传感器去掉表面保护布层后的俯视图。

附图4是图3中I-I面的剖视图。

附图5是传感器的一种电路连接方法。

附图6是使用本实用新型中的传感器测量腕部挠骨动脉处脉象或前臂肱动脉处脉象的示意图。

附图7是使用本实用新型中的传感器测量血压或监听血流声音的示意图。

附图8是应用两个本实用新型中的传感器测量人体血流速度的示意图。

下面结合附图对本实用新型作进一步介绍。

如图2所示，整个传感器为带状结构。图中16表示传感器整体，14表示一根橡胶管，该管前面接传感器中的气囊，后面接打气球。15表示连接在传感器上的钢环，用来和传感器另一侧的尼龙搭扣配合把传感器绑到人体的四肢上。17表示另一根橡胶管，它的前面连接传感器中的气囊，后面接气压表或气压传感器，用来指示当前气囊中的气压值。18表示传感器中敏感部分的引出线，该引出线采用屏蔽线制成。

整个传感器由布层、传感元件和搭接装置三部分组成。传感元件则由橡胶气囊和敏感部分组成，敏感部分固定在橡胶气囊上。图3即为传感器去掉了上面保护布层之后的俯视图。图中19表示敏感部分，由高分子压电材料聚偏氟乙烯压电膜制成。20表示橡胶气囊，其面积略小于整个传感器的一半，位于传感器的右半部分。21为尼龙搭扣，位于传感器整体另一面的布层表面上，与15配合使传感器能够被绑紧到人体的四肢上。

图4为图3中传感器的敏感部分的I-I面剖视图，由图中可看出敏感部分为多层结构。金属铝箔22a和22b位于传感器的最外层，起到屏蔽外界杂散电磁场及人体工频干扰的目的。聚乙烯或聚丙烯或聚酯薄膜23a和23b分别紧贴在金属箔22a和22b上，起到绝缘的目的。聚偏氟乙烯压电膜24a和24b位于最内层，利用其压电效应完成传感任务。本实用新型中所使用的聚偏氟乙烯压电膜长度为50～120mm，宽度为25～60mm，厚度为30μm-150μm，压电常数d₃₃为14～45PC/N。

图4中25a和25b为夹在两层聚偏氟乙烯压电膜中间的铜箔或铜片，中间焊有引出线27b。26a和26b分别为粘结在两层聚偏氟乙烯压电膜各自的另一面的铜箔或铜片，其上分别焊有引出线27a和27c。26c为粘结在敏感部分最外层铝箔或铝膜上的铜箔或铜片，其上焊有引出线27d。

以上即构成了传感器的敏感部分，该敏感部分可以有多种电路连接的方法，图5示出了其中的一种连接方法。聚偏氟乙烯压电膜24a和24b的阳极相对在内层，引出线27b连接到屏蔽电缆的芯线上，引出线27a、27c和27d则一起连接到屏蔽电缆的屏蔽线上。

图6是使用本实用新型中的传感器测量腕部挠骨动脉处脉象或前臂肱动脉处脉象的示意图，图中30表示人体的前臂。测量时先把传感器绑到腕部或前臂，注意敏感部分要对准动脉，同时捆绑的松紧程度要适当。然后用打气球29把传感器中气囊的气压加到60～90mmHg(依个人情况而定)并保持，从传感器上得到的信号经放大器31放大后，就可以在示波器28上显示出相应位置的脉象。

图7是使用本实用新型中的传感器测量血压或监听血流声音的示意图，图中32表示人体的上臂。监听血流声音时，把传感器摆放到臂窝的肱动脉处，前臂弯曲并握拳，通过打气球29把气囊中的气压加到60-90mHg(依个人情况而定)并保持。从传感器上得到的信号经放大器31放大后，就可以由扬声器34播放出血流声音。测量血压值时，经放大器31放大之后的信号经A/D转换后连接到计算机33上，测量时先通过打气球把气压加到180mmHg，然后自然放气，当从扬声器34听到第一声脉搏跳动(Korotkov心音)时，气压表或计算机上显示出来的气压值即为收缩压，继续放气，听到最后一声脉搏跳动(Korotkov心音)时，气压表或计算机上显示出来的气压值即为舒张压。

图8是应用两个本实用新型中的传感器测量人体血流速度的示意图。测量时两个传感器16a和16b分别绑到人体腿部35的两个不同位置上，然后通过双踪示波器28观察产生的两信号之间的时间差，再根据传感器之间的距离就可以计算出人体的血流速度。

本实用新型中的传感器具有以下优点：

①敏感部分、气囊、布层一体化的结构使本传感器在使用时不仅无需再依靠其它基体，而且接触更加紧密正确，提高了信号噪声比，简化了使用方法。

②采用电极附着强度高的压电材料，省略了辅助电极，既简化了结构，又提高了输出信号的信噪比。

③压电材料阳极与阴极的引出电极的面积远小于压电材料本身的面积，在不影响电极牢固程度的前提下，减少了传感器中敏感部分的层数，既简化了结构，又提高了输出信号的信噪比。

④使用柔性更好的金属铝箔或铝膜做屏蔽层，既获得了比较好的屏蔽效果，又提高了传感器的柔性。

⑤由于传感器的柔性得到了很大的提高，因此可以和人体四肢达到更紧密、正确的接触。使用时不仅可以测量人体的血压、心率和血流声音，而且还可以测量出对信噪比要求更高的脉象波形的信号。与美国专利中的换能器相比，本传感器的机械阻抗和人体的机械阻抗更匹配，脉象测量结果失真度低、重复性好。

本实用新型中的传感器具有以下应用前景：

①使用本传感器，可以与适当电路配合，制成便携式家用医疗保健器械，测量人体的心率、血流声音、脉象和血压值，做到一机多用。

②使用本传感器，与电脑配合，通过电脑来分析、记录人体长时间的脉象、血流声音、心律和血压的变化，通过MODEM与医院连接，可构成电脑医疗保健系统----未来的医疗诊断模式，实现自我保健和不用出门就能看病的前景。

Claims (7)

1.一种聚偏氟乙烯压电膜多功能医用柔性传感器，由上下两层构成的保护布层、位于保护布层一端并在布层中间的传感元件和位于保护布层另一端的搭接装置组成，其特征在于传感元件由橡胶气囊和固定在其上的敏感部分组成；敏感部分为多层结构，两侧最外层为铝箔，与该铝箔内壁分别紧贴的是两片聚乙烯薄膜，在两层聚乙烯薄膜之间有二片聚偏氟乙烯压电膜居于最内层；两片聚偏氟乙烯压电膜一端的内侧各粘接一小块铜片，两铜片之间有一引出导线，该压电膜同一端的外侧各粘接一小块铜片，其上分别焊有引出导线，同一端最外层铝箔外侧焊有一根引出导线。

2.按照权利要求1所说的传感器，其特征在于所说的聚偏氟乙烯压电膜的长度为50～120mm，宽度为25～60mm，厚度为30～150μm，压电常数d33为14～45PC/N。

3.按照权利要求1或2所说的传感器，其特征在于所说的与铝箔内壁分别紧贴的是两片聚丙烯薄膜。

4.按照权利要求1或2所说的传感器，其特征在于所说的与铝箔内壁分别紧贴的是两片聚酯薄膜。

5.按照权利要求1或2所说的传感器，其特征在于所说的敏感部分两侧最外层为铝膜。

6.按照权利要求1或2所说的传感器，其特征在于所说的两片聚偏氟乙烯压电膜一端的内侧各粘接一块铜箔，该压电膜同一端的外侧各粘接一块铜箔。

7.按照权利要求1或2所说的传感器，其特征在于所说的搭接装置为尼龙搭扣和钢环。

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