WO2025000596A1 - 压力传感器、制备方法和数据采集系统及方法 - Google Patents

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flexible pressure
cylindrical array
dielectric layer
row
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熊璟
史妍
陈静
谢高生
李晖
夏泽洋
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Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
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    • A61B1/273—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor for the upper alimentary canal, e.g. oesophagoscopes, gastroscopes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators

Definitions

  • the present invention belongs to the technical field of sensors and relates to a pressure sensor, a preparation method and a data acquisition system and method.
  • Touch is an important function of human beings to perceive and obtain external information through the skin, an important organ.
  • tactile perception humans can identify information such as the shape, hardness, surface roughness, and temperature of the object they touch, thereby obtaining a more detailed and rich sensory experience.
  • various types of pressure sensors have been proposed that can convert external stimuli into electronic signals to perceive and quantify external stimuli.
  • flexible pressure sensors can be divided into piezoresistive, piezoelectric, triboelectric and capacitive types.
  • capacitive flexible pressure sensors have been widely studied due to their simple structure, fast response speed and low power consumption.
  • Capacitive flexible pressure sensors can be divided into traditional capacitive pressure sensors and ion-electric capacitive pressure sensors according to the different dielectric layers.
  • their sensitivity is often limited by the incompressibility and low dielectric constant of the elastomer; in addition, the capacitance change of traditional capacitive pressure sensors is easily affected by parasitic capacitance and environmental noise, which limits their application in practical scenarios.
  • the ion-electric pressure sensor uses ion gel as the dielectric layer of the sensor, forming a double-layer capacitor at the interface between the electrode and the dielectric layer, which significantly improves the sensitivity of the sensor.
  • the ion-electric pressure sensor has excellent sensing performance and can meet the needs of pressure perception in a variety of application scenarios.
  • studies have shown that introducing microstructures in the ion-electric pressure sensor can further improve the sensing performance of the sensor.
  • Digestive endoscopy is currently one of the most effective and reliable ways to treat digestive system diseases. It can observe abnormal lesions in the digestive tract through accurate and intuitive visual feedback, thereby providing doctors with more accurate diagnostic results.
  • doctors often diagnose patients by touching the patient's tissues with their hands, which greatly improves the efficiency of diagnosis.
  • doctors cannot directly touch the patient's tissues, and existing endoscopic visual feedback technology cannot accurately identify the location and size of the lesion area.
  • it is easy for the patient's digestive tract tissues to suffer additional damage.
  • Piezoresistive pressure sensors are easily affected by external factors, and signal drift may occur after long-term use; piezoelectric pressure sensors cannot measure static pressure; triboelectric pressure sensors are easily affected by external factors and cannot measure static pressure; the dielectric layer of traditional capacitive sensors is incompressible, has the problem of low sensitivity, and is easily affected by parasitic capacitance and the environment, resulting in poor measurement accuracy.
  • the purpose of the present invention is to overcome the shortcomings of the above-mentioned prior art and to provide a pressure sensor, a preparation method and a data acquisition system and method.
  • the sensor and method can solve the problem of lack of tactile information in the current digestive endoscopy diagnosis and treatment process, and have the characteristics of high sensitivity and accurate measurement.
  • the present invention discloses a cylindrical array flexible pressure sensor, comprising an ion gel dielectric layer, wherein a plurality of column electrodes are arranged on the upper surface of the ion gel dielectric layer, and a plurality of row electrodes are arranged on the lower surface of the ion gel dielectric layer, wherein the intersection of each row electrode and each column electrode forms a single sensor unit.
  • a plurality of pyramid microstructures are arranged on the surface of the ion gel dielectric layer.
  • the present invention discloses a method for preparing a cylindrical array flexible pressure sensor, comprising the following steps:
  • a cylindrical array type flexible pressure sensor is manufactured using the ion gel dielectric layer, row electrodes and column electrodes.
  • step 1) The specific operations of step 1) are:
  • step 12 Place the mask with the electrode pattern on the PDMS film prepared in step 11) so that the PDMS film and the mask are in contact with each other, and then evenly scrape the stretched silver paste on the PDMS film with the mask. After curing, remove the mask and cut to obtain row electrodes and column electrodes.
  • step 11 the mass ratio of PDMS prepolymer to curing agent is (10-12):1.
  • step 2) a solution spin coating method is used to prepare an ion gel dielectric layer with a microstructure.
  • the present invention discloses a method for preparing a cylindrical array flexible pressure sensor, comprising the following steps:
  • the column electrodes, the ion gel dielectric layer and the row electrodes are sequentially wound and fixed on the digestive endoscope, so that the cylindrical array type flexible pressure sensor is integrated on the digestive endoscope.
  • the present invention discloses a data acquisition system, comprising a microcontroller module, a capacitance measurement module, a row and column scanning module and a cylindrical array type flexible pressure sensor, wherein the cylindrical array type flexible pressure sensor is integrated on a digestive endoscope, the cylindrical array type flexible pressure sensor is grounded through the row and column scanning module, the cylindrical array type flexible pressure sensor is connected to the capacitance measurement module, and the microcontroller module is connected to the output end of the capacitance measurement module and the control end of the row and column scanning module.
  • the microcontroller module is connected to a host computer, and the host computer can display the sensor data output by the microcontroller module.
  • the present invention discloses a data collection method, comprising the following steps:
  • the acquired capacitance information of each sensor unit in the cylindrical array flexible pressure sensor is graphically displayed.
  • the pressure sensor, preparation method, data acquisition system and method described in the present invention use PDMS as a flexible substrate during specific operation, and a plurality of column electrodes are arranged on the upper surface of the ion gel dielectric layer, and a plurality of row electrodes are arranged on the lower surface of the ion gel dielectric layer, so that a single sensor unit is formed at the intersection of each row electrode and each column electrode.
  • the sensor units arranged in an array are used for detection, and the measurement is more accurate and sensitive, so that the doctor can obtain richer and more detailed tactile information during the operation, thereby improving the efficiency and safety of disease diagnosis and surgical treatment.
  • a corresponding data acquisition system is configured, and the capacitance information of each row of sensor units is obtained by cooperating with the row and column scanning module to improve the accuracy and reliability of data acquisition.
  • FIG2a is a structural diagram of a row electrode
  • FIG3 is a structural diagram of an ion gel dielectric layer
  • FIG4 is a structural diagram of the data acquisition system of the present invention.
  • FIG5 is a physical picture of the electrode prepared in Example 1.
  • FIG6a is a structural diagram of an electrode in a planar state under a microscope
  • FIG6 b is a structural diagram of the electrode in a cylindrical state under a microscope
  • FIG8 is a scanning electron microscope image of the pyramid microstructured ion gel dielectric layer in Example 1;
  • FIG9 is a sensitivity test diagram of the sensor in Example 1.
  • FIG10 is a test diagram of the response time of the sensor in Example 1;
  • FIG12a is a test result diagram of the application of the sensor described in Example 1 in digestive tract tactile perception
  • FIG12b is another test result diagram of the application of the sensor described in Example 1 in digestive tract tactile perception
  • FIG. 12c is another test result diagram of the application of the sensor described in Example 1 in tactile perception of the digestive tract.
  • 1 is the column electrode
  • 2 is the ion gel dielectric layer
  • 3 is the row electrode
  • 4 is the sensor unit.
  • the cylindrical array flexible pressure sensor described in the present invention is used in the process of endoscopic diagnosis and treatment and is arranged on a digestive endoscope.
  • the cylindrical array flexible pressure sensor includes an ion gel dielectric layer 2, and a plurality of column electrodes 1 are arranged on the upper surface of the ion gel dielectric layer 2, and a plurality of row electrodes 3 are arranged on the lower surface of the ion gel dielectric layer 2, wherein the intersection position of each row electrode 3 and each column electrode 1 forms a single sensor unit 4.
  • the cylindrical array type flexible pressure sensor described in this embodiment includes three rows of electrodes 3 and eight columns of electrodes 1 to form 24 sensor units 4 .
  • the diameter of the colonoscope is 11-14 mm
  • the circumference of the colonoscope is 34.6-44 mm
  • the area range of the single sensor unit 4 is 2.25-4 m2
  • the sensor units 4 in the same row are evenly distributed in the circumferential direction of the digestive endoscope
  • the spacing between adjacent sensor units 4 in the same column is 1 mm.
  • the sensor units 4 in the same row share the row electrode 3
  • the sensor units 4 in the same column share the column electrode 1 , so as to reduce the number of wirings of the sensor and facilitate application.
  • the present invention discloses a method for manufacturing the cylindrical array type flexible pressure sensor, comprising:
  • the stretched silver paste is scraped on the PDMS film by the scraping method to form a flexible electrode.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the solution spin coating method is used to prepare the microstructured PVDF-HFP/IL ion gel dielectric layer 2, and the specific process is as follows:
  • step 22 adding ionic liquid to the mixed solution obtained in step 21), and continuing stirring at room temperature for 1 hour, wherein the mass ratio of PVDF-HFP to ionic liquid is 1.5:(1-1.2);
  • step 23) Drop the solution obtained in step 22) on the template with the microstructure, spin-coat it at a speed of 300-500 rpm for 15-30 seconds, and then dry it in an oven at 60°C for 30 minutes to 1 hour. After peeling and cutting, the ion gel dielectric layer 2 is obtained.
  • the microstructure template is a template with a pyramid microstructure formed by photolithography.
  • the square of the pyramid microstructure has a side length of 70 ⁇ m, a height of 50 ⁇ m, and a side spacing of 40 ⁇ m.
  • the observation result of the microstructure template under a microscope is shown in FIG3 .
  • the method for preparing the cylindrical array flexible pressure sensor of the present invention comprises the following steps:
  • the column electrode 1, the ion gel dielectric layer 2 and the row electrode 3 are sequentially wound around the digestive endoscope and fixed with PI (polyimide) tape to form a cylindrical array flexible pressure sensor.
  • PI polyimide
  • the present invention further discloses a data collection system, which includes a hardware collection circuit and a host computer.
  • the hardware acquisition circuit includes a cylindrical array flexible pressure sensor, a microcontroller module, a capacitance measurement module and a row and column scanning module; the cylindrical array flexible pressure sensor is integrated on a digestive endoscope, the cylindrical array flexible pressure sensor is grounded through the row and column scanning module, the cylindrical array flexible pressure sensor is connected to the capacitance measurement module, and the microcontroller module is connected to the output end of the capacitance measurement module and the control end of the row and column scanning module.
  • the microcontroller module adopts an STM32 single-chip microcomputer, wherein the STM32 single-chip microcomputer is a series of 32-bit microcontroller product series launched by STMicroelectronics, which has the advantages of high performance, low power consumption, multiple peripherals, high integration and easy development.
  • STM32F103C8T6 is selected as the microcontroller of the hardware acquisition circuit.
  • the capacitance measurement module adopts PCap01AD chip, and PCap01AD chip can be connected to the capacitance sensor through four connection modes: single sensor drift mode, single sensor grounding mode, differential sensor drift mode, and differential sensor grounding mode.
  • PCap01AD chip can connect up to 7 sensors. Since the number of sensor units 4 in the present invention is large, two PCap01AD chips are selected and the connection mode of single sensor grounding mode is adopted to measure the capacitance of cylindrical array flexible pressure sensor.
  • PCap01AD chip communicates with microcontroller module through SPI communication mode, and high-speed data transmission can be realized through SPI communication, and full-duplex communication is supported.
  • the present invention uses two PCap01AD chips to measure the capacitance of 8 columns at the same time. At this time, an analog switch is used to realize the gating of three rows, and the measurement of the capacitance data of the 3 ⁇ 8 cylindrical array flexible pressure sensor can be completed.
  • the present invention uses a high-speed analog switch TS5A3357 chip to realize the row scanning of the sensor array. The operating voltage of the high-speed analog switch TS5A3357 chip is 1.65-5.5V. Under the control of the STM32 single-chip microcomputer, the row scanning of the sensor array is realized, thereby realizing the collection of capacitance data of the cylindrical array flexible pressure sensor.
  • the STM32 single chip sends the collected sensor data to the host computer through the serial port for digital display and storage, wherein the present invention selects the CH343 chip to achieve high-speed transmission of sensor array capacitance data.
  • the present invention discloses a data collection method, comprising the following steps:
  • the microcontroller module receives the capacitance information of each row of sensor units 4 in the cylindrical array type flexible pressure sensor output by the capacitance measurement module, and then graphically displays the capacitance information of each row of sensor units 4 in the cylindrical array type flexible pressure sensor through the host computer.
  • the capacitance data of the cylindrical array type flexible pressure sensor is displayed in the form of a three-dimensional bar graph in the host computer, so that the pressure distribution can be observed more intuitively.
  • the sensor digital acquisition scheme is shown in Figure 4.
  • the stretched silver paste is scraped on the PDMS film by the scraping method to form a flexible electrode.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the solution spin coating method is used to prepare the microstructured PVDF-HFP/IL ion gel dielectric layer 2, and the specific process is as follows:
  • step 22 adding ionic liquid to the mixed solution obtained in step 21), and continuing stirring at room temperature for 1 hour, wherein the mass ratio of PVDF-HFP to ionic liquid is 1.5:1.2;
  • step 23) Drop the solution obtained in step 22) on the template with the microstructure, spin-coat it at 400 rpm for 25 seconds, dry it in an oven at 60° C. for 45 minutes, peel it off and cut it to obtain the ion gel dielectric layer 2.
  • the stretched silver paste is scraped on the PDMS film by the scraping method to form a flexible electrode.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the solution spin coating method is used to prepare the microstructured PVDF-HFP/IL ion gel dielectric layer 2, and the specific process is as follows:
  • step 22 adding ionic liquid to the mixed solution obtained in step 21), and continuing stirring at room temperature for 1 hour, wherein the mass ratio of PVDF-HFP to ionic liquid is 1.5:1.1;
  • step 23) Drop the solution obtained in step 22) on the template with microstructure, spin-coat it at 300 rpm for 15 seconds, dry it in an oven at 60° C. for 30 minutes, peel it off and cut it to obtain the ion gel dielectric layer 2.
  • the stretched silver paste is scraped on the PDMS film by the scraping method to form a flexible electrode.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the solution spin coating method is used to prepare the microstructured PVDF-HFP/IL ion gel dielectric layer 2, and the specific process is as follows:
  • step 22 adding ionic liquid to the mixed solution obtained in step 21), and continuing stirring at room temperature for 1 hour, wherein the mass ratio of PVDF-HFP to ionic liquid is 1.5:1;
  • step 23) Drop the solution obtained in step 22) on the template with the microstructure, spin-coat it at 500 rpm for 30 seconds, and then dry it in an oven at 60° C. for 1 hour. After peeling and cutting, an ion gel dielectric layer 2 is obtained.
  • the flexible electrode of the sensor prepared in this experiment is a PDMS/silver paste flexible electrode, and the ion gel dielectric layer 2 is a dielectric layer with a pyramid microstructure PVDF-HFP/1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide salt ([EMIM][TFSI]).
  • the specific preparation process is as follows:
  • the polydimethylsiloxane (PDMS) prepolymer and curing agent were mixed in a mass ratio of 10:1, and then stirred in a blender at 2000 rpm for 1 min to mix them evenly and remove bubbles to obtain a PDMS mixture.
  • the PDMS mixture was spin-coated on a glass slide sprayed with a silicone release agent at 500 rpm for 40 s, and then placed in an oven at 90°C and heated for curing for 30 min to obtain a PDMS film.
  • the PET film is cut by using a laser cutting machine to prepare a mask plate of a required electrode shape to obtain a mask plate.
  • the PDMS/silver paste flexible electrode was connected to the conductive lead through conductive silver glue, and then placed in an oven at 60°C. After curing for 1 hour, it was taken out and polyimide tape was pasted on the conductive silver glue to prevent the wire from falling off during use, which is convenient for subsequent testing and application.
  • Figure 5 shows the prepared electrode.
  • the resistance of a single row electrode 3 is 3 ⁇ , and the resistance of a single column electrode 1 is 1.4 ⁇ .
  • the resistance of a single row electrode 3 is 4.4 ⁇ , and the resistance of a single column electrode 1 is 2 ⁇ .
  • step 22) The mixed solution obtained in step 21) was spin-coated on a silicon wafer with a pyramid microstructure at a speed of 400 rpm for 20 seconds. After the solvent was completely evaporated, it was peeled off and cut to form a 10 mm ⁇ 45 mm film.
  • FIG7 shows the prepared PVDF-HFP/IL ion gel dielectric layer 2. The morphology of the ion gel dielectric layer 2 with a pyramid microstructure was characterized using a scanning electron microscope, and the results are shown in FIG8.
  • the prepared electrodes and ion gel dielectric layer 2 are packaged on a digestive endoscope in a sandwich structure to form a cylindrical array flexible pressure sensor.
  • the sensitivity test results are shown in FIG9 .
  • the cylindrical array flexible pressure sensor exhibits a sensitivity of 0.39 kPa -1 within the pressure range of 0-40 kPa.
  • the response/time test results are shown in FIG10 .
  • the response/recovery time of the cylindrical array flexible pressure sensor is 46 ms.
  • cylindrical array flexible pressure sensor in tactile perception of the digestive tract.
  • the cylindrical array flexible pressure sensor is integrated on a digestive endoscope and moved in an intestinal model. During the movement, the cylindrical array flexible pressure sensor comes into contact with the intestine and is subjected to pressure.
  • the capacitance change data of the process is collected by a digital acquisition system.
  • Figures 12a-12c show different states of the digestive endoscope moving in the digestive tract. The results show that the cylindrical array flexible pressure sensor has good tactile perception capabilities.

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Abstract

一种压力传感器、制备方法和数据采集系统及方法，柱面阵列式柔性压力传感器包括离子凝胶介电层（2），离子凝胶介电层（2）的上表面设置有若干列电极（1），离子凝胶介电层（2）的下表面设置有若干行电极（3），其中，各行电极（3）与各列电极（1）的交叉位置形成单个传感器单元（4），该传感器及方法能够解决当前消化内镜诊疗过程中触觉信息缺失的问题，并且具有灵敏度高以及测量准确的特点。

Description

压力传感器、制备方法和数据采集系统及方法 技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种压力传感器、制备方法和数据采集系统及方法。
 背景技术
在传统的医疗诊断中，医生常通过用手触摸患者的组织来对患者进行医疗诊断，这极大提高了诊断的效率。但是在消化内镜诊疗过程中，医生无法直接触摸到患者的组织，现有的内镜视觉反馈技术也无法准确地识别病变区域的位置与大小。医生在缺乏力反馈的场景下使用消化内镜，容易使患者的消化道组织受到额外伤害。
触觉是人类通过皮肤这一重要器官来感知和获取外界信息的重要功能。通过触觉感知能力，人类可以识别接触物体的形状、硬度、表面粗糙度以及温度等信息，从而获得更为详实和丰富的感官体验。为了模仿人类皮肤的触觉感知能力，目前已经提出了多种类型的可以将外界刺激转变成电子信号来感知和量化外界刺激的压力传感器。
目前，根据工作原理的不同，柔性压力传感器可分为压阻式、压电式、摩擦电式、电容式。在这四种传感器中，电容式柔性压力传感器具有结构简单，响应速度快以及低功耗等优点而受到广泛研究。电容式柔性压力传感器根据介电层的不同又可分为传统电容式压力传感器和离-电式电容压力传感器。对于传统的电容式压力传感器而言，其灵敏度往往受到弹性体不可压缩性和低介电常数限制；此外，传统电容型压力传感器的电容变化极易受寄生电容和环境噪声的影响，限制了其在实际场景中的应用。离-电式压力传感器采用离子凝胶作为传感器的介电层，在电极和介电层界面处形成了双电层电容，显著提高了传感器的灵敏度。相较于其他类型的传感器离-电式压力传感器具有优秀的传感性能，同时能满足多种应用场景下对压力感知的需求。此外，研究表明在离-电式压力传感器中引入微结构可进一步改善传感器的传感性能。
消化内镜检查是目前治疗消化系统疾病最为有效和可靠的方式之一，其可以通过准确且直观的视觉反馈方式来观察消化道内的异常病变，从而为医生提供更加精准的诊断结果。在传统的医疗诊断中，医生常通过用手触摸患者的组织来对患者进行医疗诊断，这极大提高了诊断的效率。但是在消化内镜诊疗过程中，医生无法直接触摸到患者的组织，现有的内镜视觉反馈技术也无法准确地识别病变区域的位置与大小。医生在缺乏力反馈的场景下使用消化内镜，容易使患者的消化道组织受到额外伤害。
在消化内镜诊疗过程中，医生经自然腔道将内镜伸入患者体内，通过内镜反馈的图像进行诊断以及手术操作，这对于体内病变区域的定位和治疗具有重要作用，然而，医生在缺乏力反馈的场景下使用消化内镜，容易使患者的消化道组织受到伤害。目前，常见的柔性压力传感器主要有压阻式、压电式、摩擦电式、电容式这几种。
综上所示，目前还存在以下问题：
消化内镜触觉信息的缺失。在消化内镜诊疗过程中，医生无法直接触摸到患者的组织，视觉反馈也无法准确地识别病变区域的位置与大小，此外，医生在缺乏力反馈的情况下进行手术可能会对正常组织造成损伤，甚至伤害到重要器官。
传感器的缺点。压阻式压力传感器容易受到外界影响，长期使用可能会出现信号漂移；压电式压力传感器无法测量静态压力；摩擦电式压力传感器易受外界影响，同时无法测量静态压力；传统电容式传感器介电层具有不可压缩性，存在灵敏度低的问题，同时易受到寄生电容和环境的影响，测量准确性较差。
 技术问题
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种压力传感器、制备方法和数据采集系统及方法，该传感器及方法能够解决当前消化内镜诊疗过程中触觉信息缺失的问题，并且具有灵敏度高以及测量准确的特点。
 技术解决方案
为达到上述目的，第一方面，本发明公开了一种柱面阵列式柔性压力传感器，包括离子凝胶介电层，所述离子凝胶介电层的上表面设置有若干列电极，离子凝胶介电层的下表面设置有若干行电极，其中，各行电极与各列电极的交叉位置形成单个传感器单元。
所述离子凝胶介电层的表面设置有若干金字塔微结构。
第二方面，本发明公开了一种柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
1）以聚二甲基硅氧烷薄膜为基底材料，将拉伸银浆刮涂在PDMS薄膜上，制备得到行电极及列电极；
2）制备具有微结构的离子凝胶介电层；
3）利用所述离子凝胶介电层、各行电极及各列电极制作柱面阵列式柔性压力传感器。
步骤1）的具体操作为：
11）将PDMS预聚物与固化剂混合，搅拌并去除气泡，得PDMS混合物，将所述PDMS混合物旋涂于喷涂有脱模剂的基板上，固化后形成PDMS薄膜；
12）将具有电极图案的掩模版放置于步骤11）制备得到的PDMS薄膜上，使得PDMS薄膜与掩模版贴合，再将拉伸银浆均匀刮涂于带有掩模版的PDMS薄膜上，固化后取出掩膜版，裁切得到行电极及列电极。
步骤11）中，PDMS预聚物与固化剂的质量比为（10-12）：1。
步骤2）中，采用溶液旋涂法制备具有微结构的离子凝胶介电层。
第三方面，本发明公开了一种柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
将列电极、离子凝胶介电层及行电极依次缠绕并固定于消化内镜上，使得柱面阵列式柔性压力传感器集成于消化内镜上。
第四方面，本发明公开了一种数据采集系统，包括微控制器模块、电容测量模块、行列扫描模块以及柱面阵列式柔性压力传感器，所述柱面阵列式柔性压力传感器集成于消化内镜上，柱面阵列式柔性压力传感器通过行列扫描模块接地，柱面阵列式柔性压力传感器与电容测量模块相连接，微控制器模块与电容测量模块的输出端及行列扫描模块的控制端相连接。
微控制器模块连接有上位机，所述上位机能够对微控制器模块输出的传感器数据进行显示。
第五方面，本发明公开了一种数据采集方法，包括以下步骤：
获取电容测量模块检测得到的柱面阵列式柔性压力传感器中各行传感器单元的电容信息；
对获取得到的柱面阵列式柔性压力传感器中各行传感器单元的电容信息进行图形化显示。
对获取得到的柱面阵列式柔性压力传感器中各传感器单元的电容信息进行图形化显示。
 有益效果
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的压力传感器、制备方法和数据采集系统及方法在具体操作时，采用PDMS作为柔性基底，同时在离子凝胶介电层的上表面设置有若干列电极，离子凝胶介电层的下表面设置有若干行电极，从而在各行电极与各列电极的交叉位置形成单个传感器单元，在测量时，采用阵列排布的各传感器单元进行检测，测量准确较高，灵敏度较高，能够使医生在操作过程中获得更丰富详实的触觉信息，从而提高疾病诊断和手术治疗过程中的效率及安全性，同时配置有相应的数据采集系统，利用电容测量模块与行列扫描模块相配合进行各行传感器单元的电容信息的获取，以提高数据采集的准确性及可靠性。
 附图说明
图1为本发明所述传感器的结构图；
图2a为行电极的结构图；
图2b为列电极的结构图；
图3为离子凝胶介电层的结构图；
图4为本发明所述数据采集系统的结构图；
图5为实施例一制备得到的电极的实物图；
图6a为显微镜下在平面状态下电极的结构图；
图6b为显微镜下在柱面状态下电极的结构图；
图7为实施例一中金字塔微结构的离子凝介电层的实物图；
图8为实施例一中金字塔微结构离子凝胶介电层的扫描电子显微镜图；
图9为实施例一中所述传感器的灵敏度测试图；
图10实施例一中所述传感器的响应时间测试图；
图11实施例一中所述传感器的循环稳定性测试图；
图12a为实施例一中所述传感器在消化道触觉感知中应用的一种测试结果图；
图12b为实施例一中所述传感器在消化道触觉感知中应用的另一种测试结果图；
图12c为实施例一中所述传感器在消化道触觉感知中应用的另一种测试结果图。
其中，1为列电极、2为离子凝胶介电层、3为行电极、4为传感器单元。
 本发明的实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
实施例一
参考图1，本发明所述的柱面阵列式柔性压力传感器用于化内镜诊疗过程中，设置于消化内镜上，所述柱面阵列式柔性压力传感器包括离子凝胶介电层2，所述离子凝胶介电层2的上表面设置有若干列电极1，离子凝胶介电层2的下表面设置有若干行电极3，其中，各行电极3与各列电极1的交叉位置形成单个传感器单元4。
在工作时，当压力作用于本发明所述的柱面阵列式柔性压力传感器上时，传感器单元4的电容发生变化，从而实现对压力的测量。
具体的，本实施例所述的柱面阵列式柔性压力传感器包括三行电极3及八列电极1，以形成24个传感器单元4。
参考图2a及图2b，在实际应用时，结肠镜的直径为11-14mm，结肠镜的周长为34.6-44mm，所述单个传感器单元4的面积范围为2.25-4 m 2，同一行的传感器单元4在消化内镜圆周方向均匀分布，同一列中相邻传感器单元4的间距为1mm。
需要说明的是，本发明中同一行的传感器单元4共用行电极3，同一列的传感器单元4共用列电极1，以减少传感器的接线个数，便于应用。
实施例二
为制作本实施例所述的柱面阵列式柔性压力传感器，本发明公开了一种柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，包括：
1）柔性电极的制作；
以聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜为基底材料，采用刮涂法将拉伸银浆刮涂在PDMS薄膜上，以形成柔性电极，具体过程为：
11）将PDMS预聚物与固化剂以（10-12）：1的质量比混合，再通过搅拌机以1500-2000rpm的转速搅拌1-3min，使其混合均匀并去除气泡，得PDMS混合物；在玻璃片上喷一层硅胶气雾脱模剂，将PDMS混合物倒在玻璃片上，然后以300-500rpm的转速旋涂20-40s，将该玻璃片在80-90℃下固化30min-1h，以形成PDMS薄膜；
12）使用激光切割机切割厚度为50um的PET薄膜，形成所需电极图案的掩模版，将掩模版放置于步骤11）制备得到的PDMS薄膜上，使得PDMS薄膜与掩模版贴合，将拉伸银浆均匀刮涂在带有掩模版的PDMS薄膜上，在90-100℃下固化4-6h，去除掩模版，再裁剪PDMS膜，得到行电极3及列电极1；
13）使用铜导线、加热固化银浆或者导电银胶，将柱面阵列式柔性压力传感器的行电极3及列电极1引出，便于后续测试，其中，将高温固化银浆在90℃固化30min-1h，将导电银胶在60℃固化1h-2h。
2）制备离子凝胶介电层2；
采用溶液旋涂法制备具有微结构PVDF-HFP/IL离子凝胶介电层2，具体过程为：
21）将PVDF-HFP与丙酮以1:（7-9）的质量比混合，再在60-70℃搅拌2-4h，使PVDF-HFP充分融化，得混合溶液；
22）向步骤21）得到的混合溶液中加入离子液体，再在室温下继续搅拌1h，其中，PVDF-HFP与离子液体的质量比为1.5：（1-1.2）；
23）将步骤22）得到的溶液液滴在具有微结构的模板上，再以300-500rpm的转速旋涂15-30s，然后在60℃的烘箱中干燥30min-1h，剥离并裁剪后，得到离子凝胶介电层2。
本实施例中，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑-双三氟甲基磺酰亚胺盐（[EMIM][TFSI]）。
本实施例中，所述微结构的模板为采用光刻技术形成的具有金字塔微结构的模板。金字塔状微结构的正方形的边长为70μm，高度为50μm，正方形的边间距为40μm，微结构的模板在显微镜下的观察结果如图3所示。
实施例三
本发明所述柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法包括以下步骤：
将列电极1、离子凝胶介电层2及行电极3依次缠绕于消化内镜上，并使用PI（聚酰亚胺）胶带固定，以形成柱面阵列式柔性压力传感器。
实施例四
为实现所述柱面阵列式柔性压力传感器的数据采集，本发明还公开了一种数据采集系统，数据采集系统包括硬件采集电路及上位机。
本实施例中，所述硬件采集电路包括柱面阵列式柔性压力传感器、微控制器模块、电容测量模块以及行列扫描模块；所述柱面阵列式柔性压力传感器集成于消化内镜上，柱面阵列式柔性压力传感器通过行列扫描模块接地，柱面阵列式柔性压力传感器与电容测量模块相连接，微控制器模块与电容测量模块的输出端及行列扫描模块的控制端相连接。
本实施例中，所述微控制器模块采用STM32单片机，其中，STM32单片机是意法半导体公司推出的一系列32位微控制器产品系列，具有高性能、低功耗、多种外设、集成度高以及易于开发的优点，选择STM32F103C8T6为硬件采集电路的微控制器。
本实施例中，所述电容测量模块采用PCap01AD芯片，PCap01AD芯片可以通过单一传感器漂移模式、单一传感器接地模式、差分传感器漂移模式、差分传感器接地模式这四种连接方式与电容传感器相连。在单一传感器漂移模式连接的情况下，PCap01AD芯片最多可以连接7个传感器，由于本发明中传感器单元4数目较多，因此选用两片PCap01AD芯片且采用单一传感器接地模式的连接方式，对柱面阵列式柔性压力传感器的电容进行测量。PCap01AD芯片通过SPI通信方式与微控制器模块进行通信，通过SPI通信可以实现数据的高速率传输，并且支持全双工通信。
本实施例中，同一行的传感器单元4共用行电极3，同一列的传感器单元4共同列电极1，因此24个传感器单元4共11根接线，通过电极共用可以有效减少接线的个数。另外，本发明选用两个PCap01AD芯片对8列电容同时进测量，此时选用一个模拟开关来实现三行的选通，即可完成3×8柱面阵列式柔性压力传感器电容数据的测量。本发明选用高速模拟开关TS5A3357芯片来实现传感器阵列的行扫描，所述高速模拟开关TS5A3357芯片的工作电压为1.65-5.5V，在STM32单片机的控制下实现对传感器阵列的行扫描，从而实现柱面阵列式柔性压力传感器电容数据的采集。
另外，本实施例中，STM32单片机将采集到的传感器数据通过串口发送给上位机进行数字化显示并存储，其中，本发明选用CH343芯片来实现传感器阵列电容数据的高速传输。
实施例五
相应的，本发明公开了一种数据采集方法，包括以下步骤：
1）获取电容测量模块检测得到的柱面阵列式柔性压力传感器中各行传感器单元4的电容信息；
2）微控制器模块接收电容测量模块输出的柱面阵列式柔性压力传感器中各行传感器单元4的电容信息，再通过上位机对所述柱面阵列式柔性压力传感器中各行传感器单元4的电容信息进行图形化显示，其中，在上位机中采用三维柱状图的形式，将柱面阵列式柔性压力传感器的电容数据显示出来，从而可以更加直观的观察压力的分布情况，传感器数字采集方案如图4所示。
实施例六
本实施例所述的柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，包括：
1）柔性电极的制作；
以聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜为基底材料，采用刮涂法将拉伸银浆刮涂在PDMS薄膜上，以形成柔性电极，具体过程为：
11）将PDMS预聚物与固化剂以11：1的质量比混合，再通过搅拌机以1800rpm的转速搅拌2min，使其混合均匀并去除气泡，得PDMS混合物；在玻璃片上喷一层硅胶气雾脱模剂，将PDMS混合物倒在玻璃片上，然后以400rpm的转速旋涂30s，将该玻璃片在85℃下固化45min，以形成PDMS薄膜；
12）使用激光切割机切割厚度为50um的PET薄膜，形成所需电极图案的掩模版，将掩模版放置于步骤11）制备得到的PDMS薄膜上，使得PDMS薄膜与掩模版贴合，将拉伸银浆均匀刮涂在带有掩模版的PDMS薄膜上，在95℃下固化5h，去除掩模版，再裁剪PDMS膜，得到行电极3及列电极1；
13）使用铜导线、加热固化银浆或者导电银胶，将柱面阵列式柔性压力传感器的行电极3及列电极1引出，便于后续测试，其中，将高温固化银浆在90℃固化40min，将导电银胶在60℃固化1.5h。
2）制备离子凝胶介电层2；
采用溶液旋涂法制备具有微结构PVDF-HFP/IL离子凝胶介电层2，具体过程为：
21）将PVDF-HFP与丙酮以1:8的质量比混合，再在65℃搅拌3h，使PVDF-HFP充分融化，得混合溶液；
22）向步骤21）得到的混合溶液中加入离子液体，再在室温下继续搅拌1h，其中，PVDF-HFP与离子液体的质量比为1.5：1.2；
23）将步骤22）得到的溶液液滴在具有微结构的模板上，再以400rpm的转速旋涂25s，然后在60℃的烘箱中干燥45min，剥离并裁剪后，得到离子凝胶介电层2。
实施例七
本实施例所述的柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，包括：
1）柔性电极的制作；
以聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜为基底材料，采用刮涂法将拉伸银浆刮涂在PDMS薄膜上，以形成柔性电极，具体过程为：
11）将PDMS预聚物与固化剂以10：1的质量比混合，再通过搅拌机以1500rpm的转速搅拌1min，使其混合均匀并去除气泡，得PDMS混合物；在玻璃片上喷一层硅胶气雾脱模剂，将PDMS混合物倒在玻璃片上，然后以300rpm的转速旋涂20s，将该玻璃片在90℃下固化30min，以形成PDMS薄膜；
12）使用激光切割机切割厚度为50um的PET薄膜，形成所需电极图案的掩模版，将掩模版放置于步骤11）制备得到的PDMS薄膜上，使得PDMS薄膜与掩模版贴合，将拉伸银浆均匀刮涂在带有掩模版的PDMS薄膜上，在90℃下固化4h，去除掩模版，再裁剪PDMS膜，得到行电极3及列电极1；
13）使用铜导线、加热固化银浆或者导电银胶，将柱面阵列式柔性压力传感器的行电极3及列电极1引出，便于后续测试，其中，将高温固化银浆在90℃固化30min，将导电银胶在60℃固化1h。
2）制备离子凝胶介电层2；
采用溶液旋涂法制备具有微结构PVDF-HFP/IL离子凝胶介电层2，具体过程为：
21）将PVDF-HFP与丙酮以1:7的质量比混合，再在60℃搅拌2h，使PVDF-HFP充分融化，得混合溶液；
22）向步骤21）得到的混合溶液中加入离子液体，再在室温下继续搅拌1h，其中，PVDF-HFP与离子液体的质量比为1.5：1.1；
23）将步骤22）得到的溶液液滴在具有微结构的模板上，再以300rpm的转速旋涂15s，然后在60℃的烘箱中干燥30min，剥离并裁剪后，得到离子凝胶介电层2。
实施例八
本实施例所述的柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，包括：
1）柔性电极的制作；
以聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜为基底材料，采用刮涂法将拉伸银浆刮涂在PDMS薄膜上，以形成柔性电极，具体过程为：
11）将PDMS预聚物与固化剂以12：1的质量比混合，再通过搅拌机以2000rpm的转速搅拌3min，使其混合均匀并去除气泡，得PDMS混合物；在玻璃片上喷一层硅胶气雾脱模剂，将PDMS混合物倒在玻璃片上，然后以500rpm的转速旋涂40s，将该玻璃片在90℃下固化1h，以形成PDMS薄膜；
12）使用激光切割机切割厚度为50um的PET薄膜，形成所需电极图案的掩模版，将掩模版放置于步骤11）制备得到的PDMS薄膜上，使得PDMS薄膜与掩模版贴合，将拉伸银浆均匀刮涂在带有掩模版的PDMS薄膜上，在100℃下固化6h，去除掩模版，再裁剪PDMS膜，得到行电极3及列电极1；
13）使用铜导线、加热固化银浆或者导电银胶，将柱面阵列式柔性压力传感器的行电极3及列电极1引出，便于后续测试，其中，将高温固化银浆在90℃固化1h，将导电银胶在60℃固化2h。
2）制备离子凝胶介电层2；
采用溶液旋涂法制备具有微结构PVDF-HFP/IL离子凝胶介电层2，具体过程为：
21）将PVDF-HFP与丙酮以1:9的质量比混合，再在70℃搅拌4h，使PVDF-HFP充分融化，得混合溶液；
22）向步骤21）得到的混合溶液中加入离子液体，再在室温下继续搅拌1h，其中，PVDF-HFP与离子液体的质量比为1.5：1；
23）将步骤22）得到的溶液液滴在具有微结构的模板上，再以500rpm的转速旋涂30s，然后在60℃的烘箱中干燥1h，剥离并裁剪后，得到离子凝胶介电层2。
实施例九
本实验制备的传感器柔性电极为PDMS/银浆柔性电极，离子凝胶介电层2为具有金字塔微结构PVDF-HFP/1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐（[EMIM][TFSI]）的介电层，具体制备过程为：
1）柔性电极的制备；
11）将聚二甲基硅氧烷（PDMS）的预聚物与固化剂以10:1的质量比混合，再在搅拌机中以2000rpm的转速搅拌1min，使其搅拌均匀，并去除气泡，得PDMS混合物，将PDMS混合物以500rpm的转速在喷涂有硅胶脱模剂的玻璃片上旋涂40s，然后放入温度为90℃的烘箱，加热固化30min，得到PDMS薄膜。
12）电极图案掩模版制备；
使用激光切割机对PET薄膜进行切割，制备所需电极形状的掩模版，得掩模版。
13）刮涂法制备柔性电极；
将掩模版放置于已经固化的PDMS薄膜上，将掩模版与PDMS薄膜贴合，将拉伸银浆滴在掩模版上，然后进行刮涂，使银浆均匀的涂覆在PDMS薄膜上，再放入90℃的烘箱中，加热固化4h，然后去除掩模版，使用小刀裁剪形成所需的电极。
14）接线；
通过导电银胶将PDMS/银浆柔性电极与导电引线连接，再放入60℃的烘箱中，固化1h后取出，然后将聚酰亚胺胶带贴在导电银胶上，防止在使用过程中导线脱落，便于后续测试及应用，图5为制备的电极。
在平面状态下，单个行电极3的电阻为3Ω，单个列电极1的电阻为1.4 Ω，在弯曲状态下，单个行电极3电阻为4.4Ω，单个列电极1的电阻为2Ω。
在显微镜下，分别对平面状态下和柱面状态下的电极进行观察，得到如图6a及图6b所示的显微镜下的观察结果，其中，图6a为平面状态下的电极，图6b为柱面状态下的电极，根据观察结果可知，拉伸银浆在PDMS薄膜上刮涂均匀且连续无断裂，保证了电极良好的导电性。
2）金字塔微结构介电层的制备；
21）将PVDF-HFP和丙酮以质量比1：7混合，在65℃下以500rpm的转速搅2h，使PVDF-HFP完全融化在丙酮中，再向上述混合溶液中加入的[EMIM][TFSI]离子液体，PVDF-HFP:离子液体=3：2，在室温下，以500rpm的转速继续搅拌1h，形成PVDF-HFP、丙酮以及离子液体的混合溶液；
22）将步骤21）得到的混合溶液，以400rpm的转速在具有金字塔微结构的硅片上旋涂20s，待溶剂完全挥发后，剥离并裁剪形成10mm×45mm的薄膜，图7为制备的PVDF-HFP/IL离子凝胶介电层2。使用扫描电子显微镜对具有金字塔微结构的离子凝胶介电层2的形貌进行表征，结果如图8所示。
3）传感器的封装；
将制备的电极和离子凝胶介电层2按照三明治结构封装在消化内镜上，以形成柱面阵列式柔性压力传感器。
4）柱面阵列式柔性压力传感器的性能测试，具体结果为：
41）灵敏度测试结果如图9所示，由图9可知，柱面阵列式柔性压力传感器在0-40kPa的压力范围内表现出0.39kPa -1的灵敏度。
42）响应/时间测试结果如图10所示，由图10可知，柱面阵列式柔性压力传感器的响应/恢复时间均为46ms。
43）循环稳定性测试结果图11所示，由图11可知，柱面阵列式柔性压力传感器在1200次的加/卸在循环下电容信号没有发生很大的漂移，表示该柱面阵列式柔性压力传感器具有良好的稳定性。
44）柱面阵列式柔性压力传感器在消化道触觉感知中的应用，将所述柱面阵列式柔性压力传感器集成在消化内镜上，使其在肠道模型中移动，在移动过程中，所述柱面阵列式柔性压力传感器会与肠道接触，从而会受到压力，通过数字采集系统采集该过程的电容变化数据，图12a-图12c为消化内镜在消化道运动的不同状态，结果表明所述柱面阵列式柔性压力传感器具有良好的触觉感知能能力。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种柱面阵列式柔性压力传感器，其特征在于，包括离子凝胶介电层（2），所述离子凝胶介电层（2）的上表面设置有若干列电极（1），离子凝胶介电层（2）的下表面设置有若干行电极（3），其中，各行电极（3）与各列电极（1）的交叉位置形成单个传感器单元（4）。
  2. 根据权利要求1所述的柱面阵列式柔性压力传感器，其特征在于，所述离子凝胶介电层（2）的表面上设置有若干金字塔微结构。
  3. 一种权利要求1所述柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
    1）以聚二甲基硅氧烷薄膜为基底材料，将拉伸银浆刮涂在PDMS薄膜上，制备得到行电极（3）及列电极（1）；
    2）制备具有微结构的离子凝胶介电层（2）；
    3）利用所述离子凝胶介电层（2）、各行电极（3）及各列电极（1）制作柱面阵列式柔性压力传感器。
  4. 根据权利要求3所述的柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤1）的具体操作为：
    11）将PDMS预聚物与固化剂混合，搅拌并去除气泡，得PDMS混合物，将所述PDMS混合物旋涂于喷涂有脱模剂的基板上，固化后形成PDMS薄膜；
    12）将具有电极图案的掩模版放置于步骤11）制备得到的PDMS薄膜上，使得PDMS薄膜与掩模版贴合，再将拉伸银浆均匀刮涂于带有掩模版的PDMS薄膜上，固化后取出掩膜版，裁切得到行电极（3）及列电极（1）。
  5. 根据权利要求4所述的柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤11）中，PDMS预聚物与固化剂的质量比为（10-12）：1。
  6. 根据权利要求3所述的柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤2）中，采用溶液旋涂法制备具有微结构的离子凝胶介电层（2）。
  7. 一种权利要求1所述柱面阵列式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
    将列电极（1）、离子凝胶介电层（2）及行电极（3）依次缠绕并固定于消化内镜上，使得柱面阵列式柔性压力传感器集成于消化内镜上。
  8. 一种数据采集系统，其特征在于，包括微控制器模块、电容测量模块、行列扫描模块以及权利要求1所述的柱面阵列式柔性压力传感器，所述柱面阵列式柔性压力传感器集成于消化内镜上，柱面阵列式柔性压力传感器通过行列扫描模块接地，柱面阵列式柔性压力传感器与电容测量模块相连接，微控制器模块与电容测量模块的输出端及行列扫描模块的控制端相连接。
  9. 根据权利要求8所述的压力数据检测系统，其特征在于，微控制器模块连接有上位机，所述上位机能够对微控制器模块输出的传感器数据进行显示。
  10. 一种数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
    获取电容测量模块检测得到的权利要求1所述柱面阵列式柔性压力传感器中各行传感器单元（4）的电容信息；
    对获取得到的柱面阵列式柔性压力传感器中各行传感器单元（4）的电容信息进行图形化显示。
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