本發(fā)明涉及生理檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器及其制備方法，用于測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)時(shí)腕部產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)及肌音信號(hào)。

背景技術(shù)：

早在1810年，生理學(xué)家William Hyde Wollaston等人就發(fā)現(xiàn)肌肉動(dòng)作時(shí)會(huì)有輕微的振動(dòng)，這種振動(dòng)頻率低至2-100Hz，大部分能量分布在5-50Hz之間，信號(hào)的強(qiáng)弱與肌肉動(dòng)作力度有關(guān)，動(dòng)作越大信號(hào)越強(qiáng)，他們把這種信號(hào)稱為肌音信號(hào)。肌音信號(hào)可以利用傳感器直接安裝于皮膚表面進(jìn)行采集。人體手腕或腳腕運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉除了會(huì)發(fā)出肌音信號(hào)還會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)信號(hào)，這些信號(hào)都比較微弱，頻率低，干擾強(qiáng)，隨機(jī)性強(qiáng)而且包含著豐富的信息。

目前國內(nèi)外用于檢測(cè)生理信號(hào)的傳感器也有一些應(yīng)用，諸如加拿大Concordia大學(xué)的J.Dargahi小組利用PVDF的優(yōu)良傳感特性成功研究出一系列觸覺傳感器用于醫(yī)療器械，方便醫(yī)學(xué)診斷；國內(nèi)北京頤松公司腿動(dòng)壓電加速度傳感器TD-3，可以檢測(cè)出人體肌音信號(hào)，但價(jià)格高、體積大且無法舒適穿戴。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前能實(shí)際使用的采集生物運(yùn)動(dòng)信號(hào)的傳感器很少，體積都偏大，而能滿足日常舒適可穿戴式使用的監(jiān)測(cè)需求的幾乎沒有，而且傳感器模塊與信號(hào)預(yù)處理模塊往往都是分開的，因此開發(fā)一款智能化、便攜化和集成化的腕部傳感器顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的是：提供了一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器及其制備方法，將柔性傳感器集成在傳感器信號(hào)預(yù)處理電路上來采集人體運(yùn)動(dòng)時(shí)腕部肌肉產(chǎn)生的肌音信號(hào)及運(yùn)動(dòng)信號(hào)，有效監(jiān)測(cè)人體腕部運(yùn)動(dòng)情況，包括脈搏跳動(dòng)情況。

為了解決背景技術(shù)中的技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器，其特征在于，包括：

保護(hù)層（1），貼緊皮膚，覆蓋于敏感層（2）表面；

敏感層（2），覆蓋于背襯層（3）上表面；

背襯層（3），置于基板（5）上；

電極層（4），包括至少兩根從敏感層（2）表面引出并貫穿基板的電極；

基板（5），集成了傳感器的信號(hào)預(yù)處理電路。

所述的一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器，其特征在于，所述保護(hù)層（1）是由高分子聚合物PET聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯制成的透明薄膜。

所述的一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器，其特征在于，所述敏感層（2）由高分子聚合物PVDF聚偏氟乙烯制成并雙面均鍍有鋁的厚度為100-200um的壓電薄膜。

所述的一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器，其特征在于，所述背襯層是一個(gè)切面為半圓的圓柱體橡膠塊，材質(zhì)為聚氯乙烯和鄰二甲酸二異辛酯的混合材質(zhì)。

所述的一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器，其特征在于，所述聚氯乙烯和鄰二甲酸二異辛酯的混合比的范圍為5:1-3:1。

所述的一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器，其特征在于，所述電極層包括兩根從敏感層表面引出的電極，其中電極的材料采用導(dǎo)電無紡布、銅箔或漆包線，電極的引出方式為粘貼、印刷或物理切割。

所述的一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器，其特征在于，所述電極的材質(zhì)還可以是金、鉑、鎳、銀、碳納米管、石墨烯或銀納米線中的一種或多種的組合。

所述的一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器，其特征在于，所述基板包括有兩個(gè)用于將敏感層從基板正面到背面的引出的垂直于基板的方形通孔。

所述的一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器，其特征在于，所述信號(hào)預(yù)處理模塊包括一個(gè)差分電荷放大器及一個(gè)低通濾波器，低通濾波器是二階的或四階的巴特沃斯濾波器或切比雪夫?yàn)V波器，其截止頻率范圍為20-200Hz。用于放大傳感信號(hào)、濾除干擾信號(hào)和抗混疊。

可穿戴式腕部集成傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟：

S1、首先對(duì)傳感器基板進(jìn)行清洗；

S2、然后使用制作好的模具制備出背襯層；

S3、將柔性背襯層粘在清潔、干燥的基板上事先已確定好的位置處；

S4、接下來，再將敏感層粘貼在柔性背襯層上，注意將敏感層的PVDF壓電薄膜兩端從基板預(yù)留的方形通孔中穿出到背面；

S5、基板背面用導(dǎo)電銀膠引出并固化的方法引出電極；

S6、最后在PVDF壓電薄膜表面再覆蓋一層保護(hù)層。

本發(fā)明的基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器的原理是：

（1）PVDF聚偏氟乙烯壓電薄膜在受到應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)將薄膜兩側(cè)受到的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換為薄膜兩側(cè)的電荷變化輸出；通過信號(hào)預(yù)處理模塊的差分電荷放大器后，就能轉(zhuǎn)換為電壓變化輸出；

（2）采用柔性橡膠背襯層，且為曲面結(jié)構(gòu)，使得傳感器受到應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的形變?cè)龃螅丛黾恿藗鞲衅鞯撵`敏度。且柔性材料穿戴在手腕上舒適度較高，不會(huì)產(chǎn)生不利于日?；顒?dòng)的感受；

（3）人體皮膚表面聲阻抗為2.18×10^-6kg/m2?s，PET聲阻抗為2.06×10^-6kg/m2?s，很接近人體皮膚，具有很好的阻抗匹配性；

（4）信號(hào)預(yù)處理模塊原理，采用差分電荷放大，可以有效將PVDF壓電薄膜受到應(yīng)力作用兩面產(chǎn)生的電荷變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，并能夠降低干擾，提高信噪比。截止頻率為20-200Hz的低通濾波器有效濾出一些由于空間電磁干擾而產(chǎn)生的高頻噪聲且能抗混疊干擾。

采用上述方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

（1）本發(fā)明中的PVDF腕部傳感器，體積小，可用于可穿戴式設(shè)備，如腕表、手環(huán)等等。且使用方便為大眾所接受，不影響日?；顒?dòng)；

（2）傳感器的敏感材料由柔性高分子聚合物保護(hù)，防汗液腐蝕；

（3）傳感器自身集成了信號(hào)放大濾波模塊，靈敏度高，安全可靠；

（4）采用柔性半圓柱體背襯層凸起結(jié)構(gòu)，有效的增加了靈敏度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)例提供的一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)例提供的一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器的基板示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)例提供的可穿戴式腕部集成傳感器附著在手環(huán)上的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)例提供的可穿戴式腕部集成傳感器基板信號(hào)預(yù)處理電路的電路圖。

附圖中各部件的標(biāo)記如下：（1）-保護(hù)層；（2）-敏感層；（3）-背襯層；（4）-電極層；（5）-基板；（6）-方形通孔；（7）-可穿戴式腕部集成傳感器。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

實(shí)施實(shí)例：

如圖3是本發(fā)明實(shí)例提供的基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器7穿戴在人體手腕上的結(jié)構(gòu)示意圖，可使傳感器穿戴在腕部表帶上測(cè)量人體生理信號(hào)。

如圖1、2，一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器，包括保護(hù)層1、敏感層2、背襯層3、電極層4、集成了信號(hào)預(yù)處理電路的基板5。保護(hù)層：覆蓋于敏感層PVDF壓電薄膜表面的，用于避免人體皮膚直接和PVDF壓電薄膜接觸，造成的人體汗液對(duì)PVDF壓電薄膜的腐蝕；敏感層：覆蓋于背襯層表面的PVDF壓電薄膜層，是傳感器的傳感部件，用于將傳感器所受應(yīng)力轉(zhuǎn)化為傳感器薄膜兩側(cè)電荷變化；背襯層：置于基板之上的柔性的切面為半圓的圓柱塊；基板：集成了傳感器信號(hào)預(yù)處理電路的超薄電路板；電極層：包括兩條從敏感層表面引出的電極。

保護(hù)層1由高分子聚合物PET聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯構(gòu)成，且聲阻抗值在人體表皮和敏感層2之間，與人體表皮很接近。

傳感器尺寸為12mm×9mm×3mm。其中保護(hù)層1是為厚度為0.012mm的超薄透明PET聚對(duì)苯二甲酸乙二酯薄膜，聲阻抗與皮膚及敏感層均較接近，能夠保護(hù)敏感層不被人體汗液等體液腐蝕。

敏感層2是厚度為100-200um的雙面均鍍有金屬鋁的PVDF偏聚氟乙烯壓電薄膜。

背襯層3是一個(gè)切面為半徑為2.5mm的邵氏硬度為50A的半圓柱體橡膠塊，材質(zhì)為80%的聚氯乙烯和20%的鄰二甲酸二異辛酯混合材質(zhì)。

電極層4包括兩根從敏感層表面引出的電極，電極層采用漆包線。

基板5包括有兩個(gè)用于將敏感層2從基板5正面到背面的引出的垂直于基板5的方形通孔6。

信號(hào)預(yù)處理電路包括一個(gè)差分電荷放大器及一個(gè)截止頻率為100Hz的二階巴特沃斯低通濾波器。傳感器以差分方式接入信號(hào)預(yù)處理模塊。

一種基于PVDF壓電薄膜的可穿戴式腕部集成傳感器的制備方法，包括以下步驟：

S1、制作傳感器時(shí)，首先用丙酮或無水乙醇對(duì)傳感器基板進(jìn)行清洗；

S2、然后使用制作好的模具制備出切面為半徑為2.5mm的半圓柱體背襯塊；

S3、將柔性背襯層用膠水粘在清潔、干燥的基板上事先已確定好的位置處；

S4、接下來，再將PVDF壓電薄膜用膠水粘貼在柔性襯底上，注意將PVDF壓電薄膜兩端從基板預(yù)留的方形通孔中穿出到背面；

S5、背面用導(dǎo)電銀膠引出并固化方法引出電極，電極可以是銅箔，表面可用絕緣漆絕緣；

S6、最后在PVDF壓電薄膜表面再覆蓋一層PET層作為保護(hù)層。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。