[發明專利]三維界面應力傳感器

有效

• 申請號: 201210501846.4
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN102980691A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 呂曉洲
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于電子器件技術領域，特別涉及三維界面應力傳感器，可用于測量假肢中截肢表面與假肢接口之間的界面應力分布和足底界面應力分布。

背景技術

界面應力傳感器被認為是測量假肢中截肢表面與假肢接口之間的界面應力分布和足底界面應力分布的關鍵器件，被廣泛應用于康復醫學、矯形外科、體育訓練和制鞋業中。

截肢表面與假肢接口之間的表面應力分布被認為是醫學工程的一項新的研究內容。據世界衛生組織測算，全球殘疾人約占總人口的5%。另據全國殘疾人抽樣調查顯示，我國約有6000萬殘疾人，其中截肢者約有89萬人，占殘疾人總數的1.48%，最新的統計顯示這一數字每年不斷增加中。這些截肢者絕大部分依靠假肢行走，對于截肢者而言，假肢的好壞直接影響到他們的生活。在不犧牲移動性的前提下，獲得良好的舒適性成為眾多醫生和科研工作者追求的目標。為了幫助患者改善舒適性，獲得截肢表面和假肢接口之間界面應力的分布對于一個假肢接口系統而言，顯得尤為重要。

足底應力分布被認為是生物力學的一項重要研究內容。在康復醫學中，足底應力分布被認為是研究某些疾病的重要參考數據；在矯形外科中，足底應力分布的測量被認為是步態研究的支撐和關鍵技術；在體育訓練中，足底應力的測量與分析可以指導運動員訓練，最大程度地避免運動受傷，從而提高運動員的成績；在制鞋業中，分析不同人群足底應力的分布可以使制鞋工程師設計出更舒適的鞋子；此外，隨著近年來愛好運動和體育鍛煉的人數的增加，因為運動導致足部受傷的病人也在不斷增加，由于其中大部分不知道受傷的原因，嚴重阻礙了病情的防治。因此，準確便捷地測量足底應力分布就顯得尤為迫切。

為了獲得截肢表面和假肢接口之間的界面應力分布和準確便捷地測量足底應力的分布，必須研發能夠用于電子皮膚的新型界面應力傳感器，由于截肢表面和假肢接口之間以及足底應力不光存在與界面垂直的正應力，而且存在與界面不垂直的剪切力，所以要求該傳感器能夠實時、準確、便捷地測量三維界面應力。

已經有許多文獻報道了能夠測量截肢表面和假肢接口之間的界面應力分布的器件，這些器件包括電阻應變測量計(resistive?strain?gauges)、壓電電阻計(piezoelectric?resistors)、光電電纜(ber-optic?cables)及波導器件(waveguides)、充氣腔器件(gas-filled?cavities)，和基于電容的方法(capacitance-based?methods)。然而，這些器件都只能測量正應力，卻不能同時測量剪切力。

有些報道嘗試建立數學模型根據正應力來預測剪切力，但是最新的報道發現這些數學模型都不準確。而且，基于這些技術的器件很難用于測量足底應力分布。因為基于這些器件的傳感器不但本身增加應力，而且體積太大，很難方便地應用于鞋底狹小的空間。此外，這些器件不僅容易受到干擾，而且很難標定。

綜上所述，已報道的界面應力傳感器存在如下缺點：（1）只能測量正應力，卻不能同時測量剪切力，即不能解決實時測量三維界面應力的問題；（2）幾何尺寸太大，不能用于假肢或鞋底狹小的空間；（3）靈敏度低，測量范圍太小；（4）外圍電路復雜，難以集成傳感器陣列。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提供一種基于平板電容和超彈塑性材料的三維界面應力傳感器，以減小幾何尺寸、簡化所需外圍電路，增大測量范圍、提高靈敏度，實現對三維界面應力的實時測量。

本發明是這樣實現的：

一、技術原理

眾所周知，平板電容的輸出電容與極板間距成反比，與極板間的重合面積成正比，即當一個正壓力加載到平板電容時，感應電極和驅動電極的極板間距發生變化，引起輸出電容發生變化；當一個剪切力加載到平板電容時，感應電極和驅動電極的重合面積發生變化，引起輸出電容發生變化。

本發明即利用平板電容的這一特性，選擇恰當的超彈塑性材料作為中間介質，發明制作出新型界面應力傳感器。當傳感器加載三維界面應力時，利用極板間距的變化引起Z向輸出電容的變化，來測量與界面垂直的Z向正壓力；利用極板間的重合面積發生變化引起X和Y向輸出電容的變化，來測量與界面平行的X向剪切力和Y向剪切力，已達到實時測量三維界面應力的目的。

二、技術方案

本發明所述的三維界面應力傳感器，包括頂層、驅動電極、中間層、感應電極和底層，其特征在于：

所述的驅動電極，耦合于頂層的下表面；