[發明專利]一種壓電柔性傳感裝置

有效

• 申請號: 201810110979.6
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108309293B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 郭海燕;吳锜
• 申請（專利權）人: 青島黃海學院
• 主分類號: A61B5/0488
• 分類號: A61B5/0488;B33Y80/00;B33Y70/00;B33Y10/00
• 代理公司: 青島高曉專利事務所(普通合伙) 37104
• 代理人: 張世功

1.一種壓電柔性傳感裝置，其特征在于：其主體結構包括壓電柔性傳感器、肌電信號前處理模塊、藍牙無線發射模塊、藍牙無線接收模塊、肌電信號分析處理模塊、控制假肢動作模塊、電極和縫合線；所述壓電柔性傳感裝置包括內置部分和外置部分，內置部分安裝在殘肢肌肉表層，外置部分安裝于假肢內；其中內置部分的壓電柔性傳感器通過縫合線固定在人體的肌肉組織表層，壓電柔性傳感器上表面設置有一個以上的條狀結構電極，電極采集肌肉組織的肌張力電信號，壓電柔性傳感器將肌張力電信號通過電信息連接的方式傳遞給肌電信號前處理模塊；肌電信號前處理模塊由前置放大器、多路模擬開關、除噪聲干擾的濾波器、后級放大器和單片機模數轉換單元依次電信息連接組合而成，其中內置部分的前置放大器通過多路模擬開關與外置部分的濾波器電信息連接，濾波器將肌張力電信號處理后傳輸給后級放大器，后級放大器將肌張力電信號放大并傳輸給單片機模數轉換單元，單片機模數轉換單元將處理后的肌張力電信號轉換為數字信號；肌電信號前處理模塊將數字信號傳輸給藍牙無線發射模塊，肌電信號前處理模塊與藍牙無線發射模塊電信息連接；藍牙無線發射模塊由藍牙編碼和藍牙無線發送兩個功能單元組合而成，藍牙無線發射模塊與外置部分的藍牙無線接收模塊無線信息通信；藍牙無線接收模塊由藍牙無線接收和藍牙解碼兩個功能單元組合而成，藍牙無線接收模塊將接收的信號傳輸給肌電信號分析處理模塊，藍牙無線接收模塊與肌電信號分析處理模塊電信息連接，肌電信號分析處理模塊將處理后的信號傳輸到控制假肢動作模塊，控制假肢動作模塊設置有ARM 9架構 S3C2440 為核心處理器的假肢控制端，通過軟件智能行為模式進行特征識別分析，將控制殘肢的信號和缺失肢體的信號分開，運用缺失肢體的信號通過ARM單片機控制假肢動作，使假肢只對殘肢神經指令做出反應；本裝置還設置了無線能源系統為內置電路以及外置的假肢動作電路提供能源；壓電柔性傳感器的制備方法的基本工藝步驟為：

（1）、繪制3D圖：核磁共振做殘留肢體部位肌肉的造影，按照核磁結構，參照標準人體解剖肌肉組織圖，繪制相應肌肉的3D圖；

（2）、3D打印：將肌肉的3D圖輸入3D打印機，用聚乳酸PLA原材料 3D 打印相應肌肉模型，打印溫度控制在180～200度之間，底板的加熱溫度控制在 50～65度之間，按照標準熔融沉積的3D打印機的流程，使用通常的絲狀材料打??；將打印好的肌肉模型做表面平滑處理：在通風良好的區域，佩戴非乳膠類手套將肌肉模型放置于底部裝有少量丙酮的密封容器內，靜放2-7小時，或加溫30-50min加速丙酮揮發過程，減少放置時間；

（3）、溶液噴涂：為了后面步驟中揭膜方便，在肌肉模型表面噴涂一層0.5-2wt% 聚乙烯醇溶液；

（4）、涂覆防水底層：PDMS膠體溶液是將固化物和PDMS預聚物按質量比 1:8-12的比例配置；先將上述打印的肌肉模型放入培養皿中，將PDMS膠體溶液覆蓋澆注到肌肉模型上，厚度為0.3-1mm，然后將培養皿置于真空烘箱中水平放置，控溫在 60-100度，烘烤 30-180min 使肌肉模型固化；

（5）、涂銀膠電極：使用刷子在固化的肌肉模型上涂抹薄薄的一層 LY-16034 TedPella 銀導電膠，并從邊緣處連接金或銀電極導線，靜置1-4小時待銀導電膠干透，得到下電極；

（6）、3D打印傳感器：采用液態溶液漿料和3D 打印工藝實現，

先配備液態溶液漿料：在60度加熱臺上配備10-20 wt% PVDF-TrFE及其復合材料的二甲基甲酰胺溶液，加入2-6wt% 杜邦氟碳表面活性劑，經60-80度真空干燥5-24小時濃縮處理后得到的 PVDF-TrFE 液態溶液漿料；

再3D打印肌肉形狀的壓電柔性傳感器，采用現有技術直接通過液態原料打印的方法，打印壓電柔性傳感器，其壓電層厚度為10-100μm；

(7)、傳感器固化：控溫60度真空干燥 4-8小時固化結構，靜置冷卻至室溫，從PLA肌肉模型上揭下壓電柔性傳感器；

(8)、控溫退火：控溫90-150度之間真空退火，退火時間5-24小時，靜置冷卻至室溫，切除邊緣多余部分，得到修整后的壓電柔性傳感器；

(9)、涂膠電極：將修整后的壓電柔性傳感器用銀膠刷沿肌肉走向涂出5-7條分離的上電極，并從邊緣處連接金或銀電極導線，采用 LY-16034 Ted Pella 銀導電膠，靜置1-4小時待銀導電膠干透，得到上電極；

(10)、防水封裝：用質量比 1:8-12的固化物和PDMS預聚物的膠體溶液，將上述連接有上下電極的壓電柔性傳感器放入培養皿中，使各個上電極之間以及與下電極的引線分離開，將PDMS膠體溶液澆覆到壓電柔性傳感器上，厚度為 1-2mm ，待氣泡全部排出后，再將培養皿至于烘箱中水平放置，控溫在 60-100度烘烤 30-180min 使其固化；

(11)、壓電柔性傳感器電極化：根據壓電材料層厚度，施加1.5-2倍矯頑場強的極化電壓7000-10000V，極化時間15-40min，得產品壓電柔性傳感器。