CN104545825B - Pvdf柔性薄膜体温心音集成传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PVDF柔性薄膜体温心音集成传感器，包括心音检测腔支架，心音PVDF薄膜边缘粘附在心音检测支架的上端，并将心音检测腔支架上端封闭；绝缘固定支架套装在心音检测腔支架外围，心音电极安装在绝缘固定支架上端并通过导电胶粘附在心音PVDF薄膜外侧面；体温电极套装在绝缘固定支架下端，体温PVDF薄膜通过导电胶粘附在体温电极上；在心音电极和体温电极上均焊接有导线。本发明既可动态检测体温信号和心音信号并且它们不互相干扰，也可只将心音PVDF薄膜直接接触胸前皮肤而单独检测心音信号。本发明基础理论成熟、应用广泛、成本低、可反复使用、可批量化生产、制作工艺简单、寿命长、使用方便灵活的特点。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种PVDF柔性薄膜体温心音集成传感器。
背景技术
聚偏氟乙烯（PVDF）柔性薄膜已开始应用于医学成像、医疗诊断、医用超声换能器等方面，但是大多数医用物理传感器只能测量单个生物体的医学参数，难以实现参数的集成测量。因此多参数的集成检测一直也是广大医疗康复科研人员和生物医疗器械科研人员的研究主题和关注焦点。自从1880年Curie发现压电效应以来，已经有100多年了。1969年，日本的平治卡瓦依博士发现了PVDF的压电效应，自此人们开始不断地研究PVDF薄膜的各种特性和效应。当前人们已发现PVDF薄膜具有压电效应、热释电效应和介电效应。2004年加拿大的肯高迪亚大学机械与工业工程系Javad Dargahi和Siamak Najarin利用PVDF压电薄膜研究了一种薄膜触觉传感器，以检测某些接触点处的压力。2007年加拿大肯高迪亚大学机械工程系S Sokhanvar, M Packirisamy 和J Dargahi利用PVDF研制了一种用于非侵入式的多功能接触传感器系统，以便分析人体的接触状况如点载荷、载荷分布和接触物体的柔软程度，主要用于外科手术。2013年瑞典查尔姆斯大学材料与制造技术系的ErikNilssonAuthor Vitae，Anja Lund，VitaeChristian Jonasson等人研究了可用于纺织传感器的PVDF压电纤维特性，以便通过衣服检测人体的心跳。在国内，2012年吉林大学物理学院的韩冰、王越等人利用有机聚偏二氟乙烯PVDF研制了一种压力传感器，通过将PVDF粘贴到弹性铁片上，通过弹性铁片的振动和PVDF薄膜实现了对压力的测量。2013年清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室的王林、诸详诚等人利用PVDF压电薄膜研究了一种触摸屏，最佳精度可达0.5mm×0.5mm,能够满足人机交互的要求。可见，时至今日人们已开始利用PVDF的相关效应和优良的性能不断地研究与生物医疗相关的检测元器件，其商业化工作从未止步。2013年，中国台湾长庚大学生物化学与生物医疗系的Yi-Yuan ChiuAuthorVitae等人利用PVDF材料的压电效应开发出了一种可用于检测呼吸的传感器。当人们需要测量人体的多个参数时，必然需要使用多个物理传感器。但是有时必然会受测量空间的限制，这时可能不允许在检测处放置多个传感器。为了同时测量出多个参数，人们便开始研究生物医疗方面的集成传感器，即一个传感器能同时测量多个生物参数。在心脏手术、人体康复监测、人体心脏运动研究过程中，由于受到了工作空间狭小的限制，同时要求能够同时检测多个参数例如人体体温和心音，并且在检测过程中信号不能互相干扰，因此人们便越来越多地关注如何利用PVDF的压电效应和热释电效应研究和制作出能够同时满足上述要求的体温心音集成传感器。
发明内容
本发明要解决的是当需要测量人体的多个参数时，要使用多个物理传感器，不能只用一个物理传感器同时检测多个参数的技术问题。从而提供一种PVDF柔性薄膜体温心音集成传感器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种PVDF柔性薄膜体温心音集成传感器，包括心音检测腔支架，心音PVDF薄膜边缘粘附在心音检测支架的上端，并将心音检测腔支架上端封闭；绝缘固定支架套装在心音检测腔支架外围，心音电极安装在绝缘固定支架上端并通过导电胶粘附在心音PVDF薄膜外侧面；体温电极套装在绝缘固定支架下端，体温PVDF薄膜通过导电胶粘附在体温电极上；在心音电极和体温电极上均焊接有导线。
所述的心音检测腔支架包括环状支架本体，在支架本体上端设有环状凸台，心音PVDF薄膜薄膜通过导电胶粘附在凸台侧面上并将心音检测腔支架上端封闭。
所述绝缘固定支架为环状支架，在绝缘固定支架上端设有环状内凸台，内凸台与心音检测腔支架上端的凸台相匹配；在绝缘固定支架下端设有环状第一凸台和环状第二凸台，采用这种结构保证了装配与嵌套时的准确性。
绝缘固定支架下端的第二凸台与体温电极内的凸台与相匹配。
体温电极套装安装在绝缘固定支架的下端的第一凸台上，体温电极内的凸块位于绝缘固定支架的第二凸台的台面上，体温电极和绝缘固定支架的第二凸台的侧面形成凹槽结构，体温PVDF薄膜通过导电胶安装在凹槽内。
心音PVDF薄膜为β型薄膜，因为β型薄膜的压电系数最大。
心音PVDF薄膜利用PVDF薄膜的压电效应；体温PVDF薄膜利用PVDF薄膜的热电效应。
体温PVDF薄膜直接接触人体胸前皮肤，心音PVDF薄膜、心音检测腔支架和胸前皮肤形成了一个密闭检测腔室，同时分别检测人体体温信号和心音信号，并且互不干扰。
心音PVDF薄膜也可直接接触胸前皮肤，采用直接传导方式测量人体心音信号。
体温PVDF薄膜上覆盖有一层导热薄膜，用于保护体温PVDF薄膜，保证体温PVDF薄膜在与皮肤接触磨损不会脱落。
心音PVDF薄膜、心音检测腔支架和胸前皮肤形成了一个密闭检测腔室，密闭检测腔室呈倒杯形。
本发明是根据PVDF薄膜的压电效应和热电效应制作而成的，在心音检测腔支架上端的凸台侧面上通过导电胶粘附有心音PVDF薄膜，心音PVDF薄膜距离凸台台面有一定的距离。绝缘固定支架从心音PVDF薄膜端套装在心音检测腔支架上，绝缘固定支架的内凸台卡接在心音检测腔支架的凸台上。环状的心音电极通过导电胶粘附在心音PVDF薄膜的外侧面，且心音电极位于绝缘固定支架的上端面。在心音电极上焊接有导线，将心音PVDF薄膜产生的信号引出。体温电极套装在绝缘固定支架的下端的第一凸台上且体温电极内的凸台位于第二凸台的台面上。此时，体温电极和绝缘固定支架的第二凸台的侧面形成凹槽结构。体温电极内的凸台为凹槽的底部，在体温电极内的凸台通过导电胶粘附有体温PVDF薄膜。在体温电极上焊接导线，从而将体温PVDF薄膜产生的信号引出。本发明设置的凸台结构可保证装配和嵌套时的准确性。
当体温PVDF薄膜直接接触到人体皮肤时，由于PVDF柔性薄膜具有热电效应，这时便会在PVDF柔性薄膜的表面产生一定的表面电荷，PVDF柔性薄膜上的表面电荷通过导电胶传递至体温电极，体温电极经导线将电荷信号导出，经过电荷放大器将电荷信号转换成电压信号后传出。根据PVDF表面电荷与人体体温的关系，便可知道接触处的人体体温的动态变化过程。
同时心音PVDF薄膜、心音检测腔支架和胸前皮肤形成了一个倒杯形的密闭检测腔室，在心脏的收缩和舒张过程中，血管的振动传递至胸腔表面，形成心音。由于胸前皮肤距心脏最近，当人体心音传递到体表时，必然会引起皮肤体表的波动，胸前皮肤体表波动最大。胸前皮肤的振动必然会压缩密闭检测腔室中的空气从而引起心音PVDF薄膜的振动，心音PVDF薄膜由于具有压电效应，在心音PVDF薄膜内部产生极化现象，在心音PVDF薄膜上下两个表面便会产生符号相反、大小相等的电荷。心音PVDF薄膜上的信号经导电胶传递到心音电极，心音电极上的导线将电荷信号导出，经过电荷放大器将电荷信号转换成电压信号后传出。根据心音信号的变化,便可知道人体心音的变化。
本发明还可直接将心音PVDF柔性薄膜直接接触胸前皮肤，采用直接传导心音方式动态检测心音。本发明基础理论成熟、成本低、制作工艺简单、可批量化生产、可反复使用、寿命长、使用方便灵活。可应用于医院手术、心脏康复监测、医疗器械、人体运动研究、心脏研究等医疗康复领域。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例1的结构剖视图。
图3为图2的局部放大图B。
图4为实施例1的结构爆炸图。
图5为实施例1的信号检测原理框图。
具体实施方式
实施例1：如图1-5所示，一种PVDF柔性薄膜体温心音集成传感器，包括心音检测腔支架1，心音检测腔支架1包括环状支架本体，在支架本体的上端设有环状凸台Ⅰ1，心音PVDF薄膜2边缘通过导电胶粘附在凸台Ⅰ1的侧面上并将心音检测腔支架1上端封闭。
绝缘固定支架4为环状支架，且绝缘固定支架4上端设有环状内凸台4-1，内凸台4-1与凸台Ⅰ1相匹配。在绝缘固定支架4下端设有环状第一凸台4-2和环状第二凸台4-3。
绝缘固定支架4从心音PVDF薄膜2的一端套装在心音检测腔支架1外围，绝缘固定支架的内凸台4-1卡接在心音检测腔支架1的凸台Ⅰ1上 。心音电极5安装在绝缘固定支架4上端面并通过导电胶粘附在心音PVDF薄膜2侧面，且心音电极5上焊接有导线7。
体温电极6安装在绝缘固定支架4的下端的第一凸台4-2上，且体温电极6内的凸台Ⅱ2位于第二凸台4-3的台面上。体温电极6和绝缘固定支架4的第二凸台4-3的侧面形成凹槽结构。体温电极内的凸台Ⅱ2为凹槽的底部，在体温电极6内的凸台Ⅱ2上通过导电胶粘附有体温PVDF薄膜8。在体温电极6上焊接导线7，从而将体温PVDF薄膜8产生的电荷信号引出。
其中，心音PVDF薄膜为β型薄膜，β型薄膜的压电系数最大。
工作原理如下：当体温PVDF薄膜直接接触到人体皮肤时，由于体温PVDF薄膜的热释电效应，会在体温PVDF薄膜的表面产生一定的表面电荷，体温PVDF柔性薄膜上的表面电荷通过导电胶传递至体温电极，体温电极经导线将信号传出，并且通过电荷放大器进行处理后便形成了体温信号，根据PVDF表面电荷与人体体温的关系，便可知道接触处的人体体温的动态变化过程。体温PVDF薄膜表面电荷与人体体温的关系如下：
（1-1）
其中：——由温度变化在PVDF薄膜产生的表面电荷；
——PVDF薄膜热释电系数；
——PVDF薄膜接触面在某一时间内的温度变化；
——PVDF薄膜与皮肤的有效接触面积。
当体温PVDF接触至胸前皮肤后，心音PVDF薄膜、心音检测腔支架和胸前皮肤形成了一个密闭检测腔室即倒杯形的空腔。在心脏的收缩和舒张过程中，血管的振动必然会传递至胸腔表面，这时就形成了心音。由于胸前皮肤距心脏最近，当人体心音传递到体表时，必然会引起皮肤体表的振动，胸前皮肤体表振动最大。胸前皮肤的振动必然会压缩密闭检测腔室中的空气，密闭腔中受压缩的空气必然会将胸前皮肤的振动传导至心音PVDF薄膜上，从而引起了PVDF薄膜的振动，或者将心音PVDF薄膜直接接触胸前皮肤，采用直接传导方式，使得PVDF薄膜和胸前皮肤同步振动。由于PVDF薄膜的压电效应作用，薄膜的振动必然使其内部产生极化现象，于是PVDF薄膜在其上下两个表面便会产生符号相反、大小相等的电荷。心音PVDF薄膜表面电荷与胸前皮肤振动的关系如下：
（1-2）
其中：——PVDF薄膜的压电系数；
——由于皮肤振动而作用到PVDF薄膜表面上的瞬时作用力；
——由于振动而在PVDF薄膜表面产生的表面电荷。
由于PVDF所产生的表面电荷比较弱，因此需要利用电荷放大器将其放大，同时将其转换成电压信号。电荷放大器的输出电压与输入电荷间的关系如下：
（1-3）
其中：——电荷放大器的反馈电容；
—电荷放大器的输入电荷，既可以是 ，也可以是 ；
—电荷放大器的输出电压。
本发明的制作工艺过程，具体如下：
第一步：取一铝环并将其加工具有凸台结构的心音检测腔支架，同时在被加工的凸台的侧面涂覆导电胶以便粘附心音PVDF薄膜，将心音PVDF薄膜边缘紧密粘附到心音检测腔支架上，并将心音检测腔支架上端封闭。
第二步：取一绝缘材料，将其加工成上端具有内凸台、下端具有第一凸台和第二凸台结构的绝缘固定支架，并将绝缘固定支架从心音PVDF薄膜端嵌套到心音检测腔支架上端，以便利用导电胶牢固粘接并压紧心音PVDF薄膜与心音检测腔支架。
第三步：取一用于导电的铜块（或者铜环），将其加工为心音电极,在心音PVDF薄膜的外侧面涂覆导电胶后，从心音PVDF薄膜端套装心音电极，并与绝缘固定支架上端面相接。
第四步：取一用于导电的铜块（或者铜环），将其成内部具有凸台结构的体温电极，再将体温电极套装到绝缘固定支架上，此时体温电极与心音检测腔支架之间用绝缘固定支架隔离。
第五步：取一PVDF柔性薄膜并其制成环形即体温PVDF薄膜，再在体温电极与绝缘固定支架的第二凸台的侧面形成的凹槽中均匀涂覆导电胶，然后将体温PVDF薄膜粘接到体温电极的凹槽中。
第六步：取两根金属导线分别连接到心音电极和体温电极上。
如图4所示，本发明的测量电路，具体如下：本发明中的体温PVDF薄膜和心音PVDF薄膜产生的电荷分别经体温电极上的导线、心音电极上的导线引出后，传送至线性电荷放大器，从而将PVDF薄膜的表面电荷转化为相应的输出电压，接着线性电荷放大器的输出电压经低通滤波器初步滤波后得到一定范围内的输出电压，初步滤波后的输出电压再经信号调理放大电路进行输出电压调理放大，使输出电压在0-5V之间。经调理放大的输出电压再经低通滤波器进行再次滤波后，得到符合标准的输出信号。符合标准的输出信号可直接传输到信号处理设备，也可经A/D转换电路后传输到信号处理设备。
实施例2：一种PVDF柔性薄膜体温心音集成传感器，在体温PVDF薄膜上覆盖有一层导热薄膜，用于保护体温PVDF薄膜，保证体温PVDF薄膜在与皮肤接触磨损不会脱落。其余均与实施例1相同。
Claims (4)
1.一种PVDF 柔性薄膜体温心音集成传感器，其特征在于：包括心音检测腔支架，心音PVDF 薄膜边缘粘附在心音检测腔支架的上端，并将心音检测腔支架上端封闭；绝缘固定支架套装在心音检测腔支架外围，心音电极安装在绝缘固定支架上端并通过导电胶粘附在心音PVDF 薄膜外侧面；体温电极套装在绝缘固定支架下端，体温PVDF 薄膜通过导电胶粘附在体温电极上；在心音电极和体温电极上均焊接有导线；所述绝缘固定支架为环状支架，在绝缘固定支架上端设有环状内凸台，环状内凸台与心音检测腔支架上端的凸台相匹配；在绝缘固定支架下端设有环状第一凸台和环状第二凸台；所述体温电极（6）和绝缘固定支架（4）的环状第二凸台（4-3）的侧面形成凹槽结构；体温电极内的凸台（Ⅱ 2）为凹槽的底部，在体温电极（6）内的凸台（Ⅱ 2）上通过导电胶粘附有体温PVDF 薄膜（8）；所述的心音检测腔支架包括环状支架本体，在支架本体上端设有环状凸台，心音PVDF 薄膜边缘通过导电胶粘附在环状凸台侧面上并将心音检测腔支架上端封闭心音PVDF 薄膜、心音检测腔支架和胸前皮肤形成了一个密闭检测腔室。
2.根据权利要求1 所述的PVDF 柔性薄膜体温心音集成传感器，其特征在于：绝缘固定支架下端的环状第二凸台与体温电极内的凸台相匹配。
3.根据权利要求1 所述的PVDF 柔性薄膜体温心音集成传感器，其特征在于：心音PVDF薄膜为β 型薄膜。
4.根据权利要求1 所述的PVDF 柔性薄膜体温心音集成传感器，其特征在于：体温PVDF薄膜上覆盖有一层导热薄膜。
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