本發(fā)明涉及人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測相關(guān)，特別是涉及一種用于人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)多重監(jiān)測的表皮傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在微電子和材料技術(shù)高速發(fā)展的今日，大量新型具有多種功能和高度集成化的微型電子器件被不斷開發(fā)出來，并在人們的日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用前景。隨著健康意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，越來越多的人開始關(guān)注自己運(yùn)動(dòng)的健康情況。人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測對(duì)于科學(xué)合理地進(jìn)行健身和康復(fù)訓(xùn)練有著至關(guān)重要的意義。而傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測設(shè)備存在著不夠靈活、不夠舒適，且單一信號(hào)采集難以全面檢測人體運(yùn)動(dòng)狀況等問題。為了解決這些問題，開發(fā)出多傳感原理的可穿戴表皮傳感器具有極其重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)和不足，提供一種用于人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)多重監(jiān)測的表皮傳感器。

2、一種用于人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)多重監(jiān)測的表皮傳感器，包括多孔彈性體基底、設(shè)在所述多孔彈性體基底兩端的第一電極和第二電極，所述多孔彈性體基底為多孔洞薄膜狀，設(shè)有所述第一電極的所述多孔彈性體基底的一半部分沉積有負(fù)電性材料，設(shè)有所述第二電極的所述多孔彈性體基底的一半部分沉積有正電性材料，所述負(fù)電性材料和正電性材料均位于孔洞內(nèi)，所述第一電極與所述負(fù)電性材料形成第一摩擦對(duì)，所述第二電極與所述正電性材料形成第二摩擦對(duì)；肌肉舒張或收縮時(shí)，所述第一電極和第二電極之間產(chǎn)生的電勢差用于測量肌電信號(hào)，所述負(fù)電性材料與所述第一電極之間、所述正電性材料和所述第二電極產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢用于測量摩擦電信號(hào)。

3、本發(fā)明表皮傳感器具有兩種傳感原理，一是通過電極測量肌電信號(hào)，二是基于摩擦發(fā)電原理測量肌肉運(yùn)動(dòng)信號(hào)，即摩擦電信號(hào)。肌電信號(hào)可以區(qū)分出肌肉在不同力度下的運(yùn)動(dòng)，摩擦電信號(hào)則可以區(qū)分出不同幅度下肌肉的運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明將兩種信號(hào)結(jié)合起來運(yùn)用在同一傳感器上，可以更加充分地反應(yīng)出肌肉的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，本發(fā)明表皮傳感器整體呈薄膜狀，可直接貼附在人體肌肉表面上，相比于其他傳感器更為舒適，并且避免了束縛和不透氣等問題。

4、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述多孔彈性體基底為長方形，所述多孔彈性體基底為多孔洞海綿狀的彈性體。

5、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述彈性體為聚二甲基硅氧烷、氟化硅橡膠、聚氨酯、氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物等彈性材料。

6、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述負(fù)電性材料可以采用聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亞胺等容易得到電子材料。

7、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述正電性材料可以采用納米金顆粒、尼龍或乙基纖維素所述彈性體為聚二甲基硅氧烷、氟化硅橡膠、聚氨酯、氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

8、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述表皮傳感器的兩個(gè)短邊通過醫(yī)用膠帶或雙面膠與皮膚貼在一起。

9、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述第一電極和所述第二電極呈條狀，所述第一電極和所述第二電極為柔性可拉伸導(dǎo)電復(fù)合材料。

10、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述柔性可拉伸導(dǎo)電復(fù)合材料為自碳纖維/聚合物復(fù)合材料、導(dǎo)電纖維/彈性材料復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物/彈性材料復(fù)合材料。

11、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，肌肉收縮時(shí)，產(chǎn)生動(dòng)作電位并順著肌肉方向傳播，依次經(jīng)過第一電極和第二電極，使得兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電勢差，多個(gè)動(dòng)作電位同時(shí)疊加形成的肌電信號(hào)的頻率在50～150hz的范圍內(nèi)。肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)，多孔彈性體基底孔洞里的摩擦對(duì)在外部力的作用下，接觸分離后，負(fù)電性材料帶負(fù)電，正電性材料帶正電，這些孔洞共同在第一電極和第二電極處產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當(dāng)肌肉收縮時(shí)，負(fù)電性材料與第一電極、正電性材料與第二電極的距離減少，感應(yīng)電勢降低；當(dāng)肌肉舒張時(shí)，負(fù)電性材料與第一電極、正電性材料與第二電極的距離增大，感應(yīng)電勢增大。這些變化的感應(yīng)電勢即為摩擦電信號(hào)，反映了肌肉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所述摩擦電信號(hào)的頻率在10hz以下，所述肌電信號(hào)和所述摩擦電信號(hào)通過濾波器分離。

12、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述第一電極和所述第二電極處涂抹有導(dǎo)電膏或?qū)щ娔z，設(shè)置導(dǎo)電膏或?qū)щ娔z的目的是降低第一電極和第二電極與皮膚的接觸阻抗。

13、一種用于人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)多重監(jiān)測的表皮傳感器的制備方法，包括如下步驟：

14、步驟1、取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％-15％的聚乙烯醇水溶液，涂布在潔凈的玻璃片上，然后將玻璃片置于旋涂機(jī)上，以200-500rpm的轉(zhuǎn)速旋涂1-3分鐘，之后將玻璃片放置于熱板上，75-95℃的條件下加熱25-35分鐘，得到聚乙烯醇層；

15、步驟2、將掩膜貼在聚乙烯醇層上，然后用刮刀刮取膏狀的導(dǎo)電復(fù)合材料，使其透過掩膜沉積在聚乙烯醇層上，之后剝離掩膜，得到圖案化的導(dǎo)電復(fù)合材料層，作為電極；

16、步驟3、將5g液態(tài)的彈性體與10g可溶性顆?；旌希坎荚诰垡蚁┐紝由?；

17、步驟4、將玻璃片置于烘箱中，100-130℃的條件下加熱1.5-2.5小時(shí)，使得彈性體與導(dǎo)電復(fù)合材料完全固化；

18、步驟5、將玻璃片放于水中，80-95℃的條件下加熱7-10小時(shí)，使得彈性體中的可溶性顆粒完全溶解，得到多孔彈性體基底，同時(shí)聚乙烯醇層也溶于水中，從玻璃片上剝離獲得樣品；

19、步驟6、將多孔彈性體基底以長邊中點(diǎn)為分界，將其下半部分浸入負(fù)電性材料溶液中，浸泡25-40分鐘，然后取出放入恒溫干燥箱中，以65-85℃的溫度加熱1.5-2.5h，使得負(fù)電性材料溶液中的溶劑初步緩慢蒸發(fā)，然后放在熱板上，在110-130℃的溫度下加熱25-40min，以完全去除負(fù)電性材料中殘留的溶劑；

20、步驟7、將多孔彈性體基底的另一半浸入正電性材料溶液中浸泡25-40分鐘，然后取出放入恒溫干燥箱中，以65-85℃的溫度加熱1.5-2.5h，使得正電性材料中的溶劑初步緩慢蒸發(fā)，然后放在熱板上，在110-130℃的溫度下加熱25-40min，以完全去除正電性材料中殘留的溶劑，傳感器制造完成；

21、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述步驟3中，可溶性顆粒為蔗糖顆粒、鹽顆粒、碳酸鈉顆粒、碳酸氫鈉顆?；驒幟仕犷w粒。優(yōu)選地，可溶性顆粒為蔗糖顆粒。

22、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述步驟6中，負(fù)電性材料溶液選擇聚四氟乙烯乳液，其中聚四氟乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60％。

23、在其中一個(gè)實(shí)施例的實(shí)施方式中，所述步驟7中，正電性材料溶液選擇納米金膠體，其中中納米金顆粒的含量為0.2mg/ml，納米金顆粒的粒徑小于20nm。

24、當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，將本發(fā)明表皮傳感器貼附在人體肌肉表面，肌電信號(hào)和摩擦電信號(hào)共同作用可以在電極中形成交流脈沖信號(hào)輸出，并且不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下肌肉的力度不同、肌肉運(yùn)動(dòng)的幅度不同，所測得的信號(hào)幅值不同，從而可以區(qū)分肌肉力的大小和運(yùn)動(dòng)幅度大小，進(jìn)而更加全面地監(jiān)測出肌肉的運(yùn)動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供表皮傳感器具備以下有益效果：

25、1、多功能化，相比于傳統(tǒng)的傳感器單一信號(hào)采集難以全面檢測人體運(yùn)動(dòng)狀況，本發(fā)明表皮傳感器能將多種信號(hào)進(jìn)行分析、加權(quán)和集成，能夠獲得更全面、準(zhǔn)確的人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)；

26、2、可穿戴性好，本發(fā)明中表皮傳感器采用柔性材料制成，呈薄膜狀，與人體皮膚能夠?qū)崿F(xiàn)良好的貼合，并且將傳感器由人體手部轉(zhuǎn)移到人體特定前臂肌肉處，解除了其對(duì)人體手部正?；顒?dòng)的限制，并且所采用的多孔彈性體基底具有良好的柔性和透氣性，因此本發(fā)明表皮傳感器具備良好的可穿戴性和舒適性；

27、3、非侵入性，與其他監(jiān)測方法相比，表皮傳感器不需要穿透皮膚或進(jìn)入人體內(nèi)部，無需進(jìn)行手術(shù)操作，可以減少感染和疼痛等副作用；

28、4、靈敏度高。本發(fā)明表皮傳感器精度高，可以準(zhǔn)確監(jiān)測到人體的微弱肌肉運(yùn)動(dòng)信號(hào)。