專利名稱：聚偏氟乙烯壓電膜醫(yī)用多功能柔性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型為聚偏氟乙烯壓電膜醫(yī)用多功能柔性傳感器，是一種使用聚偏氟乙烯(PVDF)壓電膜制成的柔軟的人體用傳感器，屬于醫(yī)療儀器領(lǐng)域。
當(dāng)前，隨著生活水平的提高，人們越來越關(guān)心自己的身體健康情況，同時，生活節(jié)奏的加快，使得人體心臟承受的壓力增大，因此個人保健問題是現(xiàn)代生活的重要課題之一。
西方醫(yī)學(xué)中，經(jīng)常用聽診器聽取人的心音。心音是由于心臟及其中血液的機(jī)械活動產(chǎn)生的振動，從心音的情況可以直接判斷出心臟是否在健康工作。在定期體檢時，醫(yī)生一般不必聽取心音，但是需要記錄心率和血壓值。中醫(yī)理論則指明，脈象，即脈搏跳動的波形，能夠反映人體各部位的健康狀況。如何把中醫(yī)切脈時的主觀感覺用客觀的定量的電子信號描述出來，是中醫(yī)現(xiàn)代化的一個熱門課題。
由此可見，心率、血壓、心音、脈象這四個參數(shù)是日常醫(yī)療保健中最重要的參數(shù)。現(xiàn)有的傳感器一般只能測量其中的一到兩個參數(shù)，例如，使用光電二極管只能測量心率，使用固體壓電材料(PZT、羅切爾鹽等)只能測量血壓等。
美國專利4,443,730中介紹了一種柔性壓電換能裝置。換能器為薄膜或帶狀，比較柔軟，與人體測量點可以緊密、確切地接觸。因此使用該換能器可以同時測量血壓、心率、心音等參數(shù)。該換能器的結(jié)構(gòu)如


圖1所示，圖中1為換能器主體，2為換能材料，可以是有機(jī)高分子壓電材料，也可以是高分子材料與壓電陶瓷的共混材料。壓電材料反向重合，陽極4相對，位于內(nèi)層，之間有一輔助電極3，其大小和形狀與壓電材料相同，作用是當(dāng)壓電材料的陽極鍍層破碎時，也能收集破碎了的壓電材料所產(chǎn)生的信號。在壓電材料的一側(cè)，兩層壓電材料的中間通過導(dǎo)電膠12粘接了一對固體電極片10用做正極的主引出電極，其面積小于壓電膜的面積，中間焊有低噪聲屏蔽電纜的芯線11做引出線，13為其焊點。壓電膜的陰極面5上粘接有陰極引出電極6，其大小和形狀與壓電膜相同。陰極引出電極的外層是絕緣層8，由PE薄膜或其它絕緣膜構(gòu)成。絕緣層的外層是屏蔽層9，由金屬網(wǎng)構(gòu)成，金屬網(wǎng)中的金屬絲與換能器的長度方向成45°角，其直徑不大于55μm，相鄰金屬絲之間的距離不大于88μm。換能器的最外層是柔軟的塑料膜7，它包裹住了整個裝置，包括屏蔽層。
上述換能器在使用時附著在另外的基體上，可完成人體心率、心音、血壓等參數(shù)的測量。但它存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、柔性不足、信號噪聲比不高等缺點，限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。而且在它的結(jié)構(gòu)設(shè)計中未考慮到脈象測量，故若用它來測脈象要造成信號失真。
本實用新型的目的在于消除上述缺點，提供一種使用高分子壓電材料聚偏氟乙烯壓電膜制成的傳感器，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、原材料容易獲得、信號噪聲比高等特點。
本實用新型中的聚偏氟乙烯壓電膜多功能醫(yī)用柔性傳感器，由上下兩層構(gòu)成的保護(hù)布層、位于保護(hù)布層一端并在布層中間的傳感元件和位于保護(hù)布層另一端的搭接裝置組成，其特征在于傳感元件由橡膠氣囊和固定在其上的敏感部分組成；敏感部分為多層結(jié)構(gòu)，兩側(cè)最外層為鋁箔，與該鋁箔內(nèi)壁分別緊貼的是兩片聚乙烯薄膜，在兩層聚乙烯薄膜之間有二片聚偏氟乙烯壓電膜居于最內(nèi)層；兩片聚偏氟乙烯壓電膜一端的內(nèi)側(cè)各粘接一小塊銅片，兩銅片之間有一引出導(dǎo)線，該壓電膜同一端的外側(cè)各粘接一小塊銅片，其上分別焊有引出導(dǎo)線，同一端最外層鋁箔外側(cè)焊有一根引出導(dǎo)線。搭接裝置可以是尼龍搭扣和鋼環(huán)配合使用，也可以單獨使用按扣或尼龍搭扣。敏感部分中與鋁箔內(nèi)壁分別緊貼的除了可以是聚乙烯薄膜外，還可以是聚丙烯薄膜、聚酯薄膜等其它塑料薄膜。敏感部分兩側(cè)最外層除鋁箔外，還可以為鋁膜。敏感部分中與聚偏氟乙烯壓電膜一端內(nèi)外側(cè)粘接的除銅片外，還可以是銅箔或其它金屬薄片或薄膜。敏感部分中聚偏氟乙烯壓電膜的長度為50-120mm，寬度為25～60mm，厚度為30～150μm，壓電常數(shù)d33為14～45PC/N。
本實用新型附圖的圖面說明如下
附
圖1是美國專利4,443,730中的換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是本實用新型中整個傳感器的外形示意圖。
附圖3是圖2中的傳感器去掉表面保護(hù)布層后的俯視圖。
附圖4是圖3中I-I面的剖視圖。
附圖5是傳感器的一種電路連接方法。
附圖6是使用本實用新型中的傳感器測量腕部撓骨動脈處脈象或前臂肱動脈處脈象的示意圖。
附圖7是使用本實用新型中的傳感器測量血壓或監(jiān)聽血流聲音的示意圖。
附圖8是應(yīng)用兩個本實用新型中的傳感器測量人體血流速度的示意圖。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步介紹。
如圖2所示，整個傳感器為帶狀結(jié)構(gòu)。圖中16表示傳感器整體，14表示一根橡膠管，該管前面接傳感器中的氣囊，后面接打氣球。15表示連接在傳感器上的鋼環(huán)，用來和傳感器另一側(cè)的尼龍搭扣配合把傳感器綁到人體的四肢上。17表示另一根橡膠管，它的前面連接傳感器中的氣囊，后面接氣壓表或氣壓傳感器，用來指示當(dāng)前氣囊中的氣壓值。18表示傳感器中敏感部分的引出線，該引出線采用屏蔽線制成。
整個傳感器由布層、傳感元件和搭接裝置三部分組成。傳感元件則由橡膠氣囊和敏感部分組成，敏感部分固定在橡膠氣囊上。圖3即為傳感器去掉了上面保護(hù)布層之后的俯視圖。圖中19表示敏感部分，由高分子壓電材料聚偏氟乙烯壓電膜制成。20表示橡膠氣囊，其面積略小于整個傳感器的一半，位于傳感器的右半部分。21為尼龍搭扣，位于傳感器整體另一面的布層表面上，與15配合使傳感器能夠被綁緊到人體的四肢上。
圖4為圖3中傳感器的敏感部分的I-I面剖視圖，由圖中可看出敏感部分為多層結(jié)構(gòu)。金屬鋁箔22a和22b位于傳感器的最外層，起到屏蔽外界雜散電磁場及人體工頻干擾的目的。聚乙烯或聚丙烯或聚酯薄膜23a和23b分別緊貼在金屬箔22a和22b上，起到絕緣的目的。聚偏氟乙烯壓電膜24a和24b位于最內(nèi)層，利用其壓電效應(yīng)完成傳感任務(wù)。本實用新型中所使用的聚偏氟乙烯壓電膜長度為50～120mm，寬度為25～60mm，厚度為30μm-150μm，壓電常數(shù)d33為14～45PC/N。
圖4中25a和25b為夾在兩層聚偏氟乙烯壓電膜中間的銅箔或銅片，中間焊有引出線27b。26a和26b分別為粘結(jié)在兩層聚偏氟乙烯壓電膜各自的另一面的銅箔或銅片，其上分別焊有引出線27a和27c。26c為粘結(jié)在敏感部分最外層鋁箔或鋁膜上的銅箔或銅片，其上焊有引出線27d。
以上即構(gòu)成了傳感器的敏感部分，該敏感部分可以有多種電路連接的方法，圖5示出了其中的一種連接方法。聚偏氟乙烯壓電膜24a和24b的陽極相對在內(nèi)層，引出線27b連接到屏蔽電纜的芯線上，引出線27a、27c和27d則一起連接到屏蔽電纜的屏蔽線上。
圖6是使用本實用新型中的傳感器測量腕部撓骨動脈處脈象或前臂肱動脈處脈象的示意圖，圖中30表示人體的前臂。測量時先把傳感器綁到腕部或前臂，注意敏感部分要對準(zhǔn)動脈，同時捆綁的松緊程度要適當(dāng)。然后用打氣球29把傳感器中氣囊的氣壓加到60～90mmHg(依個人情況而定)并保持，從傳感器上得到的信號經(jīng)放大器31放大后，就可以在示波器28上顯示出相應(yīng)位置的脈象。
圖7是使用本實用新型中的傳感器測量血壓或監(jiān)聽血流聲音的示意圖，圖中32表示人體的上臂。監(jiān)聽血流聲音時，把傳感器擺放到臂窩的肱動脈處，前臂彎曲并握拳，通過打氣球29把氣囊中的氣壓加到60-90mHg(依個人情況而定)并保持。從傳感器上得到的信號經(jīng)放大器31放大后，就可以由揚(yáng)聲器34播放出血流聲音。測量血壓值時，經(jīng)放大器31放大之后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后連接到計算機(jī)33上，測量時先通過打氣球把氣壓加到180mmHg，然后自然放氣，當(dāng)從揚(yáng)聲器34聽到第一聲脈搏跳動(Korotkov心音)時，氣壓表或計算機(jī)上顯示出來的氣壓值即為收縮壓，繼續(xù)放氣，聽到最后一聲脈搏跳動(Korotkov心音)時，氣壓表或計算機(jī)上顯示出來的氣壓值即為舒張壓。
圖8是應(yīng)用兩個本實用新型中的傳感器測量人體血流速度的示意圖。測量時兩個傳感器16a和16b分別綁到人體腿部35的兩個不同位置上，然后通過雙蹤示波器28觀察產(chǎn)生的兩信號之間的時間差，再根據(jù)傳感器之間的距離就可以計算出人體的血流速度。
本實用新型中的傳感器具有以下優(yōu)點
①敏感部分、氣囊、布層一體化的結(jié)構(gòu)使本傳感器在使用時不僅無需再依靠其它基體，而且接觸更加緊密正確，提高了信號噪聲比，簡化了使用方法。
②采用電極附著強(qiáng)度高的壓電材料，省略了輔助電極，既簡化了結(jié)構(gòu)，又提高了輸出信號的信噪比。
③壓電材料陽極與陰極的引出電極的面積遠(yuǎn)小于壓電材料本身的面積，在不影響電極牢固程度的前提下，減少了傳感器中敏感部分的層數(shù)，既簡化了結(jié)構(gòu)，又提高了輸出信號的信噪比。
④使用柔性更好的金屬鋁箔或鋁膜做屏蔽層，既獲得了比較好的屏蔽效果，又提高了傳感器的柔性。
⑤由于傳感器的柔性得到了很大的提高，因此可以和人體四肢達(dá)到更緊密、正確的接觸。使用時不僅可以測量人體的血壓、心率和血流聲音，而且還可以測量出對信噪比要求更高的脈象波形的信號。與美國專利中的換能器相比，本傳感器的機(jī)械阻抗和人體的機(jī)械阻抗更匹配，脈象測量結(jié)果失真度低、重復(fù)性好。
本實用新型中的傳感器具有以下應(yīng)用前景①使用本傳感器，可以與適當(dāng)電路配合，制成便攜式家用醫(yī)療保健器械，測量人體的心率、血流聲音、脈象和血壓值，做到一機(jī)多用。
②使用本傳感器，與電腦配合，通過電腦來分析、記錄人體長時間的脈象、血流聲音、心律和血壓的變化，通過MODEM與醫(yī)院連接，可構(gòu)成電腦醫(yī)療保健系統(tǒng)----未來的醫(yī)療診斷模式，實現(xiàn)自我保健和不用出門就能看病的前景。
權(quán)利要求1.一種聚偏氟乙烯壓電膜多功能醫(yī)用柔性傳感器，由上下兩層構(gòu)成的保護(hù)布層、位于保護(hù)布層一端并在布層中間的傳感元件和位于保護(hù)布層另一端的搭接裝置組成，其特征在于傳感元件由橡膠氣囊和固定在其上的敏感部分組成；敏感部分為多層結(jié)構(gòu)，兩側(cè)最外層為鋁箔，與該鋁箔內(nèi)壁分別緊貼的是兩片聚乙烯薄膜，在兩層聚乙烯薄膜之間有二片聚偏氟乙烯壓電膜居于最內(nèi)層；兩片聚偏氟乙烯壓電膜一端的內(nèi)側(cè)各粘接一小塊銅片，兩銅片之間有一引出導(dǎo)線，該壓電膜同一端的外側(cè)各粘接一小塊銅片，其上分別焊有引出導(dǎo)線，同一端最外層鋁箔外側(cè)焊有一根引出導(dǎo)線。
2.按照權(quán)利要求1所說的傳感器，其特征在于所說的聚偏氟乙烯壓電膜的長度為50～120mm，寬度為25～60mm，厚度為30～150μm，壓電常數(shù)d33為14～45PC/N。
3.按照權(quán)利要求1或2所說的傳感器，其特征在于所說的與鋁箔內(nèi)壁分別緊貼的是兩片聚丙烯薄膜。
4.按照權(quán)利要求1或2所說的傳感器，其特征在于所說的與鋁箔內(nèi)壁分別緊貼的是兩片聚酯薄膜。
5.按照權(quán)利要求1或2所說的傳感器，其特征在于所說的敏感部分兩側(cè)最外層為鋁膜。
6.按照權(quán)利要求1或2所說的傳感器，其特征在于所說的兩片聚偏氟乙烯壓電膜一端的內(nèi)側(cè)各粘接一塊銅箔，該壓電膜同一端的外側(cè)各粘接一塊銅箔。
7.按照權(quán)利要求1或2所說的傳感器，其特征在于所說的搭接裝置為尼龍搭扣和鋼環(huán)。
專利摘要本實用新型為聚偏氟乙烯壓電膜醫(yī)用多功能柔性傳感器，是一種使用聚偏氟乙烯(PVDF)壓電膜制成的柔軟的人體用傳感器，屬于醫(yī)療儀器領(lǐng)域。由上下兩層構(gòu)成的保護(hù)布層、位于保護(hù)布層一端并在布層中間的傳感元件和位于保護(hù)布層另一端的搭接裝置組成，其特征在于傳感元件由橡膠氣囊和固定在其上的敏感部分組成，不僅可以測量人體的血壓、心率和血流聲音，而且還可以測量出對信噪比要求更高的脈象波形的信號，它的機(jī)械阻抗和人體的機(jī)械阻抗更匹配，脈象測量結(jié)果失真度低、重復(fù)性好。
文檔編號A61B5/00GK2255237SQ9521626
公開日1997年6月4日 申請日期1995年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月14日
發(fā)明者周嘯, 覃偉中 申請人:清華大學(xué)