[发明专利]一种压电柔性传感器的制备方法

摘要

本发明属于传感器制作技术领域，特别是一种压电柔性传感器的制备方法；其主要工艺步骤包括绘制3D图、3D打印、溶液喷涂、涂覆防水底层、涂银胶电极、3D打印传感器、传感器固化、控温退火、涂胶电极、防水封装和压电传感器电极化，应用制得的压电柔性传感器与肌电信号前处理模块、蓝牙无线发射模块、蓝牙无线接收模块、肌电信号分析处理模块和控制假肢动作模块组合成压电柔性传感装置；该设备的制备工艺科学合理，产品稳定性好，使用寿命长，采用内置式的传感器能够避开表皮组织直接用运用肌电信号，能够有效准确地采集信号去辅助操控假肢，同时采用PVDF‑TrFE及其复合材料的液态原料作为3D打印材料的方式，能够节约原材料，应用环境友好。 1

主权项

1.一种压电柔性传感器的制备方法，其特征在于：其基本工艺步骤包括：

(1)、绘制3D图：核磁共振做残留肢体部位肌肉的造影，按照核磁结构，参照标准人体解剖肌肉组织图，绘制相应肌肉的3D图；

(2)、3D打印：将肌肉3D模型输入3D打印机，用聚乳酸PLA原材料3D打印相应肌肉模型，打印温度控制在180～200度之间，底板的加热温度控制在50～65度之间，按照标准熔融沉积的3D打印机的流程，使用通常的丝状材料打印；将打印好的模型做表面平滑处理：在通风良好的区域，佩戴非乳胶类手套将模型放置于底部装有少量丙酮的密封容器内，静放2‑7小时，或加温30‑50min加速丙酮挥发过程，减少放置时间；

(3)、溶液喷涂：为了后面步骤中揭膜方便，在肌肉模型表面喷涂一层0.5‑2wt％聚乙烯醇溶液；

(4)、涂覆防水底层：PDMS胶体溶液是将固化物和PDMS预聚物按质量比1:8‑12的比例配置；先将上述打印的肌肉模型放入培养皿中，将PDMS胶体覆盖浇注到肌肉模型上，厚度为0.3‑1mm，然后将培养皿至于真空烘箱中水平放置，控温在60‑100度，烘烤30‑180min使肌肉模型固化；

(5)、涂银胶电极：在固化的肌肉模型上涂银胶电极，并从边缘处连接金或银电极导线，将LY‑16034Ted Pella银导电胶用刷子涂抹薄薄的一层，静置1‑4小时待银胶干透；

(6)、3D打印传感器：采用液态溶液浆料和3D打印工艺实现，

先配备液态原料溶液浆：在约60度加热台上配备10‑20wt％PVDF‑TrFE及其复合材料的二甲基甲酰胺溶液，加入2‑6％杜邦氟碳表面活性剂，经60‑80度真空干燥5‑24小时浓缩处理后得到的PVDF‑TrFE原料浆；

再3D打印肌肉形状的压电柔性传感器，采用现有技术直接通过液态原料打印的方法，打印的压电传感器，其压电层厚度为10‑100μm；

(7)、传感器固化：控温60度真空干燥4‑8小时固化结构，静置冷却至室温，从PLA肌肉模具上揭下柔性传感器；

(8)、控温退火：控温90‑150度之间真空退火，退火时间5‑24小时，静置冷却至室温，切除边缘多余部分；

(9)、涂胶电极：用银胶刷沿肌肉走向涂出5‑7条分离的上电极，并从边缘处连接金或银电极导线，采用LY‑16034Ted Pella银导电胶，静置1‑4小时待银胶干透；

(10)、防水封装：用质量比1:8‑12的固化物和PDMS预聚物的胶体溶液，将上述连接有上下电极的压电柔性传感器放入培养皿中，使各个电极之间以及与下电极的引线分离开，将PDMS胶体浇覆到传感器上，厚度为1‑2mm，待气泡全部排出后，再将培养皿至于烘箱中水平放置，控温在60‑100度烘烤30‑180min使其固化；

(11)、压电传感器电极化：根据压电材料层厚度，施加约1.5‑2倍矫顽场强的极化电压7000‑10000V，极化时间15‑40min，得产品压电压电传感器。

2.根据权利要求1所述的压电柔性传感器的制备方法，其特征在于：所述液态溶液浆料采用3D打印工艺用液态溶液浆料；所述3D打印工艺采用移动底板打印结构和大距离用步进电机驱动，通过调整移动扫描速度和对料浆粘度与温度等的控制，并结合精密微量注射泵最小喷嘴，实现精微结构打印；所述3D打印工艺的打印头部分包括能够拆卸微电机控制的针阀喷嘴和不锈钢料桶，在不锈钢料桶中的滑动上端能够设有化学惰性的Teflon活塞打印推杆，Teflon活塞边缘与不锈钢料桶密封设置，打印头部分还包括加热组件和喷头温度控制器；不锈钢料桶内为经浓缩处理排除水分和空气后得到的PVDF‑TrFE或其复合物原材料浆；3D打印系统还设有温度、压力、液面传感器，通过半导体制冷微调温度来精确调控打印原料浆的粘度。

3.根据权利要求1所述的压电柔性传感器的制备方法，其特征在于：应用压电柔性传感器时，首先对残存肢体端的肌肉组织进行改造，将与缺失肢体相连的神经重新放置在残存肢体端的肌肉组织上，然后将压电柔性传感器缝合在残存肢体端的肌肉组织上。

4.根据权利要求1所述的压电柔性传感器的制备方法，其特征在于：一种应用所述压电柔性传感器的压电柔性传感装置，其主体结构包括压电柔性传感器、肌电信号前处理模块、蓝牙无线发射模块、蓝牙无线接收模块、肌电信号分析处理模块、控制假肢动作模块、充电模块、内置电路电源模块、电极、缝合线、前置放大器、多路模拟开关、除噪声干扰的滤波器、后级放大器、单片机模数转换单元和假肢电源模块；所述压电柔性传感装置包括内置部分和外置部分，内置部分安装在残肢肌肉表层，外置部分安装于假肢内；其中内置部分的压电柔性传感器通过缝合线固定在人体的肌肉组织表层，压电柔性传感器上表面设置有一个以上的条状结构电极，电极采集肌肉组织的肌张力信号，压电柔性传感器将肌张力信号通过电信息连接的方式传递给肌电信号前处理模块；肌电信号前处理模块由前置放大器、多路模拟开关、除噪声干扰的滤波器、后级放大器和单片机模数转换单元依次电信息连接组合而成，其中内置部分的前置放大器通过多路模拟开关与外置部分的滤波器电信息连接，滤波器将肌张力电信号处理后传输给后级放大器，后级放大器将肌张力信号放大并传输给单片机模数转换单元，单片机模数转换单元将处理后的肌张力信号转换为数字信号；肌电信号前处理模块将电信号传输给蓝牙无线发射模块，肌电信号前处理模块与蓝牙无线发射模块电信息连接；蓝牙无线发射模块由蓝牙编码和蓝牙无线发送两个功能单元组合而成，蓝牙无线发射模块与外置部分的蓝牙无线接收模块无线信息通信；蓝牙无线接收模块由蓝牙无线接收和蓝牙解码两个功能单元组合而成，蓝牙无线接收模块将接收的信号传输给肌电信号分析处理模块，蓝牙无线接收模块与肌电信号分析处理模块电信息连接，肌电信号分析处理模块将处理后的电信号传输到控制假肢动作模块，控制假肢动作模块设置有ARM 9架构S3C2440为核心处理器的假肢控制端，通过软件智能行为模式进行特征识别分析，将控制残留肢的信号和缺失肢体的信号分开，运用缺失肢体信号通过ARM单片机控制假肢动作，使假肢只对残肢神经指令做出反应；本装置还设置了无线能源系统为内置电路以及外置的假肢动作电路提供能源。

5.根据权利要求4所述的压电柔性传感器的制备方法，其特征在于：所述的无线能源系统的所有内置电路集成在一块电路板，采用PDMS水密封装安置于体内；无线能源系统包括外置的充电模块、内置电路电源模块和假肢电源模块，其中充电模块设置有与外部交流电源连接的电源管理模块和一个连接在电源管理模块输出端上的电磁波发射模块，电源管理模块还包括升压单元和电压检测单元，充电模块将电能无线传输给内置电路电源模块以及假肢电源模块用于驱动内置信号采集处理发射电路和外部的信号接收处理以及假肢机械运动；内置电路电源模块和假肢电源模块分别由一个能够接收电磁波发射模块发射的电磁波信号的电磁波接收模块、一个连接在电磁波接收模块输出端上的用于对电池进行充电的充电电路和电池组成,所述电磁波接收模块接收到电磁波发射模块发射的电磁波信号通过充电电路对相应部位的电池进行充电；最终实现整套装置的正常运作。

6.根据权利要求4所述的压电柔性传感器的制备方法，其特征在于：压电柔性传感器、肌电信号前处理模块和蓝牙无线发射模块组成肌张力电信号采集无线发射流程模块，其中肌电信号前处理模块中的模数转换单元由STM32单片机对信号进行模数转换；每一个压电柔性传感器对应一个肌电信号前置放大器，单片机控制的多路模拟开关让所有内置的传感器共享前置放大之后的滤波器和后级放大器；所有肌电信号