一种用于皮肤形变多功能传感器及其制备和使用方法

本发明属于柔性传感器领域，具体涉及一种用于皮肤形变多功能传感器及其制备和使用方法。

背景技术：

1、柔性传感器在人体皮肤检测中具有重要意义。该技术可以准确测量人体肌肤的微小变化，如压力、拉伸，从而实时监测人体活动、姿势及生理状态。这种传感器可贴合于皮肤表面并不影响日常活动，且具有高灵敏度和高分辨率，能够捕捉到微小的生理信号变化。通过这些数据，可以实现健康监测、运动跟踪、姿势矫正应用，为个体健康提供了重要的监测手段。

2、目前已有一些柔性传感技术实现了对于皮肤形变的测试，例如专利号为cn113819938a提出了一种16个检测单元传感器阵列用于体表压力与温度信号的测试，专利号为cn113929826a提出了一种具有多功能的复合导电水凝胶柔性传感器用于压力与拉伸信号的测试。然而上述专利提出的传统皮肤形变测试传感器测量物理量单一，仅通过压力信号或拉伸信号反应皮肤形变量；器件集成度低，多功能敏感元件过于分散。

3、因此，有必要设计一种用于皮肤形变多功能传感器，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于皮肤形变多功能传感器及其制备和使用方法，本发明可用于皮肤变形压力、拉伸以及扭转的多物理量测量，且集成度相对较高。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种用于皮肤形变多功能传感器，包括上拉伸电极、上四周应变敏感单元、绝缘层、下四周应变敏感单元、中心应力敏感单元和下拉伸电极，上拉伸电极、上四周应变敏感单元、绝缘层、下四周应变敏感单元和下拉伸电极从上至下依次连接，上四周应变敏感单元、绝缘层和下四周应变敏感单元的形状均为环形，中心应力敏感单元设置于由上拉伸电极、上四周应变敏感单元、绝缘层、下四周应变敏感单元和下拉伸电极围成的空腔中，中心应力敏感单元的上侧面与上拉伸电极连接，中心应力敏感单元的下侧面与下拉伸电极连接；

4、所述上拉伸电极和下拉伸电极的结构相同，均包括绝缘材料层以及设置在绝缘材料层表面的电极层，上拉伸电极上的电极层和下拉伸电极上的电极层正对；

5、上拉伸电极与上四周应变敏感单元之间设有第一导线和第二导线，第一导线和第二导线在上四周应变敏感单元周向上对称布置，其中，第一导线与上拉伸电极上的电极层之间非连接，第二导线与上拉伸电极上的电极层之间连接；

6、下拉伸电极与下四周应变敏感单元之间设有第三导线和第四导线，第三导线和第四导线在下四周应变敏感单元周向上对称布置，其中，第三导线与下拉伸电极上的电极层之间非连接，第四导线与下拉伸电极上的电极层之间连接。

7、优选的，上四周应变敏感单元的表面均匀开设有贯穿上四周应变敏感单元厚度的通孔，下四周应变敏感单元的表面均匀开设有贯穿下四周应变敏感单元厚度的通孔。

8、优选的，下拉伸电极的下侧面设有粘附层。

9、优选的，第一导线和第二导线在上四周应变敏感单元周向上的布置点之间的连线与第三导线和第四导线在下四周应变敏感单元周向上的布置点之间的连线垂直。

10、优选的，

11、对于上拉伸电极，绝缘材料层上设置电极层的一侧与上四周应变敏感单元的上侧面连接、且电极层位于绝缘材料层上与上四周应变敏感单元正对的区域内；

12、对于下拉伸电极，绝缘材料层上设置电极层的一侧与下四周应变敏感单元的下侧面连接、且电极层位于绝缘材料层上与下四周应变敏感单元正对的区域内。

13、优选的，上四周应变敏感单元和下四周应变敏感单元的材质相同、结构相同；

14、上四周应变敏感单元和下四周应变敏感单元的材质为聚丙烯酰胺水凝胶。

15、优选的，中心应力敏感单元采用海绵状的多孔结构。

16、优选的，上四周应变敏感单元、绝缘层和下四周应变敏感单元的形状均为圆环形或回字形；

17、当上四周应变敏感单元、绝缘层和下四周应变敏感单元的形状为圆环形时，上拉伸电极及其电极层和下拉伸电极及其电极层的形状为圆形；此时，第一导线和第二导线位于上四周应变敏感单元同一直径的两端；第三导线和第四导线位于下四周应变敏感单元同一直径的两端；

18、当上四周应变敏感单元、绝缘层和下四周应变敏感单元的形状为回字形时，上拉伸电极及其电极层和下拉伸电极及其电极层的形状为矩形；此时，第一导线和第二导线位于上四周应变敏感单元同一对称轴的两端；第三导线和第四导线位于下四周应变敏感单元同一对称轴的两端。

19、本发明如上所述的用于皮肤形变多功能传感器的使用方法，包括：

20、将用于皮肤形变多功能传感器的下拉伸电极贴附于皮肤表面，然后施加力进行测量，具体包括：

21、施加垂直于所述上拉伸电极压力时，中心应力敏感单元压缩变形，通过读取第二导线和第四导线之间的电容变化量，计算所述用于皮肤形变多功能传感器所受到的压力值；

22、对所述用于皮肤形变多功能传感器施加平行于第一导线布置位置和第二导线布置位置连线的拉伸时，所述上四周应变敏感单元拉伸变形，通过读取所述第一导线和所述第二导线之间的电阻变化量，计算所述用于皮肤形变多功能传感器所受到的沿平行于第一导线布置位置和第二导线布置位置连线的拉伸值；

23、对所述用于皮肤形变多功能传感器施加平行于第三导线布置位置和第四导线布置位置连线的拉伸时，所述下四周应变敏感单元拉伸变形，通过读取所述第三导线和所述第四导线之间的电阻变化量，计算所述用于皮肤形变多功能传感器所受到的沿平行于第三导线布置位置和第四导线布置位置连线的拉伸值；

24、根据用于皮肤形变多功能传感器所受到的沿平行于第一导线布置位置和第二导线布置位置连线的拉伸值、沿平行于第三导线布置位置和第四导线布置位置连线的拉伸值以及下拉伸电极所贴附的皮肤表面的曲率，计算所述用于皮肤形变多功能传感器所受到的扭转值。

25、本发明如上所述的用于皮肤形变多功能传感器的制备方法，包括：

26、制备上拉伸电极、上四周应变敏感单元、绝缘层、下四周应变敏感单元、中心应力敏感单元和下拉伸电极；

27、在上拉伸电极的电极层上连接第二导线；

28、在下拉伸电极的电极层上连接第四导线；

29、将上四周应变敏感单元、绝缘层和下四周应变敏感单元进行三明治结构组装，得到三明治结构；

30、将中心应力敏感单元的上表面与上拉伸电极的电极层的下表面连接，，将中心应力敏感单元的下表面与下拉伸电极的电极层的上表面连接，得到第一主体结构；

31、将三明治结构与第一主体结构组装在一起，使三明治结构套在中心应力敏感单元的外周并处于上拉伸电极和下拉伸电极之间，将第一电极设置于上拉伸电极与上四周应变敏感单元之间，将第三电极设置于下拉伸电极与下四周应变敏感单元之间，将上拉伸电极的下侧面与上四周应变敏感单元的上侧面紧密贴合，将下四周应变敏感单元的下侧面与下拉伸电极的上侧面紧密贴合，得到所述用于皮肤形变多功能传感器。

32、本发明具有如下有益效果：

33、本发明结构的用于皮肤形变多功能传感器中，将拉伸电极、上四周应变敏感单元、绝缘层、下四周应变敏感单元、中心应力敏感单元和下拉伸电极经过特定结构布局，通过对其施加垂直于所述上拉伸电极压力，测量第二导线和第四导线之间的电容变化量，即可得到所受到的压力值；施加平行于第一导线布置位置和第二导线布置位置连线的拉伸，或者施加平行于第三导线布置位置和第四导线布置位置连线的拉伸，通过测量对应导线的电阻变化量，可计算得到相应方向上的拉伸值；根据上述两个方向上的拉伸值以及传感器在皮肤上贴附位置的表面的曲率，能够计算得到所受到的扭转值。可以看出，本发明用于皮肤形变多功能传感器实现了压力、拉伸与扭转信号测量的集成，具有集成度高的特点，减少了传统测量压力、拉伸与扭转信号时，需采用不同传感器、导致传感器使用数量和种类多的问题。