一种检测人体生理信号的方法及其传感器技术

本发明专利技术涉及一种检测人体生理信号的方法及其传感器。所述方法通过检测挠曲电材料发生应变梯度而产生的挠曲电信号来实现生理信号大小或/和方向的检测。具体的，通过在柔性极性高分子层设计特殊的结构，使得其内部形成较强的梯度应变，从而产生较强的挠曲电信号；挠曲电信号的方向与梯度应变的方向相同，所以可与据此判断出器件所受力的方向。基于柔性极性高分子的柔性挠曲电传感器，能够灵敏的检测出人体生理信号如肌肉运动信号的方向，从而收集详尽的人体生理信息。

【技术实现步骤摘要】
一种检测人体生理信号的方法及其传感器
本专利技术涉及电子科学与生物医学领域，具体涉及一种检测生理作用力信号的方法及其传感器。
技术介绍
现今社会，随着电子科学与生物医学的互相渗透，人们已不仅仅满足于传统电子设备，如智能手机、电脑等给我们生活带来的便利。越来越多的人希望智能化电子器件能够直接应用于电子-生物交互界面。其中可穿戴的智能电子设备受到越来越多的关注。可穿戴智能电子设备能够与人体皮肤直接接触，从而收集人体健康信息如脉搏信号，来评估人体健康状况；或者读取人体肌肉运动，从而识别人体的肢体语言和面部表情，加强人机交互。脉搏信号和肌肉运动信号其本质是复杂的生理信号，不仅需要区分应力的大小，还需要同时检测应力的方向。如何在识别人体生理信号，如脉搏和肌肉运动信号的大小的同时，识别此类信号的方向是当前可穿戴器件需要解决的主要问题。目前，市场上主流的可穿戴电子设备，如运动手环，手表等，能够通过内置的光电检测器检测到脉搏跳动的频率，以及通过集成的加速计，来判断肢体运动的强度和方向。这类可穿戴电子设备因为不具备柔性，不能够与人体皮肤紧密的贴合，因此只适用于收集和检测相对简单且信号强度较大的人体生理信号。对于精细的人体生理信号，如脉搏周期信号波形的识别，血液流动方向的判断，以及面部表情运动的大小以及方向的识别和区分，需要通过能与人体紧密贴合的柔性可穿戴压力传感器件来实现。柔性压力传感器主要分为电阻型、压电型以及晶体管型器件。电阻型柔性压力传感器的工作原理是基于材料的应变电阻随机械形变而产生阻值的变化，通过测量阻值的大小来确定受力的大小。压电型柔性压力传感器则是利用了压电效应，即具有永久极化的材料在应力作用下，材料表面产生表面电荷，此电荷密度与外力成正比关系，与外电路连接后，可根据测得电信号的大小来确定受力的大小。晶体管型器件则是利用介电层在外力作用下，电容值发生变化，引起半导体层中载流子浓度和运输速率发生变化，由此建立测得的电信号与所受外力大小的关系。上述几种柔性压力传感器均能够实现对于应力大小精确的检测，然而利用单个器件很难判断应力的方向。目前的解决方案是将多个柔性压力传感器件集成为多维度传感阵列，通过同时检测多阵列点的信号，来判断受力的方向或物体运动的轨迹。但该方法的分辨率受限于单个检测器件的体积大小，由于上述几种柔性压力传感器件均具有多层的器件结构和复杂的电路，所以难以提高其分辨率。
技术实现思路
本专利技术目的之一在于提供一种检测人体生理信号的方法，本专利技术所述方法是一种利用挠曲电效应来实现对于信号的检测，是一种能够实现力的大小和方向的检测方法。本专利技术的目的之二在于提供一种用于实现上述检测方法的传感器，所述传感器为柔性挠曲电型压力传感器件，能够实现对于脉搏及肌肉运动信号等复杂生理信号的大小和方向的检测。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：本专利技术提供一种检测人体生理信号的方法，所述方法通过检测挠曲电材料发生应变梯度而产生的挠曲电信号来实现生理信号大小或/和方向的检测。本专利技术所述方法更具体的是利用挠曲电材料的挠曲电性诱导的极化强度与应变梯度成线性关系来测量力的大小，同时应变梯度的方向决定挠曲电信号的极性，能够区分力的方向。即，作为生理信号的外力作用于挠曲电材料发生梯度应变，挠曲电材料的挠曲电信号与发生的梯度应变成线性关系，挠曲电信号的极性也取决于梯度应变的方向，通过检测挠曲电材料发生梯度应变产生的挠曲电信号的情况，实现生理信号的大小和/或方向的检测。进一步的，为了放大挠曲电效应，本专利技术优选挠曲电材料具有特定的几何结构，通过设计特定的几何结构，使得材料内部的应力在某些区域集中，从而得到较大的应变梯度，增强挠曲电信号。本专利技术设计的特定几何结构为任意可在材料内部产生应力集中的结构，优选为柱状结构、棱台结构或金字塔结构，更优选为棱台结构；特定几何结构的尺寸优选为纳米到微米范围，在此尺寸范围内均可很好的实现本专利技术的目的。本专利技术所述的特定几何结构，可以通过微纳加工方法制备，优选为光刻、纳米压印、模板浇铸、等离子体刻蚀或3D打印等现有技术方法制备。优选为模板浇铸的方法，即将挠曲电材料溶液浇铸在具有特殊结构的模板上，得到所述特定结构。挠曲电材料溶液所用溶剂可以为任意常用可溶解挠曲电材料的溶剂，以极性高分子材料为例，溶剂可以如2-丁酮、丙酮等；模板可以为硅模板、镍模板、铝模板和聚二甲基硅氧烷模板等。本专利技术所述的挠曲电材料可以为一切具有挠曲电效应的材料，优选为具有柔性、挠曲电效应强、极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯二元共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯二元共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物、聚乙烯或环氧树脂等。进一步的，本专利技术所述极性高分子材料优选为偏氟乙烯-三氟乙烯的二元共聚物或偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物，本专利技术选用的二元和三元聚合物，具有极强的挠曲电效应，且已经商品化，能够较容易的大规模获得；所述二元共聚物的摩尔比例优选偏氟乙烯：三氟乙烯为(65-71)：(28-34)，更优选70:30；所述三元共聚物的摩尔比例优选偏氟乙烯：三氟乙烯：氟氯乙烯为(65-71)：(30-34)：(7-9)，更优选68:32:8。在这个配比范围的聚合物，具有较强的挠曲电效应。进一步的，本专利技术所述方法，本专利技术检测挠曲电材料发生应变梯度而产生的挠曲电信号的方法为现有技术中已知的方式，可以通过在挠曲电材料的上面与下面添加电极，并引出导线，通过任意常规测试电流电压信号的方法来读取挠曲电信号随外力的变化情况，优选为电学仪器读取，如示波器、电化学工作站或源表等。本专利技术还提供一种传感器，所述传感器为柔性挠曲电型压力传感器件，来测量脉搏和肌肉等生理信号的大小和方向，从下到上依次包含柔性基底、柔性电极、挠曲电材料、柔性电极和柔性基底。进一步的，本专利技术所述的柔性电极可以镀在柔性基底上。进一步优选的，本专利技术所述的挠曲电材料具有特定几何结构，所述的特定几何结构为任意可在材料内部产生应力集中的结构，优选为柱状结构、棱台结构或金字塔结构，更优选为棱台结构；特定几何结构的尺寸优选为纳米到微米范围，在此尺寸范围内均可很好的实现本专利技术的目的。本专利技术所述的特定几何结构，可以通过微纳加工方法制备，优选为光刻、纳米压印、模板浇铸、等离子体刻蚀或3D打印等现有技术方法制备。优选为模板浇铸的方法，即将挠曲电材料溶液浇铸在具有特殊结构的模板上，得到所述特定结构。挠曲电材料溶液所用溶剂可以为任意常用可溶解挠曲电材料的溶剂，以极性高分子材料为例，溶剂可以如2-丁酮、丙酮等；模板可以为硅模板、镍模板、铝模板和聚二甲基硅氧烷模板等。本专利技术所述的挠曲电材料可以为一切具有挠曲电效应的材料，优选为具有柔性、挠曲电效应强、极性的高分子材料，如聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯二元共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯二元共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物、聚乙烯或环氧树脂等。进一步的，本专利技术所述极性高分子材料优选为偏氟乙烯-三氟乙烯的二元共聚物或偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物，本专利技术选用的二元和三元聚合物，具有极强的挠曲电效应，且已经商品化，能够较容易的大规模获得；所述二元共聚物的摩尔比例优选偏氟乙烯：三氟乙烯为(65-71)：(28-34)，更优选70:本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测人体生理信号的方法，其特征在于，所述方法通过检测挠曲电材料发生应变梯度而产生的挠曲电信号来实现生理信号大小或/和方向的检测。

【技术特征摘要】
1.一种检测人体生理信号的方法，其特征在于，所述方法通过检测挠曲电材料发生应变梯度而产生的挠曲电信号来实现生理信号大小或/和方向的检测。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为生理信号的外力作用于挠曲电材料发生梯度应变，通过检测挠曲电材料发生梯度应变产生的挠曲电信号的情况，实现生理信号的大小和/或方向的检测。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挠曲电材料具有特定几何结构，所述特定几何结构优选为柱状结构、棱台结构或金字塔结构，更优选为棱台结构；特定几何结构的尺寸优选为纳米到微米范围。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述挠曲电材料为柔性的极性高分子材料；优选聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯二元共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯二元共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物、聚乙烯或环氧树脂；更优选为偏氟乙烯-三氟乙烯的二元共聚物或偏氟乙烯-三氟乙烯-氟氯乙烯的三元共聚物；所述二元共聚物的摩尔比例优选偏氟乙烯：三氟乙烯为(65-71)：(28-34)，更优选70:30；所述三元共聚物的摩尔比例优选偏氟乙烯：三氟乙烯：氟氯乙烯为(65-71)：(30-34)：(7-9)，更优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈群东，唐鑫，韩煦，陈昕，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32