一种用于智能膝带的柔性压电传感集成装置及其制备方法

本发明属于柔性压电传感器，具体涉及一种用于智能膝带的柔性压电传感集成装置及其制备方法。

背景技术：

1、膝关节是人体最主要的负重关节之一，在运动康复、运动训练、日常健康监测及老年护理等领域，对膝关节运动状态的实时监测具有重要意义。传统的膝关节监测方式包括光学运动捕捉系统、惯性测量单元（imu）及可穿戴位移传感器等，但这些设备或体积庞大、系统复杂，或难以贴合皮肤、舒适性差，限制了日常长期佩戴使用。

2、近年来，柔性压电传感器因其自供电、高灵敏度、柔性可弯曲等优点，被逐步引入可穿戴运动监测领域。其中，聚偏氟乙烯及其与钛酸钡等压电陶瓷的复合薄膜兼具柔韧性和较高压电系数，适合用于人体关节运动监测。然而，现有柔性压电传感器多采用连续均质薄膜结构，当贴附于膝关节等复杂曲面时，存在以下问题：空间分辨能力不足、应力集中导致性能退化、信号信噪比低、集成难度大等问题，同时保持穿戴舒适性，是当前产品化的关键难点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于智能膝带的柔性压电传感集成装置及其制备方法，以解决现有膝关节监测传感器空间分辨能力差、难以集成、穿戴舒适性不足的问题。

2、技术方案

3、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

4、本发明提供一种用于智能膝带的柔性压电传感集成装置，包括

5、柔性压电传感层、柔性电极层、柔性封装层；所述的柔性压电传感层由多个独立工作的压电传感单元构成的复合薄膜，所述的压电传感单元为柔性压电复合薄膜材料构成即由钛酸钡纳米颗粒与聚偏氟乙烯基体复合形成；所述的柔性电极层位于所述柔性压电传感层的上表面和下表面，每个压电传感单元还对应有上电极和下电极，各电极之间相互绝缘，以独立引出每个压电传感单元的电信号；所述的柔性封装层覆盖在所述柔性电极层四周，由生物相容性柔性高分子材料构成，用于保护压电传感层和电极层，同时确保集成材料与人体皮肤或膝带织物的贴合舒适性；还包括信号引出接口，信号引出接口与各电极电连接，用于将压电传感单元产生的电信号传输至外部的信号处理模块。

6、所述柔性压电传感层中的复合薄膜的制备流程为：1%的偶联剂kh550乙醇分散液与钛酸钡纳米颗粒混合后，与溶解在dmf中的15wt%聚偏氟乙烯溶液再次混合后，进行流延制备成0.3 mm左右复合薄膜，80℃烘干5 h。

7、所述压电传感单元为剪裁好的片状的钛酸钡纳米颗粒与聚偏氟乙烯柔性压电复合薄膜材料；可为任意尺寸。

8、所述压电传感单元在空间上分为至少两个传感区域，包括髌骨上区传感阵列、内侧副韧带区传感单元和外侧副韧带区传感单元。每个区域包含1～9个点阵压电传感单元，独立输出传感信号。

9、所述柔性电极层采用蛇形可拉伸金属电极或导电织物电极，对压电复合薄膜材料100%表面覆盖，以保证膝带弯曲时电极不断裂。优选地，电极材料为银纳米线/聚氨酯复合导电层或液态金属如镓铟合金的印刷电路。

10、进一步的，所述柔性封装层使用的生物相容性材料为硅橡胶、热塑性聚氨酯或医用级聚氨酯薄膜，厚度为10 μm～100 μm。

11、进一步的，所述信号引出接口包括柔性扁平电缆或弹性导电织带，其一端与各电极一一对应焊接或导电胶粘接，另一端引出至外置的信号处理模块如柔性电路板fpc。

12、进一步，本发明提供所述用于智能膝带的柔性压电传感集成装置的制备方法，包括以下步骤：

13、第一步.制备柔性压电传感层，采用流延工艺，将钛酸钡纳米颗粒与聚偏氟乙烯复合浆料流延至模板表面，成型脱模后得到柔性压电复合薄膜；即将pvdf溶于溶剂n,n-二甲基乙酰胺中进行机械搅拌制备获得65wt%的溶液后，准备50 nm纳米级与2 μm微米级共填充，质量比1:3 batio3；batio3与pvdf质量比为1:9。使用硅模板作为流延模板，表面刻有矩形阵列微孔，孔径120 μm，孔深40 μm，孔中心距250 μm；流延速度1 m/min，刮刀间隙300 μm，80℃干燥2 h；脱模后得到复合薄膜，厚度约30 μm；所述的柔性压电传感层由多个独立工作的压电传感单元构成的复合薄膜，即将该薄膜裁剪为适应膝带形状的长约18 cm，宽约4cm长条状，在薄膜上划分三个传感区域：区域a：髌骨上方，4×4点阵，共16个传感单元、区域b，内侧副韧带对应位置，2×2点阵，4个传感单元、区域c：外侧副韧带对应位置，2×2点阵，4个传感单元；各传感单元之间通过激光刻蚀隔离沟槽实现电隔离；

14、第二步.制备柔性电极层，在步骤s1制得的柔性压电复合薄膜的上、下表面，通过丝网印刷、喷墨打印或磁控溅射方法，制备与各压电传感单元位置匹配的独立电极，电极间通过激光刻蚀或掩膜实现绝缘隔离；

15、第三步.极化处理：对封装后的集成材料整体进行电晕极化或接触极化，极化电压5～20 kv，温度60～120℃，时间10～60 min，激活压电传感单元的压电活性；

16、第四步. 连接信号引出接口，将柔性扁平电缆或弹性导电织带的各引出端，对应连接至各电极的焊盘或导电胶区域，实现电导通；

17、第五步. 柔性封装，采用流延、喷涂或热压合方法，在已完成电极连接的器件外侧覆盖柔性封装层，封装层在电极引出位置预留开窗，确保信号接口正常引出。

18、进一步的，步骤二中，当采用液态金属电极时，通过微流道注射方式将液态金属注入预制的微通道内，形成可拉伸电极。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、多点空间分辨，实现精细运动分析：通过在膝带中过个位点进行点阵式内嵌多个独立压电传感单元并对应膝关节不同解剖区域，可以实时区分髌上肌腱张力、内侧副韧带拉伸及外侧副韧带压缩等力学信息。与单个传感器相比，多点阵列可提供更丰富的运动学特征，例如通过髌骨上方两个传感单元的相位差可推算膝关节弯曲速度，通过三个区域信号强度对比可判断内外翻角度。这种空间分辨能力对于运动康复评估和异常步态预警具有独特价值。点阵结构提升柔韧性与抗疲劳性能：本发明的核心传感层采用凸起状压电单元+柔性连接区结构，相比于连续薄膜，在膝带反复弯曲（弯曲角度可达0～135°）过程中，应力集中在柔性连接区而不损伤压电单元本身，且点阵单元之间可以发生相对滑移，显著降低了材料断裂风险。经5000次0～90°弯折测试，传感信号衰减小于8%，远优于连续薄膜（衰减>25%）。一体化集成设计，穿戴舒适可靠：通过柔性封装层、可拉伸电极和弹性引出接口的一体化设计，将原本脆硬的压电陶瓷薄膜转化为可随膝带拉伸、扭转的柔性元件。封装层采用医用级生物相容材料，可直接接触皮肤，无过敏风险。整个传感集成材料厚度可控制在0.2mm以内，几乎无负重感，不影响正常运动。

21、为此，本发明提供一种专门用于智能膝带内置的柔性压电传感集成装置，该材料以本发明人此前提出的钛酸钡/聚偏氟乙烯柔性压电复合薄膜为核心传感元件，通过一体化集成设计，实现多点、高灵敏、抗干扰的膝关节运动监测，并兼顾长期穿戴的柔韧性和耐久性。

22、通过压电传感单元的空间布置、柔性封装与信号引出一体化设计，实现对膝关节不同区域力学信号的高分辨检测，并将传感材料内置于弹性膝带中，形成智能膝带产品。