[发明专利]三维界面应力传感器

说明书

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，特别涉及三维界面应力传感器，可用于测量假肢中截肢表面与假肢接口之间的界面应力分布和足底界面应力分布。

背景技术

界面应力传感器被认为是测量假肢中截肢表面与假肢接口之间的界面应力分布和足底界面应力分布的关键器件，被广泛应用于康复医学、矫形外科、体育训练和制鞋业中。

截肢表面与假肢接口之间的表面应力分布被认为是医学工程的一项新的研究内容。据世界卫生组织测算，全球残疾人约占总人口的5%。另据全国残疾人抽样调查显示，我国约有6000万残疾人，其中截肢者约有89万人，占残疾人总数的1.48%，最新的统计显示这一数字每年不断增加中。这些截肢者绝大部分依靠假肢行走，对于截肢者而言，假肢的好坏直接影响到他们的生活。在不牺牲移动性的前提下，获得良好的舒适性成为众多医生和科研工作者追求的目标。为了帮助患者改善舒适性，获得截肢表面和假肢接口之间界面应力的分布对于一个假肢接口系统而言，显得尤为重要。

足底应力分布被认为是生物力学的一项重要研究内容。在康复医学中，足底应力分布被认为是研究某些疾病的重要参考数据；在矫形外科中，足底应力分布的测量被认为是步态研究的支撑和关键技术；在体育训练中，足底应力的测量与分析可以指导运动员训练，最大程度地避免运动受伤，从而提高运动员的成绩；在制鞋业中，分析不同人群足底应力的分布可以使制鞋工程师设计出更舒适的鞋子；此外，随着近年来爱好运动和体育锻炼的人数的增加，因为运动导致足部受伤的病人也在不断增加，由于其中大部分不知道受伤的原因，严重阻碍了病情的防治。因此，准确便捷地测量足底应力分布就显得尤为迫切。

为了获得截肢表面和假肢接口之间的界面应力分布和准确便捷地测量足底应力的分布，必须研发能够用于电子皮肤的新型界面应力传感器，由于截肢表面和假肢接口之间以及足底应力不光存在与界面垂直的正应力，而且存在与界面不垂直的剪切力，所以要求该传感器能够实时、准确、便捷地测量三维界面应力。

已经有许多文献报道了能够测量截肢表面和假肢接口之间的界面应力分布的器件，这些器件包括电阻应变测量计(resistive strain gauges)、压电电阻计(piezoelectric resistors)、光电电缆(ber-optic cables)及波导器件(waveguides)、充气腔器件(gas-filled cavities)，和基于电容的方法(capacitance-based methods)。然而，这些器件都只能测量正应力，却不能同时测量剪切力。

有些报道尝试建立数学模型根据正应力来预测剪切力，但是最新的报道发现这些数学模型都不准确。而且，基于这些技术的器件很难用于测量足底应力分布。因为基于这些器件的传感器不但本身增加应力，而且体积太大，很难方便地应用于鞋底狭小的空间。此外，这些器件不仅容易受到干扰，而且很难标定。

综上所述，已报道的界面应力传感器存在如下缺点：（1）只能测量正应力，却不能同时测量剪切力，即不能解决实时测量三维界面应力的问题；（2）几何尺寸太大，不能用于假肢或鞋底狭小的空间；（3）灵敏度低，测量范围太小；（4）外围电路复杂，难以集成传感器阵列。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于平板电容和超弹塑性材料的三维界面应力传感器，以减小几何尺寸、简化所需外围电路，增大测量范围、提高灵敏度，实现对三维界面应力的实时测量。

本发明是这样实现的：

一、技术原理

众所周知，平板电容的输出电容与极板间距成反比，与极板间的重合面积成正比，即当一个正压力加载到平板电容时，感应电极和驱动电极的极板间距发生变化，引起输出电容发生变化；当一个剪切力加载到平板电容时，感应电极和驱动电极的重合面积发生变化，引起输出电容发生变化。

本发明即利用平板电容的这一特性，选择恰当的超弹塑性材料作为中间介质，发明制作出新型界面应力传感器。当传感器加载三维界面应力时，利用极板间距的变化引起Z向输出电容的变化，来测量与界面垂直的Z向正压力；利用极板间的重合面积发生变化引起X和Y向输出电容的变化，来测量与界面平行的X向剪切力和Y向剪切力，已达到实时测量三维界面应力的目的。

二、技术方案

本发明所述的三维界面应力传感器，包括顶层、驱动电极、中间层、感应电极和底层，其特征在于：

所述的驱动电极，耦合于顶层的下表面；