基于PVDF的新型智能垫研究与测试

王沛元

（山西工程职业学院自动化工程系，太原 030009）

近年来，传感器在检测人体健康状态方面的应用受到了越来越多的关注。人体睡眠信号与多种疾病有紧密联系，可作为治疗的重要依据。目前，有很多人提出了生理信号检测传感器的检测方法，包括压阻式传感器、压电式传感器等。在这些检测方式中，压电式传感器因其灵敏度高、响应快、耐腐蚀和效率高的特性应用最广泛[1]，并且已经有了很多利用无机压电材料制作的传感器。但是，由于这些材料易碎且复杂，导致在人体生理信号检测上存在很大的局限性。相比之下，有机压电材料聚偏氟乙烯（Poly VinyliDene Fluoride，PVDF）具有生物兼容性，因此可以应用在仿生设备中。PVDF压电薄膜与无机压电材料相比具有高机械强度、化学抗腐蚀性、高灵活性和抗侵蚀性，对于智能设备的发展至关重要。本文基于PVDF压电材料研究了一种对人体无害可兼容的智能床垫，具有性价比高、便携化、轻便化、可靠性高的特点。

1 系统设计

1.1 工作原理

PVDF压电薄膜材料具有-CH2-CF2-的分子结构，能够表现出优越的机械强度、抗化学腐蚀性和强压电性，对于材料的独立应用很有意义[2]。PVDF压电薄膜材料包含正压电效应和逆压电效应，当压电材料受到机械应力时会在材料的边界处产生电信号，在受到电信号作用时会产生相应的机械形变。该材料在单位面积上的受力与产生电信号的大小成线性关系。一般情况下，在PVDF薄膜投入使用之前都会经过锻造、极化和表面金属化处理。基于PVDF的传感器主要包含敏感材料和弹性基底，其中敏感材料夹在弹性基底的中间形成三明治结构，其性能由结构和传感层的压阻率决定。同时，PVDF传感器一般具有横向模式和纵向模式，也被称之为d33模式和d31模式。本设计主要基于压电材料在d33方向受力时的正压电效应[3-4]。

1.2 总体设计

本系统由信号采集单元、信号处理单元和信号显示单元构成。系统工作时，由智能垫采集人体的睡眠信号，并实时传输至信号处理系统，由四级信号调理电路将原始信号进行放大、滤波和抬升，然后传输到单片机中进行模数转换（Analog to Digital，A/D），最后在上位机中显示，系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

1.3 智能垫设计

传感器的设计主要包括5个步骤，如图2所示。首先，截取厚度为25 μm的银电极PVDF薄膜，尺寸为2 cm×3 cm，并将薄膜两侧覆铜以提升传感器的灵敏度，然后在电极下层固定超弹性柱。其次，在上层覆盖绝缘隔热材料，以减少人体热干扰。再次，将制作好的4个敏感元拱形固定。最后，将敏感元并联固定在弹性垫上。信号采集端多采用弹性结构，能够使人使用时舒适方便且无异物感。

图2 智能垫设计的主要过程

2 实验

2.1 拱形结构选择

搭建简易的实验平台，将质量不同的4种样本（5 g，15 g，30 g，40 g）从相同的高度自由落体，如图3（a）所示，并测量平面结构和拱形结构敏感元输出的最大开路电压值，测量结果如图3（b）所示。从图3中可以看出，40 g重物从20 cm的高度自由落在拱形敏感元上时，输出电压值是落在平面敏感元电压值的2.6倍，由此可以推算出拱形敏感元的灵敏度可达到4.8 N·V-1，是平面结构的2.6倍。因此，本研究采用拱形结构作为敏感元结构[5]。

图3 拱形结构选择实验及输出数据对比

2.2 覆铜信号端选择

为了进一步提升传感器的灵敏度，本研究将PVDF材料银电极信号线末端进行覆铜操作，以提升信号线和敏感材料的接触面积。该方法可以提升敏感元的灵敏度。实验借助振动台实现，采用示波器显示覆铜信号端敏感元和普通敏感元的输出电压值，如图4（a）所示。从图4（b）可以看出，带有覆铜信号端的敏感元的输出电压幅值约是普通型敏感元的1.5倍。因此，本设计采用有覆铜信号端的传感元。结合以上实验，结果显示弹性拱形结构测量睡眠信号的能力是平面结构的4.1倍。

2.3 实物实验

为了验证智能垫的实用性和可靠性，在不违背人伦道德的前提下对样本进行试验，实验平台如图5所示。实验过程中，由团队成员观察并记录智能垫的实时输出数据，并对实时数据进行处理，从而得到不同样本的睡眠信号图，如图6所示。从输出信号中可以看出二者的睡眠质量各不相同，上方的两个加深框输出信号幅值较高，说明被监测者处在苏醒状态，下方的两个加深框说明样本2睡眠过程中有较多的微运动，睡眠大部分时间处在浅睡眠期，这些数据可以作为临床参数的参考。此外，该设备可以作为日常健康监护使用，数据可以通过云空间传至医疗数据库以及私人医生端，从而对被监测者的实时状况进行监督和指导。

图5 传感元覆铜信号端实验

图6 实物实验图

图7 睡眠信号监测数据

3 结语

为了监测人体睡眠信号，本文设计了基于PVDF的智能垫。该智能垫主要由敏感材料、超弹性柱、隔热层和弹性垫构成。实验验证了拱形结构和覆铜信号线设计的优势，极大地提升了传感器的灵敏度和可靠性。本研究可以为提升传感器灵敏度设计以及医学监测提供重要参考。