測量單對牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器及方法技術

一種測量單對牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器及方法，傳感器包括絕緣介質，絕緣介質的上下表面各粘貼一層作為電解質的離子凝膠，這兩種物質都是柔軟的和透明的，形成可隨壓力變化的電容器，在其上下表面各粘貼一層絕緣介質，避免外部寄生電容對測量結果的影響；通過金屬電極引出導線連接到采集卡，形成離子-電子混合電流回路，得到電容信號，通過數據運算得到單對牙齒咬合力隨時間變化數據；該電容式傳感器采用新型凝膠材料保證了在盡量真實還原牙齒咬合情況下準確測量牙齒咬合力，而且該材料具有良好的重復測量精度，成本低廉，易于加工，可一次性使用，干凈衛(wèi)生，高透明性使得傳感器在傳輸電信號的同時可以觀察到牙齒的變化。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于一種電容式壓力傳感器，具體涉及一種測量單對牙齒咬合力的新型凝 膠薄膜電容式傳感器及方法。
技術介紹
牙齒咬合力可以客觀反映口腔病牙的損壞程度，并對多種牙周病的診斷有重要的 參考價值。然而人們對疼痛的感覺是區(qū)域性的，因此需通過分別測量單對牙齒咬合力來幫 助確定該區(qū)域中具體哪對牙齒不健康，并為義齒的準確安裝提供了定量參考。但是傳統(tǒng)的 牙齒咬合力測量傳感器存在如下問題:首先，以往的機械式、電阻應變計式或基于壓電效應 等均屬于硬質傳感器探頭，受試者在咬硬質探頭時會出現自我保護的反射性抑制機制，此 時所測得的咬合力值通常偏低于正常情況下的咬合力值;其次，以往的硬質傳感器探頭外 面通常需覆蓋一層彈性物質或橡膠套起保護作用，但傳感器的厚度對咬合力值的測量影響 較大，且此類橡膠套在臨床測量中難以保證徹底消毒;最后，傳統(tǒng)材料不透明，測量過程中 無法觀測到牙齒的變化。
技術實現思路
為解決上述現有技術存在的問題，本專利技術的目的在于提供一種測量單對牙齒咬合 力的新型凝膠薄膜電容式傳感器及方法，本專利技術采用了新型柔軟、薄且透明的凝膠材料制 作可實時測量單對牙齒咬合力，測量時不會激起受試者的自我保護反射性抑制機制，同時 傳感器厚度極小且材料透明，從而能準確記錄單對咬合力隨時間變化的數據，并且可以觀 察到牙齒的變化。 為達到上述目的，本專利技術所采用的技術方案是： -種測量單對牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器，包括絕緣介質3,均勻粘 接在絕緣介質3上層的上離子凝膠2,均勻粘接在絕緣介質3下層的下離子凝膠4,所述上離 子凝膠2、絕緣介質3和下離子凝膠4形成電容器，上離子凝膠2的上表面粘貼一層上絕緣介 質1，下離子凝膠4的下表面粘貼一層下絕緣介質5,在下絕緣介質5和下離子凝膠4連接處粘 貼的金屬電極引出下導線6,在上絕緣介質1和上離子凝膠2連接處粘貼的金屬電極引出上 導線7。 所述上離子凝膠2和下離子凝膠4采用的材料為水凝膠離子導體，其厚度為微米量 級;所述絕緣介質3、上絕緣介質1和下絕緣介質5的厚度也為微米量級。 所述上離子凝膠2和下離子凝膠4以及絕緣介質3、上絕緣介質1和下絕緣介質5均 柔軟透明。 測量中由直流穩(wěn)壓電源供電，金屬電極與離子凝膠形成電子-離子混合電流回路 傳遞電信號，模仿了軸突的作用，幾乎所有的電壓降都發(fā)生在絕緣介質上，金屬電極-電解 質交界面的雙電層處電壓降遠小于IV，使得離子凝膠不會發(fā)生電化學反應，并且離子凝膠 在多次加載后，電容與壓力的關系只有很小的漂移，幾乎可以忽略，因此具有良好的重復測 量精度。 所述的測量單對牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器的測量方法，受壓時， 若絕緣介質3長度和寬度方向被拉伸為λ倍，變形后認為體積不變，則厚度方向被壓縮為^^ Λ" 倍，變形后電容C為初始狀態(tài)電容Co的λ4倍，電容值隨變形的變化十分明顯，易于測量;下導 線6和上導線7連接到通過直流穩(wěn)壓電源供電的采集卡上并將得到電容值信號傳遞給采集 卡，采集卡采集得到電容值信號通過微處理器進行數字運算獲取單對牙齒咬合力大小，通 過數據通訊連接口傳輸給終端以顯示牙齒咬合力大小隨時間的變化曲線。 和現有技術相比，本專利技術具有如下優(yōu)點： 1、本專利技術采用柔軟的、透明的離子凝膠和絕緣介質制作電容傳感器，一方面消除 了受試者在咬硬物時所出現的自我保護機制對咬合力的影響，能更真實的還原正常情況下 人的牙齒咬合情況，從而準確測量單對牙齒咬合力值，另一方面?zhèn)鞲衅魉哂械耐该餍允?得在傳輸電信號的同時，可以觀察到牙齒的變化。 2、本專利技術所采用的作為電解質的水凝膠離子導體厚度可以加工到很薄，達到微米 量級，并且具有良好的生物相容性，滿足咬合力測量需要的"物理上的隱形性"的需求，因此 在測量咬合力時不會約束牙齒，從而可以避免傳感器厚度對牙齒咬合力測量準確度的影 響。 3、本專利技術在測量中由直流穩(wěn)壓電源供電，金屬電極與離子導體水凝膠形成電子-離子混合電流回路傳遞電信號，模仿了軸突的作用，幾乎所有的電壓降都發(fā)生在絕緣介質 上，使得離子凝膠不會發(fā)生電化學反應，并且離子凝膠在多次加載后，電容與壓力的關系只 有很小的漂移，幾乎可以忽略，因此具有良好的重復測量精度。本專利技術所采用材料成本低 廉，易于加工，使得此傳感器可做一次性使用，干凈衛(wèi)生。【附圖說明】 圖1為本專利技術新型凝膠薄膜電容傳感器結構示意圖。 圖2為本專利技術考慮雙電層時新型凝膠薄膜電容傳感器的等效電路圖。 圖3為本專利技術新型凝膠薄膜電容傳感器測量單對牙齒咬合力測量系統(tǒng)原理示意 圖。【具體實施方式】 下面結合附圖和【具體實施方式】對本專利技術作進一步詳細說明。 如圖1所示，本專利技術一種測量單對牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器，是一 種新型柔軟、薄且透明的凝膠制作的實時測量單對牙齒咬合力的薄膜電容式傳感器，包括 絕緣介質3,絕緣介質3的上層均勻粘接有上離子凝膠2,絕緣介質3的下層均勻粘接有下離 子凝膠4,上離子凝膠2、絕緣介質3和下離子凝膠4形成電容器，為避免外部寄生電容的影 響，在上離子凝膠2的上表面均勻粘貼一層上絕緣介質1，下離子凝膠4的下表面均勻粘貼一 層下絕緣介質5,在上絕緣介質1和上離子凝膠2中的上離子凝膠之間通過金屬電極引出上 導線7,在下絕緣介質5和離子凝膠4連接處粘貼的金屬電極引出下導線6。在絕緣介質1的上 表面和下絕緣介質5的下表面作用咬合力，若絕緣介質3的厚度為d，與上離子凝膠2、下離子 凝膠4接觸面積為A，則初始狀態(tài)下電容值計算公式為其中ε〇為真空介電常數， 為介質相對介電常數，在牙齒咬合力作用下，假設絕緣介質為理想彈性體，若立方體絕緣 介質的長度和寬度均被拉伸為初始長度的λ倍，變形后可認為體積不變，厚度會被壓縮為初 始長度的倍，則受壓力變形后的電容值為：可以看到，壓縮后電容變 化將會十分明顯，便于測量。如圖2所示，討論由于金屬電極與電解質凝膠接觸交界面產生 的雙電層對電容測量值的影響，在直流穩(wěn)壓電源供電時，金屬電極-電解質界面的雙電層表 現為電容屬性，與絕緣介質電容器并聯(lián)，則通過兩個金屬電極測量的電容與絕緣介質電容 Cd和雙電層電容Cedl有這樣的關系：> 電極和離子導體中的電荷分布距離是 納米量級，但是絕緣介質上下表面的電荷沿著厚度分布(絕緣介質厚度是毫米量級），通常 來說，Cedl/Cd~105,因此測量的電容主要是絕緣介質的電容，即C~CD，雙電層電容的影響可 以忽略。而且電壓降主要發(fā)生在絕緣介質上，界面處雙電層電壓遠小于IV，因此不會有電化 學反應的發(fā)生，保證允許該電容式傳感器長時間重復使用，而且多次循環(huán)加載后只有很小 的漂移，具有良好的重復測量精度。如圖3所示，本專利技術的工作原理為:在上絕緣介質1和上離子凝膠2連接處粘貼的金 屬電極引出上導線7,在下絕緣介質5和下離子凝膠4連接處粘貼的金屬電極引出下導線6， 將下導線6和上導線7連接到采集卡上，得到電容信號C，通過微處理器進行數字運算獲取單 對牙齒咬合力大小P = kC(k為實驗確定的常數，范圍為1~5pF/N)，通過數據通訊連接口傳 輸給電腦，顯示牙齒咬合力大小隨時間的變化曲線。【主權項】1. 一種測量單對牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器，其特征在于:包括絕緣介 質（3)，均勻粘接在絕緣介質（3)上層本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種測量單對牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器，其特征在于：包括絕緣介質(3)，均勻粘接在絕緣介質(3)上層的上離子凝膠(2)，均勻粘接在絕緣介質(3)下層的下離子凝膠(4)，所述上離子凝膠(2)、絕緣介質(3)和下離子凝膠(4)形成電容器，上離子凝膠(2)的上表面粘貼一層上絕緣介質(1)，下離子凝膠(4)的下表面粘貼一層下絕緣介質(5)，在下絕緣介質(5)和下離子凝膠(4)連接處粘貼的金屬電極引出下導線(6)，在上絕緣介質(1)和上離子凝膠(2)連接處粘貼的金屬電極引出上導線(7)。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：周媛，徐明龍，王鐵軍，陳寶鴻，程思博，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61