測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種電容式壓力傳感器，具體涉及一種測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力的新型凝 膠薄膜電容式傳感器及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 牙齒咬合力可以客觀反映口腔病牙的損壞程度，并對(duì)多種牙周病的診斷有重要的 參考價(jià)值。然而人們對(duì)疼痛的感覺是區(qū)域性的，因此需通過分別測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力來幫 助確定該區(qū)域中具體哪對(duì)牙齒不健康，并為義齒的準(zhǔn)確安裝提供了定量參考。但是傳統(tǒng)的 牙齒咬合力測(cè)量傳感器存在如下問題:首先，以往的機(jī)械式、電阻應(yīng)變計(jì)式或基于壓電效應(yīng) 等均屬于硬質(zhì)傳感器探頭，受試者在咬硬質(zhì)探頭時(shí)會(huì)出現(xiàn)自我保護(hù)的反射性抑制機(jī)制，此 時(shí)所測(cè)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(zhì)傳感器探頭外 面通常需覆蓋一層彈性物質(zhì)或橡膠套起保護(hù)作用，但傳感器的厚度對(duì)咬合力值的測(cè)量影響 較大，且此類橡膠套在臨床測(cè)量中難以保證徹底消毒;最后，傳統(tǒng)材料不透明，測(cè)量過程中 無法觀測(cè)到牙齒的變化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量單對(duì)牙齒咬合 力的新型凝膠薄膜電容式傳感器及方法，本發(fā)明采用了新型柔軟、薄且透明的凝膠材料制 作可實(shí)時(shí)測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力，測(cè)量時(shí)不會(huì)激起受試者的自我保護(hù)反射性抑制機(jī)制，同時(shí) 傳感器厚度極小且材料透明，從而能準(zhǔn)確記錄單對(duì)咬合力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并且可以觀 察到牙齒的變化。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器，包括絕緣介質(zhì)3,均勻粘 接在絕緣介質(zhì)3上層的上離子凝膠2,均勻粘接在絕緣介質(zhì)3下層的下離子凝膠4,所述上離 子凝膠2、絕緣介質(zhì)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(zhì)1，下離子凝膠4的下表面粘貼一層下絕緣介質(zhì)5,在下絕緣介質(zhì)5和下離子凝膠4連接處粘 貼的金屬電極引出下導(dǎo)線6,在上絕緣介質(zhì)1和上離子凝膠2連接處粘貼的金屬電極引出上 導(dǎo)線7。
[0006] 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(dǎo)體，其厚度為微米量 級(jí);所述絕緣介質(zhì)3、上絕緣介質(zhì)1和下絕緣介質(zhì)5的厚度也為微米量級(jí)。
[0007] 所述上離子凝膠2和下離子凝膠4以及絕緣介質(zhì)3、上絕緣介質(zhì)1和下絕緣介質(zhì)5均 柔軟透明。
[0008] 測(cè)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(hào)，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(zhì)上，金屬電極-電解 質(zhì)交界面的雙電層處電壓降遠(yuǎn)小于IV，使得離子凝膠不會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并且離子凝膠 在多次加載后，電容與壓力的關(guān)系只有很小的漂移，幾乎可以忽略，因此具有良好的重復(fù)測(cè) 量精度。
[0009] 所述的測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器的測(cè)量方法，受壓時(shí)， 若絕緣介質(zhì)3長(zhǎng)度和寬度方向被拉伸為λ倍，變形后認(rèn)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(cè)量;下導(dǎo) 線6和上導(dǎo)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(hào)傳遞給采集 卡，采集卡采集得到電容值信號(hào)通過微處理器進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算獲取單對(duì)牙齒咬合力大小，通 過數(shù)據(jù)通訊連接口傳輸給終端以顯示牙齒咬合力大小隨時(shí)間的變化曲線。
[0010] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0011] 1、本發(fā)明采用柔軟的、透明的離子凝膠和絕緣介質(zhì)制作電容傳感器，一方面消除 了受試者在咬硬物時(shí)所出現(xiàn)的自我保護(hù)機(jī)制對(duì)咬合力的影響，能更真實(shí)的還原正常情況下 人的牙齒咬合情況，從而準(zhǔn)確測(cè)量單對(duì)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(hào)的同時(shí)，可以觀察到牙齒的變化。
[0012] 2、本發(fā)明所采用的作為電解質(zhì)的水凝膠離子導(dǎo)體厚度可以加工到很薄，達(dá)到微米 量級(jí)，并且具有良好的生物相容性，滿足咬合力測(cè)量需要的"物理上的隱形性"的需求，因此 在測(cè)量咬合力時(shí)不會(huì)約束牙齒，從而可以避免傳感器厚度對(duì)牙齒咬合力測(cè)量準(zhǔn)確度的影 響。
[0013] 3、本發(fā)明在測(cè)量中由直流穩(wěn)壓電源供電，金屬電極與離子導(dǎo)體水凝膠形成電子-離子混合電流回路傳遞電信號(hào)，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(zhì) 上，使得離子凝膠不會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并且離子凝膠在多次加載后，電容與壓力的關(guān)系只 有很小的漂移，幾乎可以忽略，因此具有良好的重復(fù)測(cè)量精度。本發(fā)明所采用材料成本低 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】
[0014] 圖1為本發(fā)明新型凝膠薄膜電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明考慮雙電層時(shí)新型凝膠薄膜電容傳感器的等效電路圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明新型凝膠薄膜電容傳感器測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力測(cè)量系統(tǒng)原理示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明一種測(cè)量單對(duì)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(shí)時(shí)測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力的薄膜電容式傳感器，包括 絕緣介質(zhì)3,絕緣介質(zhì)3的上層均勻粘接有上離子凝膠2,絕緣介質(zhì)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(zhì)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(zhì)1，下離子凝膠4的下表面均勻粘貼一 層下絕緣介質(zhì)5,在上絕緣介質(zhì)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(dǎo)線7,在下絕緣介質(zhì)5和離子凝膠4連接處粘貼的金屬電極引出下導(dǎo)線6。在絕緣介質(zhì)1的上 表面和下絕緣介質(zhì)5的下表面作用咬合力，若絕緣介質(zhì)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(jì)算公式為
其中ε〇為真空介電常數(shù)， 為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，在牙齒咬合力作用下，假設(shè)絕緣介質(zhì)為理想彈性體，若立方體絕緣 介質(zhì)的長(zhǎng)度和寬度均被拉伸為初始長(zhǎng)度的λ倍，變形后可認(rèn)為體積不變，厚度會(huì)被壓縮為初 始長(zhǎng)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(huì)十分明顯，便于測(cè)量。如圖2所示，討論由于金屬電極與電解質(zhì)凝膠接觸交界面產(chǎn)生 的雙電層對(duì)電容測(cè)量值的影響，在直流穩(wěn)壓電源供電時(shí)，金屬電極-電解質(zhì)界面的雙電層表 現(xiàn)為電容屬性，與絕緣介質(zhì)電容器并聯(lián)，則通過兩個(gè)金屬電極測(cè)量的電容與絕緣介質(zhì)電容 Cd和雙電層電容Cedl有這樣的關(guān)系：
> 電極和離子導(dǎo)體中的電荷分布距離是 納米量級(jí)，但是絕緣介質(zhì)上下表面的電荷沿著厚度分布(絕緣介質(zhì)厚度是毫米量級(jí)），通常 來說，Cedl/Cd~105,因此測(cè)量的電容主要是絕緣介質(zhì)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(zhì)上，界面處雙電層電壓遠(yuǎn)小于IV，因此不會(huì)有電化 學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，保證允許該電容式傳感器長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)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(fù)測(cè)量精度。
[0019]如圖3所示，本發(fā)明的工作原理為:在上絕緣介質(zhì)1和上離子凝膠2連接處粘貼的金 屬電極引出上導(dǎo)線7,在下絕緣介質(zhì)5和下離子凝膠4連接處粘貼的金屬電極引出下導(dǎo)線6， 將下導(dǎo)線6和上導(dǎo)線7連接到采集卡上，得到電容信號(hào)C，通過微處理器進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算獲取單 對(duì)牙齒咬合力大小P = kC(k為實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，范圍為1~5pF/N)，通過數(shù)據(jù)通訊連接口傳 輸給電腦，顯示牙齒咬合力大小隨時(shí)間的變化曲線。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測(cè)量單對(duì)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(zhì)（3)，均勻粘接在絕緣介質(zhì)（3)上層的上離子凝膠(2)，均勻粘接在絕緣介質(zhì)（3)下層的下 離子凝膠(4)，所述上離子凝膠(2)、絕緣介質(zhì)(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(zhì)（1)，下離子凝膠(4)的下表面粘貼一層下絕緣介質(zhì)（5)， 在下絕緣介質(zhì)（5)和下離子凝膠(4)連接處粘貼的金屬電極引出下導(dǎo)線(6)，在上絕緣介質(zhì) (1)和上離子凝膠(2)連接處粘貼的金屬電極引出上導(dǎo)線(7)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器，其特征 在于: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(dǎo)體，其厚度為微米 量級(jí);所述絕緣介質(zhì)(3)、上絕緣介質(zhì)（1)和下絕緣介質(zhì)(5)的厚度也為微米量級(jí)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器，其特征 在于:所述上離子凝膠(2)和下離子凝膠(4)以及絕緣介質(zhì)（3)、上絕緣介質(zhì)（1)和下絕緣介 質(zhì)(5)均柔軟透明。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器，其特征 在于:測(cè)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(hào)，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(zhì)上，金屬電極-電解質(zhì)交 界面的雙電層處電壓降遠(yuǎn)小于IV，使得離子凝膠不會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并且離子凝膠在多 次加載后，電容與壓力的關(guān)系只有很小的漂移，幾乎可以忽略。5. 權(quán)利要求1所述的測(cè)量單對(duì)牙齒咬合力的新型凝膠薄膜電容式傳感器的測(cè)量方法， 其特征在于:受壓時(shí)，若絕緣介質(zhì)（3)長(zhǎng)度和寬度方向被拉伸為λ倍，變形后認(rèn)為體積不變， 則厚度方向被壓縮為倍，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(cè)量；下導(dǎo)線（6)和上導(dǎo)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(hào)傳遞給采集卡，得到電容值信號(hào)C，通過微處理器進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算獲取單對(duì)牙 齒咬合力大小P = kC，其中k為實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，范圍為1~5pF/N，通過數(shù)據(jù)通訊連接口傳輸 給終端以顯示牙齒咬合力大小隨時(shí)間的變化曲線。
【專利摘要】一種測(cè)量單對(duì)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(zhì)，絕緣介質(zhì)的上下表面各粘貼一層作為電解質(zhì)的離子凝膠，這兩種物質(zhì)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(zhì)，避免外部寄生電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；通過金屬電極引出導(dǎo)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(hào)，通過數(shù)據(jù)運(yùn)算得到單對(duì)牙齒咬合力隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)；該電容式傳感器采用新型凝膠材料保證了在盡量真實(shí)還原牙齒咬合情況下準(zhǔn)確測(cè)量牙齒咬合力，而且該材料具有良好的重復(fù)測(cè)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(hào)的同時(shí)可以觀察到牙齒的變化。
【IPC分類】A61B5/22, A61C19/05
【公開號(hào)】CN105433963
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510847598
【發(fā)明人】周媛, 徐明龍, 王鐵軍, 陳寶鴻, 程思博
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年11月27日