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CN119366857A - 一种lc谐振式眼压监测传感器及其制备方法 - Google Patents

一种lc谐振式眼压监测传感器及其制备方法 Download PDF

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CN119366857A
CN119366857A CN202411446408.1A CN202411446408A CN119366857A CN 119366857 A CN119366857 A CN 119366857A CN 202411446408 A CN202411446408 A CN 202411446408A CN 119366857 A CN119366857 A CN 119366857A
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China
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capacitor
intraocular pressure
polar plate
circular ring
pressure monitoring
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CN202411446408.1A
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李腊
刘海庆
沈国震
刘伟佳
朱文敏
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Beijing Institute of Technology BIT
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Beijing Institute of Technology BIT
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    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/16—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for measuring intraocular pressure, e.g. tonometers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61G—TRANSPORT, PERSONAL CONVEYANCES, OR ACCOMMODATION SPECIALLY ADAPTED FOR PATIENTS OR DISABLED PERSONS; OPERATING TABLES OR CHAIRS; CHAIRS FOR DENTISTRY; FUNERAL DEVICES
    • A61G5/00—Chairs or personal conveyances specially adapted for patients or disabled persons, e.g. wheelchairs
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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Abstract

本发明公开了一种LC谐振式眼压监测传感器及其制备方法，属于柔性传感技术领域。所述制备方法为使用倒模法制备具有微结构的P(VDF‑TrFE)薄膜作为介质层，随后利用掩膜板在薄膜上喷涂MXene制得图案化的电容，利用激光打标制备铝箔材质的电感线圈，并利用热压封装得到MXene基眼压传感器；本发明公开的制备方法使用MXene作为传感器的电极材料，并且采用了介质层的微结构，具有优异的灵敏度；本发明的制备方法简单，具有批量化制备可行性。

Description

一种LC谐振式眼压监测传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种LC谐振式眼压监测传感器及其制备方法，属于柔性传感技术领域。
背景技术
青光眼是全球第二位致盲疾病，也是全球第一位不可逆性致盲疾病。据统计，2020年全球青光眼患者约7600万，中国青光眼患者数尤为突出，约2180万，其中致盲人数约567万。青光眼的发病机理复杂，致病因素众多，其中眼压是主要的并且是已知的唯一可以改变的危险因素。眼压指的是眼球内容物对眼球内壁及内容物之间相互作用的压力，正常的范围为10-21mmHg，青光眼患者的眼压通常较高。对于眼压异常的青光眼患者，在发病早期进行眼压监测，通过及时用药或手术降低眼压，可以有效减缓对视网膜神经的损害，有效降低致盲率。
目前临床上主要是利用眼压计进行眼压的测量，常见的眼压计有压陷式眼压计、压平式眼压计、非接触式眼压计等，如Goldman眼压计、Icare回弹式眼压计等。以上手段只能测量即时的眼压值，并不能准确反映出眼压的波动情况，很容易错过眼压的峰值，并且需要在医生的指导下进行测量，这就容易造成青光眼的误诊或漏诊。因此，目前亟需一种操作方便、安全舒适的可以实现24小时连续眼压监测的手段。
随着MEMS技术和柔性电子技术的发展，越来越多的眼压传感器被广泛应用于24小时连续的眼压测量，主要分为植入式和角膜接触镜式，角膜接触镜式传感器又可以分为光学式、电阻式和LC(电感电容)谐振式。
然而，现有的眼压传感器技术存在一些突出的问题：
1.植入式眼压传感器需要进行手术植入，会对眼球造成不可逆的损伤，并且具有眼内液体泄漏和炎症发生的风险，此外还具有电泄露的可能性，会影响到患者的日常生活，不容易被患者所接受。
2.光学式眼压传感器不能监测患者夜晚睡眠时的眼压，而眼压一般在夜晚到达峰值；电阻式眼压传感器容易受到外界环境的影响，并且难以实现数据传输。
3.LC谐振式眼压传感器的制备成本通常较高，制备过程较为复杂，难以实现批量生产。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种LC谐振式眼压监测传感器的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实施：
一种LC谐振式眼压监测传感器，该LC谐振式眼压监测传感器包括下封装层1、电容下极板2、介质层3、电容上极板4、电感线圈5、上封装层6；
所述电容下极板2、介质层3、电容上极板4、电感线圈5位于下封装层1和上封装层6之间；
所述电容上极板4为一圆环，圆环的外端面上均匀分布有凸起结构，凸起结构的数量为6-9个，凸起结构为半圆形、花瓣形、三角形、梯形；
所述电感线圈5位于电容上极板4的圆环内且电感线圈5的一端与电容上极板4的圆环通过银浆连接；
所述电感线圈5的匝数为3-4匝，每匝的宽度为200-300μm，每匝之间的间距为200-300μm；
所述电容下极板2与电容上极板4形状尺寸一致；
所述电容下极板2和电容上极板4均为MXene材料；
所述电容下极板2的圆环与电感线圈5的另一端通过银浆连接；
所述介质层3为一圆环，且该圆环的表面上均匀分布有凹槽，凹槽的直径为2.5-3μm，凹槽的深度为1.2-1.5μm；凹槽之间的间距为3-4μm；
所述介质层3的材质为P(VDF-TrFE)；
所述介质层3的圆环的内径与电容上极板4的圆环的内径尺寸一致；介质层3的圆环的外径为d，电容上极板4的圆环外端面上凸起结构的最顶端到电容上极板4的圆环中心点的距离为d；
所述介质层3位于电容下极板2和电容上极板4之间；
所述下封装层1和上封装层6均为PDMS圆板。
一种LC谐振式眼压监测传感器的制备方法，该方法的步骤包括：
第一步，使用倒模法制备介质薄膜，再将介质薄膜进行等离子体处理，用于提升其表面的亲水性，使MXene与薄膜的结合更为紧密；
第二步，利用PET掩模版在经过等离子体处理后的介质薄膜的一面喷涂MXene材料得到电容下极板2，最后在介质薄膜的另一面喷涂MXene材料得到电容上极板4；
第三步，利用激光打标铝箔得到电感线圈5；
第四步，将第三步得到的电感线圈5放置到电容上极板4的圆环内，且通过银浆将电感线圈5的一端与电容上极板4的圆环连接，再将电感线圈5的另一端与电容下极板2的圆环通过银浆连接，得到组合件；
第五步，将第四步得到的组合件通过下封装层1和上封装层6进行封装；
第六步，将第五步封装后的器件进行热压成型，热压成型温度为150-160℃，热压成型时间为20-30min，得到LC谐振式眼压监测传感器。
所述第一步中，使用质量分数为20％的P(VDF-TrFE)的DMF溶液制备介质薄膜，制备介质薄膜的温度为80-90℃，加热时间为3-6min，制备介质薄膜时采用的模板材质为蓝宝石，蓝宝石表面具有一层与凹槽相匹配的微球结构；制备介质薄膜时转速为1500rpm，时间为20s；
所述第二步中，喷涂时温度为60-70℃，喷涂距离为25-30cm；
所述第二步中，MXene材料的浓度为2mg/mL，用量为500μL；
所述第五步中，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装，聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂的质量配比为1：10，聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂混合后静置4小时去除气泡，然后在90-100℃下固化20-30min；
所述第六步中，将封装好的器件从玻璃片上取下，放在铜质金属模具进行热压成型。
一种LC谐振式眼压监测传感器的应用，将LC谐振式眼压监测传感器应用到智能电动轮椅中，通过智能眼镜进行信号传递实现对智能电动轮椅的控制；
所述智能电动轮椅包括座椅、车轮、通讯模块、信号处理模块和驱动模块；
所述通讯模块用于接收微处理器输出的是否有意识眨眼的信号，并将接收到的是否有意识眨眼的信号输出给信号处理模块；
所述信号处理模块用于接收通讯模块输出的是否有意识眨眼的信号，并将接收到的是否有意识眨眼的信号转换为驱动指令后输出给驱动模块；
所述驱动模块用于接收信号处理模块输出的驱动指令，并根据接收到的驱动指令控制车轮的运动；
智能眼镜包括镜框、镜片和镜腿，且镜片上安装有读取线圈，读取线圈通过光刻工艺集成在镜片上，读取线圈的材质为金或铜，内径8-10mm，外径14-16mm，匝数5-7匝，不会影响患者的视野；
镜腿上安装有微处理器，微处理器与读取线圈之间电连接，微处理器用于获取读取线圈反射系数S11，并根据获取的反射系数S11获得传感器电路的谐振频率，再根据谐振频率得到佩戴者的眼压，最后根据佩戴者的眼压判断佩戴者是否有意识眨眼，并将是否有意识眨眼的信号输出给通讯模块；
通过智能眼镜进行信号传递实现对智能电动轮椅的控制的方法为：
步骤1，患者将LC谐振式眼压传感器佩戴在角膜上，并佩戴智能眼镜，依据实际路况产生不同的有意识眨眼行为；
步骤2，微处理器获取读取线圈反射系数S11，并根据获取的反射系数S11获得传感器电路的谐振频率，再根据谐振频率得到佩戴者的眼压，最后根据佩戴者的眼压判断佩戴者是否有意识眨眼，并将是否有意识眨眼的信号输出给通讯模块；
步骤3，通讯模块将接收到的是否有意识眨眼的信号输出给信号处理模块；
步骤4，信号处理模块将接收到的是否有意识眨眼的信号转换为驱动指令后输出给驱动模块；
步骤5，驱动模块根据接收到的驱动指令控制车轮的运动。
所述步骤3中，根据佩戴者的眼压判断佩戴者是否有意识眨眼的依据为：
当眼压值大于等于25mmHg，且持续时长都高于阈值时，判定佩戴者产生有意识眨眼行为或闭眼；
当眼压值大于等于25mmHg，且持续时长低于阈值时，判定佩戴者产生无意识眨眼行为；
当眼压值小于25mmHg，则无眨眼行为；
当为有意识眨眼时，可以设定眨眼次数与轮椅加速、减速、左转、右转、停止的关系。
本发明具有如下优点：
1.本发明公开的制备方法使用MXene作为传感器的电极材料，由于MXene具有良好的导电性和机械性能，传感器具有极宽的测量范围。
2.本发明公开的制备方法利用倒模法制备具备微结构的P(VDF-TrFE)介质薄膜，提高了传感器的测试灵敏度。
3.本发明公开的制备方法采取了合理的结构设计，再加上MXene良好的透光率，不会阻挡患者的视野，并且封装后的传感器很薄，具有良好的柔性，佩戴舒适。
4.本发明公开的制备方法流程简单，成本低廉，周期短。
本发明公开了一种LC(电感电容)谐振式眼压监测传感器及其制备方法，属于柔性传感技术领域。所述制备方法为使用倒模法制备具有微结构的P(VDF-TrFE)薄膜作为介质层，随后利用掩膜板在薄膜上喷涂MXene制得图案化的电容，利用激光打标制备铝箔材质的电感线圈，并利用热压封装得到MXene基眼压传感器；本发明公开的制备方法使用MXene作为传感器的电极材料，并且采用了介质层的微结构，具有优异的灵敏度；本发明的制备方法简单，具有批量化制备可行性。
附图说明
图1为LC谐振式眼压传感器的结构示意图；
图2为外端面和表面示意图；
图3为LC谐振式眼压传感器的电容实物图；
图4为LC谐振式眼压传感器的电容-眼压测试图，其中，压力以9mmHg为步长增加/降低；
图5为LC谐振式眼压传感器的频率-眼压测试图，其中，压力以10mmHg为步长增加。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于一下所述：
实施例1
如图1和图2所示，一种LC谐振式眼压监测传感器，该LC谐振式眼压监测传感器包括下封装层1、电容下极板2、介质层3、电容上极板4、电感线圈5、上封装层6；
所述电容下极板2、介质层3、电容上极板4、电感线圈5位于下封装层1和上封装层6之间；
所述电容上极板4为一圆环，圆环的外端面上均匀分布有凸起结构，凸起结构的数量为6-9个，凸起结构为半圆形、花瓣形、三角形、梯形；
所述电感线圈5位于电容上极板4的圆环内且电感线圈5的一端与电容上极板4的圆环通过银浆连接；
所述电感线圈5的匝数为3-4匝，每匝的宽度为200-300μm，每匝之间的间距为200-300μm；
所述电容下极板2与电容上极板4形状尺寸一致；
所述电容下极板2和电容上极板4均为MXene材料；
所述电容下极板2的圆环与电感线圈5的另一端通过银浆连接；
所述介质层3为一圆环，且该圆环的表面上均匀分布有凹槽，凹槽的直径为2.5-3μm，凹槽的深度为1.2-1.5μm；凹槽之间的间距为3-4μm；
所述介质层3的材质为P(VDF-TrFE)；
所述介质层3的圆环的内径与电容上极板4的圆环的内径尺寸一致；介质层3的圆环的外径为d，电容上极板4的圆环外端面上凸起结构的最顶端到电容上极板4的圆环中心点的距离为d；
所述介质层3位于电容下极板2和电容上极板4之间；
所述下封装层1和上封装层6均为PDMS圆板。
一种LC谐振式眼压监测传感器的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)介质薄膜的制备
首先配置质量分数为20％的P(VDF-TrFE)溶液，溶剂为DMF。使用旋涂机在模板(倒模采用的模板材质为蓝宝石，表面具有一层直径2.7μm，高1.5μm的微球结构)表面均匀旋涂一层P(VDF-TrFE)溶液，涂时采用的转速和时间分别为1500rpm和20s，随后在90℃下加热5min。由于P(VDF-TrFE)的疏水性，加水撕下后得到具有表面微结构的P(VDF-TrFE)介质薄膜；
(2)LC谐振式眼压传感器的制备
准备500μL的2mg/mL的Ti3C2Tx-MXene水溶液加入喷枪，将P(VDF-TrFE)介质薄膜固定在模具上，PET掩模版与薄膜对准，在等离子体表面处理机中处理10min，以提高P(VDF-TrFE)介质薄膜的亲水性。随后在65℃下喷涂Ti3C2Tx-MXene材料，得到图1中的电容极板2和电容极板4。图3展示了单独制备的不同形状的传感器电容实物图。之后利用激光打标技术在铝箔上打标出电感线圈，如图1中5所示。使用导电银浆将电极引脚和电感线圈的引脚连接，形成一个完整的LC回路。
制备好的器件使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装，在90℃下固化20min。随后使用定制的金属模具将封装好的器件热压成型，在160℃下加热30min，得到可以实际佩戴在眼睛中的LC谐振式眼压传感器。
性能测试：
将成型的眼压传感器固定在眼球模具上，通过步进电机控制液面的高度，进而控制模具内部压力值。使用LCR测试仪测量电容，测试仪连接电容的两个电极，控制压力以9mmHg为步长增加，测得电容-眼压数据如图4所示，根据图4可知当眼压呈阶梯状变化时，电容也随着眼压值进行阶梯状变化，说明传感器敏感电容能准确反应眼压的变化；
自制单匝粗铜线圈作为外部的读取线圈，将其连接在便携式矢量网络分析仪上，读取线圈与传感器之间的距离在1cm内，读取传感器LC回路的谐振频率，控制压力以10mmHg为步长增加，测量结果如图5所示，根据图5可知在0-40mmHg的范围内，随着眼压逐渐升高，传感器电路的谐振频率逐渐降低，说明传感器的谐振频率能准确反应眼压的变化。
一种LC谐振式眼压监测传感器的应用，且设定当为有意识眨眼时，4s内眨眼1次代表左转，眨眼2次代表右转，眨眼3次代表加速，眨眼4次代表减速，眼睛常闭代表系统关闭，持续时长阈值为500ms；
步骤为：
步骤1，患者将LC谐振式眼压传感器佩戴在角膜上，并佩戴智能眼镜，依据实际路况产生不同的有意识眨眼行为；
步骤2，微处理器获取读取线圈反射系数S11，并根据获取的反射系数S11获得传感器电路的谐振频率，再根据谐振频率得到佩戴者的眼压为30mmHg，持续时间为700ms，判定佩戴者有意识眨眼，并且4s内仅有一次有意识眨眼行为，将有意识眨眼的信号输出给通讯模块；
步骤3，通讯模块将接收到的有意识眨眼的信号输出给信号处理模块；
步骤4，信号处理模块将接收到的有意识眨眼的信号转换为驱动指令后输出给驱动模块；
步骤5，驱动模块根据接收到的驱动指令控制车轮的进行左转。
实施例2
一种LC谐振式眼压监测传感器的应用，步骤为：
步骤1，患者将LC谐振式眼压传感器佩戴在角膜上，并佩戴智能眼镜，依据实际路况产生不同的有意识眨眼行为；
步骤2，微处理器获取读取线圈反射系数S11，并根据获取的反射系数S11获得传感器电路的谐振频率，再根据谐振频率得到佩戴者的眼压为30mmHg，持续时间为200ms，判定佩戴者无意识眨眼，并且将无意识眨眼的信号输出给通讯模块；
步骤3，通讯模块将接收到的有意识眨眼的信号输出给信号处理模块；
步骤4，信号处理模块将接收到的有意识眨眼的信号转换为驱动指令后输出给驱动模块；
步骤5，驱动模块根据接收到的驱动指令控制车轮持续之前的行为。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LC谐振式眼压监测传感器，其特征在于：
该LC谐振式眼压监测传感器包括下封装层、电容下极板、介质层、电容上极板、电感线圈、上封装层；
所述电容下极板、介质层、电容上极板、电感线圈位于下封装层和上封装层之间；
所述电容上极板为一圆环，圆环的外端面上均匀分布有凸起结构；
所述电感线圈位于电容上极板的圆环内且电感线圈的一端与电容上极板的圆环通过银浆连接；
所述电容下极板与电容上极板形状尺寸一致；
所述电容下极板的圆环与电感线圈的另一端通过银浆连接；
所述介质层为一圆环，且该圆环的表面上均匀分布有凹槽；
所述介质层的圆环的内径与电容上极板的圆环的内径尺寸一致；介质层的圆环的外径为d，电容上极板的圆环外端面上凸起结构的最顶端到电容上极板的圆环中心点的距离为d；
所述介质层位于电容下极板和电容上极板之间。
2.根据权利要求1所述的一种LC谐振式眼压监测传感器，其特征在于：
所述电容上极板的凸起结构的数量为6-9个，凸起结构为半圆形、花瓣形、三角形或梯形。
3.根据权利要求1所述的一种LC谐振式眼压监测传感器，其特征在于：
所述电感线圈的匝数为3-4匝，每匝的宽度为200-300μm，每匝之间的间距为200-300μm。
4.根据权利要求1所述的一种LC谐振式眼压监测传感器，其特征在于：
所述电容下极板和电容上极板均为MXene材料。
5.根据权利要求1所述的一种LC谐振式眼压监测传感器，其特征在于：
所述介质层的凹槽的直径为2.5-3μm，凹槽的深度为1.2-1.5μm；凹槽之间的间距为3-4μm。
6.根据权利要求1所述的一种LC谐振式眼压监测传感器，其特征在于：
所述介质层的材质为P(VDF-TrFE)；
所述下封装层和上封装层均为PDMS圆板。
7.一种LC谐振式眼压监测传感器的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：
第一步，使用倒模法制备介质薄膜，再将介质薄膜进行等离子体处理；
第二步，利用PET掩模版在经过等离子体处理后的介质薄膜的一面喷涂MXene材料得到电容下极板，最后在介质薄膜的另一面喷涂MXene材料得到电容上极板；
第三步，利用激光打标铝箔得到电感线圈；
第四步，将第三步得到的电感线圈放置到电容上极板的圆环内，且通过银浆将电感线圈的一端与电容上极板的圆环连接，再将电感线圈的另一端与电容下极板的圆环通过银浆连接，得到组合件；
第五步，将第四步得到的组合件通过下封装层和上封装层进行封装；
第六步，将第五步封装后的器件进行热压成型，热压成型温度为150-160℃，热压成型时间为20-30min，得到LC谐振式眼压监测传感器。
8.根据权利要求7所述的一种LC谐振式眼压监测传感器的制备方法，其特征在于：
所述第一步中，使用质量分数为20％的P(VDF-TrFE)的DMF溶液制备介质薄膜，制备介质薄膜的温度为80-90℃，加热时间为3-6min，制备介质薄膜时采用的模板材质为蓝宝石，蓝宝石表面具有一层与凹槽相匹配的微球结构；制备介质薄膜时转速为1500rpm，时间为20s。
9.根据权利要求7所述的一种LC谐振式眼压监测传感器的制备方法，其特征在于：
所述第二步中，喷涂时温度为60-70℃，喷涂距离为25-30cm；
所述第二步中，MXene材料的浓度为2mg/mL，用量为500μL。
10.根据权利要求7所述的一种LC谐振式眼压监测传感器的制备方法，其特征在于：
所述第五步中，使用聚二甲基硅氧烷进行封装，聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量配比为1：10，聚二甲基硅氧烷和固化剂混合后静置4小时去除气泡，然后在90-100℃下固化20-30min；
所述第六步中，将封装好的器件从玻璃片上取下，放在铜质金属模具进行热压成型。
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CN120760895A (zh) * 2025-09-05 2025-10-10 北京航空航天大学 一种用于监测人体生理信号的lc传感器及智慧隐形牙套

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