CN104266780B - 一种可测量法向和切向力的柔性力传感器 - Google Patents
一种可测量法向和切向力的柔性力传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种可测量法向和切向力的柔性力传感器，包括柔性力敏感单元以及与其电连接的检测电路单元，所述柔性力敏感单元由上柔性电极板层、下柔性电极板层以及位于所述上柔性电极板层与下柔性电极板层之间的柔性支架层组成；所述柔性支架层由带有空隙的柔性支撑体以及位于所述柔性支撑体空隙中的填充气体组成。本发明的柔性力传感器采用柔性支架层替代传统的实心介电层，有效提高了传感器受力时的电容变化值，显著改善了力测量灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及物理测量仪器技术领域，具体是一种可测量法向和切向力的柔性力传感器。
背景技术
力学传感器是将各种力学测量量转换为电信号的传感器件，广泛应用于生产、生活中的各个方面。而且随着便携电子装置、可穿戴设备、智能机器人等机电装置的快速发展，具有体积小、重量轻、低功耗和高可靠性等优点的微小型传感器开始大量应用。
电容式力学传感器将检测到的力学量转换为电容测量值，具有结构简单、灵敏度高、测量范围大、动态响应时间短和稳定性好等一系列优点，是目前力学传感器发展的热点。根据制作材料的性质，电容式力学传感器可分为全固态、半固态和柔性结构，其中柔性结构可应用于触觉传感器、机器人皮肤等需要适当弹性或匹配复杂外形的环境，因而具有更广泛的适用性。
目前的电容式力学传感器大多数为全固态或半固态结构，基于柔性结构的设计甚少。中国专利CN101059380B公开了一种柔性电容式触觉传感器的制作方法，利用PDMS中间层、柔性PI衬底和图形化的金属薄膜电极制备了一种可感受法向力和切向力的柔性触觉传感器；中国专利申请CN103424214A公开了一种柔性电容式触觉传感器及其柔性电容单元的制备方法，通过相互交错的三对异形结构的柔性电极板和柔性介电层实现了三维力的检测。但是，上述两份文件中涉及的介电层均为实心填充结构，不利于电极板之间的相对位移，导致测量的灵敏度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可测量法向和切向力的柔性力传感器，采用柔性支架层替代传统的实心介电层，有效提高测量灵敏度。
本发明的技术方案为：
一种可测量法向和切向力的柔性力传感器，包括柔性力敏感单元以及与其电连接的检测电路单元，所述柔性力敏感单元由上柔性电极板层、下柔性电极板层以及位于所述上柔性电极板层与下柔性电极板层之间的柔性支架层组成；所述柔性支架层由带有空隙的柔性支撑体以及位于所述柔性支撑体空隙中的填充气体组成。
所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，所述柔性支撑体为若干相互平行且均匀分布的柔性支撑柱，所述柔性支撑柱采用柔性柱状硅橡胶材料制成。
所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，所述柔性支撑体为柔性多孔结构的支撑块，所述柔性多孔结构的支撑块采用柔性多孔硅橡胶材料制成。
所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，所述柔性支撑体占柔性支架层空间的比例为30%～70%。
所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，所述填充气体为空气、氮气、惰性气体三者之一。
所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，所述上柔性电极板层和下柔性电极板层为平板状电极，所述平板状电极采用柔性导电橡胶或者以柔性硅橡胶材料为基体表面镀上导电层制成。
所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，所述柔性支架层分别与上柔性电极板层和下柔性电极板层通过粘合剂粘接在一起，或者浇筑成一体。
所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，所述检测电路单元由柔性封包层以及埋置于柔性封包层中的电子元件和柔性导线组成；所述柔性封包层设置于下柔性电极板层的底部正下方，其上开设有通孔，所述通孔中灌注有导电胶水，所述电子元件通过导电胶水与下柔性电极板层电连接。
所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，所述柔性封包层采用柔性硅橡胶材料制成。
由上述技术方案可知，本发明的柔性力传感器采用柔性支架层替代传统的实心介电层，有效提高了传感器受力时的电容变化值，显著改善了力测量灵敏度，同时将检测电路单元设置在柔性力敏感单元的底部正下方，使整个传感器结构紧凑，易于使用。
附图说明
图1是本发明具体实施例的结构示意图；
图2是本发明具体实施例的结构分解示意图；
图3是本发明具体实施例的电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
如图1～图2所示，一种可测量法向和切向力的柔性力传感器，包括柔性力敏感单元和检测电路单元。柔性力敏感单元从上至下依次为上柔性电极板层1、柔性支架层2和下柔性电极板层3。上柔性电极板层1和下柔性电极板层3是由柔性导电橡胶或者以柔性硅橡胶材料为基体表面镀上导电层制成的平板状电极。柔性支架层2由带有空隙的柔性支撑体以及位于柔性支撑体空隙中的填充气体组成。柔性支撑体占柔性支架层空间的比例为30%～70%，其余部分以空气、氮气或惰性气体填充。
柔性支撑体可以为若干相互平行且均匀分布的柔性支撑柱（可采用圆柱或立方柱），这些柔性支撑柱采用柔性柱状硅橡胶材料制成，与上柔性电极板层1和下柔性电极板层3之间通过粘合剂粘接在一起，或者通过浇筑与上柔性电极板层1和下柔性电极板层3一体成型。依据实际需求可改变支撑柱的横截面积，调节柔性支撑体与填充气体的体积比，从而实现不同的传感器量程。
柔性支撑体也可以为柔性多孔结构的支撑块，该柔性多孔结构的支撑块采用柔性多孔硅橡胶材料制成，其上、下表面通过粘合剂分别与上柔性电极板层1和下柔性电极板层3粘接。柔性多孔结构的支撑块的内部孔洞与外部空间连通，依据实际需求可改变孔洞的直径，调节柔性支撑体与填充气体的体积比，从而实现不同的传感器量程。
检测电路单元位于下柔性电极板层3的正下方，整个传感器的底部，由柔性封包层4以及埋置于柔性封包层4中的电子元件和柔性导线组成，电子元件之间采用柔性导线电连接。柔性封包层4采用柔性硅橡胶材料制成，其上开设有通孔41，通孔41中灌注导电胶水实现埋置的电子元件与下柔性电极板层3电连接。检测电路单元底部引出四条导线42分别与电源端、输出端和接地端电连接。
如图3所示，可变电容C1代表本发明中的柔性力敏感单元，参比电容C2、电阻RL和有机场效应管均为检测电路单元中的电子元件，整体构成一个微型检测电路，有效降低了干扰信号。有机场效应管将可变电容C1即柔性力敏感单元的分压信号放大后输出至后级电路。
本发明的工作原理：
在使用过程中，当本发明的传感器受法向压力时，柔性支架层2被垂直挤压变形，由于柔性支架层2是易于变形的带有空隙的支架结构，因此上柔性电极板层1与下柔性电极板层3之间的距离变化比实心结构更显著；同时受力变形的柔性支架层2将空隙中的填充气体排出，减小了填充气体的体积占比，提高了整个柔性支架层2的介电常数，两种因素共同作用从而显著提高了传感器受法向压力时的电容变化值，实现对法向压力的高灵敏检测。当本发明的传感器受切向力时，柔性支架层2横向拉伸变形，由于柔性支架层2是易于变形的带有空隙的支架结构，上柔性电极板层1和下柔性电极板层3将比实心结构更易于横向移动，上柔性电极板层1与下柔性电极板层3之间的交错位移更显著，因而提高了传感器受切向力时的电容变化值，实现对切向力的高灵敏检测。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种可测量法向和切向力的柔性力传感器，包括柔性力敏感单元以及与其电连接的检测电路单元，其特征在于：所述柔性力敏感单元由上柔性电极板层、下柔性电极板层以及位于所述上柔性电极板层与下柔性电极板层之间的柔性支架层组成；所述柔性支架层由带有空隙的柔性支撑体以及位于所述柔性支撑体空隙中的填充气体组成。
2.根据权利要求1所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，其特征在于：所述柔性支撑体为若干相互平行且均匀分布的柔性支撑柱，所述柔性支撑柱采用柔性柱状硅橡胶材料制成。
3.根据权利要求1所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，其特征在于：所述柔性支撑体为柔性多孔结构的支撑块，所述柔性多孔结构的支撑块采用柔性多孔硅橡胶材料制成。
4.根据权利要求1所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，其特征在于：所述柔性支撑体占柔性支架层空间的比例为30%～70%。
5.根据权利要求1所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，其特征在于：所述填充气体为空气、氮气、惰性气体三者之一。
6.根据权利要求1所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，其特征在于：所述上柔性电极板层和下柔性电极板层为平板状电极，所述平板状电极采用柔性导电橡胶或者以柔性硅橡胶材料为基体表面镀上导电层制成。
7.根据权利要求1所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，其特征在于：所述柔性支架层分别与上柔性电极板层和下柔性电极板层通过粘合剂粘接在一起，或者浇筑成一体。
8.根据权利要求1所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，其特征在于：所述检测电路单元由柔性封包层以及埋置于柔性封包层中的电子元件和柔性导线组成；所述柔性封包层设置于下柔性电极板层的底部正下方，其上开设有通孔，所述通孔中灌注有导电胶水，所述电子元件通过导电胶水与下柔性电极板层电连接。
9.根据权利要求8所述的可测量法向和切向力的柔性力传感器，其特征在于：所述柔性封包层采用柔性硅橡胶材料制成。
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