CN104535227B - 压入式介电高弹体压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压入式介电高弹体压力传感器，由下至上依次包括基底、传感层和覆盖层；所述基底和覆盖层中，其中一者上设有容置孔，另外一者上设有与所述容置孔相配合以挤压传感层发生形变的凸柱；所述传感层为上、下表面均设有柔性电极的介电高弹体薄膜。本发明的压力传感器为压入式，在作为传感层的介电高弹体薄膜上设置覆盖层与基底，且令覆盖层和基底设有若干个用于使传感层发生形变的配合机构，可以实现用较小的压力产生较大的薄膜形变，从而实现传感器的高灵敏度。

Description

压入式介电高弹体压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种压入式介电高弹体压力传感器。

背景技术

传感器在生产生活中有着广泛的应用并占有极其重要的地位。它作为一种传感元件，是人们获取信息的主要媒介。压力传感器是一种通过传感元件感受外部压力信息，并将其转换为电信号的器件，在许多需要测量压力的工程领域发挥着极其重要的作用。例如应用在智能机器人四肢上的触觉传感器，用于测量座椅或是床垫上压力分布的传感器，或是用于对锅炉等高压设备内压力测量的传感器等。

根据工作原理的不同，压力传感器一般分为压电式，压阻式和电容式三种类型。目前，常见的压阻式传感器主要是以金属电阻丝为传感元件，这类传感器具有响应频率高，灵敏度高，精度高等优点，但它的缺点是制作复杂且易受温度影响。典型的压电式传感器以PVDP薄膜为敏感元件，这种传感器具有工作频段宽，灵敏度高等优点，但由于PVDP材料本身会随温度升高而发生退极化，因此这类传感器的性能也易受温度的影响。传统的电容式压力传感器的敏感元件主要为由敏感薄膜与平行电极组成的电容器。当受到外界压力作用时，电容器会发生变形,从而通过测量其电容变化来实现传感。这种传感器具有耗能低，灵敏度高，稳定等优点。介电高弹体是一种被称为活性软材料的功能性材料，这种材料在外加电场作用下会发生变形。若沿着介电高弹体薄膜厚度方向施加一电场，则薄膜的厚度会降低，相应地其表面积会增大。当电场消失后，其又会恢复到原来的构型。这种材料具有电致变形大(可高达380％)，机电转换效率高，能量密度大，质量轻等优点，常用于制作驱动器，能量采集器。另外，由于其具有大变形，抗疲劳与环境适应性好的特点，因此也是一种制作传感器的理想材料。

公开号为103954394A的中国专利申请“基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器及传感压力的方法”，公开了一种基于介电高弹聚合物的柔性压力传感器，该传感器包括介电高弹聚合物薄膜夹层，分别粘接在其上下表面的柔性驻极体正、负电极，分别夹于柔性驻极体正、负电极与介电高弹聚合物薄膜并由介电高弹聚合物薄膜侧面边缘引出的导电迹线，上、下绝缘支撑环将多层薄膜组成的夹心结构固定在其间；其传感压力的方法，利用分别带有一定量正负电荷的柔性驻极体电极提供极化电场，介电弹性聚合物薄膜在外部压力作用下发生曲面变形，电容随之改变，通过测量正负电极的电压可获得外部压力大小。但是由于需要较大压力才能引起形变，因此灵敏度不高。

文献“Novel Dielectric Elastomer Sensors for Compression LoadDetection”(Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)2014)公开了一种新型的基于介电高弹体的压力传感器，这种传感器包含了三层结构。它采用了上下层横截面为波浪型的一种设计，实现了将压力作用转化为其中间介电高弹体薄膜层的拉伸变形，从而实现了传感器的高灵敏度。但这种设计难以实现平面分布式的组合，从而达到测量平面分布压力的目的。若直接去按压覆盖有电极的介电高弹体薄膜，它的形变量是非常小的，如此小的形变量所导致的电容变化几乎是不可的检测的。因此，设计一种合理的结构，放大由外力所造成的介电高弹体薄膜的变形量，从而提高电容的变化量，成为制作基于介电高弹体传感器的关键。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种压入式介电高弹体压力传感器。

一种压入式介电高弹体压力传感器，由下至上依次包括基底、传感层和覆盖层；所述基底和覆盖层中，其中一者上设有容置孔，另外一者上设有与所述容置孔相配合以挤压传感层发生形变的凸柱；所述传感层为上、下表面均设有柔性电极的介电高弹体薄膜。

本发明的压力传感器为压入式，设计了一种三层结构，在作为传感层的介电高弹体薄膜上设置覆盖层，且令覆盖层和基底设有若干个用于使传感层发生形变的配合机构，可以实现用较小的压力产生较大的薄膜形变，从而实现传感器的高灵敏度。这种压入式介电高弹体压力传感器具有高温，高湿恶劣环境下工作的能力，灵敏度高，并且能量损耗小，容易实现高度的集成化，以及制备成本底，结构简单的特点。

本发明的压入式压力传感器可以根据不同的工况，来灵活地调整介电高弹体薄膜材料与其表面柔性电极的组合，以及覆盖在其外表面的两层结构(基底和覆盖层)的材料，来满足实际要求。

本发明中柔性电极可以采用碳膏。

介电高弹体薄膜上、下表面的柔性电极可以为整体，此时能够实现大面积传感，有利于提高传感灵敏度。在实际应用时将上、下表面的柔性电极分别连接至外加的电容测量装置的端口，所述的电容测量装置用于感应电容变化，从而得到传感器所受到的压力变化。

传感薄膜上的每一个变形单元称为传感单元。若传感层上的传感单元串连在一起，接入一个电容测量端，此时传感器用于测量其表面所受到的压力值。若传感单元分别引出到独立的电容测试端口，此时传感器可以感知其表面上的压力分布情况民，即实现测量分布式压力，这相当于将多个传感器集成到一个平面上。

作为优选，所述容置孔设置在基底上且贯通基底，所述凸柱位于覆盖层朝向基底的一侧。如此设计形成通孔，在压力较小时传感层薄膜(即传感层)也可以发生较大的形变，且形变后易于恢复，大大提高了压力传感器的灵敏度。

压入式介电高弹体压力传感器最外两层，即基底层与覆盖层，设计成可以相互嵌入的结构。基底层上排列有相同形状的容置孔，覆盖层上对应排列有相同形状的凸柱，容置孔与凸柱都可以是任何形状的多面体，只要能够保证当这些结构彼此嵌入时，在它们之间留有足够的空间即可。

上表面的柔性电极覆盖整个介电高弹体薄膜，且设有若干个与所述凸柱一一对应的镂空区域。

本发明的压力传感器的各层通过粘合形成一个整体。传感层的上、下表面分别粘在基底与覆盖层上。底层的一个镂空区域，覆盖层的一个凸柱，以及它们之间涂有电极的介电高弹体薄膜组成一个传感结构。

其中镂空区域作为传感层与覆盖层和基底的结合处。相应的保证与基底的粘合度，下表面的柔性电极上设有若干个镂空区域，当容置孔贯穿整个基底时，镂空区域不能与容置孔的位置相对。

为实现对分布式压力的测量，作为优选，所述柔性电极的覆盖区域为环形，环形的中心区域与所述凸柱位置相对。即所述介电高弹体薄膜上、下表面的柔性电极覆盖区域为与所述的配合机构一一对应的独立区域，即形成独立的传感结构。如此设计，每个独立的传感结构即可作为一个独立的传感器，可以分别独立感应压力，使用时每个独立传感结构均设有各自的电容测量装置，该独立传感结构中的传感器上、下表面的柔性电极分别与电容测量装置中相应的测量端口连接。

所述的高弹聚合物传感层薄膜可以直接粘在上下两层之间，也可以先进行一定的预拉伸(沿着薄膜平面的两个垂直方向上进行等比双轴预拉伸)，然后在有预拉伸的状态下粘在两层之间。这种操作可以调节传感器的灵敏度，并且可以调节在相同的压力下，传感薄膜层的变形量。作为优选，对于一般的硅胶材料(一种介电高弹体)，预拉伸值只要不超过薄膜的极限强度即可，作为优选，所述介电高弹体薄膜的双轴预拉伸值为100～150％。最优的，所述介电高弹体薄膜，的预拉伸值为120％。

所述的高弹聚合物传感层薄膜可以根据实际的工况与要求，改变薄膜的厚度。越厚，则可测量载荷越大。越薄，可测量载荷越小，灵敏度越高。作为优选，所述介电高弹体薄膜的厚度小于0.5mm。考虑到可实施性，作为优选，所述介电高弹体薄膜的厚度为0.05～0.2mm，最优的，所述介电高弹体薄膜的厚度为0.1mm。

为实现压力传感器的全柔性设计，作为优选，所述基底和覆盖层为柔性材质。相应的，为了保证在压力作用下，覆盖层上的凸柱能够使介电高弹体薄膜变形，而本身不至于发生弯曲变形，所述基底和覆盖层的刚度大于所述介电高弹体薄膜的刚度。

具体实现时，传感器三层结构所用的材质，可以根据不同的工况，选择不同的材料：

针对介电高弹体薄膜：在压力变化比较缓慢的场合，宜选择聚丙烯酸薄膜；在环境温度较高的工作环境下，宜选择硅橡胶薄膜，在压力比较大的场合，宜选用丙烯酸吡咯酮乙酯薄膜，在油性工作场合下可以选择矛氨酯。

针对基底和覆盖层，可以采用硬质材料制作，实现传统的硬质压力传感器，该硬质材料可以采用不导电的塑料。也可以采用软质材料，如前所述，以实现传感器的全柔性设计。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

结构简单，材料选择灵活，且可任意调整传感器的参数，以适应不同的工况要求；

电容的测量电压低，降低了设备的功耗，减少了发热，有利于长时间工作，实时监控；

可以将传感器制作成全柔性的传感器，完美贴合复杂曲面，以达到对复杂曲面表面压力监测。也可以采用硬质材料加高弹体传感层薄膜材料的组合，以实现传统压力传感器的功能；

基于这种新型传感器的结构设计，可以很轻松地实现传感的离散化，即一个传感器上分布许多独立传感的单元，从而实现对分布式压力的测量。

附图说明

图1为本实施例的压入式介电高弹体压力传感器的结构示意图；

图2为传感层的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本实施例中压入式介电高弹体压力传感器，由下至上依次包括基底3、传感层2和覆盖层1。

基底3上设有贯通基底3的容置孔4；覆盖层1朝向基底3的一侧设有与容置孔4相配合以挤压传感层2发生形变的凸柱5。

本实施例中容置孔4和凸柱5均为圆形(即圆柱形)结构。容置孔4的孔径(半径)为20mm，且凸柱5的高度与基底3的厚度相等(即等于容置孔4的深度)。

本实施例中基底3和覆盖层1的材质均为硅胶，大小为200×200mm，基底3的厚度为10mm，覆盖层1的厚度为4mm。本实施例中，基底3与覆盖层1采用铸模成型的方式加工而成。

传感层2为硅胶薄膜，在没有预拉伸的条件下厚度为0.1mm，长宽都为200mm。

本实施例中压力传感器中传感层的硅胶薄膜的双轴预拉伸值为120％，具体沿着薄膜平面的两个垂直方向上进行120％的等比双轴预拉伸，然后粘贴在基底层上，再在薄膜上的变形区域上、下表面涂上电极(此处为圆环形状，内径为覆盖层上凸起圆环的半径，外径为基底上圆柱孔的半径)，最后再粘贴上覆盖层。

传感层2的上、下表面均涂有柔性电极，本实施例中柔性电极由碳膏制备得到，厚度约为0.05mm。上、下表面的柔性电极的覆盖区域均为环形即环形区域6，环形的中心区域与凸柱位置相对。具体如图2所示，上、下表面的环形区域与基底3上的容置孔4与覆盖层1上的凸柱一一对应，且每个柔性电极的覆盖区域对应的环形区域6，任意两个环形区域均不连接，该环形区域6中外环的半径为20mm，内环的半径为2.5mm。

制备时先将硅胶薄膜在薄膜平面的两个垂直方向上进行120％的等比双轴预拉伸，粘贴在基底层上，然后再涂上环形柔性电极，最后将覆盖层粘贴在传感层上，即凸起粘接在上述圆环形电极的中心。粘接剂采用硅胶胶水。

本实施例的压力传感器的传感原理如下：

介电高弹体薄膜上下表面涂上柔性电极后，组成了一个简单的平行板电容器，已知电容的计算公式为：

C＝εS/H，

其中，S,H分别为电容器的表面积与厚度。此时，表面积为柔性电极的面积，厚度为介电高弹体薄膜(即硅胶薄膜)的厚度。

当硅胶薄膜受压力作用发生形变时，其面积会增大，厚度会相应地减少，从而导致电容变大实现传感。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种压入式介电高弹体压力传感器，其特征在于，由下至上依次包括基底、传感层和覆盖层；所述基底和覆盖层中，其中一者上设有容置孔，另外一者上设有与所述容置孔相配合以挤压传感层发生形变的凸柱；所述传感层为上、下表面均设有柔性电极的介电高弹体薄膜；

所述介电高弹体薄膜的等比双轴预拉伸值为100～200％；

所述柔性电极的覆盖区域为环形，环形的中心区域与所述凸柱位置相对；

所述的柔性电极覆盖介电高弹体薄膜，且设有若干个与所述凸柱相对的镂空区域。

2.如权利要求1所述的压入式介电高弹体压力传感器，其特征在于，所述容置孔设置在基底上且贯通基底，所述凸柱位于覆盖层朝向基底的一侧。

3.如权利要求2所述的压入式介电高弹体压力传感器，其特征在于，所述介电高弹体薄膜的厚度为0.05mm～0.5mm。

4.如权利要求1所述的压入式介电高弹体压力传感器，其特征在于，所述基底和覆盖层为柔性材质。

5.如权利要求4所述的压入式介电高弹体压力传感器，其特征在于，所述基底和覆盖层的刚度大于所述介电高弹体薄膜的刚度。