CN104931164A

CN104931164A - 柔性拉力传感器

Info

Publication number: CN104931164A
Application number: CN201410103641.XA
Authority: CN
Inventors: 张珽; 谷文; 刘瑞
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: CN104931164B

Abstract

本申请公开了一种柔性拉力传感器，用以检测第一方向的拉力，包括柔性衬底以及形成于所述柔性衬底上的检测电路，所述检测电路呈惠斯通电桥状，包括沿第一方向延伸的第一电桥和第二电桥、以及平行设置的第三电桥和第四电桥，所述第一电桥和第二电桥设有半导体电阻，所述第三电桥和第四电桥设有固定电阻。本发明的柔性拉力传感器线性度好、精度高、易于批量化阵列化生产。

Description

柔性拉力传感器

技术领域

本申请属于传感器领域，特别是涉及一种柔性拉力传感器。

背景技术

现有技术中，拉力传感器的衬底通常采用硅基材料，由于其柔性差，无法对凹凸的平面进行测量，另外，采用表面硅或体硅或两者结合的工艺，以制作多层结构的拉力传感器，工艺的复杂度高、成本高。而且，现有技术中拉力传感器的线性度差，灵敏度也无法满足实际需求，在柔性电子以及可穿戴设备领域应用受限。

发明内容

本发明的目的提供一种柔性拉力传感器，解决现有技术中线性度差、灵敏度无法提升、成本高、工艺复杂、柔性电子领域无法适用等缺点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种柔性拉力传感器，用以检测第一方向的拉力，包括柔性衬底以及形成于所述柔性衬底上的检测电路，所述检测电路呈惠斯通电桥状，包括沿第一方向延伸的第一电桥和第二电桥、以及平行设置的第三电桥和第四电桥，所述第一电桥和第二电桥设有半导体电阻，所述第三电桥和第四电桥设有固定电阻。

优选的，在上述的柔性拉力传感器中，所述第一电桥和第二电桥中设有相同数量的半导体电阻，所述第一电桥和第二电桥中的半导体电阻沿垂直第一方向的方向上对应设置。

优选的，在上述的柔性拉力传感器中，所述柔性衬底的材质为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

优选的，在上述的柔性拉力传感器中，所述固定电阻选自金属型碳纳米管、银纳米线或银浆。

优选的，在上述的柔性拉力传感器中，所述半导体电阻选自半导体型碳纳米管或石墨烯。

优选的，在上述的柔性拉力传感器中，所述第一电桥和第二电桥包括由电路引线串联的多个半导体电阻，所述第三电桥和第四电桥包括由电路引线串联的多个固定电阻，所述电路引线的材质选自银纳米线或银浆、铝或金。

优选的，在上述的柔性拉力传感器中，所述第一电桥和第三电桥之间、以及第二电桥和第四电桥之间设有测试电极；所述第一电桥和第四电桥之间、以及第二电桥与第三电桥之间设有输入电极，所述测试电极和输入电极的材质选自银浆、铝或金。

优选的，在上述的柔性拉力传感器中，所述第三电桥和第四电桥中设有相同数量的固定电阻。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）、本发明利用柔性衬底可拉伸以及柔软性好的特性，将其应用于拉力传感器，可实现对非平面结构的拉力检测；

（2）、柔性衬底上的检测电路设计为惠斯通电桥式，其中两个电桥上的电阻为固定电阻，另外两个电桥上电阻为可形变的电阻，可形变的电阻在柔性衬底拉伸的情况下被拉伸，从而导致电阻变化，通过电阻变化以实现对拉力的检测，具有更好的线性度以及灵敏度；

（3）检测电路可以通过印刷方式打印于柔性衬底上，工艺简单、成本低，可实现批量化生产，以及适用于柔性电子和可穿戴设备领域。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中柔性拉力传感器的结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例中对柔性拉力传感器检测原理进行分析的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参图1所示，柔性拉力传感器包括柔性衬底1，柔性衬底1的材质采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺（PI）、聚氯乙烯（PVC）或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。柔性衬底1通过旋涂的方式可以得到不同厚度的衬底材料。

本发明的柔性衬底具有良好的抗冲击能力、挠曲性及机械性，可以实现弯曲和拉伸。

柔性拉力传感器还包括形成于柔性衬底1上的检测电路，检测电路呈惠斯通电桥状，包括沿平行第一方向延伸的第一电桥2和第二电桥3，以及平行设置的第三电桥4和第四电桥5，第三电桥4和第四电桥5优选垂直第一方向延伸。

第一电桥2和第二电桥3分别包括由电路引线6串联的多个半导体电阻7，第一电桥2和第二电桥3中半导体电阻7的数量相同，且第一电桥2和第二电桥3中半导体电阻7沿垂直第一方向的方向上一一对应。当柔性拉力传感器在第一方向上产生拉力形变时，第一电桥2和第二电桥3中电阻所产生的形变量相同。

半导体电阻7可以产生形变，用以实现在第一方向上形变的检测。半导体电阻7的材质优选自半导体型碳纳米管或石墨烯。

电路引线6的材质优选自银纳米线或银浆、铝或金。

易于想到的是，第一电桥2和第二电桥3中还可以采用固定电阻与半导体电阻组合的方式，第一电桥2和第二电桥3中半导体电阻的数量也可以不同。

第三电桥4和第四电桥5中优选设有数量相同的固定电阻8，固定电阻8不易发生形变，在柔性拉力传感器进行拉力测试的时候，固定电阻8的阻值是不变的。固定电阻8的材质优选自金属型碳纳米管、银纳米线或银浆。在其他实施例中，第三电桥4和第四电桥5中的固定电阻也可以为不同的数量。

第一电桥2和第三电桥4之间、以及第二电桥3和第四电桥5之间设有测试电极9，第一电桥2和第四电桥5之间、以及第二电桥3与第三电桥4之间设有输入电极10，测试电极9和输入电极10的材质优选自银浆、铝或金。

测试电极9、输入电极10、电路引线6、固定电阻8、半导体电阻7采用打印、印刷或者它们结合的方式固定至柔性衬底1上，然后在其表面涂覆一层柔性覆盖层（材料不一定必须与柔性衬底相同），柔性覆盖层可以选自聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺（PI）、聚氯乙烯（PVC）或聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。特别说明的是，可以在有模型和图案结构的模板上，翻模图形结构制作柔性衬底1，从而柔性衬底1带有模型和图案结构。模型和图案结构优选为微米级金字塔结构阵列、叉齿结构阵列以及锯齿形结构阵列，通过翻模这些微结构，可使传感器的灵敏度进一步提升。

采用打印、印刷方式，具备快速、低成本、柔性化、大面积、绿色环保等优点。

在输入电极10上输入固定电压，在有拉力作用于柔性衬底1后，柔性衬底1被拉伸变形带动其上面的半导体电阻7的变形，由于半导体电阻7形变其阻值会发生变化，进而引起测试电极9上测量的电压或者电流的变化，从而实现对拉力的检测。

以下通过图2对上述柔性拉力传感器的检测原理进行说明，为了便于说明，每个电桥上仅设置一个电阻，分别为R₁、R₂、R₃和R₄，其中R₂和R₃为固定电阻，R₁和R₄为半导体电阻，电极B之间的输入电压为U₀，电极A之间的输出电压为U_x，U₁是输入电压U₀经过R₁、R₂电桥中半导体R₁电阻后的电压，U₂是输入电压U₀经过R₃、R₄电桥中固定电阻R₃后的电压。

那么对电路进行公式推导有：

U_{1} = \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}} U_{0} = \frac{1}{1 + \frac{R_{2}}{R_{1}}} U_{0}

式1

U_{2} = \frac{R_{3}}{R_{3} + R_{4}} U_{0} = \frac{1}{1 + \frac{R_{4}}{R_{3}}} U_{0}

式2

实际上输出电压U_x就是U₁与U₂之间的压差，固有：

U_{x} = U_{1} - U_{2} = [\frac{1}{1 + \frac{R_{2}}{R_{1}}} - \frac{1}{1 + \frac{R_{4}}{R_{3}}}] U_{0}

式3

因为半导体电阻R₁、R₄在受到拉力的作用下，阻值是同时增加或者减小，以同时增加为例说明。若R₁和R₄同时增加，那么U₁增大，U₂减小，根据式3那么U_x变化的更大，通过其变化幅度以实现对拉力的检测，同时具有较高的灵敏度。

本发明的柔性拉力传感器可以应用于柔性电子、可穿戴设备领域。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种柔性拉力传感器，用以检测第一方向的拉力，其特征在于，包括柔性衬底以及形成于所述柔性衬底上的检测电路，所述检测电路呈惠斯通电桥状，包括沿第一方向延伸的第一电桥和第二电桥、以及平行设置的第三电桥和第四电桥，所述第一电桥和第二电桥设有半导体电阻，所述第三电桥和第四电桥设有固定电阻。

2.根据权利要求1所述的柔性拉力传感器，其特征在于：所述第一电桥和第二电桥中设有相同数量的半导体电阻，所述第一电桥和第二电桥中的半导体电阻沿垂直第一方向的方向上对应设置。

3.根据权利要求1所述的柔性拉力传感器，其特征在于：所述柔性衬底的材质为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

4.根据权利要求1所述的柔性拉力传感器，其特征在于：所述固定电阻选自金属型碳纳米管、银纳米线或银浆。

5.根据权利要求1所述的柔性拉力传感器，其特征在于：所述半导体电阻选自半导体型碳纳米管或石墨烯。

6.根据权利要求1所述的柔性拉力传感器，其特征在于:所述第一电桥和第二电桥包括由电路引线串联的多个半导体电阻，所述第三电桥和第四电桥包括由电路引线串联的多个固定电阻，所述电路引线的材质选自银纳米线或银浆、铝或金。

7.根据权利要求1所述的柔性拉力传感器，其特征在于：所述第一电桥和第三电桥之间、以及第二电桥和第四电桥之间设有测试电极；所述第一电桥和第四电桥之间、以及第二电桥与第三电桥之间设有输入电极，所述测试电极和输入电极的材质选自银浆、铝或金。

8.根据权利要求1所述的柔性拉力传感器，其特征在于：所述第三电桥和第四电桥中设有相同数量的固定电阻。