CN105841851A - 柔性压力传感器及其制造方法及柔性压力传感阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性压力传感器及其制造方法及柔性压力传感阵列，所述柔性压力传感器包括：弹性主体，用于根据外部压力产生形变；以及附着在所述弹性主体外侧的织物应变传感器。所述织物应变传感器包括：导电涂层，涂覆于基底层并紧贴所述弹性主体，所述导电涂层用于感应所述形变并根据所述形变对应形成电阻变化；针织布基底层，用于支撑所述导电涂层；柔性导线，连接所述导电涂层并用于输出所述电阻变化；以及涂覆所述导电涂层表面的保护层，所述保护层用于确保所述导电涂层的均一形变以及减轻所述导电涂层各部分的感应差异。

Description

柔性压力传感器及其制造方法及柔性压力传感阵列

技术领域

本发明涉及压力传感领域，更具体地说，涉及一种对机械应力敏感的柔性压力传感器及其制造方法及柔性压力传感阵列。

背景技术

压力传感器无论在工业领域还是个人使用领域都有着广泛的应用。例如电位检测传感器、诱导传感器、电容型传感器、压电型传感器、压阻型传感器、光学传感器、流体传感器以及应变传感器等多种压力传感技术在各个领域得到了长足的发展。但是这些压力传感器普遍尺寸较大，硬度较大，且易受损，适用范围交小。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述传统压力传感器硬度高、尺寸大易受损且适用面窄的缺陷，提供一种柔性压力传感器及其制造方法及柔性压力传感阵列。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种柔性压力传感器，包括：弹性主体，用于根据外部压力产生形变；以及附着在所述弹性主体外侧的织物应变传感器，其中：

所述织物应变传感器包括：

导电涂层：涂覆于基底层并紧贴所述弹性主体，所述导电涂层用于感应所述形变并根据所述形变对应形成电阻变化；

针织布基底层；用于支撑所述导电涂层；

固定织物层：用于加固所述柔性导线并界定所述织物应变传感器的可拉伸区域；

柔性导线：连接所述导电涂层并用于输出所述电阻变化；

以及涂覆与所述针织布基底层背离所述弹性主体的外侧面上对应于所述导电涂层的位置处的保护层，所述保护层用于确保所述导电涂层的均一形变以及减轻所述导电涂层各部分的感应差异。

本发明所述的柔性压力传感器中，所述针织布基底层两端缝合成圈包围在所述弹性主体外周，所述针织布基底层上与所述导电涂层两侧相邻位置处对应所述柔性导线贴附有固定织物层，所述固定织物层用于保护所述柔性导线且所述固定织物层的弹性模量大于所述导电涂层及所述针织布基底层的弹性模量。

本发明所述的柔性压力传感器中，所述织物应变传感器附着在所述弹性主体的赤道位置处的外侧壁上。

本发明所述的柔性压力传感器中，所述针织布基底层沿所述弹性主体径向与所述导电涂层正对的位置处通过硅胶与所述弹性主体固定胶接。

本发明所述的柔性压力传感器中，所述弹性主体具有圆形、椭圆形、方形或矩形的横截面。

本发明所述的柔性压力传感器中，所述弹性主体由硅胶、聚烯烃和/或聚亚安酯制成。

本发明所述的柔性压力传感器中，所述柔性压力传感器还包括：

连接到所述柔性导线的压力读取装置，用于将所述电阻变化转换为压力或压强数值输出。

本发明所述的柔性压力传感器中，所述柔性导线的一端通过导电胶在所述织物应变传感器上与所述导电涂层形成稳定的电连接，所述柔性导线的另一端与所述压力读取装置电连接。

进一步地，本发明还提供了一种柔性压力传感器的制造方法，所述柔性压力传感器为上述的压力传感器，所述方法包括：

S1、构造所述弹性主体，所述弹性主体于根据外部压力产生形变；以及附着在所述弹性主体外侧的织物应变传感器：

在针织布基底层上涂覆导电复合物形成导电涂层；

紧邻导电涂层位置处缝合固定柔性导线，并通过导电胶将柔性导线与所述导电涂层电连接；

在所述导电涂层的表面涂覆硅胶薄膜以形成保护层，所述保护层用于确保所述导电涂层的均一形变以及减轻所述导电涂层各部分的感应差异；

S2、将所述织物应变传感器贴附在所述弹性主体上进行固定。

进一步地，本发明还提供一种柔性压力传感阵列，所述柔性压力传感阵列包括多个如上所述的柔性压力传感器，多个所述柔性压力传感器以矩阵结构相互电连接。

实施本发明的柔性压力传感器及其制造方法以及柔性压力传感阵列，具有以下有益效果：本发明的柔性压力传感器的结构简单、质量轻、成本低、重量轻，因而制造更方便。此外，由于本发明的柔性压力传感器整体的柔性结构，所以适用于现有的硬性传感器无法进行检测的情况。由于弹性主体采用硅胶，聚烯烃，聚亚安酯，或其他热塑性弹性体，以及其共混体制成，由于该类材料，的泊松比较大，所述弹性主体的形变程度大，由此柔性传感器的灵敏度更高。而设置在弹性主体外周的织物应变传感器由于不直接受力，且弹性形变大的弹性主体对受到的压力进行了分散，因此本申请的柔性压力传感器的使用寿命更长，更耐用。

进一步地，涂覆在织物应变传感器表层的硅胶薄膜作为保护层能有效确保导电涂层的均匀形变，有助于减小织物应变传感器的电迟滞，进而进一步提高了柔性压力传感器的灵敏度以及准确度。

此外，将织物应变传感器围设在弹性主体的赤道位置处，弹性主体两端受压时，赤道部分形变最大，因此，将织物应变传感器放置在赤道位置处更容易检测到形变，因此灵敏度更高。

柔性导线有多种安装设置方式供用户选择。压力读取装置可将电阻数据转换为压强数据导出。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的柔性压力传感器的第一优选实施例的结构示意图；

图2是图1所示柔性压力传感器的具体结构示意图；

图3是图2所示柔性压力传感器的织物应变传感器的结构示意图；

图4是本发明的柔性压力传感器的第一优选实施例的检测系统的结构示意图；

图5是利用图3所述的检测系统对本发明的柔性压力传感器的第一优选实施例进行检测获得的压强和电阻变化关系图；

图6是图1所示柔性压力传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的柔性压力传感器包括弹性主体以及贴附在所示弹性主体外侧的织物应变传感器，弹性主体优选规则的柱体，两端面受压时，弹性主体发生形变，侧壁的织物应变传感器由于具有一定的伸缩性能可随所示弹性主体的形变发生伸缩，由此可通过感应所述弹性主体的形变而产生对应于所述形变的电阻变化，并通过导线输出以供检测。

在图1所示的本发明的柔性压力传感器的第一优选实施例的结构示意图中，所述柔性压力传感器包括用于根据外部压力产生形变的弹性主体Q以及附着在弹性主体Q外侧的织物应变仪应变传感器P。为了方便固定，本实施例中的织物应变传感器P成圈状包围在所述弹性主体Q外周。

进一步地，参考图2-3，本实施例的织物应变传感器P包括针织布基底层P3、导电涂层P1、固定织物层P4、柔性导线P5以及粘接部P2。导电涂层涂覆于针织布基底层P3并紧贴所述弹性主体Q，所述导电涂层用于感应弹性主体Q的形变并根据所述形变对应形成电阻变化。针织布基底层P3用于支撑所述导电涂层。柔性导线P5连接所述导电涂层P1并用于输出所述电阻变化，导电涂层P1的电阻值变化将被测量，因此起到应变感应的作用。此外，本实施例的导电涂层P1的表面位置处涂覆有保护层，所述保护层用于确保所述导电涂层P1的均一形变以及减轻所述导电涂层P1各部分的感应差异。应当理解，所述保护层所述固定织物层P4用于保护所述柔性导线且所述固定织物层P4的弹性模量大于所述导电涂层P1以及针织布基底层P3的弹性模量。所述固定织物层P4贴附在所述针织布基底层P3与柔性导线P5相邻位置处并紧贴在弹性主体Q的外表面，由于固定织物层P4的弹性模量远大于所述导电涂层P1以及针织布基底层P3的弹性模量，因此在织物应变传感器拉伸过程中认为固定织物层P4不被拉伸，而柔性导线P5则固定在固定织物层P4上，由此实现对柔性导线P5的保护。所述柔性导线P5的一端通过导电胶在所述织物应变传感器P上与所述导电涂层P1形成稳定的电连接以便输出所述导电涂层P1的电阻变化。

所述导电涂层P1由导电复合物制成，所述导电复合物通过在传导模具中填充炭黑、碳纳米管、石墨、石墨烯，碳纳米纤维、本征导电聚合物、金属微粒、金属纤维或金属薄片以形成矩阵聚合物制得。

在进一步具体的实施例中，例如固定织物层P4弹性模量为2.7GPa，而导电涂层P1处的弹性模量为0.34MPa，因此在织物应变传感器拉伸过程中认为固定织物层P4不被拉伸，而柔性导线P5则固定在固定织物层P4上，通过导电胶与导电涂层P1电连接，因此固定织物层P4起到保护柔性导线的作用，应当理解在压力传感器的其他的应用中还可以起到调节导电涂层P1的应变范围的作用；在压力传感器中所述织物应变传感器P紧贴弹性主体Q的其余部件起承担部分应变的作用。

优选地，本实施例中的保护层为硅胶薄膜，由于硅胶薄膜覆盖在所述针织布基底层P3的背离弹性主体Q的导电涂层P1的表面，导电涂层P1由于弹性主体Q的形变而发生伸缩时，由于硅胶薄膜的覆盖，使得导电涂层P1的各部分之间的形变差异降低，并减轻了织物应变传感器P的电迟滞，进而有效提高了本申请的柔性压力传感器的灵敏度及准确度。

如图1-2所示，本申请的柔性压力传感器中，弹性主体Q为圆柱体，优选硅胶材质制成。所示弹性主体Q为直接承力部件，其杨氏模量将直接影响传感器的测量范围，而贴附在弹性主体Q外侧的织物应变传感器P可以检测出不同的形变量。因此压力测量范围与所采用硅橡胶的杨氏模量成正比。在本申请的柔性压力传感器的设计中，设定硅胶圆柱型弹性主体的工作范围为下压一半高度(即弹性主体Q的轴向高度的一半)为工作范围。因此在动态冲击下，此时的压强值可达到杨氏模量的两倍。

在本申请中的柔性压力传感器优选了杨氏模量在1-10MPa的硅胶，以测量动态冲击下1-20MPa的压力。目前，模量1-10MPa的硅胶均可从市面获得。优选地，弹性主体Q采用硅胶，聚烯烃，聚亚安酯，或其他热塑性弹性体，以及其共混体制成，由于该类材料的泊松比较大，所述弹性主体的形变程度大，由此柔性传感器的灵敏度更高。

本实施例的织物应变仪应变传感器P成圈状包围在所述弹性主体Q的外周，即所述针织布基底层P3两端缝合成圈包围在所述弹性主体Q外周。所述针织布基底层P3沿所述弹性主体Q径向与所述导电涂层P1中央的正对位置处通过硅胶与所述弹性主体Q固定胶接形成有粘接部P2。优选地，由于弹性主体Q的赤道位置处形变量最大，更容易检测，因此本申请的织物应变传感器P优选地套设在所述弹性主体Q的赤道位置处，即如图2所示，弹性主体Q的高度为h,截面为直径为d的圆，所述织物应变传感器P成圈状套设在弹性主体P的高度为h/2的位置处。

本实施例中的导电涂层P1的沿弹性主体Q周向的长度为a,沿弹性主体Q的轴向的宽度为b,可选的长宽比a/b为1-3之间，优选地，图1-2的实施例中的长宽比a/b为1。导电涂层P1的宽度b与弹性主体Q的高度h有关，并为了保证导电涂层P1的均衡受力，b应当尽可能的较小，但也需要兼顾生产加工的便利以及电阻测量的需要，在本申请的导电涂层P1的宽度b优选0.4-0.8h,在图1-2所示的实施例中，优选0.6h。

而弹性主体Q的高度h的值可以依据实际需求进行选择，为了方便封装和应用，本实施例中选择性将柔性传感器的尺寸设置为高度h为5-15mm，其中对高度h为5mm的柔性压力传感器进行了实验性测试。

参考图1和图2，该压力传感器受到法向压力时，弹性主体Q受压变矮而膨胀，(硅橡胶泊松比为0.48)，其中间部分的周长变大。这时，围绕并紧贴在弹性主体Q上的织物应变传感器P受到拉伸。理论上，织物应变传感器P形变的大小等于弹性主体Q中腰线的周长变化。由于固定织物层P4与织物应变传感器P的其他部分在弹性模量上的差异，固定织物层P4将不拉伸，总的拉伸变形由导电涂层P1，粘接区P2和针织布基底层P3的与弹性主体Q直接接触的部分共同承担。粘接区P2粘在弹性主体Q上，因而其应变等于弹性主体Q表面该位置的应变。如图6所示，导电涂层P1由于直接涂覆在针织布基底层P3整体表面上，因此与和针织布基底层P3的与弹性主体Q直接接触的部分的材质和结构完全一致，所以应变相等。固定织物层P4将沿弹性主体Q表面滑移，导电涂层P1在拉伸变形的同时也有部分的滑移。参考图2，由对称性仅考虑右半侧。当法向压力加载时，针织布基底层P3的与弹性主体Q直接接触的部分顺时针滑移，导电涂层P1逆时针滑移，固定织物层P4顺时针滑移。

作为本发明的柔性压力传感器的优选实施例，所述柔性压力传感器还包括压力读取装置，压力读取装置用于将所述电阻数据转换为压强数值输出，两根导线P5的另一端分别与压力读取装置连接。导电涂层P1的电阻变化通过一对导线P5输出到压力读取装置进行测量，类似于万用表压力读取装置测量导电涂层P1的电阻变化，这样施加在压力传感器上的压强就能够被测量。

如图4所示的检测系统中对图1-3所示的本发明的柔性压力传感器的压强和电阻变化关系进行了检测。该检测系统采用的是1/4桥路连接，如图4所示。标准电阻的选择以接近或等于柔性传感器Q初始电阻为准。激励电压VCC采用3.3V，5V或者10V。输出电压Eth将被传送到数采设备或者数据采集系统进行处理并转化成压强值。

本申请的柔性压力传感器在无论在低速或是高速冲击下都可常工作。实验条件：将封装好的压力传感器埋在超高模量聚乙烯防弹衣后面的胶泥里(防弹衣紧贴胶泥)，引出柔性导线并连至两米之外的数采设备。传感器与防弹衣距离19mm，该距离范围内充满胶泥。一颗重约4.8g的子弹(1964年式7.62毫米手枪普通弹)从77式手枪中射出后，以约300m/s的速度击中防弹衣(压力传感器正前方位置)，记录压力传感器的电阻随时间的变化。该试验中，防弹衣未被完全击穿。而记录下的柔性传感器电阻随时间的变化如图5所示，从图5可以看出，本申请的柔性压力传感器可有效输出高速冲击下的受力变化，显然，本申请的柔性压力传感器相比于现有的硬性材质的传感器而言，具有更广的应用范围。

本发明的柔性压力传感器结构简单，且尺寸可根据实际需求进行设定，因此该柔性压力传感器能够较容易设置在衣服或者鞋类物品上。例如，当设置在鞋类物品上时，该压力传感器可以作为一个体重传感器、脚底压力分布测量装置或者计步仪等。并且本申请的测量范围也可以通过选择不同杨氏模量的弹性主体获得。

本发明还涉及一种柔性压力传感列阵，所述柔性压力传感装置通过多个柔性压力传感器之间以N×M的矩阵结构相互电连接而成，所述柔性压力传感装置具有行引出线和列引出线，这些线连接到模数转换器、信号调节器以及矩阵寻址控制单元。矩阵寻址控制单元同一时间内选择电流通过某一柔性压力传感器而不通过其他的柔性压力传感器。模数转换器将来自信号调节器的某一柔性压力传感器的电压信号转换为数字信号，然后在转换为传感器中导电涂层P1的电阻以及相应的压力或压强值。这样可以为各种传感应用提供定量的二维压力传感器的阵列。

进一步地，本发明还提供了一种上述柔性压力传感器的制造方法，所述柔性压力传感器具有上述柔性压力传感器的相应特征，在此不作赘述。

所述方法包括：

S1、构造弹性主体Q，弹性主体Q用于根据外部压力产生形变；以及附着在所述弹性主体外侧的织物应变传感器：

具体地，结合图3可以看出，整个织物应变传感器以一块表面带有导电复合物涂层的针织布为基础，上述针织布为针织布基底层P3，涂覆导电复合物的位置处形成导电涂层P1，首先在导电涂层P1中央位置的两侧缝上两条柔性导线P5，并用导电胶使柔性导线P5与导电涂层P1电连接；然后将两片弹性模量远大于针织布基底层P1及针织布基底层P3的机织物通过热熔胶热压的方法粘贴在针织布基底层P3的与导电涂层P1相邻的覆盖柔性导线P5的位置处形成固定织物层P4；对整个织物应变传感器P背离所述导电涂层P1的一侧进行硅胶面涂形成保护层；最后将织物应变传感器两端对齐折叠缝合，即成圈状。所述导电涂层P1朝向外侧；所述固定织物层P4朝向内侧。

S2、将所述圈状的织物应变传感器贴附在所述弹性主体Q上进行固定：

首先将织物应变传感器P缝合成圈状，套在硅胶弹性主体的赤道位置上。然后在沿弹性主体径向与所述导电涂层P1正对的内侧位置涂抹未固化(完全交联)的硅橡胶形成粘接部P2。最后进行加热，硅橡胶固化后即将织物应变传感器的粘接部P2位置固定在圆柱体上。由于整个织物应变传感器建立在一块针织布(Substrate)上，因此，只要粘接部P2固定，其余部分就会相对稳定。

本发明的柔性压力传感器的结构简单、质量轻、成本低、重量轻，因而制造更方便。此外，由于本发明的柔性压力传感器整体的柔性结构，因此可适用于现有的硬性传感器无法进行检测的情况。由于弹性主体采用硅胶，聚烯烃，聚亚安酯，或其他热塑性弹性体，以及其共混体制成，由于该类材料的泊松比较大，所述弹性主体的形变程度大，由此柔性传感器的灵敏度更高。而设置在弹性主体外周的织物应变传感器由于不直接受力，且弹性形变大的弹性主体对受到的压力进行了分散，因此本申请的柔性压力传感器的使用寿命更长，更耐用。

进一步地，涂覆在织物应变传感器表层的硅胶薄膜作为保护层P6能有效确保导电涂层的均匀形变，有助于减小织物应变传感器的电迟滞，进而进一步提高了柔性压力传感器的灵敏度，柔性导线有多种安装设置方式供用户选择。压力读取装置可将电阻数据转换为压强数据导出。

此外，将织物应变传感器围设在弹性主体的赤道位置处，弹性主体两端受压时，赤道部分形变最大，因此，将织物应变传感器放置在赤道位置处更容易检测到形变，因此灵敏度更高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括：用于根据外部压力产生形变的弹性主体(Q)，以及附着在所述弹性主体(Q)外侧的织物应变传感器(P)，其中：

所述织物应变传感器(P)包括：

导电涂层(P1)：涂覆于针织布基底层(P3)并紧贴所述弹性主体(Q)，所述导电涂层(P1)用于感应所述形变并根据所述形变对应形成电阻变化；

针织布基底层(P3)：用于支撑所述导电涂层(P1)；

柔性导线(P5)：连接所述导电涂层(P1)并用于输出所述电阻变化；

固定织物层(P4)：用于加固所述柔性导线(P5)并界定所述织物应变传感器(P)的可拉伸区域；

以及涂覆于所述导电涂层(P1)表面的保护层，所述保护层用于确保所述导电涂层(P1)的均一形变以及减轻所述导电涂层(P1)各部分的感应差异。

2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述针织布基底层(P3)两端缝合成圈包围在所述弹性主体(Q)外周，所述针织布基底层(P3)上与所述导电涂层(P1)两侧相邻位置处对应所述柔性导线(P5)贴附有固定织物层(P4)，所述固定织物层(P4)用于保护所述柔性导线(P5)且所述固定织物层(P4)的弹性模量大于所述导电涂层(P1)以及所述针织布基底层(P3)的弹性模量。

3.根据权利要求1-2任一项所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述针织布基底层(P3)沿所述弹性主体(Q)径向与所述导电涂层(P1)正对的位置处通过硅胶与所述弹性主体(Q)固定胶接形成有粘接部(P2)。

4.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述弹性主体(Q)具有柱状结构，所述弹性主体(Q)为圆柱、椭圆柱或方形柱。

5.根据权利要2所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述织物应变传感器(P)附着在所述弹性主体(Q)的赤道位置处的外侧壁上。

6.根据权利要求3所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述弹性主体(Q)由硅胶、聚烯烃和/或聚亚安酯制成。

7.根据权利要求5所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器还包括：

连接到所述柔性导线(P5)的压力读取装置，用于将所述电阻变化转换为压力或压强数值输出。

8.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性导线(P5)的一端通过导电胶固定在所述织物应变传感器(P)上与所述导电涂层(P1)电连接，所述柔性导线(P5)的另一端与所述压力读取装置电连接。

9.一种柔性压力传感器的制造方法，其特征在于，所述柔性压力传感器为如权利要求1-9任一项所述的压力传感器，所述方法包括：

S1、构造所述弹性主体(Q)，所述弹性主体(Q)于根据外部压力产生形变；以及附着在所述弹性主体(Q)外侧的织物应变传感器(P)：

在针织布基底层(P3)上涂覆导电复合物形成导电涂层(P1)；

紧邻导电涂层(P1)中间位置处缝合固定柔性导线(P5)，并通过导电胶将柔性导线(P5)与所述导电涂层(P1)电连接；

在所述导电涂层(P1)的表面覆硅胶薄膜以形成保护层，所述保护层用于确保所述导电涂层(P1)的均一形变以及减轻所述导电涂层(P1)各部分的感应差异；

S2、将所述织物应变传感器(P)贴附在所述弹性主体(Q)上进行固定。

10.一种柔性压力传感阵列，其特征在于，所述柔性压力传感阵列包括多个如权利要求1-9中任一项所述的柔性压力传感器，多个所述柔性压力传感器以矩阵结构相互电连接。