CN106153219B - 一种应力传感器、制备方法及电子皮肤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，公开了一种应力传感器、制备方法及电子皮肤，所述应力传感器包括：介电层(1)，用于在外力作用下发生弹性形变；至少一个第一电极单元(2)，具有可拉伸性，设置于所述介电层(1)的上表面；以及至少一个第二电极单元(3)，具有可拉伸性，设置于所述介电层(1)的下表面；所述第一电极单元(2)与第二电极单元(3)相对交叉，形成电容器阵列；在外力作用下，对应的相对交叉处的垂直距离改变，使得对应电容器上的电容量变化。本发明应力传感器可准确检测电容量的变化量，检测精度高。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种应力传感器、制备方法及电子皮肤。
背景技术
目前，应力传感器主要是通过改变接触面积以检测外力，由于影响接触面积的因素很多，导致检测精度不高，而且无法实现施力点位置等信息的测量。此外，应力传感器主要是由具有超轻薄、可拉伸、电阻率小等优良特性的石墨烯、碳纳米管等特殊材料制成，但是这些尖端材料的合成加大了传感器的制作难度，成品率低，生产成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种应力传感器，可准确检测电容量的变化量。
为了实现上述目的，本发明提供一种应力传感器，所述应力传感器包括：介电层，用于在外力作用下发生弹性形变；至少一个第一电极单元，具有可拉伸性，设置于所述介电层的上表面；以及至少一个第二电极单元，具有可拉伸性，设置于所述介电层的下表面；所述第一电极单元与第二电极单元相对交叉，形成电容器阵列；在外力作用下，对应的相对交叉处的垂直距离改变，使得对应电容器上的电容量变化。
优选地，所述第一电极单元包括弯曲的第一导线，且所述第一导线上设有第一导电结点；所述第二电极单元包括弯曲的第二导线，且所述第二导线上设有第二导电结点；所述第一导电结点与第二导电结点分别为对应电容器的上极板或下极板。
优选地，所述第一导线和/或第二导线的宽度为0.03-1.0mm；所述第一导电结点和/或第二导电结点的尺寸大小为1.6-5mm；所述第一导电单元中任意相邻的两个第一导电结点的中心间的距离为2.5-8.5mm；和/或所述第二导电单元中任意相邻的两个第二导电结点的中心间的距离为2.5-8.5mm。
优选地，所述第一电极单元与所述第二电极单元相对垂直交叉。
优选地，所述第一电极单元和/或第二电极单元的厚度为100-500nm。
优选地，所述第一电极单元和/或第二电极单元由银溅射形成。
优选地，所述介电层为一层薄膜，且所述介电层的厚度为0.2-5mm；所述薄膜由柔软且能够被拉伸的绝缘材料制成。
优选地，所述介电层为硅橡胶层。
优选地，所述应力传感器还包括：第一支撑单元，为对应所述第一电极单元的图形化结构层，且设置于所述第一电极单元的上表面；以及第二支撑单元，为对应所述第二电极单元的图形化结构层，且设置于所述第二电极单元的下表面。
优选地，所述第一支撑单元和/或第二支撑单元为一层薄膜，且所述第一支撑单元和/或第二支撑单元的厚度为10-100μm；该薄膜由柔软的绝缘材料制成。
优选地，所述第一支撑单元和/或第二支撑单元为聚对苯二甲酸二乙酯膜、聚酰亚胺膜或环氧树脂膜。
优选地，所述应力传感器还包括：第一基底层，设置于所述第一支撑单元的上表面；和/或第二基底层，设置于所述第二支撑单元的下表面。
优选地，所述第一基底层和/或第二基底层为一层薄膜，所述薄膜由柔软且能够被拉伸的材料制成。
优选地，所述第一基底层和/或第二基底层为聚二甲基硅氧烷膜。
优选地，所述应力传感器还用于根据所述对应电容器上的电容量变化确定外力的相关信息。
优选地，所述外力的相关信息包括外力的大小和/或施力点的位置。
本发明应力传感器通过设置第一电极单元和第二电极单元形成电容器阵列，可在施加外力时，通过对应的相对交叉处的垂直距离改变，可及时准确的检测出对应电容器上的电容量的变化量，检测精确度高。
本发明的另一目的是提供一种应力传感器的制备方法，可简化制作工艺，操作方便。
为了实现上述目的，本发明提供一种应力传感器的制备方法，所述制备方法包括：分别提供至少一个第一电极单元和至少一个第二电极单元；以及在所述第一电极单元和第二电极单元之间涂覆一层薄膜，形成介电层，使所述第一电极单元设置于所述介电层的上表面，所述第二电极单元设置于所述介电层的下表面，且所述第二电极单元与所述第一电极单元相对交叉。
优选地，所述制备方法还包括：通过激光切割或光刻及反应离子刻蚀的方法加工第一支撑单元和/或第二支撑单元成对应所述第一电极单元或第二电极单元的图形化结构层，使所述第一支撑单元对应设置于第一电极单元的上表面，所述第二支撑单元对应设置于第二电极单元的下表面。
优选地，所述第一电极单元和/或第二电极单元分别通过磁控溅射的方法在对应的第一支撑单元或第二支撑单元上溅射形成。
优选地，所述制备方法还包括：在所述第一支撑单元的上表面涂覆一层薄膜，形成第一基底层；和/或在所述第二支撑单元的下表面涂覆一层薄膜，形成第二基底层。
本发明应力传感器的制备方法可通过在第一电极单元和第二电极单元之间涂覆薄膜形成电容器阵列，可用于检测微小应力，制备工艺简单，操作方便；所制得的应力传感器结构简单，检测精度高。
本发明的又一目的是提供一种电子皮肤，可准确检测电容量的变化量。
为了实现上述目的，本发明提供一种电子皮肤，设置有所述的应力传感器。
所述电子皮肤与上述应力传感器相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明应力传感器的结构示意图；
图2是第一电极单元的一结构实施例；
图3是第二电极单元的一结构实施例；
图4是第一电极单元和第二电极单元的组合实施例；
图5是第一电极单元或第二电极单元的又一结构实施例；
图6是第一电极单元或第二电极单元的第三结构实施例；
图7是第一导线或第二导线的图形实施例；
图8是第一导线或第二导线的又一图形实施例；
图9是在重复放置和收起一片叶子的测试图；
图10是连续滴加三滴水滴的测试图；
图11是本发明应力传感器检测精度图；
图12是对图4所示的组合结构施加外力的一实施例；
图13是对图4所示的组合结构施加外力的又一实施例；
图14是对本发明应力传感器中一个电容器持续施加外力的测试图。
附图标记说明
1 介电层 2 第一电极单元
21 第一导线 22 第一导电结点
3 第二电极单元 31 第二导线
32 第二导电结点 4 第一支撑单元
5 第二支撑单元 6 第一基底层
7 第二基底层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明应力传感器包括介电层1，用于在外力作用下发生弹性形变；至少一个第一电极单元2，具有可拉伸性，设置于所述介电层1的上表面；以及至少一个第二电极单元2，具有可拉伸性，设置于所述介电层1的下表面；所述第一电极单元2与第二电极单元3相对交叉，形成电容器阵列；在外力作用下，对应的相对交叉处的垂直距离改变，使得对应电容器上的电容量变化。
本发明应力传感器通过设置第一电极单元和第二电极单元形成电容器阵列，可在施加外力时，通过对应的相对交叉处的垂直距离改变，可及时准确的检测出对应电容器上的电容量的变化量，检测精确度高。
此外，本发明应力传感器还可用于根据所述对应电容器上的电容量变化确定外力的相关信息。其中，所述外力的相关信息包括外力的大小；由于电容器阵列的设置，还可进一步确定所述外力施力点的位置。
如图2-图4所示，所述第一电极单元2包括弯曲的第一导线21，且所述第一导线21上设有第一导电结点22；所述第二电极单元3包括弯曲的第二导线31，且所述第二导线31上设有第二导电结点32；所述第一导电结点22与第二导电结点32分别为对应电容器的上极板或下极板。在本实施例中，分别设置有7个第一电极单元2和7个第二电极单元3，每个第一导线上设有7个第一导电结点，每个第二导线上设有7个第二导电结点，形成7×7电容器阵列。其中，各所述第一电极单元2均匀平行分布(如图2所示)，各所述第二电极单元3均匀平行分布(如图3所示)，所述第一电极单元2与所述第二电极单元3相对垂直交叉(如图4所示)。其中，所述第一导电单元2中任意相邻的两个第一导电结点22的中心间的距离为2.5-8.5mm；和/或所述第二导电单元3中任意相邻的两个第二导电结点32的中心间的距离为2.5-8.5mm。所述第一导电结点22和/或第二导电结点32的形状可为圆形(如图5所示)，也可为正方形(如图6所示)，但并不以此为限。所述第一电极单元2和/或第二电极单元3可由银溅射形成。所述第一导线21和/或第二导线31的宽度为0.03-1.0mm。其中，所述第一导线21和/或第二导线31可根据检测精度的需要进行变化，形成任意弯曲的形状(如图7和图8所示)。
其中，所述介电层1为一层薄膜，所述薄膜由柔软且能够被拉伸的绝缘材料制成，例如所述介电层1可为硅橡胶层，但并不以此为限。在本实施例中选用Ecoflex00-10。由于所述介电层1越薄，柔软性越好，测试精度越准确，制作工业越复杂，所述介电层1的厚度一般为0.2-5mm较佳。在本实施例中，所述介电层1的薄膜厚度为2mm。
如图1所示，本发明应力传感器还包括第一支撑单元4，为对应所述第一电极单元2的图形化结构层，且设置于所述第一电极单元2的上表面；以及第二支撑单元5，为对应所述第二电极单元3的图形化结构层，且设置于所述第二电极单元3的下表面。其中，所述第一支撑单元4和/或第二支撑单元5为一层薄膜，所述第一支撑单元4和/或第二支撑单元5的厚度为10-100μm；该薄膜由柔软的绝缘材料制成，材料可以具有拉伸性，或者经过图形化设计后使各支撑单元具有拉伸性。所述绝缘材料可为高分子材料，例如所述第一支撑单元4和/或第二支撑单元5为PET(polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸二乙酯)膜、聚酰亚胺膜或环氧树脂膜等中的至少一者。所述第一支撑单元4和/或第一支撑单元5可分别通过激光切割或光刻及反应离子刻蚀获得。通过激光切割的方法对所述第一支撑单元4和/或第一支撑单元5进行加工处理，加工过程简单，制作方便，可使应力传感器规模化生产。此外，还可通过光刻及反应离子刻蚀的方法，加工应力传感器，以改善和提高应力传感器的分辨率，从而可广泛应用于人机交互等的领域中，以实时监测应力变化。在本实施例中，通过光刻及反应离子刻蚀的方法刻蚀电极的宽度可缩小到100μm，例如30μm。
在本实施例中，通过磁控溅射的方法在所述第一支撑单元4或第二支撑单元5上溅射形成第一电极单元2和第二电极单元3。在本实施例中，所述第一电极单元2和第二电极单元3均由导电性能良好的金属银(Ag)溅射形成，但并不以此为限，还可根据需要选择其他导电性能良好的金属或氧化物(例如透明材料氧化铟锡ITO)。
本发明应力传感器可根据需要通过激光切割或光刻及反应离子刻蚀改变第一支撑单元4和第二支撑单元5的图形结构，进而通过磁控溅射的方法获得第一电极单元2和第二电极单元3，以提高测试的准确度。
如图1所示，本发明应力传感器还包括：第一基底层6，设置于所述第一支撑单元4的上表面；和/或第二基底层7，设置于所述第二支撑单元5的下表面。其中，所述第一基底层6和/或第一基底层7为一层薄膜，所述薄膜由柔软且能够被拉伸的材料制成。在本实施例中，所述第一基底层6和/或第一基底层7为PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)膜，但并不以此为限，也可以采用其他聚合物材料。
本发明应力传感器通过设置第一电极单元和第二电极单元形成电容器阵列，能够检测微小的应力(如图9-图11所示)，并进一步确定施力点的位置；使用金属银制作电极单元，使得器件的合格率上升和加工成本降低，提高了经济效益。此外，可针对不同的应用领域可以对器件的大小和分辨率进行调整，以满足用户需求。
本发明还提供一种电子皮肤，设置有上述应力传感器。所述电子皮肤与上述应力传感器相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明还提供一种应力传感器的制备方法，所述制备方法包括：分别提供至少一个第一电极单元和至少一个第二电极单元；以及在所述第一电极单元和第二电极单元之间涂覆一层薄膜，形成介电层，使所述第一电极单元设置于所述介电层的上表面，所述第二电极单元设置于所述介电层的下表面，且所述第二电极单元与所述第一电极单元相对交叉，形成电容器阵列。
其中，所述第一电极单元包括弯曲的第一导线，且所述第一导线上设有第一导电结点；所述第二电极单元包括弯曲的第二导线，且所述第二导线上设有第二导电结点；所述第一导电结点与所述第二导电结点分别为对应电容器的上极板或下极板。
本发明应力传感器的制备方法还包括：
通过激光切割或光刻及反应离子刻蚀的方法加工第一支撑单元和/或第二支撑单元成对应所述第一电极单元或第二电极单元的图形化结构层，使所述第一支撑单元设置于第一电极单元的上表面，所述第二支撑单元设置于第二电极单元的下表面。
其中，所述第一电极单元和/或第二电极单元分别通过磁控溅射的方法在对应的第一支撑单元或第二支撑单元上溅射形成。
本发明应力传感器的制备方法可通过在第一电极单元和第二电极单元之间涂覆薄膜形成电容器阵列，可用于检测微小应力，制备工艺简单，操作方便；所制得的应力传感器结构简单，检测精度高。
下面以具体实施例进行介绍。
将50μm厚度的PET膜通过激光切割机切割成图形结构层，通过磁控溅射的方法将金属Ag溅射到加工后的图形化的PET膜上形成图形化电极，并将多个溅射有Ag电极的PET膜阵列置于PDMS基底上。其中，所述图形化电极的厚度为100-500nm，该图形化电极包括弯曲的导线，且所述导线上设有导电结点，所述电极线的宽度为0.2-1.0mm。并在Ag电极一侧旋涂硅橡胶Ecoflex00-10，并抽真空去除气泡，然后将两个结构相同PDMS/PET/Ag/Ecoflex面对面的垂直贴附，形成应力传感器。
其中，Ecoflex可使上下结构无缝的贴合，使得器件的检测精度高。此外，本发明制备工业均可在室温下进行，制作工业简单，成品率高。
为了提高分辨率，可通过光刻及反应离子刻蚀的加工工艺使图形化电极的厚度缩小到100μm以下，最小可达30μm，可用于检测微小应力。如图9-11所示，仅在一个电容器上施加微小外力：如图9所示，通过重复放下-收起一片叶子，进行电容量的测量，可确定该片叶子的重量；又如图10所示，通过对连续滴入三滴水滴的过程电容量的测量，可确定水滴的重量；如图11所示，逐渐增加水滴的重量，在压强大于14.5Pa(水滴重量约为7mg)时，本发明应力传感器可进行响应(如图14所示，对其中一个电容器进行检测，可知压强与电容量的变化呈线性关系)，检测精度高。此外，还可在本发明应力传感器的电容器阵列上施加外力，不同的受力点的电容器的电容量变化不同(如图12和图13所示)，根据各电容器的电容量的变化，可确定外力大小和施力点的位置。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (20)
1.一种应力传感器，其特征在于，所述应力传感器包括：
介电层(1)，用于在外力作用下发生弹性形变；
至少一个第一电极单元(2)，具有可拉伸性，设置于所述介电层(1)的上表面；以及
至少一个第二电极单元(3)，具有可拉伸性，设置于所述介电层(1)的下表面；
所述第一电极单元(2)与第二电极单元(3)相对交叉，形成电容器阵列；在外力作用下，对应的相对交叉处的垂直距离改变，使得对应电容器上的电容量变化，
所述第一电极单元(2)包括弯曲的第一导线(21)，且所述第一导线(21)上设有第一导电结点(22)；
所述第二电极单元(3)包括弯曲的第二导线(31)，且所述第二导线(31)上设有第二导电结点(32)；
所述第一导电结点(22)与第二导电结点(32)分别为对应电容器的上极板或下极板。
2.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，
所述第一导线(21)和/或第二导线(31)的宽度为0.03-1.0mm；所述第一导电结点(22)和/或第二导电结点(32)的尺寸大小为1.6-5mm；
所述第一导电单元(2)中任意相邻的两个第一导电结点(22)的中心间的距离为2.5-8.5mm；和/或
所述第二导电单元(3)中任意相邻的两个第二导电结点(32)的中心间的距离为2.5-8.5mm。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的应力传感器，其特征在于，所述第一电极单元(2)与所述第二电极单元(3)相对垂直交叉。
4.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述第一电极单元(2)和/或第二电极单元(3)的厚度为100-500nm。
5.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述第一电极单元(2)和/或第二电极单元(3)由银溅射形成。
6.根据权利要求1、4或5中任一项所述的应力传感器，其特征在于，所述介电层(1)为一层薄膜，且所述介电层(1)的厚度为0.2-5mm；所述薄膜由柔软且能够被拉伸的绝缘材料制成。
7.根据权利要求6所述的应力传感器，其特征在于，所述介电层(1)为硅橡胶层。
8.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述应力传感器还包括：
第一支撑单元(4)，为对应所述第一电极单元(2)的图形化结构层，且设置于所述第一电极单元(2)的上表面；以及
第二支撑单元(5)，为对应所述第二电极单元(3)的图形化结构层，且设置于所述第二电极单元(3)的下表面。
9.根据权利要求8所述的应力传感器，其特征在于，所述第一支撑单元(4)和/或第二支撑单元(5)为一层薄膜，且所述第一支撑单元(4)和/或第二支撑单元(5)的厚度为10-100μm；该薄膜由柔软的绝缘材料制成。
10.根据权利要求8所述的应力传感器，其特征在于，所述第一支撑单元(4)和/或第二支撑单元(5)为聚对苯二甲酸二乙酯膜、聚酰亚胺膜或环氧树脂膜。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的应力传感器，其特征在于，所述应力传感器还包括：
第一基底层(6)，设置于所述第一支撑单元(4)的上表面；和/或
第二基底层(7)，设置于所述第二支撑单元(5)的下表面。
12.根据权利要求11所述的应力传感器，其特征在于，所述第一基底层(6)和/或第二基底层(7)为一层薄膜，所述薄膜由柔软且能够被拉伸的材料制成。
13.根据权利要求11所述的应力传感器，其特征在于，所述第一基底层(6)和/或第二基底层(7)为聚二甲基硅氧烷膜。
14.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述应力传感器还用于根据所述对应电容器上的电容量变化确定外力的相关信息。
15.根据权利要求14所述的应力传感器，其特征在于，所述外力的相关信息包括外力的大小和/或施力点的位置。
16.一种应力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
分别提供至少一个第一电极单元和至少一个第二电极单元，所述第一电极单元(2)包括弯曲的第一导线(21)，且所述第一导线(21)上设有第一导电结点(22)；所述第二电极单元(3)包括弯曲的第二导线(31)，且所述第二导线(31)上设有第二导电结点(32)；所述第一导电结点(22)与第二导电结点(32)分别为对应电容器的上极板或下极板；以及
在所述第一电极单元和第二电极单元之间涂覆一层薄膜，形成介电层，使所述第一电极单元设置于所述介电层的上表面，所述第二电极单元设置于所述介电层的下表面，且所述第二电极单元与所述第一电极单元相对交叉，形成电容器阵列。
17.根据权利要求16所述的应力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
通过激光切割的方法或光刻及反应离子刻蚀的方法加工第一支撑单元和第二支撑单元成对应所述第一电极单元或第二电极单元的图形化结构层，使所述第一支撑单元设置于第一电极单元的上表面，所述第二支撑单元设置于第二电极单元的下表面。
18.根据权利要求17所述的应力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一电极单元和/或第二电极单元分别通过磁控溅射的方法在对应的第一支撑单元或第二支撑单元上溅射形成。
19.根据权利要求17或18所述的应力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述第一支撑单元的上表面涂覆一层薄膜，形成第一基底层；和/或
在所述第二支撑单元的下表面涂覆一层薄膜，形成第二基底层。
20.一种电子皮肤，其特征在于，设置有根据权利要求1-15中任一项所述的应力传感器。
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| JP2010223953A (ja) * | 2009-02-26 | 2010-10-07 | Tokai Rubber Ind Ltd | 静電容量型感圧センサおよびその製造方法 |
| CN102589759A (zh) * | 2012-02-20 | 2012-07-18 | 浙江大学 | 基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列 |
| CN103954382A (zh) * | 2014-05-14 | 2014-07-30 | 合肥工业大学 | 一种变介质式电容柔性三维力触觉传感器 |
| CN103983382A (zh) * | 2014-06-04 | 2014-08-13 | 合肥工业大学 | 一种全柔性电容式触觉传感器 |
| CN104266788A (zh) * | 2014-09-04 | 2015-01-07 | 上海工程技术大学 | 一种柔性电容压力传感装置 |
-
2015
- 2015-04-15 CN CN201510178060.7A patent/CN106153219B/zh active Active
Patent Citations (5)
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