CN106197773B - 一种柔性指尖压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种柔性指尖压力传感器及其制作方法，传感器主体是材质为人体硅胶的中间弹性体，在传感器主体的内部设有圆柱形孔洞，在全部圆柱形孔洞内部设有液态导电金属溶液，圆柱形孔洞规则排布为阵列，排列在第一行的第一个和最后一个圆柱形孔洞，分别设有引线口A和引线口B，引线口A处引出引线A，引线口B处引出引线B。本发明柔性指尖压力传感器柔度大，避免过度用力对传感器带来的损伤；避免人体汗液对传感器的损伤，提高其传感器的防护性能；提高了传感器使用寿命；制作方法简便，可通过调节金属丝的大小及中间弹性体的厚度，进而调节传感器的量程与灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及力传感器领域，具体涉及一种柔性指尖压力传感器。
背景技术
力传感器是检测获取环境信息的一种重要形式和必需媒介，实现物体与环境相互作用时一系列物理特征量的检测或感知，进而完成某种作业任务。随着信息技术的发展，人们对力信息的检测需求日益高涨，一些特殊用途的力传感器应运而生。在检测人体手部信息方面，如用于检测手指尖精确压力的传感器鲜有研究，此类传感器在保障优良的压力精度、灵敏度的同时还要求与人体有良好的佩戴舒适度。
传统的压力传感器多为金属制品，其刚度大，且不适于佩戴。市场上存在的可检测接触信号的柔性佩戴式传感器，多采用电容式传感设计，其制备电容的弹性体人体佩戴舒适度较低，且弹性体变形度较小，在面对大柔性变形时，电容等测量元件本体将发生破坏性损坏。人在控制手指抓取物体时，指尖与物体接触的压力越大，佩戴在手指尖的传感器倘若能随着压力的增大而变形，能给予人一个更为直观、明了、舒适的控制手感。
发明内容
本发明的目的是提供一种结合人体硅胶与导电液体，大柔性可大变形且能精确检测手指尖压力的柔性指尖压力传感器及其制作方法。
本发明主要包括传感器主体、圆柱形孔洞、引线口A、引线口B、引线A和引线B。
其中，传感器主体是材质为人体硅胶的中间弹性体，在传感器主体的内部设有若干圆柱形孔洞，在全部圆柱形孔洞内部设有液态导电金属溶液。圆柱形孔洞规则排布为阵列，排列在第一行的圆柱形孔洞，除第一个和最后一个圆柱形孔洞，其他的相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连。排列在最后一行的圆柱形孔洞，相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连。排列在第一行的第一个和最后一个圆柱形孔洞，分别设有引线口A和引线口B，引线口A处引出引线A，引线口B处引出引线B。
柔性指尖压力传感器的检测方式为：
在柔性指尖压力传感器上表面受到压力后，将使人体硅胶本体压缩形变，圆柱形孔洞内液态导电金属溶液对人体硅胶本体力作用几乎为零，其液态导电金属溶液形状将随着人体硅胶本体压缩而压缩，将人体硅胶本体简化为一个弹性模量E微变的弹性体，将手指对传感器的作用力简化为中央至边缘逐步减少的应力函数σz(xi,yi)，以其中某一圆柱形孔洞为例，根据线弹性断裂力学，圆柱形孔洞高度变化量
Δhi＝4(1-v2)rσz(xi,yi)/E
式中，i为第i个孔洞，Δhi为第i个圆柱形孔洞高度变化量，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz(xi,yi)为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。
要使液态导电金属溶液体积的压缩需要大压力。在此应用场合，传感器受力时，液态导电金属溶液的体积V几乎不变，因此近似取微孔横截面积
Si＝V/(h-Δhi)
式中，i为第i个孔洞，S为微孔横截面积，V为孔洞内液态导电金属的体积，h为孔洞的高度，Δh为传感器受压时孔洞高度的变化值。
因此，此圆柱形孔洞电阻
式中，i为第i个孔洞，Ri为圆柱形孔洞电阻，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。
柔性指尖压力传感器引线A和引线B之间总电阻为各个圆柱形孔洞电阻之和
式中，i为第i个孔洞，n为圆柱形孔洞电阻的数量，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。
用信号处理模块检测引出的引线A和引线B之间电阻值R，再根据具体实际标定出各个圆柱形孔洞电阻力协调系数ki。得出外力与电阻的公式关系
式中，i为第i个孔洞，n为圆柱形孔洞电阻的数量，F为外界力大小，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，E为弹性模量。
柔性指尖压力传感器的制备方法：采用分部成型，先成型中间弹性体，然后成型底层，再成型顶层，最后注入导电金属溶液。
1、中间弹性体的成型：制备成型用模子，模子为中空的方形壳体，在模子上部和下部均设有盖，盖上开有拉线用微孔及用于成型凹槽的凸台，按照微孔位置竖直拉扯金属线；成型用人体硅胶为双组份室温硫化硅橡胶，按照1：1的比例调配，浇铸至所述的模子空腔中，负一个大气压下抽离其内部气泡，时间一分钟；最后，脱模，抽离金属线。
2、底层的成型：中间弹性体底层有放置金属铜片的槽形凹槽，将金属铜片贴入后，再将中间弹性体置入模子，将金属铜片与中间弹性体浇铸成为浇铸层A，脱模。
3、顶层的成型：中间弹性体顶层同样有放置金属铜片的槽形凹槽，将金属铜片贴入后，引出引线C和引线D，将金属铜片、引线C、引线D与弹性体浇铸成为浇铸层B，脱模。
4、注入导电金属溶液：利用微孔注射装置，将导电金属溶液注入其中一端引线，在另一引线端处，利用微孔注射装置抽取空气，直至圆柱形孔洞内无气体，将注射装置破损的表面浇铸一层人体硅胶，脱模，修整。
本发明在使用时，将所述传感器缝入弹性手套指尖处，当操作者指尖与外界发生接触产生力的作用时，柔性传感器由于柔度大将使得按压力度柔软，手按压力度越大，缓冲越足，与人体触觉感官有着良好的一致性，其操作感强，舒适性大为提高。同样，可将所述传感器贴在机器手指尖处，当机械手尖与外界接触时，测得指尖与外界接触力，由于其大柔性，可以有效的缓冲机械手与外界的冲击，进而可用所述的柔性传感器对玻璃等易碎薄弱物品进行抓取。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：柔性指尖压力传感器柔度大，在抓取时，随着力度的增大而有明显的形变，给予使用者直观明了的控制手感，给予机械设备与外界良好的缓冲功能，且其本省有一定的抗破坏能力，有效避免过度用力对传感器带来的损伤；采用的柔性硅胶亲肤，与指尖接触无异感；其硅胶抗酸碱腐蚀的特性，能有效避免人体汗液对传感器的损伤，提高其传感器的防护性能；其硅胶抗疲劳的特性有效的提高了传感器使用寿命；其制作方法简便，可通过调节金属丝的大小及中间弹性体的厚度，进而调节传感器的量程与灵敏度。
附图说明
图1为本发明的一种柔性指尖压力传感器主体示意图。
图2为本发明的制作中间弹性体拉线示意图。
图3为本发明的贴入中间弹性体底层金属铜片示意图。
图4为本发明的浇铸弹性体底层示意图。
图5为本发明的贴入中间弹性体顶层金属铜片及引线示意图。
图6为本发明的浇铸弹性体底层示意图。
图7为本发明的注入镓铟锡合金溶液示意图。
图8为本发明的整体封装浇铸示意图。
附图标号：圆柱形孔洞1、引线口A2、引线A3、金属片4、引线B5、引线口B6、金属线7、凸台8、模子空腔9、成型用模子10、金属铜片11、浇铸层A12、引线C13、引线D14、浇铸层B15、注射端16、注射端17、浇铸层18。
具体实施方式
在图1所示的本发明的示意简图中，传感器主体是材质为粘度6000CS的人体硅胶的中间弹性体，硫化时间12h-24h，硫化后硬度为10HS。在传感器主体的内部设有若干圆柱形孔洞1，在传感器主体的内部设有42个圆柱形孔洞1，圆柱形孔洞的直径为0.2mm，长度为3mm，行列之间的间距为0.5mm，在全部圆柱形孔洞内部设有液态导电金属镓铟锡合金溶液。圆柱形孔洞规则排布为阵列，圆柱形孔洞规则排布为七排六列的阵列，排列在第一行的圆柱形孔洞，除第一个和最后一个圆柱形孔洞，其他的相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片4相连。排列在最后一行的圆柱形孔洞，相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连。排列在第一行的第一个和最后一个圆柱形孔洞，分别设有引线口A2和引线口B6，引线口A处引出引线A3，引线口B处引出引线B5。
在图2至图8所示的本发明的示意简图中，柔性指尖压力传感器的一种制备方法：采用分部成型，先成型中间弹性体，然后成型底层，再成型顶层，最后注入导电金属溶液。
1、中间弹性体的成型：制备成型用模子10，模子为中空的方形壳体，在模子上部和下部均设有盖，盖上开有拉线用微孔及用于成型凹槽的凸台8，按照微孔位置竖直拉扯金属线7；成型用人体硅胶为双组份室温硫化硅橡胶，按照1；1的比例调配，浇铸至所述的模子空腔9中，负一个大气压下抽离其内部气泡，时间一分钟；最后，脱模，抽离金属线7。
2、底层的成型：中间弹性体底层有放置金属铜片11的槽形凹槽，将金属铜片11贴入后，再将中间弹性体置入模子，将金属铜片11与中间弹性体浇铸成为浇铸层A12，浇铸厚度为0.2mm，脱模。
3、顶层的成型：中间弹性体顶层同样有放置金属铜片11的槽形凹槽，将金属铜片11贴入后，引出引线C13和引线D14，将金属铜片11、引线C13、引线D14与弹性体浇铸成为浇铸层B15，浇铸厚度为0.2mm，脱模。
4、注入导电金属溶液：利用微孔注射装置，将导电金属溶液从注射端16处注入，在另一注射端17处，利用微孔注射装置抽取空气，直至圆柱形孔洞内无气体，将注射装置破损的表面浇铸一层人体硅胶，浇铸厚度为0.2mm，脱模，修整。
柔性指尖压力传感器的检测方式为：
在柔性指尖压力传感器上表面受到压力后，将使人体硅胶本体压缩形变，圆柱形孔洞内液态导电金属溶液对人体硅胶本体力作用几乎为零，其液态导电金属溶液形状将随着人体硅胶本体压缩而压缩，将人体硅胶本体简化为一个弹性模量E微变的弹性体，将手指对传感器的作用力简化为中央至边缘逐步减少的应力函数σz(xi,yi)，以其中某一圆柱形孔洞为例，根据线弹性断裂力学，圆柱形孔洞高度变化量
Δhi＝4(1-v2)rσz(xi,yi)/E
式中，i为第i个孔洞，Δhi为第i个圆柱形孔洞高度变化量，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz(xi,yi)为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。
要使液态导电金属溶液体积的压缩需要大压力，在此应用场合，传感器受力时，液态导电金属溶液的体积V几乎不变，因此近似取微孔横截面积
Si＝V/(h-Δhi)
式中，i为第i个孔洞，S为微孔横截面积，V为孔洞内液态导电金属的体积，h为孔洞的高度，Δh为传感器受压时孔洞高度的变化值。
因此，此圆柱形孔洞电阻
式中，i为第i个孔洞，Ri为圆柱形孔洞电阻，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。
柔性指尖压力传感器引线A和引线B之间总电阻为各个圆柱形孔洞电阻之和
式中，i为第i个孔洞，n为圆柱形孔洞电阻的数量，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。
用信号处理模块检测引出的引线A和引线B之间电阻值R，再根据具体实际标定出各个圆柱形孔洞电阻力协调系数ki。得出外力与电阻的公式关系
式中，i为第i个孔洞，n为圆柱形孔洞电阻的数量，F为外界力大小，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，E为弹性模量。
Claims (2)
1.一种柔性指尖压力传感器的制作方法，主要包括传感器主体、圆柱形孔洞、引线口A、引线口B、引线A和引线B，其特征在于：传感器主体是材质为人体硅胶的中间弹性体，在传感器主体的内部设有圆柱形孔洞，在全部圆柱形孔洞内部设有液态导电金属溶液，圆柱形孔洞规则排布为阵列，排列在第一行的圆柱形孔洞，除第一个和最后一个圆柱形孔洞，其他的相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连，排列在最后一行的圆柱形孔洞，相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连，排列在第一行的第一个和最后一个圆柱形孔洞，分别设有引线口A和引线口B，引线口A处引出引线A，引线口B处引出引线B，柔性指尖压力传感器的检测方式为：在柔性指尖压力传感器上表面受到压力后，将使人体硅胶本体压缩形变，圆柱形孔洞内液态导电金属溶液对人体硅胶本体力作用几乎为零，其液态导电金属溶液形状将随着人体硅胶本体压缩而压缩，将人体硅胶本体简化为一个弹性模量E微变的弹性体，将手指对传感器的作用力简化为中央至边缘逐步减少的应力函数σz(xi,yi)，根据线弹性断裂力学，圆柱形孔洞高度变化量
Δhi＝4(1-v2)rσz(xi,yi)/E
式中，i为第i个孔洞，Δhi为第i个圆柱形孔洞高度变化量，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz(xi,yi)为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量，
要使液态导电金属溶液体积的压缩需要大压力，在此应用场合，传感器受力时，液态导电金属溶液的体积V几乎不变，等于取微孔横截面积
Si＝V/(h-Δhi)
式中，i为第i个孔洞，S为微孔横截面积，V为孔洞内液态导电金属的体积，h为孔洞的高度，Δh为传感器受压时孔洞高度的变化值，此圆柱形孔洞电阻
式中，i为第i个孔洞，Ri为圆柱形孔洞电阻，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量，
柔性指尖压力传感器引线A和引线B之间总电阻为各个圆柱形孔洞电阻之和
式中，i为第i个孔洞，n为圆柱形孔洞电阻的数量，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量，
用信号处理模块检测引出的引线A和引线B之间电阻值R，再根据具体实际标定出各个圆柱形孔洞电阻力协调系数ki，得出外力与电阻的公式关系
式中，i为第i个孔洞，n为圆柱形孔洞电阻的数量，F为外界力大小，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，E为弹性模量。
2.根据权利要求1所述的一种柔性指尖压力传感器的制作方法，其特征在于：制备方法采用分部成型，先成型中间弹性体，然后成型底层，再成型顶层，最后注入导电金属溶液，(1)中间弹性体的成型：制备成型用模子，模子为中空的方形壳体，在模子上部和下部均设有盖，盖上开有拉线用微孔及用于成型凹槽的凸台，按照微孔位置竖直拉扯金属线；成型用人体硅胶为双组份室温硫化硅橡胶，按照1：1的比例调配，浇铸至所述的模子空腔中，负一个大气压下抽离其内部气泡，时间一分钟；最后，脱模，抽离金属线；(2)底层的成型：中间弹性体底层有放置金属铜片的槽形凹槽，将金属铜片贴入后，再将中间弹性体置入模子，将金属铜片与中间弹性体浇铸成为浇铸层A，脱模；(3)顶层的成型：中间弹性体顶层同样有放置金属铜片的槽形凹槽，将金属铜片贴入后，引出引线C和引线D，将金属铜片、引线C、引线D与弹性体浇铸成为浇铸层B，脱模；(4)注入导电金属溶液：利用微孔注射装置，将导电金属溶液注入其中一端引线处，在另一引线端处，利用微孔注射装置抽取空气，直至圆柱形孔洞内无气体，将注射装置破损的表面浇铸一层人体硅胶，脱模，修整。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |