CN106546162B - 一种检测应变的柔性传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测应变的柔性传感器，包括应变薄膜和信号放大电路，应变薄膜包括柔性衬底、复数条平行的导电层和复数个电极，电极包括电源输入端、正极输出端和负极输出端；导电层分别覆盖在柔性衬底的上下表面，包括基质和分散在基质中的第一导电粒子；导电层的两端与对应的电极电连接。本发明结构和加工工艺简单、引线容易、产品成本低廉，灵敏度高，能够代替PVDF压电薄膜传感器用于监测人体心跳和呼吸状态数据。

Description

一种检测应变的柔性传感器
[技术领域]
本发明涉及柔性传感器，尤其涉及一种检测应变的柔性传感器。
[背景技术]
传统的硅基传感器易碎且无法承受较大变形的特点使其很难适应复杂曲面，其应用有自身局限性。PVDF电荷响应低、易于使用、柔顺性好和灵敏性高的特点使其成为最理想的感知材料，采用PVDF压电薄膜制备的传感器得到了十分广泛的应用。利用PVDF薄膜制备的传感器与现有硅基材料传感器相比，其性能有着硅基材料传感器无法比拟的明显优势。PVDF薄膜这种智能柔性传感材料柔软质轻，与人体皮肤有很大形似性。采用柔性电子技术制备的柔性PVDF传感器有很好的柔韧性、耐冲击性，可适应更复杂的表面，扩展了传感器的应用范围。这些新型的柔性PVDF传感器可与人体充分接触，用以监测人体的健康状态。
《仪表技术与传感器》2016年第1期公开了“一种柔性PVDF压电薄膜传感器的制备方案”，作者刘旭、武澎、吕延军，公开了一种具有柔性基底的PVDF压电薄膜传感器结构，利用PVDF粉末制备了性能良好的PVDF压电薄膜，并提出了一种柔性PVDF薄膜传感器的制备方案。该PVDF压电薄膜传感器结构从下向上依次是PDMS层、底电极、PVDF薄膜、顶电极、环氧胶。该传感器实验制备的主要工艺步骤包括：沉积二氧化硅层；制备PDMS层；喷金形成下电极层；旋涂形成PVDF层；喷金形成上电极层；刻蚀底电极层；刻蚀牺牲层；器件转移；导线粘接，表面加固10个步骤。但是，该柔性PVDF薄膜传感器的制备方案工艺复杂、引线困难、产品成本高。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、引线容易、产品成本低廉，能够代替PVDF压电薄膜传感器用于监测人体健康状态数据的检测应变的柔性传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种检测应变的柔性传感器，包括应变薄膜和信号放大电路，应变薄膜包括柔性衬底、复数条平行的导电层和复数个电极，电极包括电源输入端、正极输出端和负极输出端；导电层分别覆盖在柔性衬底的上下表面，包括基质和分散在基质中的第一导电粒子；导电层的两端与对应的电极电连接。
以上所述的检测应变的柔性传感器，导电层包括第二导电粒子，第一导电粒子是碳粉或金属粉，第二导电粒子是碳纤维，纳米碳管或石墨烯，第二导电粒子的两端分别朝向两个电极。
以上所述的检测应变的柔性传感器，所述的基质为聚合物。
以上所述的检测应变的柔性传感器，应变薄膜包括两个弹性层，所述的弹性层覆盖在导电层的外表面。
以上所述的检测应变的柔性传感器，应变薄膜包括4条所述的导电层，4条所述的导电层连接成惠斯顿电桥，惠斯顿电桥的两个相对的桥臂布置在柔性衬底的顶面，另外两个相对的桥臂布置在柔性衬底的底面。
以上所述的检测应变的柔性传感器，柔性衬底包括折合在一起的上衬底和下衬底；惠斯顿电桥的两个相对的桥臂覆盖在上衬底的上表面，另外两个相对的桥臂覆盖在下衬底的下表面。
以上所述的检测应变的柔性传感器，信号放大电路包括微分电容、两个负反馈放大电路和两个低通滤波电路；应变薄膜的正极输出端经微分电容接第一负反馈放大电路，第一负反馈放大电路经第一低通滤波电路接第二负反馈放大电路；第二负反馈放大电路经第二低通滤波电路输出。
以上所述的检测应变的柔性传感器，负反馈放大电路包括运放和负反馈电阻，负反馈电阻连接运放的输出端和反相输入端；第一低通滤波电路包括第一滤波电阻和第一滤波电容，第二低通滤波电路包括第二滤波电阻和第二滤波电容；应变薄膜的正极输出端通过微分电容接第一负反馈放大电路运放的反相输入端，第一负反馈放大电路运放的输出端通过第一滤波电阻经负端输入电阻接第二负反馈放大电路运放的反相输入端；第二负反馈放大电路运放的输出端通过第二滤波电阻输出；第一滤波电容的第一端接第一滤波电阻与负端输入电阻的连接点，第二端接地；第二滤波电容的第一端接第二滤波电阻的输出端，第二端接地；第一负反馈放大电路运放的同相输入端和第二负反馈放大电路运放的同相输入端接应变薄膜的负极输出端。
以上所述的检测应变的柔性传感器，所述的检测应变的柔性传感器应用于检测人体心跳和呼吸。
本发明结构和加工工艺简单、引线容易、产品成本低廉，灵敏度高，能够代替PVDF压电薄膜传感器用于监测人体心跳和呼吸状态数据。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例1应变薄膜的主视图。
图2是本发明实施例1应变薄膜的俯视图。
图3是本发明实施例1应变薄膜显示导电层的俯视图。
图4是图1的AA剖视图。
图5是本发明实施例2应变薄膜主视图。
图6是本发明实施例2应变薄膜的仰视图。
图7是本发明实施例1应变薄膜对折前的结构图。
图8是本发明实施例3应变薄膜主视图。
图9是本发明实施例3应变薄膜的仰视图。
图10是本发明实施例4信号放大电路的原理图。
图11是本发明实施例4信号放大电路输出的波形图。
[具体实施方式]
本发明实施例1应变薄膜的结构如图1至图4所示，包括柔性衬底(薄膜)1、两条导电层2、两个橡胶弹性层3和4个电极5。4个电极5包括电源正输入端、电源负输入端、正极输出端和负极输出端
两条导电层2分别覆盖在柔性衬底1的上下表面上，橡胶弹性层3覆盖在导电层2的外面。电极5布置在导电层2的两端。导电层2包括基质201，分散在基质201中的第一导电粒子(图中未示出)和第二导电粒子202，第二导电粒子202的两端分别朝向两端的电极5。
其中，第二导电粒子202可以是碳纤维，纳米碳管或石墨烯。基质201为聚合物，聚合物可以是环氧树脂、聚氨酯或丙烯酸树脂。弹性层3为橡胶层，橡胶层覆盖在导电层2的外表面。
柔性衬底1两面的导电层2作为感应材料，当应变薄膜受力时会随着薄膜的弯曲，呈现不同的阻抗，本发明可能通过检测导电层2阻抗的变化来检测是否有变形发生。
本发明实施例2应变薄膜的结构如图5至图7所示，与实施例1不同的是，包括6根引线和4条导电层2，柔性衬底1包括叠合后粘贴在一起的上衬底101和下衬底102。上衬底101与下衬底102由同一块柔性衬底材料对折后粘贴为一体；6根引线和4条导电层2全部印刷在柔性衬底材料的上表面。4条导电层2连接成惠斯顿电桥，柔性衬底材料对折后，惠斯顿电桥的两个相对的桥臂，即导电层2-1和导电层2-2，覆盖在上衬底101的上表面，惠斯顿电桥的另外两个相对的桥臂，即导电层2-3和导电层2-4，覆盖在下衬底102的下表面。
导电层2-1位于导电层2-4的正上方，导电层2-1右端的电极5与导电层2-4右端的电极5电连接。导电层2-2右端的电极5与导电层2-3右端的电极5电连接。
引线为银浆走线，覆盖在折叠后柔性衬底1的两个表面上，引线6-1的右端与导电层2-1左端的电极5连接，引线6-2的右端与导电层2-2左端的电极5连接，引线6-3的右端与导电层2-3左端的电极5连接，引线6-4的右端与导电层2-4左端的电极5连接。引线6-5的右端与导电层2-1右端的电极5及导电层2-4右端的电极5连接，引线6-6的右端与导电层2-2右端的电极5及导电层2-3右端的电极5连接。引线6-5的主体部分、引线6-1和引线6-2覆盖在上衬底101的上表面，引线6-6的主体部分、引线6-3和引线6-4覆盖在下衬底102的下表面。6根引线的左端是应变薄膜的接头端，用于外接接头。
本发明实施例3应变薄膜的结构如图8和图9所示，包括8根引线、4条导电层2和橡胶弹性层(图中未示出)，柔性衬底1为单层薄膜。橡胶弹性层覆盖在导电层2的外面
4条导电层2连接成惠斯顿电桥，惠斯顿电桥的两个相对的桥臂，即导电层2-1和导电层2-2，覆盖在柔性衬底1的上表面101上，惠斯顿电桥的另外两个相对的桥臂，即导电层2-3和导电层2-4，覆盖在柔性衬底1的下表面102上。
引线为银浆走线，柔性衬底1的上表面有引线6-1、引线6-2、引线6-3和引线6-4。引线6-1与导电层2-1的右端连接，引线6-2与导电层2-1的左端连接；引线6-4与导电层2-2的右端连接，引线6-3与导电层2-2的左端连接。
柔性衬底1的下表面有引线6-5、引线6-6、引线6-7和引线6-8。引线6-7与导电层2-3的右端连接，引线6-5与导电层2-3的左端连接；引线6-8与导电层2-4的右端连接，引线6-6与导电层2-4的左端连接。
引线6-1和引线6-7通过过孔7-1电连接，并接左端的接地极G；引线6-2和引线6-6通过过孔7-2电连接，并接左端的输出正极P；引线6-3和引线6-5通过过孔7-3电连接，并接左端的输出负极N；引线6-4和引线6-8通过过孔7-4电连接，并接左端的电源正极V。
如图10所示，信号放大电路包括微分电容、两个负反馈放大电路和两个低通滤波电路；应变薄膜B1的正极输出端经微分电容接第一负反馈放大电路，第一负反馈放大电路经第一低通滤波电路接第二负反馈放大电路；第二负反馈放大电路经第二低通滤波电路输出。
第一负反馈放大电路包括运放U1A和负反馈电阻R5，负反馈电阻R5连接运放U1A的输出端和反相输入端。第二负反馈放大电路包括运放U1B和负反馈电阻R4，负反馈电阻R4连接运放U1B的输出端和反相输入端。
第一低通滤波电路包括滤波电阻R1和滤波电容C3，第二低通滤波电路包括滤波电阻R3和滤波电容C4。
应变薄膜B1的正极输出端通过微分电容C2接运放U1A的反相输入端，运放U1A的输出端通过滤波电阻R1和负端输入电阻R2接运放U1B的反相输入端，运放U1B的输出端通过滤波电阻R3输出。
滤波电容C3的第一端接滤波电阻R1与负端输入电阻R2的连接点，第二端接地；滤波电容C4的第一端接滤波电阻R3的输出端，第二端接地.
运放U1A的同相输入端和运放U1B的同相输入端接应变薄膜B1的负极输出端。
当应变薄膜B1有形变时，应变薄膜柔性衬底两面的导电层，一面因拉伸电阻变大，一面因压缩电阻变小，电桥输出差分值变大。微分电容C2将按压形变瞬间的微分信号传递给运放U1A,放大的信号经R1、C3低通滤波，去除噪声后，送给第二级放大电路U1B,放大的信号经R3、C4低通滤波后，输出给ADC转为数字信号。经过这个信号放大电路，能将应变薄膜很小的信号放大10000倍以上，使之达到压电薄膜的输出幅度。
本发明以上实施例的检测应变的柔性传感器采用了应变薄膜技术，结构和加工工艺简单、引线容易、产品成本低廉，灵敏度高，能够完全替代PVDF压电薄膜。放在床垫里，能检测到人体的心跳和呼吸，测得数据曲线如图11。放在枕头下面，同样能检测到心跳波形。应变薄膜样品，可以弯曲成10mm直径的圆，柔韧性好，弯曲100万次也不会损坏。

Claims (6)

1.一种检测应变的柔性传感器，包括应变薄膜和信号放大电路，应变薄膜包括复数个电极，电极包括电源输入端、正极输出端和负极输出端，其特征在于，应变薄膜包括柔性衬底和复数条平行的导电层；导电层分别覆盖在柔性衬底的上下表面，包括基质和分散在基质中的第一导电粒子；导电层的两端与对应的电极电连接；
导电层包括第二导电粒子，第一导电粒子是碳粉或金属粉，第二导电粒子是碳纤维，纳米碳管或石墨烯，第二导电粒子的两端分别朝向两个电极；
应变薄膜包括4条所述的导电层，4条所述的导电层连接成惠斯顿电桥，惠斯顿电桥的两个相对的桥臂布置在柔性衬底的顶面；另外两个相对的桥臂布置在柔性衬底的底面；
柔性衬底包括折合在一起的上衬底和下衬底；惠斯顿电桥的两个相对的桥臂覆盖在上衬底的上表面，另外两个相对的桥臂覆盖在下衬底的下表面。
2.根据权利要求1所述的检测应变的柔性传感器，其特征在于，所述的基质为聚合物。
3.根据权利要求1所述的检测应变的柔性传感器，其特征在于，应变薄膜包括两个弹性层，所述的弹性层覆盖在导电层的外表面。
4.根据权利要求1所述的检测应变的柔性传感器，其特征在于，信号放大电路包括微分电容、两个负反馈放大电路和两个低通滤波电路；应变薄膜的正极输出端经微分电容接第一负反馈放大电路，第一负反馈放大电路经第一低通滤波电路接第二负反馈放大电路；第二负反馈放大电路经第二低通滤波电路输出。
5.根据权利要求4所述的检测应变的柔性传感器，其特征在于，负反馈放大电路包括运放和负反馈电阻，负反馈电阻连接运放的输出端和反相输入端；第一低通滤波电路包括第一滤波电阻和第一滤波电容，第二低通滤波电路包括第二滤波电阻和第二滤波电容；应变薄膜的正极输出端通过微分电容接第一负反馈放大电路运放的反相输入端，第一负反馈放大电路运放的输出端通过第一滤波电阻经负端输入电阻接第二负反馈放大电路运放的反相输入端；第二负反馈放大电路运放的输出端通过第二滤波电阻输出；第一滤波电容的第一端接第一滤波电阻与负端输入电阻的连接点，第二端接地；第二滤波电容的第一端接第二滤波电阻的输出端，第二端接地；第一负反馈放大电路运放的同相输入端和第二负反馈放大电路运放的同相输入端接应变薄膜的负极输出端。
6.根据权利要求1所述的检测应变的柔性传感器，其特征在于，所述的检测应变的柔性传感器应用于检测人体心跳和呼吸。
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