CN106595469A - 一种弯曲传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弯曲传感器，通过在具有不同弹性模量的叠层柔性衬底上制备电阻层，增加了弯曲时电阻层的形变量，解决了弯曲传感器因形变量小而导致的其测量精度低或灵敏度低的技术问题。本发明提供的弯曲传感器，包括柔性衬底和电阻层，所述电阻层设置于所述柔性衬底上，所述柔性衬底由多个不同弹性模量材料的子衬底叠层而成，其中，各子衬底的弹性模量由底层至上层依次减小。

Description

一种弯曲传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种弯曲传感器。

背景技术

随着柔性屏幕、柔性电池等逐渐由中试向量产推进，柔性电子因其具有更高的自由度、可弯折等特点而成为未来电子产品的趋势之一。为确定柔性电子产品的弯曲形变状态，提出了弯曲传感器来对其弯曲形变进行检测。

通常，弯曲传感器是在一层衬底上制备一层特殊的形变电阻材料而成的，其电阻材料的构成一般分为两种：一种为导电油墨或者其他金属/半导体粒子混合到一种弹性体或树脂中，另外一种为离子液体注入密封的微通道中。当弯曲传感器受到应力发生弯曲形变时，其表面电阻值即发生变化。弯曲程度越大，弯曲传感器的电阻值变化越大，则通过测量弯曲形变时其表面电阻值的变化即可计算出弯曲形变，其测量精度和灵敏度受弯曲时形变量的大小以及电阻材料本身性质的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种弯曲传感器，通过在具有不同弹性模量的叠层柔性衬底上制备电阻层，增加了弯曲时电阻层的形变量，解决了弯曲传感器因形变量小而导致的其测量精度低或灵敏度低的技术问题。

本发明一实施例提供的一种弯曲传感器，包括柔性衬底和电阻层，所述电阻层设置于所述柔性衬底上，所述柔性衬底由多个不同弹性模量材料的子衬底叠层而成，其中，各子衬底的弹性模量由底层至上层依次减小；

其中，所述柔性衬底和所述电阻层之间夹设有多个电极，所述多个电极中每个电极分别连接有电极引线；

其中，所述多个电极为沿电阻层延伸方向等距离排列的电极阵列；

其中，所述柔性衬底包括阵列区和引线区，所述电极阵列设置于所述阵列区，所述电极引线设置于所述引线区；

其中，所述电阻层上设置有覆盖层，所述覆盖层覆盖所述电阻层、多个电极以及电极引线；

其中，所述覆盖层由具有生物相容性的柔性高分子材料构成；

其中，所述电阻层为石墨烯薄膜层；

其中，所述电阻层由导电性材料与基质树脂/弹性体混合形成；

其中，所述子衬底的材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯的一种或多种；

其中，所述电极采用金属材料、合金材料或高分子材料，通过丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、柔性印刷或移印中的一种方法制成；所述电极引线通过刻蚀工艺形成。

本发明实施例提供的弯曲传感器，将电阻层设置于由具有不同弹性模量、且弹性模量由底层至上层依次减小的多层子衬底叠层而成的柔性衬底上，增加了弯曲时电阻层的形变量，从而增大了电阻层的阻值变化量，提高了弯曲传感器的测量灵敏度及测量精度。

附图说明

图1所示为本发明一实施例提供的一种弯曲传感器的结构示意图。

图2所示为本发明一实施例提供的一种弯曲传感器的主视剖面图。

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

图1所示为本发明一实施例提供的一种弯曲传感器的结构示意图。如图1所示，该弯曲传感器包括柔性衬底1和电阻层2，电阻层2设置于柔性衬底1上，该柔性衬底1由多个不同弹性模量材料的子衬底叠层而成，各子衬底的弹性模量由底层至上层依次减小。在图1所示的实施例中，该柔性衬底1仅包括第一子衬底11和第二子衬底12两个子衬底，且处于底层的第一子衬底11的弹性模量大于上层的第二子衬底12的弹性模量，电阻层2附于第二子衬底12上。本领域的技术人员可以理解，由于上下两层子衬底的弹性模量不同且下层材料的弹性模量大于上层材料的弹性模量，则传感器的中性层靠近衬底底层位置。这样，整个弯曲传感器在弯曲形变时，根据如下应变公式:ε＝y/ρ(其中，ρ为中性层的曲率半径，y为待测物体与中性层间的距离)，处于柔性衬底1上的电阻层2的形变大于柔性衬底1的形变，从而增加了电阻层2的形变量，其电阻阻值变化也会随之增大，最终提高了弯曲传感器的测量灵敏度和测量精度。

图2所示为本发明一实施例提供的一种弯曲传感器的主视剖面图。如图2所示，电阻层2设置于柔性衬底1的最上层子衬底(即第二子衬底12)上，第二子衬底12和电阻层2之间夹设有多个电极3，其中每个电极3分别连接有电极引线(未在图中示出)。在本发明一实施例中，电阻层2呈沿左右方向延伸的带状，电极3为条状电极，其延伸方向与电阻层2的延伸方向垂直，多个电极3沿电阻层2的延伸方向等距离排列，构成了电极阵列。柔性衬底1包括阵列区和引线区，其中，电极阵列设置于阵列区，电极引线设置于引线区。电极阵列中的电极3通过电极引线与连接器进行连接，用于输出电阻层2的阻值。则通过相邻的两电极3即可测量并输出弯曲传感器在形变时，这两个电极3间电阻层2的阻值变化情况，从而计算出待测物体的弯曲形变量。

在本发明一实施例中，电阻层2为石墨烯薄膜层，石墨烯具有极好的导电性，它在受到应力作用时能带结构发生变化，电阻就会发生变化，并且由于载流子在石墨烯中运动速度很快，使得其对应力变化的反应更加敏感，从而进一步增强了弯曲传感器的测量灵敏度及测量精度；而且石墨烯的拉伸强度也较高，能够弹性变形，因此弯曲传感器在弯曲变形后负荷消失时，借助石墨烯薄膜层的弹性恢复力，传感器易于恢复到原来的形状，其可重复使用的次数增多，使用寿命将更长。另外，石墨烯薄膜层更加轻薄，单层石墨烯不到0.335nm，使得做成的弯曲传感器更加轻薄。需要说明的是，电阻层2并不限于石墨烯一种材料，也可为还原氧化石墨烯、氧化石墨烯或碳纳米管中的一种或多种纳米材料。

当然，电阻层2也可由导电性材料填充到基质树脂/弹性体中形成。在本发明另一实施例中，电阻层2就是由导电性材料与基质树脂混合而成的，其在无负荷状态下具有高导电性，并且电阻值随着形变量的增加而增大。关于构成电阻层2的导电性材料，只要是具有导电性的粒子即可，本发明对此并不特别地限定。例如可为银、金、铜、镍等金属粉末，可为具有导电性的碳粉末或表面被金属覆盖的粒子等，还可为上述任意多种材料的组合。对于构成电阻层2的基质树脂，只要是热固性树脂或热塑性树脂即可。如果选择热固性树脂，例如可为环氧树脂、醇酸树脂、酚醛树脂、尿素树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯、聚酰亚胺等。如果选择热塑性树脂，例如可为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等。另外，除了导电性材料和基质树脂外，还可在电阻层2中混合如增塑剂、软化剂、抗老化剂等各种添加剂以进一步增强电阻层2的性能。

对于电极3的材料，既可采用金属材料或合金材料，例如，选用金、银、铜、铝、铬、镍或者这些金属的合金，也可采用一些非金属材料或高分子材料，例如，石墨烯、碳纳米管、氧化铟锡、聚对苯二甲酸乙二醇酯或者聚萘二甲酸乙二醇酯等。在本发明一实施例中，电极3通过印刷工艺形成，例如，可采用丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、柔性印刷或移印中的任意一种方法制成。对于电极3的形状，也不限定于上述实施例中所述的长条状，还可为椭圆状、正圆状或长圆状等，本发明对此不做具体限定。对于弯曲传感器中电极3的数量或者说电极阵列中相邻两个电极3间的距离，也可根据不同需要而做不同设定，电极3的数量越多，电极阵列中相邻两个电极3的距离越小，测得的电阻层2的阻值误差则越小，从而能够更加准确地计算出待测物体整体的形变量，然而本发明对于电极3的具体数量/电极阵列中相邻两个电极3间距离的具体数值并不做限定。

对于电极3上连接的电极引线，可通过刻蚀工艺形成，即通过柔性衬底1上表面的铜箔等金属蚀刻为既定的图案即可。

在本发明一实施例中，如图2所示，电阻层2上设置有覆盖层4，该覆盖层4覆盖电阻层2、多个电极3以及电极引线。覆盖层4为由具有生物相容性的柔性高分子材料构成的薄膜，例如，丙烯酸酯橡胶薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、聚乙烯薄膜、乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜或柔性纳米涂层等。覆盖层4用于防水、防盐汗，能够有效地耐摩擦，抑制弯曲传感器的品质及性能变差，保证其具有较长的使用寿命。

在上述图1和图2所示的实施例中，柔性衬底1仅包括第一子衬底11和第二子衬底12两个子衬底，且处于底层位置的第一子衬底11的弹性模量大于其上层的第二子衬底12的弹性模量，例如，第一子衬底11的材料可以选择为聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，第二子衬底12的材料可以选择为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，因为聚萘二甲酸乙二醇酯的弹性模量大于聚对苯二甲酸乙二醇酯的弹性模量，则整个弯曲传感器的中性层更靠近底层，满足本发明实施例的设计需求。在其他实施例中，如在弯曲形变时，为了使电阻层2的形变量大于柔性衬底1形变量的幅度增加，即为了使弯曲传感器的测量灵敏度及测量精度提升的效果更加显著，完全可以适当增加子衬底的层数，其中，各子衬底可以选择聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯等材料，只要保证各子衬底的弹性模量从叠层的底层至上层呈依次递减的形式即可，本发明对柔性衬底1中各子衬底的层数及材料不做具体限定。

综上所述，本发明实施例提供的弯曲传感器，将电阻层设置于由具有不同弹性模量、且弹性模量由底层至上层依次减小的多层子衬底叠层而成的柔性衬底上，增加了弯曲时电阻层的形变量，从而增大了电阻层的阻值变化量，提高了弯曲传感器的测量灵敏度及测量精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弯曲传感器，其特征在于，包括柔性衬底和电阻层，所述电阻层设置于所述柔性衬底上，所述柔性衬底由多个不同弹性模量材料的子衬底叠层而成，其中，各子衬底的弹性模量由底层至上层依次减小。

2.根据权利要求1所述的弯曲传感器，其特征在于，所述柔性衬底和所述电阻层之间夹设有多个电极，所述多个电极中每个电极分别连接有电极引线。

3.根据权利要求2所述的弯曲传感器，其特征在于，所述多个电极为沿电阻层延伸方向等距离排列的电极阵列。

4.根据权利要求3所述的弯曲传感器，其特征在于，所述柔性衬底包括阵列区和引线区，所述电极阵列设置于所述阵列区，所述电极引线设置于所述引线区。

5.根据权利要求2所述的弯曲传感器，其特征在于，所述电阻层上设置有覆盖层，所述覆盖层覆盖所述电阻层、多个电极以及电极引线。

6.根据权利要求5所述的弯曲传感器，其特征在于，所述覆盖层由具有生物相容性的柔性高分子材料构成。

7.根据权利要求1所述的弯曲传感器，其特征在于，所述电阻层为石墨烯薄膜层。

8.根据权利要求1所述的弯曲传感器，其特征在于，所述电阻层由导电性材料与基质树脂/弹性体混合形成。

9.根据权利要求1所述的弯曲传感器，其特征在于，所述子衬底的材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯的一种或多种。

10.根据权利要求2所述的弯曲传感器，其特征在于，所述电极采用金属材料、合金材料或高分子材料，通过丝网印刷、喷墨印刷、凹版印刷、柔性印刷或移印中的一种方法制成；所述电极引线通过刻蚀工艺形成。