CN110243502A

CN110243502A - 一种电感式压力传感器及其制作方法与应用

Info

Publication number: CN110243502A
Application number: CN201910448033.5A
Authority: CN
Inventors: 陈新建; 聂宝清; 汤昕冉; 缪一辉
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2019-09-17

Abstract

本发明公开了一种电感式压力传感器及其制作方法与应用，所述电感式压力传感器包括平面电感、铁氧体膜、弹性支柱和柔性覆膜；所述铁氧体膜附着于柔性覆膜上，位于平面电感与柔性覆膜之间；所述弹性支柱支撑于平面电感与柔性覆膜之间，使铁氧体膜与平面电感之间存有气隙。本发明具有灵敏度高，响应时间快，稳定性和重复性好的特点。

Description

一种电感式压力传感器及其制作方法与应用

技术领域

本发明涉及一种电感式压力传感器及其制作方法与应用，属于传感器技术领域。

背景技术

电感式传感器是一种基于电磁感应，利用磁路和磁阻的变化，进一步引起线圈自感或互感系数的变化，从而实现非电量测量的一种传感器。电感式传感器具有分辨率较高、使用寿命长、线性度较好、稳定性高、结构简单、抗干扰性好等优点，被广泛应用于位移测量、粒子检测、健康监测等领域。目前，国内的电感式传感器多由传统刚性材料制成，其应用范围被限制于传统工业领域，且存在低应变范围内灵敏度不足等问题，难以应用于可穿戴设备领域。另外，电感式传感器的精度很大程度上依赖于后续的数据采集系统，而电感式传感器的数据采集系统较为复杂，很难避免分辨率较低等问题。为了提高电感式传感器的测量精度，在设计传感器时，需要从提高传感器自身灵敏度和提高数据采集系统精度两方面去考虑。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种电感式压力传感器及其制作方法与应用，具有灵敏度高，响应时间快，稳定性和重复性好的特点。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种电感式压力传感器，包括平面电感、铁氧体膜、弹性支柱和柔性覆膜；

所述铁氧体膜附着于柔性覆膜上，位于平面电感与柔性覆膜之间；

所述弹性支柱支撑于平面电感与柔性覆膜之间，使铁氧体膜与平面电感之间存有气隙。

结合第一方面，进一步的，所述平面电感包括PI膜，所述PI膜双面覆铜层，铜层上图案化有平面矩螺旋形线圈，线圈的起始端和末端分别引出有导线。

结合第一方面，进一步的，所述铁氧体膜与柔性覆膜的总厚度为150～225um，所述平面矩螺旋形线圈的最大边长为10～21mm。

结合第一方面，进一步的，所述柔性覆膜包括聚对苯二甲酸乙二醇酯膜。

第二方面，本发明提供了一种可穿戴按键，包括多个按键单元，所述按键单元采用前述的电感式压力传感器。

第三方面，本发明提供了一种可穿戴日历设置设备，其特征在于，包括0至9共10个数字按键、年输入确认按键、月输入确认按键、退格按键、清除年/月输入按键、重置输入按键和确定按键；各所述按键均包括有各自的平面电感和铁氧体膜；各铁氧体膜附着于同一柔性覆膜上，位于平面电感与柔性覆膜之间；铁氧体膜通过支撑于所述柔性覆膜与平面电感之间设有弹性支柱，铁氧体膜与平面电感之间留存有气隙。

第四方面，本发明提供了一种电感式压力传感器的制作方法，所述方法包括如下步骤：

对双面覆铜PI膜进行图案化，制作平面螺旋线圈；

将铁氧体膜和柔性覆膜分别切割成需要的尺寸，使铁氧体膜附着于柔性覆膜上；

将弹性支柱一端粘贴于平面螺旋线圈上，保持铁氧体膜与平面螺旋线圈对准，将弹性支柱另一端粘贴于柔性覆膜上。

结合第四方面，进一步的，使用标准丝网印刷法和湿法蚀刻工艺对双面覆铜PI膜进行图案化。

结合第四方面，进一步的，采用激光微机械加工技术将铁氧体膜和柔性覆膜分别切割成需要的尺寸。

结合第四方面，进一步的，采用双面胶带作为基材，采用打孔器切割制得所述弹性支柱。

与现有技术相比，本发明提供的电感式压力传感器及其制作方法与应用所达到的有益效果包括：铁氧体膜与平面电感之间存有气隙，由于铁氧体膜的磁导率远大于真空磁导率，它将对平面电感产生的磁场起到屏蔽作用，使磁场主要分布在铁氧体膜及其与平面电感之间的气隙中，平面电感与铁氧体之间磁场的有效磁导率增大，使得平面电感的自感随之提升，有效地提高了器件的灵敏度；具有良好的柔性，可自由弯折，还具有优秀的稳定性和抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种传感器阵列的实物图；

图2是本发明实施例提供的一种电感式压力传感器的横截面示意图；

图3是PET膜/铁氧体膜厚度T分别为150和225μm时传感器的理论与实际灵敏度曲线；

图4是线圈外径边长a分别为10.6,15.6,21.0mm时传感器的理论与实际灵敏度曲线；

图5是传感器的最小分辨率为14.42Pa；

图6是传感器在38.45Pa、107.00Pa和177.82Pa的压力下，分别进行三个压缩-释放周期的响应曲线；

图7是从其中一个周期的上升沿和下降沿可计算出传感器的响应时间与恢复时间；

图8是传感器在62.48Pa的压力下持续超过32小时的输出记录；

图9是相同干扰源(手指)靠近时，电感式与电容式传感器的输出变化对比(未施加压力)；

图10是柔性电子键盘按键分布图；

图11是电感式压力传感器阵列测量系统电路部分框图；

图12是PC端用户显示界面在输入年份“2019”和月份“2”，按下确认键(E)后的显示结果；

图13是分别按下“2”、“0”、“1”、“9”后，16个按键的输出电压变化值；

图中：1、平面电感；2、弹性支柱；3、铁氧体膜；4、PET膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1显示了4×4传感器阵列的实物照片。传感器阵列可以自由弯折，这展示了该阵列所具有的高度柔性。图2展示了阵列其中一个单元传感器的横截面示意图。传感器由底层的平面螺旋电感、顶层的柔性吸波材料以及中间的弹性支柱组成。

(1)工作原理

当有交流信号输入线圈时，线圈内部将产生一个磁场。由于顶部铁氧体膜的磁导率远大于真空磁导率(μ₀)，它将对平面线圈产生的磁场起到屏蔽作用，使磁场主要分布在铁氧体膜及其与平面电感之间的气隙中。线圈与铁氧体之间磁场的有效磁导率增大，使得线圈的自感随之提升。有效电感(L₀)遵循公式：

其中，μ₀为真空磁导率，μ_r为铁氧体膜的磁导率，l_f和A_f分别表示磁场在铁氧体膜中经过路径的长度和面积，可分别等效看作铁氧体膜的边长和纵截面积；l_a和A_a则分别表示磁场在气隙中经过路径的长度和面积，可分别等效看作气隙的厚度(即平面电感与铁氧体之间的距离d)和横截面积。设铁氧体的边长和厚度分别为a和t，线圈外径的长度与铁氧体膜相等，设在外部压力下铁氧体膜和平面电感之间的距离变化为Δd，电感的变化为ΔL，代入后有：

根据薄板理论，可建立起Δd与施加在传感器上压强的变化值(ΔP)之间的关系式：

其中，T、ν、E分别为PET膜和铁氧体膜的厚度之和、二者的等效泊松比以及等效杨氏模量。结合上式可推导出传感器灵敏度的近似表达式：

当外界压力被施加在PET膜/铁氧体膜上时，PET膜/铁氧体膜由于自身的柔性发生形变弯曲，随着铁氧体膜和线圈之间的距离(d)减小，有效磁导率进一步增大。因此，给平面线圈加装铁氧体膜后，随着施加在传感器上的压力逐渐增大，平面线圈的自感值线性增加。

由公式4可知，电感式压力传感器的灵敏度受传感器的选材和尺寸的影响，其中，对灵敏度影响最大的因素有两个：PET膜/铁氧体膜的整体厚度T和平面线圈的外径边长a。前者的立方与传感器的灵敏度呈反比，后者的平方与传感器的灵敏度呈正比。

(2)传感器自身参数设计对灵敏度的影响

由公式4可知，影响传感器灵敏度最大的两个因素是PET膜/铁氧体膜的整体厚度T和线圈的外径边长a。为了尽可能地提高传感器的灵敏度，需选用铁氧体膜厚度t较大的铁氧体材料。然而，铁氧体和PET膜的厚度T值过大时，传感器的可压缩性和柔性会受到影响，为了同时确保传感器的柔性，需找出最佳的T值。本文中选用了100μm厚的铁氧体膜，并通过改变PET膜的厚度来改变T值。

为了验证公式4显示的PET膜/铁氧体膜整体厚度T和线圈外径边长a对灵敏度的影响，我们选择了50μm和125μm两种厚度的PET膜以及10.6mm、15.6mm、21.0mm三种外径的平面线圈，分别制作了四种传感器进行实验(1:T＝150μm,a＝21.0mm；2:T＝225μm,a＝21.0mm；3:T＝150μm,a＝15.6mm；4:T＝150μm,a＝10.6mm)，并绘制出它们的相对电感变化量(ΔL)-压强(ΔP)曲线。为了证明公式4的准确性，我们同时将实验中传感器承载的压强值代入公式2.10中，计算出理论相对电感变化值，并绘制了理论预测曲线。实验结果如图2所示。其中，图中的实线即是将压强值代入公式4计算后绘制出的预测曲线。

图3显示了在其他条件相同时，不同PET膜/铁氧体膜整体厚度(T)对传感器灵敏度的影响，其中线圈的外径边长(a)为21.0mm。拥有较薄PET膜/铁氧体膜(PET膜与铁氧体膜总厚度为150μm)的传感器在0-0.18kPa的线性范围内表现出了较高的灵敏度(1.60kPa^-1)，而具有较厚PET膜/铁氧体膜(PET膜与铁氧体膜总厚度为225μm)的传感器在0-0.60kPa的线性范围内表现出较低的灵敏度(0.47kPa^-1)，这与公式4中显示的灵敏度与PET膜/铁氧体膜厚度立方之间的反比关系是符合的。同时，理论预测曲线(图中实线)的走向与实际曲线的走向相同，进一步验证了理论分析的正确性。

图4显示了线圈外径边长(a)对灵敏度的影响。图中给出了线圈外径边长分别为10.6mm、15.6mm、21.0mm时传感器的ΔL/L₀-ΔP关系图，其中PET膜/铁氧体膜的厚度(T)为150μm。当线圈外径边长最长(21.0mm)时，传感器具有1.60kPa^-1的最高灵敏度。相比之下，当线圈外径边长减小到15.6mm时，传感器灵敏度下降到了0.99kPa^-1；而线圈外径边长减小到10.6mm时，传感器的灵敏度也降低到了最低(0.43kPa^-1)。由图可见，理论预测曲线的走向和实验结果吻合，同时，实验结果与公式2.10中灵敏度与线圈外径边长a的平方成正比的结果相符合。

传感器的最小分辨率是衡量传感器性能的重要指标之一，对于压力传感器来说，最小分辨率指的是传感器可检测到的最小的压力变化值。测量电感式压力传感器的最小分辨率时，为了方便计算，可让传感器承载的压力从零开始增加，并实时记录传感器的输出，直到输出发生明显变化时，记录下此时传感器承载的压力值。我们选择了PET膜/铁氧体膜厚度为150μm、线圈边长为21.0mm的传感器单元进行测量。其实验结果如图5所示。通过实际测量可知，传感器在14.42Pa的外部压力下具有可见的自感变化(1.16％)，即传感器的最小分辨率为14.42Pa。

(3)对可重复性、响应时间和稳定性的评估

为了研究传感器的可重复性，我们给同一个传感器施加了三种不同的压力负载(38.45Pa、107.00Pa和177.82Pa)，并分别重复了三次压缩-释放循环周期，同时记录了传感器的输出，结果如图6所示。从图中可以看出，传感器在每个周期都能够灵敏地响应循环负载，并在压力释放后回复到初始的电感输出值。传感器承载的压力不变时，传感器的电感值不会随着时间的流逝或施加压力的次数变化。

传感器的响应时间是指被测量变化了一定数值后，传感器做出相应的输出响应所需要的时间。我们选取了图6中的一个周期来计算传感器的响应时间和恢复时间，其放大图如图7所示。从图中可以看出，传感器在压力施加、释放的瞬间，输出值不是一瞬间发生同步突变，输出值完成突变所经历的时间就是传感器的响应/恢复时间。经过计算，传感器的响应时间和恢复时间分别为111ms和215ms，响应速度较快，能够很好地满足各种场合下的需求。

(4)对环境影响的表征

为了验证电感式压力传感器的短时稳定性，我们给电感式压力传感器施加了62.48Pa的恒定压力，并记录了传感器在这样的负载下超过32小时的电感输出，每隔30分钟记录一次，其结果如图8所示。所使用传感器的PET膜/铁氧体膜厚度为150μm、线圈外径为21.0mm。在62.48Pa的恒定压力下持续32小时后，传感器的电感输出由初始的13.28μH变为13.31μH，变化率<0.23％，可见传感器具有很高的稳定性。

与电容式传感器相比，电感式传感器具有抗干扰、稳定性高、耐久度高的优点。为了验证这一点，我们制作了和电感式压力传感器具有相似结构的电容式压力传感器，将两个传感器放置在同样的干扰源附近，记录它们的输出并进行对比。实验用的电容式传感器和电感式压力传感器一样具有三层结构，上下两层均为10.6×10.6mm的正方形ITO(Indiumtinoxide,氧化铟锡)膜，由加装在ITO膜四角的弹性支柱隔开。测量时使用PET膜/铁氧体膜厚度为150μm、线圈外径为10.6mm的电感式压力传感器，在未施加压力的情况下，将手指分别贴近两个传感器作为干扰源，观察传感器的输出变化，其结果如图9所示。没有干扰源的环境下，电容式、电感式压力传感器的输分别为2.82pF、1.62μH。手指接近两个传感器后，电感式压力传感器的输出几乎没有变化(变化率为0.61％)；而电容式压力传感器的输出下降，最终由初始的输出2.82pF减小到2.58pF，变化率为8.52％，由此证明了电感式压力传感器比电容式压力传感器拥有更好的抗干扰能力。

(5)传感器阵列应用于可穿戴智能日历

本发明中的电感式压力传感方案具有灵敏度高，响应时间快，稳定性和重复性好的特点，在可穿戴电子设备中的应用潜力巨大。因此，我们将4×4电感式压力传感器阵列开发为可穿戴柔性键盘，其尺寸为6.67×6.60cm²，厚度为2.2mm。该键盘可附着在人体(例如前臂)上。该传感器阵列中单个单元使用的PET膜/铁氧体膜厚度为150μm，线圈外径为10.6mm。阵列的每一个单元代表了不同的按键，16个按键包括数字0到9、年输入确认键(Y)、月输入确认键(M)、退格(B)、清除年/月输入(D)、重置输入(R)和确定键(E)，如图10所示。

为了测量传感器阵列的输出，我们搭建了阵列测量电路，其系统示意框图如图11所示，包括信号源、选通模块、电感测量模块(惠斯通电桥)、信号放大单元和数据的采集与发送单元。阵列中的每个单元由两个正交的开关进行选通，开关使用的是八路继电器，由单片机进行控制。所选单元的输出电压接入惠斯通电桥消除传感器寄生电阻上的分压，然后进入信号放大模块。输出电压由单片机进行采集，并通过蓝牙发送到计算机。

为进一步展示了传感器在可穿戴设备中的应用，并将它与PC端的软件结合，应用于可穿戴智能日历。在输入年份“2019”和月份“2”并将其传送到PC，计算相应的月份的日历并在PC上以MATLAB程序显示。其结果如图12所示。

图13示出了按下“2”，“0”，“1”和“9”按钮时16个单元(上图)的电压变化(下图)。如图所示，键盘中的按钮在被按下时，相应单元的输出具有最大的电压变化(大于0.15V)，可以轻松定位出目前按下的按钮。从图中可以看出相邻单元中存在信号交叉，这很大程度上是由于单元之间PET膜的机械干扰。为了解决这个问题，应该在未来的工作中研究传感膜的材料和具有适当机械模量的弹性柱。

二、实验部分

(1)材料与方法

传感器的制造一般过程包括三个步骤：平面电感制造，激光微加工和器件组装。在第一步中，我们使用标准丝网印刷法和湿法蚀刻工艺对双面覆铜聚酰亚胺(PI)膜进行图案化，即制作平面螺旋电感。同时，在该步骤中在PI膜上添加弹性柱定位标记；在第二步中，采用激光微机械加工技术，将铁氧体膜(厚度100μm，A4010，南京先进磁性材料有限公司)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET膜，厚度50和125μm)切割成需要的尺寸。使用冲头直径为3mm的打孔器在双面胶带(深圳昌达盛电子有限公司)上切割出弹性圆柱(2mm厚)；最后，将弹性支柱对准PI膜上的定位标记粘贴在平面电感上，并将铁氧体膜附着在PET膜基底上，然后将铁氧体/PET膜组装到黏性弹性支柱上。平面螺旋电感线圈的起始端和末端分别使用铜线引出一个焊盘，连接导线后用于接入测量电路。整个装置柔软而有弹性，每个传感单元的定制尺寸为17.6mm×17.6mm×2.2mm(最小)至27.0mm×27.0mm×2.2mm(最大)。

(2)对灵敏度的校准

传感器的性能测试平台由实验台、线性位移导轨、测力计、阻抗分析仪组成，系统示意图如图5所示。整个系统中，电动测力计(M5-05，Mark10，Inc.)负责提供传感器承载的外部压力，其底端装有特制的圆锥形加压头。传感器平放于测力计下方，并固定在实验台上。线性位移导轨垂直于实验平台放置，电动测力计通过连接钉固定在导轨上。导轨由计算机驱动，可精准地控制测力计移动的距离。传感器通过导线连接到阻抗分析仪(65120B，WK)用于测量线圈自感。阻抗分析仪为传感器提供了一个频率为1kHz、峰-峰值为1V的交流信号作为线圈的信号源，整个实验过程中，阻抗分析仪可实时显示线圈的自感，便于记录和分析。

测量传感器的最小分辨率时，首先将加压头置于即将与PET膜/铁氧体膜接触的临界位置，通过电脑控制测力计在线性移动导轨上进行微小位移(移动步长小于10μm)，使得PET膜/铁氧体膜承载的压力极小且增加缓慢，直到阻抗分析仪显示的线圈自感出现明显的响应后撤回压力。这个过程中实时记录阻抗分析仪显示的传感器输出值。

图3、图4显示了拥有不同PET/铁氧体膜厚度(T)、正方形线圈的边长(a)的传感器的灵敏度曲线。如图所示，T＝150μm、a＝21.0mm时，传感器达到最高的灵敏度(1.60kPa^-1)。而a减小到10.6mm时，传感器的灵敏度也降低到了最低(0.42kPa^-1)。由图可见，理论预测曲线的走向和实验结果吻合，同时，实验结果与公式4中灵敏度与T的三次方成正比、a的平方成正比的结果相符合。然而，从图中也可以看出，传感器的灵敏度和线性范围无法同时达到最佳状态。尽管随着PET/铁氧体膜厚度的增加或正方形线圈边长的减小，传感器的灵敏度降低，但传感器的线性工作范围也随之扩宽。例如，当PET/铁氧体膜厚度为150μm且正方形线圈边长为10.6mm时，传感器的灵敏度最低，但其同时具有最大的线性范围(0-1kPa)，是灵敏度最高时传感器线性范围(0-0.18kPa)的五倍以上。在实际应用时，可根据不同场合下的需求选择合适的设计。

(3)对可重复性、响应时间和稳定性的评估

测量电感式压力传感器的可重复性、响应时间和恢复时间时，首先将加压头置于即将与PET膜/铁氧体膜接触的临界位置，之后通过线性移动导轨和测力计对传感器施加恒定压力，施加压力的同时开始计时，计时过程中实时记录下传感器的电感输出。一段时间后撤回压力，并绘制传感器的输出电感值(L)-时间(t)的关系图，并选取其中一个周期计算传感器的响应时间和恢复时间。

如图6所示，T＝150μm、a＝21.0mm的传感器在三种不同的压力负载下(38.45Pa、107.00Pa和177.82Pa)分别重复三次压缩-释放循环周期后，仍能在压力释放后恢复到初始电感值。同时，传感器电感输出仅随其承受的传感器外部压力而变化，施加压力的次数和时间无关。图7显示了107Pa压强下最后一个周期中传感器的电感输出结果，并从中计算传感器的响应时间和恢复时间分别为111ms和215ms，其响应速度可与近年文献报道中的压力传感器相媲美。

图8给出了电感式压力传感器的短时稳定性结果。电感式压力传感器负载恒定压力(63.48Pa)超过32小时后，电感输出变化率不超过0.23％，有效改善了了压力传感器短时输出不稳的缺点。

由于该电感式传感器需要佩戴于人体，图9给出了人体生物电对传感器的影响。在相同的测试环境下，与该发明中电感式传感器具有相似结构的电容式压力传感器在人体的影响下输出变化为8.52％，而电感式传感器的变化仅为0.61％，这表明我们的传感器对人体生物电具有出色的抗干扰能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电感式压力传感器，其特征在于，包括平面电感、铁氧体膜、弹性支柱和柔性覆膜；

2.根据权利要求1所述的电感式压力传感器，其特征在于，所述平面电感包括PI膜，所述PI膜双面覆铜层，铜层上图案化有平面矩螺旋形线圈，线圈的起始端和末端分别引出有导线。

3.根据权利要求2所述的电感式压力传感器，其特征在于，所述铁氧体膜与柔性覆膜的总厚度为150～225um，所述平面矩螺旋形线圈的最大边长为10～21mm。

4.根据权利要求1所述的电感式压力传感器，其特征在于，所述柔性覆膜包括聚对苯二甲酸乙二醇酯膜。

5.一种可穿戴按键，其特征在于，包括多个按键单元，所述按键单元采用权利要求1至4任一项所述的电感式压力传感器。

6.一种可穿戴日历设置设备，其特征在于，包括0至9共10个数字按键、年输入确认按键、月输入确认按键、退格按键、清除年/月输入按键、重置输入按键和确定按键；各所述按键均包括有各自的平面电感和铁氧体膜；各铁氧体膜附着于同一柔性覆膜上，位于平面电感与柔性覆膜之间；铁氧体膜通过支撑于所述柔性覆膜与平面电感之间设有弹性支柱，铁氧体膜与平面电感之间留存有气隙。

7.一种电感式压力传感器的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

对双面覆铜PI膜进行图案化，制作平面螺旋线圈；

8.根据权利要求7所述的电感式压力传感器的制作方法，其特征在于，使用标准丝网印刷法和湿法蚀刻工艺对双面覆铜PI膜进行图案化。

9.根据权利要求7所述的电感式压力传感器的制作方法，其特征在于，采用激光微机械加工技术将铁氧体膜和柔性覆膜分别切割成需要的尺寸。

10.根据权利要求7所述的电感式压力传感器的制作方法，其特征在于，采用双面胶带作为基材，采用打孔器切割制得所述弹性支柱。