CN110243503B - 基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列，包括柔性基底层，所述基底层上覆盖有柔性吸波材料，所述柔性基底层和柔性吸波材料之间设置有支撑件，所述柔性基底层采用的是柔性平面线圈，支撑件采用的是弹性支柱；所述平面线圈与柔性吸波材料之间通过多个弹性支柱连接隔开，形成柔性电感式压力传感器。本发明提供一种基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列，具有高灵敏度、快速响应、高稳定性、抗干扰强、耐久度高的性能特点，能够应用于可穿戴电子设备中。

Description

基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性电子器件领域，特别是一种电感式柔性压力传感技术，具体涉及一种基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列及其制备方法。

背景技术

柔性传感器是一种将功能元件集成在柔性衬底上制成的传感器，在学术领域和工业领域均有极高的关注度。其柔性的特点使传感器具有延展性高、可自由弯折等特点，可贴合于表面形状不同的物体，设备体积小且重量轻，便于随身携带，在人机交互的智能可穿戴设备中有广泛的应用。其中，柔性压力传感器是常见的柔性传感器之一，它在贴合表面的同时，还能够提供该表面与外部环境的接触过程等重要信息。根据其传感机制的不同，柔性压力传感器可进一步细分为压阻式、电容式、压电式和光电式等。

目前，柔性压力传感器的应用包括健康监测、人体生理信号检测、人工皮肤、假体手术等。例如，董教授的研究小组报告了一种由还原氧化石墨烯(rGO) 和聚苯胺纳米线(PANI NWs) 包裹海绵制成的柔性电阻式压力传感器，在0 - 27 kPa的工作范围内，最大灵敏度为0.152 kPa^-1，可用于检测微小的人体运动 (例如语音识别和呼吸) 以及大规模的身体活动 (例如手指的弯曲、肘部和膝盖的运动)。目前，为了能够适应新兴的实际应用，柔性压力传感器面临着在灵敏度、分辨率、响应速度、稳定性和可重复性等方面实现高性能的挑战。

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。例如，Kisic的小组报告了一种基于无线电感压力传感的称重传感器来检测座位占用的方法，使用者的重量施加在传感器上时引起内置弹簧的压缩，从而引起底层线圈和顶层铁氧体板之间距离的减小，改变传感器的电感，进而改变传感器谐振频率。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

本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列，具有高灵敏度、快速响应、高稳定性、抗干扰强、耐久度高的性能特点，能够应用于可穿戴电子设备中。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列，包括柔性基底层，所述基底层上覆盖有柔性吸波材料，所述柔性基底层和柔性吸波材料之间设置有支撑件，所述柔性基底层采用的是柔性平面线圈，支撑件采用的是弹性支柱；所述平面线圈与柔性吸波材料之间通过多个弹性支柱连接隔开，形成柔性电感式压力传感器。

本发明一个较佳实施例中，柔性吸波材料采用PET-铁氧体膜，PET-铁氧体膜包括PET膜，以及附着在PET膜上的至少一片铁氧体膜，且铁氧体膜位于PET膜与平面线圈之间。

本发明一个较佳实施例中，交流信号输入平面线圈的线圈时，线圈内部将产生一个磁场，由于线圈的顶部设置的铁氧体膜的磁导率远大于真空磁导率 μ ₀，铁氧体膜将对平面的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线圈之间的气隙中，线圈与铁氧体膜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L ₀遵循公式：

(1)

其中，N为线圈匝数，μ ₀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和横截面积，所述气隙的厚度即平面线圈与铁氧体之间的距离d。

本发明一个较佳实施例中，铁氧体膜/线圈外径的边长为a、铁氧体膜厚度为t，线圈外径边长与铁氧体膜边长相等；未按压传感器时所述气隙的厚度为d ₀，按压传感器时所述气隙的厚度为d'，设在外部压力下铁氧体膜和线圈之间的距离变化为Δd，电感的变化为ΔL，代入所述公式1后有：

(2)

其中，C代表因为其他因素而损耗的磁场，该值由平面线圈自身参数决定，由于其值远小于分子中的另一项

，可将C看作一个常数。

本发明一个较佳实施例中，根据薄板理论，能建立起Δd与施加在电感式压力传感器上压强的变化值 ΔP之间的关系式：

(3)

其中，T为PET-铁氧体膜的厚度之和、ν为PET-铁氧体膜的等效泊松比、E为PET-铁氧体膜等效杨氏模量。

本发明一个较佳实施例中，当外界压力被施加在PET-铁氧体膜上时，PET-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；给平面线圈加装铁氧体膜后，随着施加在所述传感器上的压力逐渐增大，平面线圈的自感值线性增加，将公式3代入公式2可得传感器的灵敏度表达式：

(4)

所述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-铁氧体膜的整体厚度T和铁氧体膜/线圈的外径边长a，整体厚度T的立方与电感式压力传感器的灵敏度呈反比，外径边长a的平方与电感式压力传感器的灵敏度呈正比。

本发明一个较佳实施例中，PET-铁氧体膜的整体厚度T和平面线圈的外径边长a；PET-铁氧体膜的厚度T值过大时，传感器的可压缩性和柔性会受到影响，为了同时确保电感式压力传感器的柔性，所述PET-铁氧体膜的整体厚度T选用150~250μm，所述PET-铁氧体膜的整体厚度T中铁氧体膜厚度t选用了50~125μm，并通过改变PET膜的厚度来改变T值。

本发明一个较佳实施例中，基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列的制备方法：

第一步，平面线圈制造，平面线圈中设置有至少一个线圈，线圈即平面电感，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，在双面覆铜聚酰亚胺PI膜上添加弹性支柱的定位标记；

第二步，激光微加工，采用激光微机械加工技术，将铁氧体膜和PET膜切割成需要的尺寸，使用打孔器的冲头在双面胶带上切割出弹性圆柱作为弹性支柱；

第三步，器件组装，将弹性支柱对准PI膜上的弹性支柱的定位标记粘贴在平面电感上，并将铁氧体膜附着在PET膜的基底上形成PET-铁氧体膜，然后将PET-铁氧体膜组装到具有黏性的弹性支柱上；平面电感的起始端和末端分别使用铜线引出一个焊盘，通过连接导线引出。

本发明一个较佳实施例中，基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列的校验方法：传感器连接测试平台，所述测试平台包括实验台、线性位移导轨、测力计、阻抗分析仪；通过接测试平台对传感器进行灵敏度的校准，以及对所述传感器可重复性、响应时间和稳定性评估。

具体的，本发明一个较佳实施例中，基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列的校验方法：灵敏度的校准，通过测力计负责提供传感器承载的外部压力，测力计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台放置，测力计通过连接钉固定在线性位移导轨上，驱动线性位移导轨，能控制测力计移动的距离，传感器通过导线连接到用于测量平面线圈自感的阻抗分析仪上，阻抗分析仪为传感器提供了一个频率为1 kHz、峰-峰值为1 V的交流信号作为平面线圈的信号源，整个实验过程中，阻抗分析仪能实时显示平面线圈的自感；测量传感器的最小分辨率时，首先将测力计的加压头置于即将与PET-铁氧体膜接触的临界位置，通过控制测力计在线性移动导轨上进行微小位移，使得PET-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平面线圈自感出现明显的响应后撤回压力，并实时记录阻抗分析仪显示的传感器输出值。

根据上述所揭露的基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列，达到的有益效果是：

一种基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列，具有高灵敏度、快速响应、高稳定性、抗干扰强、耐久度高的性能特点，能够应用于可穿戴电子设备。

本发明通过引入一种铁氧体材料和柔性平面线圈阵列，使传感器具有良好的柔性，可自由弯折。铁氧体膜的高磁导率有效地提高了传感器的灵敏度；同时，柔性电感式压力传感器还具有优秀的稳定性和抗干扰能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

图1为本发明实施例中4 × 4电感式压力传感器阵列实物图；

图2为本发明实施例电感式压力传感器示意图的横截面图一（传感器不受力时）；

图3为本发明实施例电感式压力传感器示意图的横截面图二（传感器受力时）；

图4为本发明实施例中PET-铁氧体膜厚度T分别为150和 225 μm时传感器的理论与实际灵敏度的曲线图；

图5为本发明实施例中平面线圈2的外径边长a分别为10.6, 15.6, 21.0 mm时传感器的理论与实际灵敏度的曲线图；

图6为本发明实施例中传感器的最小分辨率为14.42 Pa的曲线图；

图7为本发明实施例中传感器在38.45 Pa、107.00 Pa和177.82 Pa的压力下，分别进行三个压缩-释放周期的响应的曲线图；

图8为本发明实施例中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的示意图表。

图9为本发明实施例中传感器在62.48 Pa的压力下持续超过32小时的输出记录图表；

图10为本发明实施例中相同干扰源 (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)的图表；

图11中 (a) 为本发明实施例中柔性电子键盘按键分布；(b) 为本发明实施例中电感式压力传感器阵列测量系统电路部分框图；(c) 为本发明实施例中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12为本发明实施例中分别按下“2”、“0”、“1”、“9”后，16个按键的输出电压变化值显示图；

图13是图11中 (c) 为本发明实施例中PC端用户显示界面在输入年份“2019”和月份“2”，按下确认键 (E) 后的显示结果的放大示意图；

其中，1-柔性电感式压力传感器阵列，11-传感器，2-平面线圈，3-弹性支柱，4-PET-铁氧体膜，41-PET膜，42-铁氧体膜，5-气隙。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1~13所示，基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列1，柔性电感式压力传感器阵列1包括柔性基底层，基底层上覆盖有柔性吸波材料，柔性基底层和柔性吸波材料之间设置有支撑件；柔性基底层采用的是柔性平面线圈2，支撑件采用的是弹性支柱3；平面线圈2与吸波材料之间通过多个弹性支柱3连接隔开，形成柔性电感式压力传感器，或形成柔性电感式压力传感器阵列1。本发明中，柔性吸波材料采用PET-铁氧体膜4，PET-铁氧体膜4包括PET膜41，以及附着在PET膜41上的至少一片铁氧体膜42，且铁氧体膜42位于PET膜41与平面线圈2之间。

具体的，平面线圈2与PET膜41之间设置有多个弹性支柱3连接隔开，PET膜41上靠近平面线圈2的一侧设置有多个铁氧体膜42，从而形成基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列1。更具体的，弹性支柱3采用的是由双面胶带制成的柱状体，用于支撑衔接平面线圈2和PET-铁氧体膜4，并将平面线圈2与PET-铁氧体膜4隔开，在平面线圈2与PET-铁氧体膜4之间形成气隙5。以下柔性电感式压力传感器阵列1中的柔性电感式压力传感器简称为传感器。

本发明一个较佳实施例中，对传感器参数的选择。

交流信号输入柔性平面线圈2的线圈时，线圈内部将产生一个磁场，由于柔性线圈的顶部设置的铁氧体膜42的磁导率远大于真空磁导率 μ ₀，铁氧体膜42将对平面的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42及其与线圈之间的气隙中。线圈与铁氧体膜之间磁场的有效磁导率增大，使得平面线圈2的自感随之提升，有效电感L ₀遵循公式：

(1)

其中，μ ₀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42中经过路径的长度和面积，可分别等效看作铁氧体膜42的边长和纵截面积；l _a 和A _a 则分别表示磁场在气隙5中经过路径的长度和面积，可分别等效看作气隙5的厚度和横截面积，气隙5的厚度即平面线圈2与铁氧体膜42之间的距离表示为d。

设铁氧体膜42的边长为a、厚度为t，线圈外径的长度与铁氧体膜42相等，设在外部压力下铁氧体膜42和线圈2之间的距离变化为Δd，电感的变化为ΔL，代入所述公式1后有：

(2)

根据所述薄板理论，能建立起Δd与施加在电感式压力传感器上压强的变化值 ΔP之间的关系式：

(3)

其中，T、ν、E分别为PET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。

当外界压力被施加在PET-铁氧体膜4上时，PET-铁氧体膜4由于自身的柔性发生形变弯曲，随着铁氧体膜41和平面线圈2之间的距离 d 减小，有效磁导率进一步增大；给线圈加装铁氧体膜41后，随着施加在传感器上的压力逐渐增大，线圈的自感值线性增加：

(4)

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-铁氧体膜4的整体厚度T和线圈外径边长a，整体厚度T的立方与电感式压力传感器的灵敏度呈反比，线圈外径边长a的平方与电感式压力传感器的灵敏度呈正比。

PET-铁氧体膜4的整体厚度T和线圈外径边长a的选择；PET-铁氧体膜的厚度T值过大时，传感器的可压缩性和柔性会受到影响，为了同时确保电感式压力传感器的柔性，所述PET-铁氧体膜4的整体厚度T选用150~250μm厚，所述PET-铁氧体膜4的整体厚度T中铁氧体膜42厚度t选用了50~125μm，并通过改变PET膜41的厚度来改变整体厚度T的值。具体的，一个较佳的实施方案中PET-铁氧体膜4的整体厚度T中铁氧体膜42厚度t选用了100μm，并通过改变PET膜的厚度来改变T值。

柔性电感式压力传感器阵列1中传感器自身参数对基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列的灵敏度，对可重复性、响应时间和稳定性的评估，对环境影响的表征，传感器阵列应用于可穿戴智能日历之间的影响进行测试。

第一，柔性电感式压力传感器阵列1中传感器自身参数设计对灵敏度的影响分析。

由公式4可知，影响电感式压力传感器灵敏度最大的两个因素是PET-铁氧体膜4的整体厚度T和线圈外径边长a。为了尽可能地提高传感器的灵敏度，需选用铁氧体膜42厚度t较大的铁氧体材料。然而，PET-铁氧体膜4的整体厚度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，需找出最佳的整体厚度T值。本发明选用了100 μm厚的铁氧体薄膜42，并通过改变PET膜41的厚度来改变T值。

为了验证公式4显示的PET-铁氧体膜4整体厚度T和平面线圈2外径边长a对灵敏度的影响，本发明选择了50 μm和125μm两种厚度的PET膜以及10.6 mm、15.6 mm、21.0 mm三种外径的平面线圈2，分别制作了四种传感器，作为四个实施例进行实验。四个实施例的PET-铁氧体膜4整体厚度T 分别为，1: T =150 μm, a =21.0 mm; 2: T =225 μm, a =21.0 mm;3: T =150 μm, a =15.6 mm; 4: T =150 μm, a =10.6 mm)，并绘制出它们的相对电感变化量(ΔL) -压强(ΔP)曲线，如图4~图7所示。为了证明公式4的准确性，将实验中传感器承载的压强值代入公式4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4~图7所示。其中，如图4~图7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。

如图4所示，在其他条件相同时，不同PET-铁氧体膜4整体厚度T 对传感器灵敏度的影响，其中平面线圈2中线圈的外径边长 a 为21.0 mm。拥有较薄PET-铁氧体膜4 (T为150 μm) 的传感器在0 - 0.18 kPa的线性范围内表现出了较高的灵敏度 (1.60 kPa^-1)，而具有较厚PET-铁氧体膜4 (T为225 μm) 的传感器在0 - 0.60 kPa的线性范围内表现出较低的灵敏度 (0.47 kPa^-1)，与公式4中显示的灵敏度与PET-铁氧体膜4整体厚度T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5所示，显示了其中平面线圈2中线圈的外径边长 a 对灵敏度的影响。图5中给出了其中平面线圈2中线圈的外径边长a分别为10.6 mm、15.6 mm、21.0 mm时传感器的ΔL/L ₀ - ΔP关系图，其中PET-铁氧体膜4的整体厚度T为150 μm。当其中平面线圈2中线圈的外径边长a最长为 21.0 mm时，传感器具有1.60 kPa^-1的最高灵敏度。相比之下，当其中平面线圈2中线圈的外径边长a减小到15.6 mm时，传感器灵敏度下降到了0.99 kPa^-1；而平面线圈2外径边长a减小到10.6 mm时，传感器的灵敏度也降低到了最低 (0.43 kPa^-1)。由图5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中灵敏度与其中平面线圈2中线圈的外径边长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-铁氧体膜4整体厚度T为150 μm、线圈的外径边长a为21.0 mm的传感器单元进行测量。其实验结果如图6所示。通过实际测量可知，传感器在14.42 Pa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14.42 Pa。

第二，柔性电感式压力传感器阵列1中对传感器的可重复性、响应时间和稳定性的分析。

为了研究传感器的可重复性，给同一个传感器施加了三种不同的压力负载(38.45 Pa、107.00 Pa和177.82 Pa)，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7所示。从图7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7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8 所示。从图8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215 ms，响应速度较快，能够很好地满足各种场合下的需求。

第三，柔性电感式压力传感器阵列1中对传感器的环境影响的表征分析。

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62.48 Pa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9 所示。所使用传感器的PET/铁氧体膜厚度为150 μm、线圈外径为21.0 mm。在62.48 Pa的恒定压力下持续32小时后，传感器的电感输出由初始的13.28 μH变为13.31 μH，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 × 10.6 mm的正方形ITO(Indium tin oxide, 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-铁氧体膜42整体厚度T为150 μm、平面线圈2外径为10.6 mm的传感器，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10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2.82 pF、1.62 μH。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2.82 pF减小到2.58 pF，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。

第四，柔性电感式压力传感器阵列1应用于可穿戴智能日历分析。

本发明中的柔性电感式压力传感器阵列1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，本发明将实施例中的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上，例如前臂上。柔性电感式压力传感器阵列1中单个单元使用的PET-铁氧体膜42厚度为150 μm，线圈外径变长a为10.6 mm。柔性电感式压力传感器阵列1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9所示。

为了测量柔性电感式压力传感器阵列1的输出，我们搭建了阵列测量电路，其系统示意框图如图10 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。

为进一步展示了柔性电感式压力传感器阵列1在可穿戴设备中的应用，并将它与计算机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”并将其传送到计算机PC端，在柔性电感式压力传感器阵列1上输入相应的月份日历并在PC上以MATLAB程序显示。其结果如图11和图13 中C图所示。

如图12所示，按下“2”，“0”，“1”和“9”按钮时，16个单元的电压变化。如图12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0.15 V），可以轻松定位出目前按下的按钮。

柔性电感式压力传感器阵列1中传感器的制造一般过程包括三个步骤：

第一步，平面线圈2制造，平面线圈2中设置有至少一个线圈，线圈即平面电感，使用标准丝网印刷法和湿法蚀刻工艺对PI膜（双面覆铜聚酰亚胺膜）进行图案化，即制作平面螺旋电感，同时，在PI膜上添加弹性柱的定位标记；

第二步，激光微加工，采用激光微机械加工技术，将铁氧体膜42和PET膜41（聚对苯二甲酸乙二醇酯膜）切割成需要的尺寸，使用打孔器的冲头在双面胶带上切割出弹性圆柱作为弹性支柱3；

第三步，器件组装，将弹性支柱3对准PI膜上的定位标记粘贴在平面线圈2上，并将铁氧体膜42附着在PET膜41基底上，然后将PET-铁氧体膜4组装到具有黏性的弹性支柱3上；平面线圈2中平面螺旋电感式线圈的起始端和末端分别使用铜线引出一个焊盘，通过连接导线引出；整个柔性电感式压力传感器阵列1柔软而有弹性。

进一步的，铁氧体膜42采用由南京先进磁性材料有限公司生产的铁氧体膜42，铁氧体膜42厚度为100 μm，A4010； PET膜41采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET膜41厚度50μm~125μm；双面胶带采用深圳昌达盛电子有限公司生产的双面胶带；通过双面胶带制成的弹性圆柱作为弹性支柱3，弹性支柱3的厚度采用2mm，电感式压力传感器阵列1的定制尺寸选用为17.6 mm×17.6 mm×2.2 mm~27.0 mm×27.0 mm×2.2 mm。

柔性电感式压力传感器阵列1中传感器的性能检测：

第一，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11所示。整个系统中，测力计采用电动测力计 (M5-05，Mark10，Inc.) 负责提供传感器承载的外部压力，测力计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台放置，测力计通过连接钉固定在线性位移导轨上。线性位移导轨由计算机驱动，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1 kHz、峰-峰值为1 V的交流信号作为平面线圈2的信号源，整个检测过程中，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-铁氧体膜4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10 μm)，使得PET-铁氧体膜4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。

第二，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-铁氧体膜4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。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (3)

1.基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列，包括柔性基底层，所述柔性基底层上覆盖有柔性吸波材料，所述柔性基底层和柔性吸波材料之间设置有支撑件，其特征在于：所述柔性基底层采用的是柔性平面线圈，支撑件采用的是弹性支柱；所述平面线圈与柔性吸波材料之间通过多个弹性支柱连接隔开，形成柔性的电感式压力传感器；

柔性吸波材料采用PET-铁氧体膜，PET-铁氧体膜包括PET膜，以及附着在PET膜上的至少一片铁氧体膜，且铁氧体膜位于PET膜与平面线圈之间；

交流信号输入平面线圈的线圈时，线圈内部将产生一个磁场，由于线圈的顶部设置的铁氧体膜的磁导率远大于真空磁导率 μ ₀，铁氧体膜将对平面的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线圈之间的气隙中，线圈与铁氧体膜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L ₀遵循公式；

(1)

其中，N为线圈匝数，μ ₀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和横截面积，所述气隙的厚度即平面线圈与铁氧体之间的距离d；

铁氧体膜/线圈外径的边长为a、铁氧体膜厚度为t，线圈外径边长与铁氧体膜边长相等；未按压电感式压力传感器时所述气隙的厚度为d ₀，按压电感式压力传感器时所述气隙的厚度为d'，设在外部压力下铁氧体膜和线圈之间的距离变化为Δd，电感的变化为ΔL，代入所述公式（1）后有：

(2)

其中，C代表因为其他因素而损耗的磁场，该值由平面线圈自身参数决定，由于其值远 小于分子中的另一项

，可将C看作一个常数；

根据薄板理论，能建立起Δd与施加在电感式压力传感器上压强的变化值 ΔP之间的关系式：

(3)

其中，T为PET-铁氧体膜的厚度之和、ν为PET-铁氧体膜的等效泊松比、E为PET-铁氧体膜等效杨氏模量；

基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列的制备方法；

包括以下步骤；

第一步，平面线圈制造，平面线圈中设置有至少一个线圈，线圈即平面电感，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，在双面覆铜聚酰亚胺PI膜上添加弹性支柱的定位标记；

第二步，激光微加工，采用激光微机械加工技术，将铁氧体膜和PET膜切割成需要的尺寸，使用打孔器的冲头在双面胶带上切割出弹性圆柱作为弹性支柱；

第三步，器件组装，将弹性支柱对准PI膜上的弹性支柱的定位标记粘贴在平面电感上，并将铁氧体膜附着在PET膜的基底上形成PET-铁氧体膜，然后将PET-铁氧体膜组装到具有黏性的弹性支柱上；平面电感的起始端和末端分别使用铜线引出一个焊盘，通过连接导线引出；

将电感式压力传感器连接测试平台，所述测试平台包括实验台、线性位移导轨、测力计、阻抗分析仪；通过接测试平台对电感式压力传感器的灵敏度进行校准，以及对所述电感式压力传感器可重复性、响应时间和稳定性评估；

灵敏度的校准，通过测力计负责提供电感式压力传感器承载的外部压力，测力计底端装有特制的圆锥形加压头，电感式压力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台放置，测力计通过连接钉固定在线性位移导轨上，驱动线性位移导轨，能控制测力计移动的距离，电感式压力传感器通过导线连接到用于测量平面线圈自感的阻抗分析仪上，阻抗分析仪为电感式压力传感器提供了一个频率为1 kHz、峰-峰值为1 V的交流信号作为平面线圈的信号源，整个实验过程中，阻抗分析仪能实时显示平面线圈的自感；

测量电感式压力传感器的最小分辨率时，首先将测力计的加压头置于即将与PET-铁氧体膜接触的临界位置，通过控制测力计在线性移动导轨上进行微小位移，使得PET-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平面线圈自感出现明显的响应后撤回压力，并实时记录阻抗分析仪显示的电感式压力传感器输出值。

2.根据权利要求1所述的基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列，其特征在于：当外界压力被施加在PET-铁氧体膜上时，PET-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；给平面线圈加装铁氧体膜后，随着施加在所述电感式压力传感器上的压力逐渐增大，平面线圈的自感值线性增加，将公式（3）代入公式（2）可得电感式压力传感器的灵敏度表达式：

(4)

所述电感式压力传感器的灵敏度受电感式压力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-铁氧体膜的整体厚度T和铁氧体膜/线圈的外径边长a，整体厚度T的立方与电感式压力传感器的灵敏度呈反比，外径边长a的平方与电感式压力传感器的灵敏度呈正比。

3.根据权利要求2所述的基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列，其特征在于：所述PET-铁氧体膜的整体厚度为T，平面线圈的外径边长为a；PET-铁氧体膜的厚度T值过大时，电感式压力传感器的可压缩性和柔性会受到影响，为了同时确保电感式压力传感器的柔性，所述PET-铁氧体膜的整体厚度T选用150~250μm，所述PET-铁氧体膜的整体厚度T中铁氧体膜厚度t选用了50~125μm，并通过改变PET膜的厚度来改变T值。

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