CN110388997B - 一种复合液态金属电极的柔性压力传感器 - Google Patents

一种复合液态金属电极的柔性压力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种复合液态金属电极的柔性压力传感器，包括柔性基材、传感区域、复合液态金属电极以及引线；柔性基材内设置有流道，复合液态金属电极填充在流道内，所述复合液态金属电极包括两种以上的不同金属，所述引线与复合液态金属电极连接，且延伸到所述柔性基材的外部，引线之间的区域为传感区域。本发明还提出所述柔性传感器的应用。本发明提供的复合液态金属电极的柔性压力传感器，外部柔性基材和液态金属极大地提高了上述传感器的柔性。而复合液态金属电极因为其金属成分之间的互补性，可显著提高传感器的测量范围和使用寿命。该传感器易于加工和批量生产；同时选用生物相容性好的材料可以将该传感器应用在生物医疗器件上。

Description

一种复合液态金属电极的柔性压力传感器
技术领域
本发明属于电子设器件领域，具体涉及一种基于液态金属的压力传感器。
背景技术
柔性电子器件由于其广阔的应用前景，成为了近几年市场和技术领域追逐的热点之一。由于柔性电子设备不仅能满足人类对于可穿戴设备或植入式设备的要求，同时还是制作柔性机器人的必要零件，因此开发具有高精度的柔性传感器具有重大意义。
目前柔性压力传感器的主要问题包括传感器电极的使用寿命短，电极抗压性能不足等问题。因此对电极进行优化是提高柔性压力传感器的重要工作之一。采用基于复合液态金属的电极可以有效地解决电极抗压性能不足，使用寿命短的缺点，同时还可以扩大量程，提高传感器稳定性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决上述柔性传感器电极抗压性能不足，液态金属容易泄露，导致其寿命较短等问题，本发明的目的在于提供了一种柔性好、抗压性能强、使用寿命长且制作方便的复合液态金属电极柔性压力传感器。
本发明的第二个目的是提出所述柔性压力传感器的应用。
本发明的第三个目的是提出一种柔性传感器组。
(二)技术方案
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种复合液态金属电极的柔性压力传感器，包括柔性基材、传感区域、复合液态金属电极以及引线；
所述柔性基材内设置有流道，所述复合液态金属电极填充在流道内，柔性基材将复合液态金属电极完全或部分包裹；
所述复合液态金属电极包括两种以上的不同金属，其中有一种以上的金属在常温下保持液态，所述金属为单质金属或合金；
所述引线与所述复合液态金属电极连接，且延伸到所述柔性基材的外部，所述引线有2或4根，设置在所述流道的两端，引线之间的区域为所述传感区域。
其中，所述复合液态金属电极为两种以上的不同金属，其中至少一种金属在常温下为固态金属，所述固态金属选自铋基合金、铜、银、金、铂中的一种；至少一种金属在常温下为液态金属，所述液态金属选自镓基合金或汞。
其中，所述柔性基材的材质为聚二甲基硅氧烷、1,1,2,2-四苯乙烯，聚氨酯甲基丙烯酸酯中的一种或多种。
其中，所述流道为棱柱形，流道的截面宽为10微米到1000微米，高为20微米到300微米。流道的长可由1毫米到百厘米量级。
本发明的一种优选技术方案为，所述液态金属柔性压力传感器为电阻式压力传感器，所述柔性基材内设置单层流道，液态金属填充在流道内，所述引线为2根；所述复合液态金属电极由多段金属段构成，常温下固态的金属段和液态的金属段相间布置，位于所述流道两端的金属段与所述引线连接。
其中，所述复合液态金属电极由n段常温下固态的金属段和n+1段液态的金属段构成，位于所述流道两端的金属段为液态金属段，n为1或大于1的整数。
本发明的另一种优选技术方案为，所述复合液态金属电极由常温下的固态金属和常温下的液态金属经加热融化后搅拌混合制成。
本发明的又一种优选技术方案为，所述液态金属柔性压力传感器为电容式压力传感器，在所述柔性基材内设置有上下两层流道，所述复合液态金属电极填充在流道内，所述引线有4根，分别设置在上层和下层流道的两端，位于所述流道两端的金属段与所述引线连接。
其中，上下两层流道之间由厚度不超过300微米的介电层隔开。
本发明所述的柔性压力传感器在制备可穿戴电子设备和植入式设备中的用途。
所述的柔性压力传感器的应用方式可以是本领域已有的任何方式。下面提出应用本发明柔性压力传感器的一种优选方案。
一种柔性传感器组，包括2个所述的柔性压力传感器，用柔性基材将所述2个传感器包裹在同一柔性壳体内，2个传感器并联，所述2个传感器均是其中的复合液态金属电极为用介电层隔开的结构，其中一个传感器所在的支路上设置有继电器；其中支路上设置有继电器的是检测电容传感器，支路上没有设置继电器的是参比电容传感器。
(三)有益效果
本发明提供的复合液态金属电极的柔性压力传感器，外部柔性基材和液态金属极大地提高了上述传感器的柔性。而复合液态金属电极因为其金属成分之间的互补性，可显著提高传感器的测量范围和使用寿命。该传感器易于加工和批量生产；同时选用生物相容性好的材料可以将该传感器应用在生物医疗器件上。
本传感器的优势在于：1.柔性材料制成，相比于同尺寸固态金属具有更好的拉伸性、弯折性和承压性；2.柔性与生物亲和性好，做与人体贴合甚至是可植入式医疗设备上比传统的固态金属更有优势；3.比同尺度下的固态金属传感器可以达到更高的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1的镓基-铋基复合液态金属电极的柔性电阻式压力传感器。
图2为实施例2的复合液态金属电极的柔性电容式压力传感器。
图3为实施例3的复合液态金属电极的柔性电容式压力传感器。
图4为实施例4的复合液态金属电极的柔性电阻式压力传感器。
图5为实施例5的复合液态金属电极的柔性电容式压力传感器。
图6为实施例6传感器组的结构示意图。
图中：
1、柔性基材；2、传感区域；3、铋基合金段，301、上极板铋基合金段；302、下极板铋基合金段，4、镓基合金段；401、上极板镓基合金段，402、下极板镓基合金段，5、引线，601、参比电容，602、检测电容，7、电表，8、继电器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。如无特别说明，实施例中采用的手段均为本领域已知的技术手段。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
图1是根据本发明的一个较佳实施例的一种镓基-铋基复合液态金属电极的柔性电阻式压力传感，包括：柔性基材1，传感区域2，铋基合金段3，镓基合金段4，引线5。所述柔性基材的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。本液态金属柔性压力传感器为电阻式压力传感器，所述柔性基材1内设置单层流道，液态金属填充在流道内，所述引线为2根；引线传导电阻信号，设置在流道的两端，铋基合金段之间的区域为传感区域2。
图1中阴影部分为一对称式复合电极，包括铋基合金段3和镓基合金段4。在常温下，镓基合金为液态，而铋基合金为固态，从而形成性质上的互补。图中的虚线区域为传感区域2，外界压力施加在传感区域上时，会导致外部柔性基材发生变形，挤压液态的镓基合金段4，导致复合液态金属电极的电阻发生变化。通过感应这种电阻变化，将力的信号转换成对应的电阻信号，便可以得到外界压力的大小。而复合液态金属电极的铋基合金段3由于在常温下为固态，可以有效避免传感区域的液态金属在外界压力的挤压下溢出，从而提高了电极的抗压性能和使用寿命。引线5与两端的镓基合金段接触将传感器与外部设备连接。
本柔性压力传感器的流道尺寸可以为：宽50～500微米，高度30～200微米，具体的一组参数为：常温下液态金属为Ga67In20.5Sn12.5熔点11摄氏度，常温下固态金属为Bi32.5In51Sn16.5，熔点为60摄氏度。流道宽50微米，高30微米，长2cm。
实施例2
基于实施例1的有益效果，图2为另一改进的一种复合液态金属电极的柔性电阻式压力传感器，包括：柔性基材1，传感区域2，常温下液态金属3，常温下固态金属4，引线5。所述柔性基材的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。本实施的原理与实施例1类似，但是液态金属电极结构更为简单，包括2段铋基合金段和1段镓基合金段，且传感区域较实施例1有扩展，除了能感知垂直方向压力还可以感知侧面的挤压力。
本柔性压力传感器的流道尺寸可以为：宽50～500微米，高度30-200微米，具体的一组参数为：常温下液态金属为Ga67In20.5Sn12.5熔点11摄氏度，常温下固态金属为Bi32.5In51Sn16.5，熔点为60摄氏度。流道宽100微米，高100微米，长5cm。
实施例3
图3根据本发明的一个较佳实施例的一种复合液态金属电极的柔性电容式压力传感器，包括：柔性基材1，传感区域2，上极板铋基合金段301，上极板镓基合金段401，下极板铋基合金段302，下极板镓基合金段402，引线5。所述柔性基材的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。本实施例中，引线传导电容信号。在所述柔性基材内设置有上下两层流道，所述复合液态金属电极填充在流道内，所述引线有4根，分别设置在上层和下层流道的两端。上层流道中，有2段上极板铋基合金段301，3段上极板镓基合金段401，下层流道中，有2段下极板铋基合金段302，3段下极板镓基合金段402，镓基合金段和铋基合金段相间布置，引线5设置在所述流道的两端，引线之间的区域为传感区域。其中，上下电极之间由PDMS薄膜介电层隔开。
根据公式C＝ε*S/d (1)
本传感器中，复合液态金属电极的高30～200微米，宽50～400微米，长为毫米到百厘米；和压力的关系是上下两层液态金属间距d越小，相对面积S越大，电容C增大，参见公式(1)。本传感器的优秀性能在于与纯液态金属电极相比量程扩大一倍以上(因为不容易溢出)，电容式的传感器分辨率(检测下限)比电阻式更高。电容量级为百飞法到百皮法。
图3为柔性平板式电容传感器，其中上下极板均为复合液态金属电极。当传感区域2受压时，上下电极板之间的距离和相对面积发生变化，从而引起电容改变。通过感应这种电容变化，将力的信号转换成对应的电容信号，便可以得到外界压力的大小。复合电极的铋基合金段在常温下为固态，有效的阻止了镓基合金的外溢。因此，基于该复合液态金属电极的电容式压力传感器具有较好的抗压性，与纯液态金属电极相比其量程扩大了一倍以上。
实施例4
图4是根据本发明的一个较佳实施例的一种复合液态金属电极的柔性电阻式压力传感器，包括：柔性基材1，传感区域2，复合液态金属电极，引线5。本液态金属柔性压力传感器为电阻式压力传感器，所述柔性基材内设置单层流道，复合液态金属填充在流道内，引线为2根。
图4中阴影部分为复合液态金属电极，其制作方法为在70摄氏度下将Ga62In25Sn13和Bi32.5In51Sn16.5进行搅拌混合(此温度下两种金属均为液态)，然后将该混合液态金属注射到流道内，形成复合液态金属电极。图中两引线之间的虚线区域为传感区域2，外界压力施加在传感区域上会导致柔性基材发生变形，挤压复合液态金属，导致复合液态金属电极的电阻发生变化。通过将力的信号转换成对应的电阻信号，便可以得到外界压力的大小。由于该复合液态金属电极在常温下为糊状，在外界压力的挤压下不易溢出，相比纯液态金属电极其量程扩大了一倍以上，抗压性和寿命显著提高。相比实施例1和2中分段式的复合液态金属，其制作也更方便经济。引线5与复合液态金属电极接触并与外部设备连接。
实施例5
基于实施例4的有益效果，将上述混合式的复合液态金属还可运用到电容式压力传感器。如图5所示，包括：柔性基材1，传感区域2，复合液态金属电极，引线5。本液态金属柔性压力传感器为电容式压力传感器，在所述柔性基材内设置有上下两层流道，所述复合液态金属电极填充在流道内，所述引线有4根，分别设置在上层和下层流道的两端，位于所述流道两端的金属段与所述引线连接。上下层电极之间由厚度为200微米的PDMS薄膜介电层隔开。当传感区域2受压时，上下电极板之间的距离和相对面积发生变化，从而引起电容改变。根据公式C＝ε*S/d，通过感应这种电容变化，将力的信号转换成对应的电容信号，便可以得到外界压力的大小。混合式电极在常温下为糊状，有效的阻止了电极的外溢。因此，基于该复合液态金属电极的电容式压力传感器具有较好的抗压性，与纯液态金属电极相比其量程扩大了一倍以上。
值得注意的是，上述基于复合液态金属电极的柔性压力传感器可以进一步扩展，引入更多的金属种类并根据实际情况设计不同的复合电极结构来提高抗压性和使用寿命。
实施例6
图6是根据本发明的一个较佳实施例的一种基于液态金属的柔性电容式压力传感器组，包括参比电容601，检测电容602，柔性基材1，引线5。参比电容601和检测电容602并联，其中参比电容602所在的支路上设置有继电器8，压力感受区域2位于检测电容602上。
图6所示的电路可以消除全部或部分外界对于上述柔性压力传感器的干扰。利用上述实施例中提供的任一方法制成2个柔性压力传感器后，用所述柔性基材将上述2个传感器包裹在同一柔性壳体内。将所述柔性传感器组与电表7串联连接。压力检测中，继电器先处于闭合状态，参比电容和检测电容并联在电路中得到并联电容值C1；当对继电器施加电压并达到阈值后，继电器断开使参比电容单独连在电路中得到参比电容值C2，C1减去C2便可得到检测电容值即C3。通过设置参比电容和控制继电器8通断，可以有效消除外界干扰对于实际电容值的影响，从而得到较为准确的检测电容值。例如压力施加在外部柔性基材上时，可能会引入除了压力以外的干扰量，通过上述方法可以完全或部分消除该干扰量，获得准确的电容值，进而获取外力大小。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应当涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种复合液态金属电极的柔性压力传感器，其特征在于，包括柔性基材、传感区域、复合液态金属电极以及引线；
所述柔性基材内设置有流道，所述复合液态金属电极填充在流道内，柔性基材将复合液态金属电极完全或部分包裹；
所述复合液态金属电极包括两种以上的不同金属，其中有一种以上的金属在常温下保持液态，所述金属为单质金属或合金；
所述引线与所述复合液态金属电极连接，且延伸到所述柔性基材的外部，所述引线有2或4根，设置在所述流道的两端，引线之间的区域为所述传感区域；
所述复合液态金属电极为两种以上的不同金属，其中至少一种金属在常温下为固态金属，所述固态金属选自铋基合金、铜、银、金、铂中的一种；至少一种金属在常温下为液态金属，所述液态金属选自镓基合金或汞；
所述液态金属柔性压力传感器为电阻式压力传感器，所述柔性基材内设置单层流道，液态金属填充在流道内，所述引线为2根；所述复合液态金属电极由多段金属段构成，常温下固态的金属段和液态的金属段相间布置，位于所述流道两端的金属段与所述引线连接。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性基材的材质为聚二甲基硅氧烷、1,1,2,2-四苯乙烯，聚氨酯甲基丙烯酸酯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述流道为棱柱形，流道的截面宽为10微米到1000微米，高为20微米到300微米。
4.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述复合液态金属电极由n段常温下固态的金属段和n+1段液态的金属段构成，位于所述流道两端的金属段为液态金属段，n为大于1的整数。
5.根据权利要求3所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述复合液态金属电极由常温下的固态金属和常温下的液态金属经加热融化后搅拌混合制成。
6.根据权利要求1~3任一项所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述液态金属柔性压力传感器为电容式压力传感器，在所述柔性基材内设置有上下两层流道，所述复合液态金属电极填充在流道内，所述引线有4根，分别设置在上层和下层流道的两端，位于所述流道两端的金属段与所述引线连接；上下两层流道之间由厚度不超过300微米的介电层隔开。
7.权利要求1~6任一项所述的柔性压力传感器在制备可穿戴电子设备和植入式设备中的用途。
8.一种柔性传感器组，其特征在于，包括2个权利要求1~6任一项所述的柔性压力传感器，用柔性基材将所述2个传感器包裹在同一柔性壳体内，2个传感器并联，所述2个传感器均是其中的复合液态金属电极为用介电层隔开的结构，其中一个传感器所在的支路上设置有继电器；其中支路上设置有继电器的是检测电容传感器，支路上没有设置继电器的是参比电容传感器。
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