CN110487451A - 一种仿生柔性压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生柔性压力传感器，其包括仿生贴片模块和传感器模块，仿生贴片模块包括基底和仿生结构组，仿生结构组可与待测对象实现可靠的、大面积的接触，传感器模块包括第一极板、第二极板和电介质层设置于第一极板和第二极板之间，基底贴覆于传感器模块的第一极板或第二极板使得仿生贴片模块与传感器模块固定连接；测量时，传感器模块受力使得第一极板和第二极板的距离变小，根据距离的变化可测量得待测对象的信息，解决了现有技术中由于压力传感器在使用过程中无法与待测对象实现较好接触和固定，进而使得测量的数据同样出现较大的偏差的技术问题，提供了一种测量精度更高的、与待测对象接触更加稳定的仿生柔性压力传感器。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种仿生柔性压力传感器。
背景技术
PEN：聚萘二甲酸乙二醇酯；
PDMS：聚二甲基硅氧烷；
Ecoflex：有机铂金硅橡胶；美国Smooth-On公司制作的有机铂金硅橡胶。
随着科学技术的不断发展，使得各个领域中的监测、检测技术同样得到了广泛的应用。压力传感器作为重要的监测、检测器件，其在医疗设备领域中起到至关重要的作用，压力传感器测量的准确性和使用过程中的稳定性决定着监测或检测的结果。
然而，由于压力传感器在使用过程中由于其结构的因素导致与待测对象的接触无法实现较好接触和固定，进而使得测量的数据同样出现较大的偏差的问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种测量精度更高的、与待测对象接触更加稳定的仿生柔性压力传感器。
本发明所采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种仿生柔性压力传感器，其特征在于，包括：
仿生贴片模块，所述仿生贴片模块包括基底和仿生结构组，所述仿生结构组设置于所述基底的一面；
传感器模块，所述传感器模块包括第一极板、第二极板和电介质层，所述电介质层设置于所述第一极板和所述第二极板之间；
所述基底的另一面与所述第一极板或所述第二极板固定连接，使得所述仿生贴片模块与所述传感器模块固定连接。
进一步地，所述仿生结构组包括多个末端膨大微柱；多个所述末端膨大微柱成阵列结构设置于所述基底的一面。
进一步地，所述末端膨大微柱包括竖直微柱和膨大末端，所述竖直微柱的底部与所述基底的一面固定连接，所述膨大末端设置于所述竖直微柱的顶部。
进一步地，所述基底为PEN材料，所述竖直微柱和所述膨大末端均为PDMS材料。
进一步地，所述电介质层包括多个电介质块，所述电介质块呈金字塔结构，与所述基底固定连接的所述第一极板或所述第二极板与所述金字塔结构的顶部固定连接，对应的，所述金字塔结构的底部固定于另一所述第二极板或所述第一极板上。
进一步地，所述电介质层为Ecoflex材料。
本发明的有益效果是：
本发明一种仿生柔性压力传感器，包括仿生贴片模块和传感器模块，其中，仿生贴片模块包括基底和仿生结构组，并将仿生结构组设置于基底的一面，仿生结构组可与待测对象实现可靠的、大面积的接触，传感器模块包括第一极板、第二极板和电介质层，电介质层设置于第一极板和第二极板之间，基底的另一面与传感器模块的第一极板或第二极板固定连接使得仿生贴片模块与传感器模块固定连接，当仿生结构组受力时，将受力信息传输至传感器模块，传感器模块受力使得第一极板和第二极板的距离变小，根据距离的变化可进一步测量待测对象的信息，解决了现有技术中由于压力传感器在使用过程中由于其结构的因素导致与待测对象的接触无法实现较好接触和固定，进而使得测量的数据同样出现较大的偏差的技术问题，提供了一种测量精度更高的、与待测对象接触更加稳定的仿生柔性压力传感器。
附图说明
图1是本发明一种仿生柔性压力传感器的一具体实施例结构示意图；
图2是本发明一种仿生柔性压力传感器使用过程中传感器模块的一具体实施例状态变化示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例提供了一种仿生柔性压力传感器，包括仿生贴片模块和传感器模块，其中，仿生贴片模块包括基底和仿生结构组，传感器模块包括第一极板、第二极板和电介质层，电介质层设置于第一极板和第二极板之间，且仿生结构组设置于基底的一面，基底的另一面与第一极板或第二极板连接使得仿生贴片模块与传感器模块固定连接。在实际使用过程中，仿生结构组贴覆与待测对象，获得更大的受力面积且使得贴覆更加稳定，从而使得测量的结果更加精确，测量的过程更加稳定，解决了现有技术中由于压力传感器在使用过程中由于其结构的因素导致与待测对象的接触无法实现较好接触和固定，进而使得测量的数据同样出现较大的偏差的技术问题。
具体的，参照图1，图1为本发明实施例中放生柔性压力传感器的一具体实施例结构示意图；其包括：由基底100、仿生结构组组成的仿生贴片模块，由第一极板300、第二极板400和电介质层500组成的传感器模块；其中，仿生结构组包括多个末端膨大微柱200，且末端膨大微柱均包括竖直微柱220和膨大末端210，末端膨大微柱200在基底的一面呈阵列结构均匀排布设置，将末端膨大微柱200设置成阵列结构均匀排布的目的在于：当使用本发明实施例中的仿生柔性压力传感器时，末端膨大微柱可均匀的、全面的接收来自待测对象的压力信息，并与待测对象的表面进行保形接触，改善传感器输出信号的信噪比(例如当待测对象为人体时，人体皮肤在微米尺度下具有高粗糙度，而直接将串改贴在皮肤上并不能保证完全贴合，二者之间存在气隙，导致传感器与皮肤表面的接触面积减少进一步导致传感器输出信号的信噪比降低，甚至会使得传感器的输出信号完全淹没在噪声中)提高测量的准确性，其中，膨大末端200其增加了本发明实施例中仿生柔性压力传感器与待测对象的测试接触面积，进一步提升了其测量结果的准确性。
同样参照图1，基底100与第一极板300固定连接，使得仿生贴片模块和传感器模块固定连接，第一极板300和第二极板400之间设置有电介质层500，电介质层500具有多个电介质块，且电介质块均呈金字塔结构，对应于末端膨大微柱200的阵列结构均匀排布，呈金字塔结构的多个电介质块在第一极板300和第二极板400之间同样呈阵列结构均匀排布，且金字塔结构的顶部与第一极板300固定连接，金字塔结构的底部与第二极板400固定连接，两者之间的对应阵列结构均匀排布使得当末端膨大微柱200受力时可将受力信息全面的传输至传感器模块，提高测量结果的准确性。
另外，当基底100与第二极板400固定连接时，对应的改变电介质层500中金字塔结构的朝向即可，仿生柔性压力传感器实现的效能与上述结构实现的效能一致，在此不做赘述。
参照图1，本发明实施例中，仿生贴片模块中的基底100的材料为PEN材料，竖直微柱220和膨大末端210的材料均为PDMS材料，其中，竖直微柱220采用固化剂含量高(15％～20％wt.)的刚性PDMS，膨大末端210采用固化剂含量低(5％～7.5％wt.)的柔性PDMS，从而使膨大末端210的弹性模量接近于人体皮肤的弹性模量，保证了仿生结构组与人体皮肤之间的保形接触，提高测量的准确性，而且由于竖直微柱220采用刚性PDMS，使得在进行测量时，即使在受到较大压力的情况下也可防止竖直微柱220发生屈曲坍塌或相互缠绕的现象，保证了仿生柔性压力传感器的工作稳定性。另外，本发明实施例中，第一电极300和第二电极400的材料可采用Au/Cr材料，电介质层500采用Ecoflex材料。
参照图2，本发明实施例中，仿生柔性压力传感器的测量原理是通过第一极板300受到压力，电介质层500被压缩，第一极板300和第二极板400的间距变小，即挤压Ecoflex材料使得第一极板300和第二极板400间Ecoflex材料与空气的体积比变大，相当于增加了等效电介质常数，而当第一极板300受到的压力释放时，由于Ecoflex材料的弹性，电介质层500会恢复至原始形状，仿生柔性压力传感器的电容值同样回到初始值，基于这种传感原理，可将外界压力的变化转化为电容器电容值的变化实现可靠测量。此外，Ecoflex材料具有较低的弹性模量，其在较小的压力下可以获得较大的形变，使得仿生柔性压力传感器对微弱压力的检测灵敏度更高。本发明实施例中，电介质层500采用Ecoflex材料并设置成多个金字塔结构的电介质块使得：(1)金字塔结构的顶部导致了应力的局部集中，相当于增加了施加在电介质层500上的应力，使得对微弱压力的检测更加灵敏；(2)金字塔结构之间的空气间隙相当于减小了电介质层500的整体模量，增加了电介质层500的可压缩性，在相同的压力下可使得电介质层500产生更大的形变；(3)电介质层500产生更大的形变导致第一极板300和第二极板400间Ecoflex材料与空气的体积比变大，相当于增加了等效介电常数，进一步增大了传感器的灵敏度；(4)金字塔结构降低了Ecoflex材料固有的粘弹性行为，保证了在压力释放阶段电介层500能够快速回复到初始形状，减少了仿生柔性压力传感器的响应时间，保证仿生柔性压力传感器能够检测较高频率的压力变化。
综上所述，本发明实施例提供的一种仿生柔性压力传感器，其包括仿生贴片模块和传感器模块，其中，仿生贴片模块包括基底和仿生结构组，并将仿生结构组设置于基底的一面，仿生结构组可与待测对象实现可靠的、大面积的接触，传感器模块包括第一极板、第二极板和电介质层，电介质层设置于第一极板和第二极板之间，基底的另一面与传感器模块的第一极板或第二极板固定连接使得仿生贴片模块与传感器模块固定连接，当仿生结构组受力时，将受力信息传输至传感器模块，传感器模块受力使得第一极板和第二极板的距离变小，根据距离的变化可进一步测量待测对象的信息，解决了现有技术中由于压力传感器在使用过程中由于其结构的因素导致与待测对象的接触无法实现较好接触和固定，进而使得测量的数据同样出现较大的偏差的技术问题，提供了一种测量精度更高的、与待测对象接触更加稳定的仿生柔性压力传感器。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.一种仿生柔性压力传感器，其特征在于，包括：
仿生贴片模块，所述仿生贴片模块包括基底和仿生结构组，所述仿生结构组设置于所述基底的一面；
传感器模块，所述传感器模块包括第一极板、第二极板和电介质层，所述电介质层设置于所述第一极板和所述第二极板之间；
所述基底的另一面与所述第一极板或所述第二极板固定连接，使得所述仿生贴片模块与所述传感器模块固定连接。
2.根据权利要求1所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述仿生结构组包括多个末端膨大微柱；多个所述末端膨大微柱成阵列结构设置于所述基底的一面。
3.根据权利要求2所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述末端膨大微柱包括竖直微柱和膨大末端，所述竖直微柱的底部与所述基底的一面固定连接，所述膨大末端设置于所述竖直微柱的顶部。
4.根据权利要求3所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述基底为PEN材料，所述竖直微柱和所述膨大末端均为PDMS材料。
5.根据权利要求1至4任一项所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述电介质层包括多个电介质块，所述电介质块呈金字塔结构，与所述基底固定连接的所述第一极板或所述第二极板与所述金字塔结构的顶部固定连接，对应的，所述金字塔结构的底部固定于另一所述第二极板或所述第一极板上。
6.根据权利要求5所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述电介质层为Ecoflex材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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