CN110737346B - 一种柔性器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性器件，具体涉及可定位且具备压力感应的柔性器件，具体为：柔性器件为三明治结构，中间一层为绝缘层，由高分子绝缘薄膜组成，厚度为0.1‑1mm；绝缘层的上、下两层为可导电的水凝胶；其中，上层水凝胶为位置和压力敏感层，且均匀内嵌2‑4个电极；下层水凝胶的内嵌一个电极。本发明还提出了一种柔性器件的测量系统，由位置测量模块和压力测量模块构成。本发明可以实现压力感应和定位于一身，制作方法简便、绿色环保、具有良好的生物相容性、柔软可拉伸、弹性好，在可穿戴设备和生物医学领域具有潜在应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性器件，具体涉及兼具定位和压力感应的柔性器件。
背景技术
随着科技的进步，触控定位器件逐渐走进了人们的生活，比如手机，平板电脑等都带有触控定位功能。而在实现触控定位功能的同时，触摸压力的感受越来越受到人们的重视。比如对于利用电子设备进行艺术创作的人，可以通过手指对屏幕的压力来控制画笔的粗细，大大简化了绘画工作；对于电子设备的常规操作，在传统的位置感受的同时加上压力感受，相当于增加了一个维度，可以精简操作步骤；放眼未来，对于一些截肢或者神经出现问题的人，他们无法利用触觉感知外界世界，而兼具定位和压力感受的电子皮肤就可以帮助他们，他们可以通过电子皮肤感受到身体的哪里与外界有触碰，同时还能感受到触碰的压力有多大，兼具定位和压力感应的器件能够大大提高这类人群的生活质量。
目前市面上兼具定位和压力感应的触摸器件都是基于硬质基材实现的，比如苹果公司的Force Touch技术。还有一种解决方案是将压力传感器放在手写笔上，通过手写笔感受压力，触摸屏感受位置。但这类硬基质触摸器件易碎，不可拉伸，生物相容性差，无法应用在可穿戴设备上。
水凝胶是一种能够吸收并保持大量水的三维网状高分子，其内部存在的化学交联或物理交联使其只能溶胀而不会溶解。水凝胶具有优异的粘弹性，质地与人类组织接近，生物相容性好，作为一种先进柔性材料，在很多领域具有广泛的应用。
近年来，有文章提出了一种能反映触摸位置的水凝胶器件，这种可定位柔性器件是一类区别于传统触摸屏的柔性触摸器件，能有效解决传统硬基质触摸屏的易碎、不可拉伸、生物相容性差等问题，具有柔软、可拉伸、弹性好、生物相容性好等特点。还有文章提出了一种能反映压力的水凝胶压力传感器。
但目前仍没有水凝胶器件可同时实现触摸位置和压力感应，而兼具定位和压力的触觉感应对于众多生物医学以及交互式便携传感应用至关重要。
[1]Kim C C,Lee H H,Oh K H,et al.Highly stretchable,transparent ionictouch panel[J].Science,2016,353(6300):682-687.
[2]Sun J Y,Keplinger C,Whitesides G M,et al.Ionic skin[J].AdvancedMaterials,2014,26(45):7608-7614.
发明内容
本发明针对现有技术的不足，公开了一种兼具定位和压力感应的柔性器件。
对于兼具定位和压力感应的柔性器件，本发明提出以下技术方案：所述器件为三明治结构，中间层为绝缘层，由高分子绝缘薄膜组成，厚度为0.1-1mm；绝缘层的上、下两层为可导电的水凝胶；其中，上层水凝胶为位置敏感层，且均匀内嵌2-4个电极；下层水凝胶为压力敏感层，且内嵌一个电极。
优选地，所述可导电水凝胶厚度为1-10mm；由聚丙烯酰胺水凝胶、聚丙烯酸水凝胶、海藻酸钠水凝胶其中的一种组成；且水凝胶中含有离子化合物或纳米材料中的一种或多种；离子化合物包括氯化钠、氯化锂、氯化钾、氯化钙、氯化镁、氯化铝、氯化锌、氯化铁、溴化钠、溴化锂、溴化钾、溴化钙、溴化镁、碳酸钠、碳酸钾、碳酸镁等，纳米材料包括四氧化三铁纳米颗粒、碳酸钙纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管等。离子化合物和纳米材料可以增强水凝胶的导电性，增大压力敏感的范围。
优选地，所述的一种柔性器件，其特征在于：上层水凝胶既对外表面导体接触的位置响应，又与下层水凝胶共同对外表面的压力响应。
优选地，所述的柔性器件利用绝缘层将两层导电水凝胶隔开，施加压力导致水凝胶和绝缘层形变，从而引起两层导电水凝胶之间的电容变化，通过电容的变化反映水凝胶器件受到的压力。
一种柔性器件的测量系统，其特征在于：由位置测量模块(1)和压力测量模块(2)构成，具有位置和压力分时测量和同时测量两种测量模式；其中，(1)与上层水凝胶内嵌的所有电极相连接，(2)与上层水凝胶内嵌的一个电极、下层水凝胶内嵌的一个电极相连接。
(1)是由位置测量激励源、位置信号调理测量电路构成，其中，位置测量激励源输出正弦信号，频率取值为1kHz～100kHz，幅值取值为200mV～2V，位置信号调理测量电路输出两路与位置测量激励源具有相同频率的正弦信号，其中，这两路正弦信号的峰峰值大小分别对应X轴和Y轴的位置，共同实现平面位置定位。
(2)是由压力测量激励源、压力信号调理测量电路构成，其中，压力测量激励源输出直流信号或者正弦信号，同一时刻，压力测量激励源只输出一种信号，其中，直流信号的幅值取值为1V～5V，正弦信号的频率取值为1MHz～100MHz，幅值取值为200mV～2V。
工作于分时测量时，(1)和(2)分时交替工作，当(1)处于工作状态时，(1)中的位置测量激励源输出正弦信号，(1)中的位置信号调理测量电路进行位置测量，(2)中的压力测量激励源停止输出直流信号和正弦信号，(2)处于待机状态，当(2)处于工作状态时，(2)中的压力测量激励源输出直流信号，(2)中的压力信号调理测量电路进行压力测量，(1)中的位置测量激励源停止输出正弦信号，(1)处于待机状态，其中，交替的间隔取值为5us-50ms，其有益效果是，提高压力测量的精度和敏感性。
工作于同时测量模式时，(1)和(2)同时工作，(1)中的位置测量激励源输出正弦信号，(2)中的压力测量激励源只输出正弦信号，其中，(2)中的压力测量激励源输出的正弦信号频率高于(1)中的位置测量激励源输出的正弦信号频率，其有益效果是，提高位置测量和压力测量的时间分辨率。
相对于现有技术，本发明的优点如下：
1)能够测量位置和压力信号，实现柔性器件的定位与压力感应。
2)能够根据不同需要选择分时测量或同时测量，达到所需要的信号精度和时间分辨率
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1)为了实现位置的测量，上层水凝胶中添加有离子导电物质或可导电的纳米材料，成为位置敏感层，利用表面电容系统可实现位置的测量。
2)为了实现压力的测量，下层水凝胶中添加有离子导电物质或纳米材料，成为压力敏感层，与上层导电水凝胶配合，利用平板电容器原理可实现压力的测量。
3)能够根据不同需要选择分时测量或同时测量，达到设计的敏感度和时间分辨率。
4)本发明利用简单易制备的柔性器件，实现了兼具定位和压力测量的功能。
附图说明
图1为实例1所述器件的立体图。图1中1-5为电极；6为导线；7为上层水凝胶；8为绝缘层；9为下层水凝胶。
图2为实例1所述器件的俯视图。图2中1-4为电极；6为导线；7为上层水凝胶；8为绝缘层。
图3为实例1所述器件的正视图。图3中3-5为电极；6为导线；7为上层水凝胶；8为绝缘层；9为下层水凝胶。
图4为柔性器件测量系统示意图。
图5为柔性器件测量系统中位置测量模块示意图。
图6为柔性器件测量系统中压力测量模块示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对柔性器件做进一步说明，以便更好地理解本发明，但任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围之内。
柔性器件实例1：
柔性器件的绝缘层为厚度为0.1mm的聚乙烯薄膜，形状为正方形，边长为10cm。绝缘层两侧均为聚丙烯酰胺水凝胶层，水凝胶中含有离子导电物质氯化钠，两层水凝胶均为正方形且尺寸相同，长宽均为9.5cm，厚度为5mm，两层水凝胶呈轴对称紧密分布在绝缘层的两侧。在下层水凝胶某个角且距两相邻直角边均为0.5cm处设置一个铜电极，并接出导线。在上层水凝胶的四个角且距两相邻直角边均为0.5cm处设置4个铜电极，并分别接出导线。
柔性器件实例2：
柔性器件的绝缘层为厚度为0.2mm的热可塑性聚氨酯(TPU)薄膜，形状为矩形，长和宽分别为20cm和10cm。上层水凝胶为聚丙烯酸水凝胶层，水凝胶中含有离子导电物质氯化锂，下层水凝胶为聚丙烯酰胺水凝胶层，水凝胶中含有四氧化三铁纳米颗粒。两层水凝胶均为矩形且尺寸相同，长和宽分别为19.5cm和9.5cm，厚度为8mm，两层水凝胶呈轴对称紧密分布在绝缘层的两侧。在A侧水凝胶某个角且距两相邻直角边均为0.5cm处设置一个铝电极，并接出导线。在B侧水凝胶的四个角且距两相邻直角边均为0.5cm处设置4个铝电极，并分别接出导线。
柔性器件实例3：
柔性器件的绝缘层为厚度为0.15mm的聚氯乙烯薄膜，形状为圆形，直径为25cm。绝缘层两侧均为海藻酸钠水凝胶层，水凝胶中含有离子导电物质碳酸钙纳米颗粒，两层水凝胶均为矩形且尺寸相同，长和宽分别为15cm和6cm，厚度为10mm，两层水凝胶呈轴对称紧密分布在绝缘层的两侧。在A侧水凝胶某个角且距两相邻直角边均为0.4cm处设置一个铝电极，并接出导线。在B侧水凝胶的四个角且距两相邻直角边均为0.4cm处设置4个铝电极，并分别接出导线。
柔性器件实例4：
柔性器件的绝缘层为厚度为0.3mm的聚乙烯薄膜，形状为圆形，直径为20cm。绝缘层两侧均为聚丙烯酰胺水凝胶层，水凝胶中含有离子导电物质氯化钙，两层水凝胶均为圆形且尺寸相同，直径为18cm，厚度为3mm，两层水凝胶呈轴对称紧密分布在绝缘层的两侧。在A侧水凝胶距边0.3cm处设置一个铝电极，并接出导线。在B侧水凝胶的距边为0.3cm处均匀设置4个铝电极，并分别接出导线。
柔性器件实例5：
柔性器件的绝缘层为厚度为0.1mm的聚乙烯薄膜，形状为矩形，长和宽分别为20cm和1cm。绝缘层两侧均为聚丙烯酸水凝胶层，水凝胶中含有离子导电物质碳酸钠，两层水凝胶均为矩形且尺寸相同，长和宽分别为19.5cm和0.8cm，厚度为1mm，两层水凝胶呈轴对称紧密分布在绝缘层的两侧。在A侧水凝胶某个角且距两相邻直角边均为0.4cm处设置一个铝电极，并接出导线。在B侧水凝胶的两个相对角且距两相邻直角边均为0.4cm处设置2个铝电极，并分别接出导线。
以下通过具体实施例对柔性器件的测量系统做进一步说明，以便更好地理解本发明，但任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围之内。
参见图4，一种柔性器件的测量系统，其特征在于：由位置测量模块(1)和压力测量模块(2)构成；其中，(1)与上层水凝胶内嵌的所有电极相连接，(2)与上层水凝胶内嵌的一个电极、下层水凝胶内嵌的一个电极相连接，上层电极优选与下层电极距离最近的电极。
参见图5，(1)是由位置测量激励源、位置信号调理测量电路构成，其中，位置测量激励源输出正弦信号，与上层水凝胶内嵌的所有电极相连接，频率优选为10kHz，幅值优选为1V，位置信号调理测量电路与上层水凝胶内嵌的所有电极相连接，其中，(1)处于工作状态时，(1)中的位置信号调理测量电路输出两路与位置测量激励源具有相同频率的正弦信号，两路正弦信号的峰峰值大小分别对应X轴和Y轴的位置，共同实现平面位置定位。
参见图6，(2)是由压力测量激励源、压力信号调理测量电路构成，其中，(2)与上层水凝胶内嵌的一个电极、下层水凝胶内嵌的一个电极相连接，(2)中的压力测量激励源输出直流信号或者正弦信号，同一时刻，压力测量激励源只输出一种信号，压力信号调理测量电路与压力测量激励源相连，其中，输出的直流信号，幅值优选为2V，输出的正弦信号，频率优选为10MHz，幅值优选为1V。
工作于分时测量时，(1)和(2)分时交替工作，当(1)处于工作状态时，(1)中的位置测量激励源输出正弦信号，(1)中的位置信号调理测量电路进行位置测量，(2)中的压力测量激励源停止输出直流信号和正弦信号，(2)处于待机状态，当(2)处于工作状态时，(2)中的压力测量激励源输出直流信号，(2)中的压力信号调理测量电路进行压力测量，(1)中的位置测量激励源停止输出正弦信号，(1)处于待机状态，其中，交替的间隔取值为50us，(2)处于工作状态时，(2)中的压力信号调理测量电路输出的直流，直流的幅值大小反应压力大小。
工作于同时测量时，(1)和(2)同时工作，(1)中的位置测量激励源输出正弦信号，(2)中的压力测量激励源只输出正弦信号，其中，(2)中的压力测量激励源输出的正弦信号频率远高于(1)中的位置测量激励源输出的正弦信号频率，(2)处于工作状态时，(2)中的压力信号调理测量电路输出与压力测量激励源输出的正弦信号具有相同的频率，压力信号调理测量电路输出的正弦波的峰峰值大小反应压力大小。
Claims (4)
1.一种柔性器件，其特征在于：所述器件为三明治结构，中间层为绝缘层，由高分子绝缘薄膜组成，厚度为0.1-1mm；绝缘层的上、下两层为可导电的水凝胶；其中，上层水凝胶为位置敏感层，且均匀内嵌2-4个电极；下层水凝胶为压力敏感层，且内嵌一个电极；上层水凝胶既对外表面导体接触的位置响应，又与下层水凝胶共同对外表面的压力响应。
2.根据权利要求1所述的柔性器件，其特征在于：可导电的水凝胶的厚度为1-10mm；由聚丙烯酰胺水凝胶、聚丙烯酸水凝胶、海藻酸钠水凝胶其中的一种组成；且水凝胶中含有离子化合物或纳米材料中的一种或多种；离子化合物包括氯化钠、氯化锂、氯化钾、氯化钙、氯化镁、氯化铝、氯化锌、氯化铁、溴化钠、溴化锂、溴化钾、溴化钙、溴化镁、碳酸钠、碳酸钾、碳酸镁，纳米材料包括四氧化三铁纳米颗粒、碳酸钙纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管。
3.一种如权利要求1所述的柔性器件的测量系统，其特征在于：由位置测量模块和压力测量模块构成，具有位置和压力分时测量和同时测量两种测量模式；其中，位置测量模块与上层水凝胶内嵌的2-4个电极相连接，压力测量模块与上层水凝胶内嵌的一个电极、下层水凝胶内嵌的一个电极相连接；位置测量模块是由位置测量激励源、位置信号调理电路构成，其中，位置测量激励源输出正弦信号；压力测量模块是由压力测量激励源、压力信号调理电路构成，其中，压力测量激励源输出直流信号或者正弦信号，同一时刻，压力测量激励源只输出一种信号。
4.如权利要求3所述的测量系统，其特征在于：工作于分时测量时，位置测量模块和压力测量模块分时交替工作，当位置测量模块处于工作状态时，位置测量模块中的位置测量激励源输出正弦信号，位置测量模块进行位置测量，压力测量模块中的压力测量激励源停止输出直流信号和正弦信号，压力测量模块处于待机状态，当压力测量模块处于工作状态时，压力测量模块中的压力测量激励源只输出直流信号，压力测量模块进行压力测量，位置测量模块中的位置测量激励源停止输出正弦信号，位置测量模块处于待机状态；工作于同时测量模式时，位置测量模块和压力测量模块同时工作，位置测量模块中的位置测量激励源输出正弦信号，压力测量模块中的压力测量激励源只输出正弦信号，其中，压力测量模块中的压力测量激励源输出的正弦信号频率高于位置测量模块中的位置测量激励源输出的正弦信号频率。
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