CN111076805A - 一种基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器，包括柔性线圈，绝缘层、柔性环形磁薄膜，柔性圆形磁振子和弹性基底，柔性线圈位于两层柔性环形磁薄膜中间的空心处，且柔性线圈的上下表面均为绝缘层；柔性圆形磁振子位于柔性线圈中间的空心处，厚度小于两层柔性环形磁薄膜的总厚度，且上下表面分别与固定在传感器底部和顶部的弹性基底连接构成惯性振子。本发明的电磁式柔性振动传感器，实现电磁式柔性振动传感器的柔性化，扩展其在生物医学检测领域和其他需要考虑传感器形态的场景中的应用。

Description

一种基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，特别是涉及一种基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器。
背景技术
电磁式振动传感器是一种将机械信号转化为电信号的器件，主要由永磁体、线圈和弹簧构成，线圈与弹簧连接构成惯性振子处于永磁体的磁场中，当传感器振动时，惯性振子与永磁体发生相对运动，根据电磁感应原理，线圈中的磁通量发生改变从而产生感应电动势。但是目前的电磁式振动传感器都采用了刚性永磁体，导致器件体积笨重、与柔软的生物组织机械属性不匹配，且无法适应弯曲表面，这些问题限制了电磁式振动传感器在生物医学检测领域，及其他需要考虑传感器形态的场景中的应用。因此，亟需一种柔性电磁振动传感装置弥补上述不足。
近年来，柔性永磁体制备技术取得了很多阶段性突破。利用弹性聚合物与磁性颗粒的混合材料制备的永磁体薄膜已经能够获得良好的柔性。利用不同的折叠方式对柔性永磁体折叠固定，通过单向充磁就能实现特定的磁场排布，并且由于边界数量的增加使得磁体性能更优异，弥补了柔性磁薄膜由于厚度降低造成的磁性能减弱。结合新兴柔性电子技术，制备小尺寸、超轻薄的柔性线圈，与柔性磁薄膜相匹配，为电磁式振动传感器的小型化与柔性化提供了技术可能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器，包括：
柔性线圈，绝缘层、柔性环形磁薄膜，柔性圆形磁振子和弹性基底，柔性线圈位于两层柔性环形磁薄膜中间的空心处，且柔性线圈的上下表面均为绝缘层；柔性圆形磁振子位于柔性线圈中间的空心处，厚度小于两层柔性环形磁薄膜的总厚度，且上下表面分别与固定在传感器底部和顶部的弹性基底连接构成惯性振子。
其中，所述柔性线圈为超薄的平面线圈，或由多层平面线圈叠加而成，制备工艺可以是光刻、丝网印刷、喷墨打印或激光雕刻。
其中，所述柔性线圈采用金、银、铜或导电高分子材料。
其中，所述柔性圆形磁振子和环形磁薄膜均采用弹性聚合物和磁性颗粒的混合物制作形成.弹性聚合物采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Dragon skinEcoflex材料中的一种，磁性颗粒选用钕铁硼或铁氧体纳米或微米颗粒，聚二甲基硅氧烷为柔性圆形磁振子提供柔性，磁性颗粒为薄膜提供所需磁性。
其中，柔性环形磁薄膜的磁场分布由自定义增强磁场的磁铁阵列制备方法制得，用于扩大磁场的覆盖范围。
其中，所述柔性基底采用高分子弹性聚合物制作，高分子弹性聚合物是聚二甲基硅氧烷PDMS、Dragon skin和Ecoflex材料中的一种。
本发明的电磁式柔性振动传感器，可以用于测量心率、声音、运动等人体振动信号，也可以用于测量机械表面的振动信号。
本发明的电磁式柔性振动传感器解决背景技术中现有磁电式振动传感器中存在的主要问题，实现电磁式柔性振动传感器的柔性化，扩展其在生物医学检测领域和其他需要考虑传感器形态的场景中的应用。
附图说明
图1是本发明基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器的截面示意图。
图2是本发明的基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器的俯视图。
图3是柔性环形磁薄膜制作流程示意图；
图4是柔性圆形磁振子的充磁示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和2所示，本发明基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器，包括：
柔性线圈1、线圈的PI(聚酰亚胺)绝缘层2、柔性环形磁薄膜3、柔性圆形磁振子4和弹性基底5，其中，柔性线圈1位于两层柔性环形磁薄膜3中间的空心处，即柔性线圈1的上下表面(即底部和顶部)均为PI(聚酰亚胺)绝缘层2；柔性圆形磁振子4位于线圈中间的空心处，厚度小于两层柔性环形磁薄膜3的总厚度，且上下表面分别与固定在传感器底部和顶部的弹性基底5连接构成惯性振子。
当传感器跟随物体振动时，位于中心的柔性圆形磁振子4在弹性基底5的作用下与柔性线圈1发生相对运动，使得通过柔性线圈的磁通量发生改变，从而在柔性线圈中产生感应电动势，将振动信号转化为电信号。
作为一个实施例，柔性线圈所用铜线的线宽为100微米，一共30圈；采用微加工工艺制备，具体是：在固化好的PDMS基底上涂覆PI(聚酰亚胺)作为底层绝缘层；在PI绝缘层上沉积金属铜，沉积方式可以是电子束蒸镀、磁控溅射或电镀，金属铜厚度可根据适用场景选择，利用光刻、刻蚀工艺实现柔性线圈图形化；涂覆顶层PI绝缘层,利用光刻和刻蚀工艺露出柔性线圈两处接口的金属铜；从PDMS基底上揭下来，用PDMS粘贴在柔性环形磁薄膜上，使柔性线圈处于环形内部磁场中。
所述的柔性环形磁薄膜3和柔性圆形磁振子4均采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和钕铁硼磁性颗粒的混合物制作，聚二甲基硅氧烷为薄膜提供柔性，磁性颗粒为薄膜提供所需磁性。柔性环形磁薄膜的磁场分布由自定义增强磁场的磁铁阵列制备方法制得，用于扩大磁场的覆盖范围。
制作柔性环形磁薄膜3以及柔性圆形磁振子4的具体方法如下：将PDMS与磁性纳米颗粒按照一定比例搅拌混合，使用涂膜器用四面体制备器在PET薄膜上涂覆基底材料，烘箱90度固化后，将基底从PET上分离，获得厚度分别为300微米和400微米的柔性薄膜；将300微米柔性磁薄膜裁剪成一个直径为25mm的圆形，按照图3的方向折叠充磁后，裁剪成内直径11mm外直径25mm的环形，作为柔性环形磁薄膜3；将400微米的柔性磁薄膜裁剪成一个直径为5mm的圆形，按图4的方向充磁后作为柔性圆形磁振子。
所述的柔性基底采用高分子弹性聚合物制作，选用弹性材料Ecoflex，该弹性基底为传感器提供封装，并与柔性圆形磁振子构成惯性质量组件，厚度为100μm；具体的，可以用四面体制备器在PET薄膜上涂敷需要的厚度，在烘箱中90度固化后从PET薄膜上分离。
作为一个优选的实施例，柔性线圈1和线圈的PI绝缘层2的总厚度为10微米；柔性环形磁性薄膜3的厚度为300微米；单层柔性圆形磁振子4的厚度为200微米；单层弹性基底5的厚度小于200微米。
器件各部分的集成方法如下：
将带有柔性线圈的PI薄膜裁剪成正方形(边长需大于柔性环形磁薄膜3内径)，利用Ecoflex做粘连剂贴附在两层柔性环形磁薄膜3中间，使柔性线圈1位置处于空心处；柔性圆形磁振子4位于柔性线圈1中间的空心处，利用Ecoflex做粘连剂上下表面分别与固定在传感器底部和顶部的弹性基底5连接。
本发明提供的电磁式柔性振动传感器，与传统的电磁式振动传感器相比，利用柔性永磁体制备方法，用柔性磁薄膜替换传统的刚性永磁体，同时利用自定义增强磁场的磁铁阵列制备方法，弥补了由于磁体体积减小带来的性能损失，实现了电磁式振动传感器件的柔性化，使得器件的机械属性与生物组织的特性相匹配，并能适用于复杂的弯曲的表面，同时器件具有更好的力学性能，耐冲击性好，极大的拓宽了电磁式柔性振动传感器的应用范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器，其特征在于，包括柔性线圈，绝缘层、柔性环形磁薄膜，柔性圆形磁振子和弹性基底，柔性线圈位于两层柔性环形磁薄膜中间的空心处，且柔性线圈的上下表面均为绝缘层；柔性圆形磁振子位于柔性线圈中间的空心处，厚度小于两层柔性环形磁薄膜的总厚度，且上下表面分别与固定在传感器底部和顶部的弹性基底连接构成惯性振子。
2.根据权利要求1所述基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器，其特征在于，所述柔性线圈为超薄的平面线圈，或由多层平面线圈叠加而成，制备工艺可以是但不限于是光刻、丝网印刷、喷墨打印或激光雕刻。
3.根据权利要求1所述基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器，其特征在于，所述柔性线圈采用金、银、铜或导电高分子材料。
4.根据权利要求1所述基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器，其特征在于，所述柔性圆形磁振子和柔性环形磁性薄膜均采用弹性聚合物和磁性颗粒的混合物制作形成，弹性聚合物可以采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Dragonskin或Ecoflex，磁性颗粒采用钕铁硼或铁氧体纳米或微米颗粒，聚二甲基硅氧烷为柔性环形磁薄膜提供柔性，磁性颗粒为薄膜提供所需磁性。
5.根据权利要求1所述基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器，其特征在于，所述柔性环形磁性薄膜的磁场分布由自定义增强磁场的磁铁阵列制备方法制得，用于扩大磁场的覆盖范围。
6.根据权利要求1所述基于折叠薄膜的全柔性电磁式振动传感器，其特征在于，所述柔性基底采用高分子弹性聚合物制作，高分子弹性聚合物选自聚二甲基硅氧烷PDMS、Dragonskin或Ecoflex中的一种。
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