CN113091988A - 一种基于液态金属的柔性压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属的柔性压力传感器及其制造方法，该传感器包括由上至下按叠层布置的盖片、压力感应体和第一螺旋电感盘，所述压力感应体为顶面空腔填满液态金属的柔性体，第一螺旋电感盘表面布设有第一螺旋线圈。制造方法的步骤是：1、利用光刻技术制作压力感应体、第一螺旋电感盘和盖片的模具；2、将有机硅橡胶与固化剂按质量比10:1混合后，搅拌均匀，将其分别倒入对应模具中，放入温箱中；3、将制作好的PDMS片层，进行键合；4、用打孔器在预设通孔处进行打孔，随后利用注射器将液态金属注入；用胶水进行封口即得。本发明克服了弹性材料中嵌入脆弱的电气元件或刚性材料的缺陷，显著增加了传感器的柔软性和耐久性。

Description

一种基于液态金属的柔性压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于一种压力传感器，具体涉及一种基于液态金属的柔性压力传感器和该柔性压力传感器的制造方法。

背景技术

柔性压力传感器具有很强的适应性，能够用于复杂的物理环境，在可穿戴电子，机器人，健康监测以及环境监测中具有广阔用途。现有技术中已公开了采用弹性材料作为表面覆盖物构成的柔性压力传感器，但这些柔性压力传感器存在以下问题：1、在弹性材料中嵌入脆弱的电气元件，在循环荷载作用下容易发生破坏从而降低传感器的耐久性；2、在弹性材料中嵌入刚性材料，造成传感器的柔软性降低；3、用弹性材料粘附刚性传感器元件，不可避免的应力集中和弱界面导致结构发生破坏。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于液态金属的柔性压力传感器，它能克服弹性材料中嵌入脆弱的电气元件或刚性材料的缺陷，能够显著增加传感器的柔软性和耐久性。本发明还提供一种该柔性压力传感器的制造方法。

为了解决上述技术问题，

本发明提供的一种基于液态金属的柔性压力传感器，它包括由上至下按叠层布置的盖片、压力感应体和第一螺旋电感盘，所述压力感应体为顶面空腔填满液态金属的柔性体，第一螺旋电感盘表面布设有填充液态金属的第一螺旋线圈。

优选地，还包括向下依次布设的隔层和第二螺旋电感盘，第一螺旋线圈布设在第一螺旋电感盘下底面，第二螺旋电感盘上顶面布设有填充液态金属的第二螺旋线圈，隔层中间开有通孔连接第一螺旋线圈末端A与第二螺旋线圈首端B；第一螺旋线圈与第二螺旋线圈的绕向相反。

特别地，所述盖片、压力感应体、第一螺旋电感盘、隔层和第二螺旋电感盘的基材选用PDMS；所述液态金属选用镓铟合金。

本发明提供的该柔性压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1、利用光刻技术制作压力感应体中圆柱形空腔的模具，第一螺旋电感盘和第二螺旋电感盘中螺旋微流道模具；制作盖片和隔层模具；

步骤2、将有机硅橡胶与固化剂按质量比10:1混合后，搅拌均匀，将液态的PDMS放到脱泡机中30分钟以上，除去内部的气泡；随后将其分别倒入盖片、压力感应体、第一螺旋电感盘、隔层、第二螺旋电感盘模具中，放入温箱中，保持60℃-80℃，养护50分钟以上，待PDMS凝固以后，从模具中取出；

步骤3、将步骤2制作好的PDMS片层，放置在阴凉处一段时间后，进行键合；所述键合就是将上面制作的五层粘到一块，形成一个整体，第一螺旋电感盘中的螺旋微流道和第二螺旋电感盘中的螺旋微流道在中间隔层的通孔处连通；

步骤4、再利用打孔器在预设通孔处进行打孔，随后利用注射器将液态金属注入，用胶水进行封口即得。

本发明基于涡流效应，以液态金属圆柱体为涡流导电体，当液态金属圆柱体与下层的螺旋微流道形成的螺旋线圈之间的距离发生改变时，螺旋线圈的电感会随之发生改变，通过测量电感进而测量施加在柔性压力传感器上的压力。本发明能够从弹性材料中去除脆弱的电气元件和刚性材料，以及与弹性材料的电气连接，增加了传感器的柔软度，避免了现有传感器的耐久性低、柔软性差等问题。

所以本发明的技术效果是：增加了柔软度，避免了现有柔性压力传感器的低耐久性、机械复杂性等问题。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明一个实施例的拆分图；

图2为实施例的第一螺旋线圈与第二螺旋线圈的绕向图；

图3为涡流传感器工作原理示意图；

图4为螺旋器线圈与涡流导电体耦合的等效电路；

图5为实施例的压力感应体受压变形图。

1、盖片；2、压力感应体；3、第一螺旋电感盘；31、第一螺旋线圈；4、隔层；41、通孔；5、第二螺旋电感盘；51、第二螺旋线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例包括由上至下按叠层布置的盖片1、压力感应体2和第一螺旋电感盘3，所述压力感应体2为顶面空腔填满液态金属的柔性体，第一螺旋电感盘3表面布设有填充液态金属的第一螺旋线圈31。

如图1所示，还包括向下依次布设的隔层4和第二螺旋电感盘5，第一螺旋线圈31布设在第一螺旋电感盘3下底面，第二螺旋电感盘5上顶面布设有填充液态金属的第二螺旋线圈51，隔层4中间开有通孔41连接第一螺旋线圈31末端A与第二螺旋线圈51首端B；如图2所示，第一螺旋线圈31与第二螺旋线圈51的绕向相反，电流的绕向相同，第一螺旋线圈31与第二螺旋线圈51所产生的磁场叠加，磁感应强度增加。

所述盖片1、压力感应体2、第一螺旋电感盘3、隔层4和第二螺旋电感盘5的基材选用PDMS；所述液态金属选用镓铟合金。

在第一螺旋线圈31两端，或者第一螺旋线圈31与第二螺旋线圈51的引出端通入交流电流，检测螺旋线圈电感变化，得到柔性压力传感器上的压力大小。其工作原理是：

涡流效应：若金属被放入变化的磁场中，或在非均匀的磁场中运动，则在该金属内要产生感应电动势，由于金属的电阻很小，因而即使感应电动势不是很大，也能产生很强的电流，该电流在金属内沿着一个个闭合回路流动，像河水中的旋涡，因此被称为涡旋电流，简称涡流。

涡流传感器(ECS)能用于测量螺旋线圈与涡流导电体之间的距离。如图3所示，当螺旋线圈通入交流电流(通常为0.1MHz～10MHz)时，它产生一个交变磁场，在附近的涡流导电体内产生涡流。涡流产生与螺旋线圈相反的磁场，螺旋线圈和涡流导电体之间的耦合作用能够减小螺旋线圈的磁通量并改变涡流传感器的等效阻抗，等效阻抗推导如下：

如图4所示，左边为螺旋线圈回路，右边为涡流导电体中电涡流等效电路，得出下列方程式：

由上式可以得到，当螺旋线圈与涡流导电体靠近时，涡流传感器的等效阻抗为：

涡流传感器等效电阻为：

涡流传感器等效电感为：

式中：L₁——不计涡流效应而仅考虑磁学效应时螺旋线圈的电感量；

R₁——螺旋线圈的绕线电阻；

L₂——电涡流等效电路的等效电感；

R₂——电涡流等效电路的等效电阻；

ω——螺旋线圈激励电流的角频率；

M——螺旋线圈与涡流导电体电涡流间的互感系数，其值为：

M²＝K₂(1-pd²+qd⁴-…+…)

其中p和q为与螺旋线圈参数等有关的系数。

根据涡流传感器的等效电阻和等效电感可知：由于电涡流效应的影响，涡流传感器阻抗的实部增大，虚部减小。经过进一步分析可知，涡流传感器的等效电阻和等效电感与互感系数M的平方有关，而互感系数与线圈的形状、尺寸、匝数、探头线圈与涡流导电体之间的距离及周围分布的磁介质均相关。因此，涡流传感器的等效电感可以表示为：

L＝F(σ,μ,f,d,r)

其中：σ——涡流导电体的电导率；

μ——涡流导电体的磁导率；

f——激励交流信号的频率；

d——螺旋线圈与涡流导电体之间的距离；

r——螺旋线圈的尺寸因子。即螺旋线圈的结构，形状及相关尺寸。

涡流传感器在实际测量中可认为螺旋线圈的形状、尺寸、匝数、涡流导电体的电气特性、激励交流信号的频率是恒定不变的，即涡流传感器的等效电感与距离d存在函数关系，通过测量涡流传感器的等效电感来表征距离d的变化。

如图5所示，在涡流传感器顶部施加法向压力后，会使液态金属制作的涡流导电体与螺旋线圈之间的弹性材料(PDMS)受到挤压，进而减少两者之间的距离并使涡流传感器的等效电感减小，由此把压力的变化转为等效电感的信号变化，这是涡流传感器进行压力测量的基本原理。

涡流传感器的等效电感可以用高精度LCR测试仪(汇高HG2810)测得。

如图5所示，(a)为本实施例未施加压力时，第一螺旋线圈31与压力感应体2为顶面空腔的液态金属的距离为d，液态金属为涡流导电体；(b)为本实施例受到压力时，压力感应体2变形，第一螺旋线圈31与液态金属的距离为d＇；(a)与(b)中压力感应体2厚度变化。根据涡流传感器的原理，必然引起螺旋线圈31的电感变化；在压力感应体2上，压力P与厚度d是线性变化的，所以，螺旋线圈31的电感变化值能直接反映压力P的大小。

通过测量螺旋线圈电感变化和压力P的大小，建立电感变化与施加压力之间的关系曲线，在实际使用时，由电感对应确定施加在柔性压力传感器上的压力，将压力值转换为电感测量的电信号。

本发明的该柔性压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

步骤1、利用光刻技术制作压力感应体2中圆柱形空腔的模具，第一螺旋电感盘3和第二螺旋电感盘5中螺旋微流道模具；制作盖片1和隔层4模具；

步骤2、将有机硅橡胶与固化剂按质量比10:1混合后，搅拌均匀，将液态的PDMS放到脱泡机中30分钟以上，除去内部的气泡；随后将其分别倒入盖片1、压力感应体2、第一螺旋电感盘3、隔层4、第二螺旋电感盘5模具中，放入温箱中，保持60℃～80℃，养护50分钟以上，待PDMS凝固以后，从模具中取出；

有机硅橡胶与固化剂按质量比10:1能够使其在给定的固化温度下具有高弹性和易于浇铸的优点。

步骤3、将步骤2制作好的PDMS片层，放置在阴凉处一段时间后，进行键合；所述键合就是将上面制作的五层粘到一块，形成一个整体，这样，第一螺旋电感盘3中的螺旋微流道和第二螺旋电感盘5中的螺旋微流道在中间隔层4的通孔41处连通；

步骤4、再利用打孔器在预设通孔处进行打孔，随后利用注射器将液态金属注入，用502胶水进行封口即得。

实际上，第一螺旋电感盘3和第二螺旋电感盘5中的螺旋微流道与中间隔层4上通孔41的内部全充满液态金属，也就是，流道之间是通过液态金属连接的，不需要导线。

将制作好的柔性压力传感器进行标定试验，并将信号输出端与传输、处理模块连接。

本发明的优点是：

1、结构简单，易于制作。柔性压力传感器仅由软弹性材料和液态金属制成，没有复杂的电气结构，稳定性好，不易损坏，加工制作简单方便。

2、具有更加强的软弹性。无需在软材料中嵌入任何电气元件，也无需与弹性材料进行任何电气连接，避免了传统传感器的低耐久性、机械复杂性等问题。

Claims (4)

1.一种基于液态金属的柔性压力传感器，其特征是：包括由上至下按叠层布置的盖片（1）、压力感应体（2）和第一螺旋电感盘（3），所述压力感应体（2）为顶面空腔填满液态金属的柔性体，第一螺旋电感盘（3）表面布设有填充液态金属的第一螺旋线圈（31）。

2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征是：还包括向下依次布设的隔层（4）和第二螺旋电感盘（5），第一螺旋线圈（31）布设在第一螺旋电感盘（3）下底面，第二螺旋电感盘（5）上顶面布设有填充液态金属的第二螺旋线圈（51），隔层（4）中间开有通孔（41）连接第一螺旋线圈（31）末端A与第二螺旋线圈（51）首端B；第一螺旋线圈（31）与第二螺旋线圈（51）的绕向相反。

3.根据权利要求2所述的柔性压力传感器，其特征是：所述盖片（1）、压力感应体（2）、第一螺旋电感盘（3）、隔层（4）和第二螺旋电感盘（5）的基材选用PDMS；所述液态金属选用镓铟合金。

4.一种权利要求3所述柔性压力传感器的制造方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、利用光刻技术制作压力感应体中圆柱形空腔的模具，第一螺旋电感盘和第二螺旋电感盘中螺旋微流道模具；制作盖片和隔层模具；

步骤2、将有机硅橡胶与固化剂按质量比10:1混合后，搅拌均匀，将液态的PDMS放到脱泡机中30分钟以上，除去内部的气泡；随后将其分别倒入盖片、压力感应体、第一螺旋电感盘、隔层、第二螺旋电感盘模具中，放入温箱中，保持60℃～80℃，养护50分钟以上，待PDMS凝固以后，从模具中取出；

步骤3、将步骤2制作好的PDMS片层，放置在阴凉处一段时间后，进行键合；所述键合就是将上面制作的五层粘到一块，形成一个整体，第一螺旋电感盘中的螺旋微流道和第二螺旋电感盘中的螺旋微流道在中间隔层的通孔处连通；

步骤4、再利用打孔器在预设通孔处进行打孔，随后利用注射器将液态金属注入，用胶水进行封口即得。

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