CN113175948A - 一种柔性集成传感器及同时测量温度、压力和介质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性集成传感器及同时测量温度、压力和介质的方法，包括电路板和压力敏感材料，所述电路板为双面板，电路板的一面设有温度传感器和材质识别传感器，所述电路板的另一面上设有叉指电极；在使用过程中，温度传感器和材质识别传感器和待测物体接触，压力敏感材料和叉指电极接触，所述压力敏感材料和叉指电极构成力传感器。本发明同一传感器即能够完成多种物理量的测量，从而减少使用传感器的种类和数量，节约成本，而且本发明中的柔性集成传感器结构简单，部件较少，装置体积小，适用多种测量环境。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体属于一种柔性集成传感器及同时测量温度、压力和介质的方法。
背景技术
传感器技术是人类获取外界信息的重要手段，它与计算机技术与通信一起被称为信息技术的三大支柱。传感器能感受规定的被测量并按照一定的规律转化成可用信号，是系统感知外界环境的必要组成部分。
物体的温度是表征物体冷热程度的重要物理量，温度越高，物体越热。力能够使物体发生形变，在生产生活中经常需要测量力的大小。介电常数又称电容率或相对电容率，是表征电介质或绝缘材料电性能的重要数据。介电常数是材料的本质属性，不同材料具有不同的介电常数，能够通过测量介电常数实现材质识别。
在机器人操作等领域，常常需要测量包括温度、力和材质在内的多种参数，目前基本都采用多个独立的传感器来分别测量各个物理量，需要多种传感器的数量和种类，成本较高，测量效率低下。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种柔性集成传感器及同时测量温度、压力和介质的方法，解决目前传感器的测量功能单一，集成程度低，需要多种传感器实现多种测量目的，成本较高问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种柔性集成传感器，包括电路板和压力敏感材料，所述电路板为双面板，电路板的一面设有温度传感器和材质识别传感器，所述电路板的另一面上设有叉指电极；
在使用过程中，温度传感器和材质识别传感器和待测物体接触，压力敏感材料和叉指电极接触，所述压力敏感材料和叉指电极构成力传感器。
进一步的，所述压力敏感材料的面积小于电路板的面积，在电路板连接在安装表面时，电路板完全覆盖压力敏感材料。
进一步的，温度传感器和材质识别传感器在水平方向上与叉指电极重叠。
进一步的，所述电路板采用柔性高分子材料制备，所述压力敏感材料为柔性压力敏感材料。
进一步的，电路板和压力敏感材料的厚度为20-100μm，所述温度传感器、材质识别传感器和叉指电极的厚度为10-20μm。
进一步的，所述温度传感器为金属导体，所述材质识别传感器包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极均连接在电路板的一面上。
进一步的，所述金属导体、第一电极、第二电极以及叉指电极由金、银、铝和铂中的一种制成。
本发明还提供一种柔性集成传感器的同时测量温度、压力和介质的方法，包括以下过程：
将压力敏感材料放置在安装表面，电路板覆盖压力敏感材料并和安装表面连接；
待测物体放置在电路板上，电路板经待测物体施压变形，电路板挤压压力敏感材料；
根据温度传感器和材质识别传感器得到待测物体的温度和材质，测量力传感器的电阻，得到柔性集成传感器所受力，测得电阻根据下式进行转换：
Rf＝g(F)
式中：Rf为力传感器的电阻，F为柔性集成传感器所受力。
进一步的，所述温度传感器为金属导体，所述材质识别传感器包括第一电极和第二电极，通过测量金属导体的的电阻得到待测物体的温度，测得金属导体的电阻根据下式进行转换：
R＝R0[1+α(T-T0)]
式中：R0是金属导体的初始电阻，T0是金属导体的初始温度，α是金属导体的电阻温度系数；
通过测量第一电极和第二电极之间的电容量得到待测物体的介电常数，测得的第一电极和第二电极之间的电容量根据下式进行转换：
C＝f(ε)
式中：C为第一电极和第二电极之间的电容量，ε为待测物体的介电常数，通过介电常数对应材料的材质。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种柔性集成传感器，电路板为双面板，一面集成有温度传感器和材质识别传感器，另一面集成有叉指电极，在使用时，将压力敏感材料放在安装表面上，然后通过电路板将压力敏感材料覆盖，电路板和安装表面连接，待测物体放在电路板上设有温度传感器和材质识别传感器的表面，电路板在对压力敏感材料进行传递力，而且电路板能够保护压力敏感材料，压力敏感材料和叉指电极接触后组成力传感器，电路板上装上温度传感器和材质识别传感器，实现温度、压力和材质识别的功能集成，本发明同一传感器即能够完成多种物理量的测量，从而减少使用传感器的种类和数量，节约成本，而且本发明中的柔性集成传感器结构简单，部件较少，装置体积小，适用多种测量环境。
进一步的，压力敏感材料和电路板在测试的时候层叠设置，节省面积，其次，能够保护压力敏感材料，并且电路板完全覆盖压力敏感材料有利于压力敏感材料的固定，确保测试过程的可靠进行。
进一步的，温度传感器和材质识别传感器和叉指电极在水平方向上重叠，充分的利用了电路板的空间，大大的缩小了柔性集成传感器的体积，适用范围更广，而且温度传感器和材质识别传感器设在同一表面上，提高了温度测量和材质识别的准确性。
进一步的，电路板为柔性高分子材料，压力敏感材料采用柔性敏感材料，使得电路板能够将力传递至柔性压力敏感材料并使整个柔性集成传感器具有柔性，从而让柔性集成传感器具有较好的柔韧性和较小的密度，实现可弯曲的性能，本发明的柔性集成传感器更加耐用、轻巧，能够被安装在各种复杂曲面上，适用于多种形状的待测物体。
进一步的，电路板和压力敏感材料的厚度，温度传感器、材质识别传感器和叉指电极的厚度均较薄，在实现温度、材质和力检测的同时占用空间更少。
进一步的，温度传感器和介质识别传感器以及叉指电极均采用金、银、铝和铂的一种，取材方便，而且成本较低，
本发明还提供一种柔性集成传感器的同时测量温度、压力和介质的方法，待测物体直接放在电路板上，对电路板进行施压，电路板对压力敏感材料进行施压，压力敏感材料受到力时，压力敏感材料的电阻率会发生变化，即压力敏感材料和叉指电极构成的力传感器的电阻会发生变化，通过测量力传感器的电阻，能够算出柔性集成传感器受到的力，同时通过温度传感器和材质识别传感器实现对待测物体的温度和待测物体对电路板施加的压力大小，通过同一传感器多种物理量的测量，方便快捷。
进一步的，在测量待测物体的温度时，测量金属导体的电阻从而根据公式计算出待测物体的温度，在测量待测物体的介电常数时，测量第一电极和第二电极之间的电容量，从而计算出待测物体的介电常数，介电常数是材料的本质属性，不同材料具有不同的介电常数，通过测量介电常数实现材质识别，本发明的温度、压力和介质能够同时进行检测，通过测量力传感器的电阻、金属导体的电阻以及第一电极和第二电极之间的电容量，然后通过简单的公式换算，得出温度和压力以及介电常数值，成本低廉，整个过程方便快捷。
附图说明
图1为本发明中电路板的结构示意图；
图2为图1中相对平面的结构示意图；
图3为压力敏感材料的结构示意图；
图4为本发明的使用状态结构示意图；
附图中：1-温度传感器，2-材质识别传感器，3-电路板，4-叉指电极，5-压力敏感材料，6-待测物体，7-机器人。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1和图2和图3所示，本发明提供一种柔性集成传感器，从上到下依次层叠有电路板3和压力敏感材料5，其中电路板3和安装表面通过热压或胶粘连接，本实施例中，电路板3和安装表面通过胶粘连接，压力敏感材料5位于电路板3和安装表面之间，其中，电路板3为双面板，电路板3的一面设有温度传感器1和材质识别传感器2，电路板3的另一面设有叉指电极4，压力敏感材料5的面积小于电路板3的面积，在使用过程中压力敏感材料5放置在安装表面上，压力敏感材料5被电路板3覆盖，电路板3和安装表面连接后，电路板3上的叉指电极4和压力敏感材料5直接接触，构成力传感器；
在本实施例中，电路板3通过胶粘在机器人7的安装表面上。
优选的，电路板3为柔性电路板，压力敏感材料5为柔性压力敏感材料，柔性电路板采用柔性高分子材料制作能够使力传递至压力敏感材料并使得传感器具有柔性，具体的，柔性电路板由聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯中的任一种制成；温度传感器1、材质识别传感器2和叉指电极4由金、银、铝、铂中的一种制成；柔性压力敏感材料由柔性导电聚合物制成。柔性聚合物由于密度小、可弯曲，在电子工业和微机电系统中获得了广泛的应用。以聚酰亚胺等柔性聚合物制成的柔性结构具有成本低、工艺性能良好、化学稳定性好的优点。
在本实施例中，柔性电路板的厚度为20微米-100微米；构成温度传感器1、材质识别传感器2和叉指电极4的金属导体厚度为10微米-20微米；柔性压力敏感材料的厚度为20微米-100微米。
优选的，柔性电路板的一面设置的温度传感器1和材质识别传感器2和柔性电路板的另一面设置的叉指电极4在水平方向重叠，以充分利用传感器的空间，减少体积；
在本实施例中，温度传感器1由金属导体制备，金属导体的电阻R和温度T的关系为：
R＝R0[1+α(T-T0)]
式中：R0是金属导体的初始电阻，T0是金属导体的初始温度，α是金属导体的电阻温度系数。通过测量金属导体的电阻，可以计算出被测物体6的温度。
材质识别传感器2由第一电极和第二电极组成，第一电极和第二电极连接在电路板3的外壁上，第一电极和第二电极之间的电容量C是待测物体的介电常数ε的函数；
C＝f(ε)
通过测量两个电极之间的电容量C，可以计算出待测物体6的介电常数ε。介电常数是材料的本质属性，不同材料具有不同的介电常数，能够通过测量介电常数实现材质识别。
柔性压力敏感材料受到力F时，电阻率发生变化，所述柔性压力敏感材料和电路板3的内壁上的叉指电极4构成的力传感器的电阻Rf也随之发生变化，叉指电极4和压力敏感材料5为串联，测量二者串联后的阻值。
Rf＝g(F)
通过测量力传感器的电阻Rf，可以计算出作用在传感器上的力F。
如图4所示，本发明还提供一种柔性集成传感器的同时测量温度、压力和介质的方法，待测物体6放置在电路板3上，电路板3经待测物体6施压变形，电路板3挤压压力敏感材料5；
在需要测量温度时，通过测量金属导体的的电阻得到待测物体6的温度，测得金属导体的电阻根据下式进行转换：
R＝R0[1+α(T-T0)]
通过测量金属导体的电阻，可以计算出被测物体的温度。
在需要测量待测物体6的介电常数时，通过测量第一电极和第二电极之间的电容量得到待测物体的介电常数，测得的第一电极和第二电极之间的电容量根据下式进行转换：
C＝f(ε)
通过测量两个电极之间的电容量C，可以计算出被测物体的介电常数ε。
在需要测量待测物体对柔性集成传感器施加的压力时，测量力传感器的电阻，得到柔性集成传感器所受力，测得电阻根据下式进行转换：
Rf＝g(F)
通过测量力传感器的电阻Rf，可以计算出作用在传感器上的力F。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种柔性集成传感器，其特征在于，包括电路板(3)和压力敏感材料(5)，所述电路板(3)为双面板，电路板(3)的一面设有温度传感器(1)和材质识别传感器(2)，所述电路板(3)的另一面上设有叉指电极(4)；
在使用过程中，温度传感器(1)和材质识别传感器(2)和待测物体(6)接触，压力敏感材料(5)和叉指电极(4)接触，所述压力敏感材料(5)和叉指电极(4)构成力传感器。
2.根据权利要求1所述的一种柔性集成传感器，其特征在于，所述压力敏感材料(5)的面积小于电路板(3)的面积，在电路板(3)连接在安装表面时，电路板(3)完全覆盖压力敏感材料(5)。
3.根据权利要求1所述的一种柔性集成传感器，其特征在于，温度传感器(1)和材质识别传感器(2)在水平方向上与叉指电极(4)重叠。
4.根据权利要求1所述的一种柔性集成传感器，其特征在于，所述电路板(3)采用柔性高分子材料制备，所述压力敏感材料(5)为柔性压力敏感材料。
5.根据权利要求1所述的一种柔性集成传感器，其特征在于，电路板(3)和压力敏感材料(5)的厚度为20-100μm，所述温度传感器(1)、材质识别传感器(2)和叉指电极(4)的厚度为10-20μm。
6.根据权利要求1所述的一种柔性集成传感器，其特征在于，所述温度传感器(1)为金属导体，所述材质识别传感器(2)包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极均连接在电路板(3)的一面上。
7.根据权利要求6所述的一种柔性集成传感器，其特征在于，所述金属导体、第一电极、第二电极以及叉指电极(4)由金、银、铝和铂中的一种制成。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种柔性集成传感器的同时测量温度、压力和介质的方法，其特征在于，包括以下过程：
将压力敏感材料(5)放置在安装表面，电路板(3)覆盖压力敏感材料(5)并和安装表面连接；
待测物体放置在电路板(3)上，电路板(3)经待测物体(6)施压变形，电路板(3)挤压压力敏感材料(5)；
根据温度传感器(1)和材质识别传感器(2)得到待测物体(6)的温度和材质，测量力传感器的电阻，得到柔性集成传感器所受力，测得电阻根据下式进行转换：
Rf＝g(F)
式中：Rf为力传感器的电阻，F为柔性集成传感器所受力。
9.根据权利要求8所述的一种柔性集成传感器的同时测量温度、压力和介质的方法，其特征在于，所述温度传感器(1)为金属导体，所述材质识别传感器(2)包括第一电极和第二电极，通过测量金属导体的的电阻得到待测物体(6)的温度，测得金属导体的电阻根据下式进行转换：
R＝R0[1+α(T-T0)]
式中：R0是金属导体的初始电阻，T0是金属导体的初始温度，α是金属导体的电阻温度系数；
通过测量第一电极和第二电极之间的电容量得到待测物体(6)的介电常数，测得的第一电极和第二电极之间的电容量根据下式进行转换：
C＝f(ε)
式中：C为第一电极和第二电极之间的电容量，ε为待测物体(6)的介电常数，通过介电常数对应材料的材质。
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