CN113483924B - 一种基于超材料的高灵敏度压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种基于超材料的高灵敏度压力传感器，包括主体结构、弹性材料拉伸层和碳纳米管薄膜；其中所述主体结构包括外棱台和内部小棱台，所述外棱台包括上底面和由所述上底面斜向下延伸的四条侧棱，相邻的侧棱之间通过弹性支撑结构相连，所述四条侧棱的底端斜向上延伸出四条小棱边，所述四条小棱边的顶部相互连接形成小平台，从而在所述主体结构的内部构成所述内部小棱台；所述弹性材料拉伸层铺设在所述内部小棱台的上底面，所述碳纳米管薄膜附着在所述弹性材料拉伸层的表面，所述碳纳米管薄膜的两侧通过电极引出导线。本发明提高了传感器的灵敏度和测量精确度，并获得较小的体积，从而便于阵列排布。

Description

一种基于超材料的高灵敏度压力传感器
技术领域
本发明涉及传感器，特别是涉及一种基于超材料的高灵敏度压力传感器。
背景技术
压力传感器作为压力最直接的测量手段，广泛应用于是工业生产和日常生活中，主要涉及自动控制、环境监测、航天航空、军工、医疗、智能家居、仿生机器人等领域。常见的压力传感器种类有应变式、压阻式、电容式、压电式以及振动频率式等。目前，上述几类传感器在传统应用领域的技术已经相当成熟，但随着仿生机器人这一领域的兴起，为能够更好地模仿皮肤的柔顺感以及精确测量局部压力，对于压力传感器的顺应性、响应灵敏度以及能否阵列式排布都提出了较高的要求。
因此，针对新兴领域对压力传感器提出的新要求，有必要设计一种柔顺性高、能够在较大范围内实现局部精确测量并具有较高灵敏度的压力传感器。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于超材料的高灵敏度压力传感器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于超材料的高灵敏度压力传感器，包括主体结构、弹性材料拉伸层和碳纳米管薄膜；其中所述主体结构包括外棱台和内部小棱台，所述外棱台包括上底面和由所述上底面斜向下延伸的四条侧棱，相邻的侧棱之间通过弹性支撑结构相连，所述四条侧棱的底端斜向上延伸出四条小棱边，所述四条小棱边的顶部相互连接形成小平台，从而在所述主体结构的内部构成所述内部小棱台；所述弹性材料拉伸层铺设在所述内部小棱台的上底面，所述碳纳米管薄膜附着在所述弹性材料拉伸层的表面，所述碳纳米管薄膜的两侧通过电极引出导线。
进一步地：
所述主体结构为树脂材料。
所述主体结构为光敏树脂材料。
所述外棱台和内部小棱台均为三维对称结构。
所述内部小棱台的上底面为镂空结构。
所述碳纳米管薄膜附着在所述弹性材料拉伸层的下表面。
所述弹性材料拉伸层为聚二甲基硅氧烷膜。
所述弹性支撑结构为向上拱起的弓形结构。
所述弓形结构包括两条斜边和连接在两条斜边之间的顶边，所述顶边与所述外棱台的上底面平行。
一种基于超材料的高灵敏度压力传感器，包括由多个前述的高灵敏度压力传感器以底角贴底角的方式排布形成的阵列。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种基于超材料的高灵敏度压力传感器，其中主体结构包括外棱台和内部小棱台，所述外棱台的四条侧棱通过弹性支撑结构相连，所述外棱台的内部又形成所述内部小棱台，由此，该主体结构形成为一种超材料结构，弹性材料拉伸层铺设在所述内部小棱台的上底面，碳纳米管薄膜附着在所述弹性材料拉伸层的表面，其相对于传统的压力传感器优势在于：能够将竖直方向的位移转化为水平方向碳纳米管薄膜的拉伸，并将微小形变放大。通过碳纳米管薄膜中碳纳米管断裂时电阻的显著变化，提高了传感器的灵敏度。并且，得益于碳纳米管薄膜的有效尺寸可以很小，使得该压力传感器作为一个传感单元获得较小的体积，从而便于阵列排布，便于大规模集成，使其能够在较大的范围内获得点或局部区域压力的精确测量能力。
附图说明
图1为本发明一种实施例的基于超材料的高灵敏度压力传感器的结构示意图。
图2为图1所示的高灵敏度压力传感器的仰视图。
图3为本发明一种实施例的4×4的压力传感器阵列排布形式的示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图2，本发明实施例提供一种基于超材料的高灵敏度压力传感器，包括主体结构、弹性材料拉伸层2和碳纳米管薄膜1；其中所述主体结构包括外棱台5和内部小棱台6，所述外棱台5包括上底面3和由所述上底面3斜向下延伸的四条侧棱，相邻的侧棱之间通过弹性支撑结构4相连，所述四条侧棱的底端斜向上延伸出四条小棱边7，所述四条小棱边7的顶部相互连接形成小平台，从而在所述主体结构的内部构成所述内部小棱台6；所述弹性材料拉伸层2铺设在所述内部小棱台6的上底面，所述碳纳米管薄膜1附着在所述弹性材料拉伸层2的表面，所述碳纳米管薄膜1的两侧通过电极引出导线。
在优选的实施例中，所述主体结构为树脂材料。
在优选的实施例中，所述主体结构为光敏树脂材料。采用光敏树脂材料可以光固化3D打印成型所述主体结构，便于制作其复杂的超材料结构。
如图1至图2所示，在优选的实施例中，所述外棱台5和内部小棱台6均为三维对称结构。
在优选的实施例中，所述内部小棱台6的上底面为镂空结构。
在优选的实施例中，所述碳纳米管薄膜1附着在所述弹性材料拉伸层2的下表面。
在优选的实施例中，所述弹性材料拉伸层2为聚二甲基硅氧烷膜。
参阅图1至图2，在优选的实施例中，所述弹性支撑结构4为向上拱起的弓形结构。
如图2所示，在优选的实施例中，所述弓形结构包括两条斜边和连接在两条斜边之间的顶边，所述顶边与所述外棱台5的上底面3平行。
参阅图3，本发明实施例还提供一种基于超材料的高灵敏度压力传感器，包括由多个前述的高灵敏度压力传感器以底角贴底角的方式排布形成的阵列。
本发明将竖直方向的轻微形变转化为水平方向较大的形变，通过对力的方向的转化，通过弹性材料拉伸层的形变带动附着于其表面的碳纳米管薄膜发生形变，使竖直方向的轻微形变就能产生较大的电阻变化，提高灵敏度，从而在较小的形变下实现高灵敏度测量；并能够针对仿生机器人大范围内压力测量的需求，以阵列排布的方式实现局部压力的精确测量，由此，本发明解决了传统传感器不便于大规模集成，无法在机器人仿生皮肤等使用场景下获得点或者小范围内压力的精确测量，为压力传感器在更多使用场景下的测量成为可能。
以下进一步描述本发明具体实施例。
一种实施例基于机械超材料结构的压力传感器，其结构如图1所示。所述压力传感器为三维对称结构，包括主体结构、采用聚二甲基硅氧烷拉的弹性材料拉伸层2、碳纳米管薄膜1；其中主体结构采用光敏树脂材料，包括四个大小形状相同的二维超材料组成的外棱台5；外棱台5由其四条侧棱底端伸出四条小棱边7，以在结构内部构成一个内部小棱台6；内部小棱台6上底面的镂空正方形结构用聚二甲基硅氧烷膜填铺形成弹性材料拉伸层2，并在其朝向主体结构下底面一侧铺上一层碳纳米管薄膜1，碳纳米管薄膜1两侧由电极引出导线。
其中，碳纳米管薄膜1贴附在聚二甲基硅氧烷膜2的下表面，当外棱台5的上底面3受到竖直方向压力时，外棱台5侧面的四个二维超材料的弹性支撑结构4会发生弹性形变，该弹性形变会带动结构内部小棱台6上的聚二甲基硅氧烷膜在支撑结构的带动下拉伸，进而使碳纳米管薄膜1出现纳米级断裂，使其电阻产生大幅度的可逆变化。当外力撤去时，该结构恢复初始状态。
其中，该压力传感器可以以阵列的形式排布，图3展示了4×4的阵列排布形式，各个超材料压力传感器单元以底角贴底角的方式进行排布。由于碳纳米管在5mm×5mm尺寸下即可获得明显的电阻变化效果，每个单元尺寸可以做到很小，便于大规模阵列排布。当某一或某几个超材料压力传感器单元受到小范围压力时，可以由每个单元精确测量所在位置的压力值。
本发明的高灵敏度压力传感器的特点和优势主要体现为：1.将竖直方向的轻微形变转化为水平方向较大的形变，通过弹性材料拉伸层的形变带动附着于其表面的碳纳米管薄膜发生形变，使竖直方向的轻微形变就能产生较大的电阻变化，提高灵敏度。2.可以通过阵列排列的方式，实现较大范围内对局部压力的精确测量。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种基于超材料的高灵敏度压力传感器，其特征在于，包括主体结构、弹性材料拉伸层和碳纳米管薄膜；其中所述主体结构包括外棱台和内部小棱台，所述外棱台包括上底面和由所述上底面斜向下延伸的四条侧棱，相邻的侧棱之间通过弹性支撑结构相连，所述四条侧棱的底端斜向上延伸出四条小棱边，所述四条小棱边的顶部相互连接形成小平台，从而在所述主体结构的内部构成所述内部小棱台；所述弹性材料拉伸层铺设在所述内部小棱台的上底面，所述碳纳米管薄膜附着在所述弹性材料拉伸层的表面，所述碳纳米管薄膜的两侧通过电极引出导线。
2.如权利要求1所述高灵敏度压力传感器，其特征在于，所述主体结构为树脂材料。
3.如权利要求2所述高灵敏度压力传感器，其特征在于，所述主体结构为光敏树脂材料。
4.如权利要求1至3任一项所述高灵敏度压力传感器，其特征在于，所述外棱台和内部小棱台均为三维对称结构。
5.如权利要求1至3任一项所述高灵敏度压力传感器，其特征在于，所述内部小棱台的上底面为镂空结构。
6.如权利要求5所述高灵敏度压力传感器，其特征在于，所述碳纳米管薄膜附着在所述弹性材料拉伸层的下表面。
7.如权利要求1至3任一项所述高灵敏度压力传感器，其特征在于，所述弹性材料拉伸层为聚二甲基硅氧烷膜。
8.如权利要求1至3任一项所述高灵敏度压力传感器，其特征在于，所述弹性支撑结构形成为向上拱起的弓形结构。
9.如权利要求8所述高灵敏度压力传感器，其特征在于，所述弓形结构包括两条斜边和连接在两条斜边之间的顶边，所述顶边与所述外棱台的上底面平行。
10.一种基于超材料的高灵敏度压力传感器，其特征在于，包括由多个如权利要求1至9任一项所述高灵敏度压力传感器以底角贴底角的方式排布形成的阵列。
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