CN113865754B - 一种可检测多级力的柔性传感单元及制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种可检测多级力的柔性传感单元及制作方法，利用压容单元和压阻单元叠加封装于上封装膜和下封装膜之间；压容单元包括上极板、介电层和下极板，所述介电层安装于所述上极板和所述下极板之间；所述压阻单元包括硅胶管和液态导电合金，所述液态导电合金注入所述硅胶管中；发明通过压容单元在外力较小的范围内工作，通过压阻单元在外力较大的范围内工作，通过电容单元和电阻单元在工作中相互转换，既可以保证多级力测量的精确性，又可以提高测量力大小的范围。

Description

一种可检测多级力的柔性传感单元及制作方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种可检测多级力的柔性传感单元及制作方法。
背景技术
传感技术一直以来都是极具挑战和潜力的发展方向，在机器人、医疗健康等领域有着广阔的发展前景。随着人机交互、运动健康监控等细分领域的快速发展，相关产品对传感单元提出了更高的要求，不仅需要传感器具有一定柔性能够使其紧密贴合于机器人的多种非平面表面,而且需要大量程的可检测范围来满足绝大部分机器人应用场景需求。
自2004年以来，研究者们已研究出基于压阻式、电容式、压电式和有机场效应晶体管等类型的柔性传感单元，但就目前的研究结果可看出单一检测原理的力传感器却难以覆盖大范围力的变化,这严重影响了传感器在机器人领域的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可检测多级力的柔性传感单元及制作方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种可检测多级力的柔性传感单元，包括上封装膜、压容单元、压阻单元和下封装膜；所述压容单元和所述压阻单元叠加封装于所述上封装膜和所述下封装膜之间；所述压容单元包括上极板、介电层和下极板，所述上极板和所述下极板的结构相同，所述介电层安装于所述上极板和所述下极板之间；所述压阻单元包括硅胶管和液态导电合金，所述液态导电合金注入所述硅胶管中；所述上封装膜与所述压容单元的上极板进行连接，所述压容单元的下极板与所述压阻单元的上层进行叠加放置，所述压阻单元的底层与所述下封装膜进行连接。
优选的，所述上极板和所述下极板的结构包括铜箔导电胶带和铬片；两层并排所述铜箔导电胶带正交放置，所述铬片安装于两层所述铜箔导电胶带的正交处。
优选的，所述铜箔导电胶带中设有粘性面，两层所述铜箔导电胶带中的粘性面相对安装，并将所述铬片通过所述粘性面进行固定。
优选的，所述介电层包括纳米胶带，一层以上所述纳米胶带两两相互正交叠放。
优选的，所述液态导电合金选用铟镓合金、铟镓锡合金或铋铟锡合金。
优选的，所述硅胶管设置为螺旋形状，两段所述硅胶管相互串联，并将形成的螺旋形状套合，形成双螺旋形状。
优选的，所述压阻单元设有一层以上的所述双螺旋形状的硅胶管，相邻的两层所述硅胶管之间通过硅胶进行粘接。
一种可检测多级力的柔性传感单元制作方法，将铜箔导电胶带正交放置，并在正交处安装铬板形成电极板；将并排放置的纳米胶带层与层之间正交放置形成介电层；将所述介电层安装于两个所述电极板之间，形成压容单元；
将液态导电合金注入硅胶管中，对所述硅胶管两端进行密封，并引出导线设置为螺旋状，将两段所述硅胶管通过所述导线进行串联，形成相互套合的双螺旋形状，一层以上所述双螺旋形状进行上下粘接，并将双螺旋形状的所述硅胶管通过所述导线进行串联，形成压阻单元；
将所述压容单元和所述压阻单元重叠，并排封装于封装膜之间。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种可检测多级力的柔性传感单元及制作方法，通过压容单元在外力较小的范围内工作，通过压阻单元在外力较大的范围内工作，通过电容单元和电阻单元在工作中相互转换，既可以保证多级力测量的精确性，又可以提高测量力大小的范围；本发明通过裁剪刚性材料且采用阵列的安装结构，来降低整体传感单元的杨氏模量，提高器件整体的可延展性和可弯曲性；通过液态导电合金实现器件整体的高柔弹性和可扩展性，在受力作用下的高稳定性和可靠性。
附图说明
图1是柔性传感单元结构示意图；
图2是压容单元结构示意图；
图3是压阻单元结构示意图；
图4是柔性传感单元集成封装流程图；
图中，1—上封装膜，2—压容单元，3—压阻单元，4—下封装膜，5—上极板，6—介电层，7—下极板，8—硅胶管，9—硅胶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种可检测多级力的柔性传感单元，采用压容和压阻耦合力相结合的方式进行多级大量程力的检测，如图1所示，包括上封装膜、压容单元、压阻单元和下封装膜。
所述压容单元如图2所示，包括上极板、介电层和下极板；所述上极板和下极板的结构相同，包括铜箔导电胶带和铬片，所述铜箔导电胶带共设有两层，每一层均通过相隔一定距离并排放置的所述铜箔导电胶带相构成，所述铜箔导电胶带中设有粘性面，两层并排安装的所述铜箔导电胶带正交放置，并将其中的粘性面相对进行安装，将所述铬片安装于两层所述铜箔导电胶带之间的正交位置，通过粘性面对所述铬片进行安装固定；所述介电层包括一层以上的纳米胶带进行叠层，相邻层的所述纳米胶带正交放置；所述介电层安装于所述上极板和所述下极板之间封装形成所述压容单元。
所述压阻单元如图3所示，包括硅胶管和液态导电合金，所述液态导电合金注入到所述硅胶管内部，对所述硅胶管的两端进行密封，密封后的所述硅胶管引出导线，并将所述硅胶管设置为螺旋形状，所述压阻单元中的每一层均包括两根所述硅胶管，两根所述硅胶管通过引出的带线相互串联，并相互套合形成双螺旋形状，所述压阻单元包括一层以上构成双螺旋形状的所述硅胶管，每一层所述硅胶管引出的两端导线分别与相邻层的所述硅胶管引出的所述导线相互串联，相邻层的所述硅胶管通过硅胶进行粘接形成所述压阻单元；所述液态导电合金选用铟镓合金、铟镓锡合金或铋铟锡合金。
所述压容单元和所述压阻单元叠放，并集成封装于所述上封装膜和所述下封装膜之间。
上述可检测多级力的柔性传感单元的工作原理为：当作用于所述柔性传感单元的外力较小时，所述压容单元中的电极板产生较小的位移变化，所述上极板和所述下极板之间的介电系数发生改变，从而改变电容量的大小，此时所述柔性传感单元采用压容模式进行工作；当作用于所述柔性传感单元的外力较大时，所述压容单元中的电容值达到最大值，所述压阻单元开始受到压力，所述压阻单元中注入所述液态导电合金的所述硅胶管开始受到挤压而变形，此时所述硅胶管的横截面积变小，所述压阻单元中通过公式：R＝ρl/A使所述硅胶管的输出电阻变大，此时所述柔性传感单元采用压阻模式进行工作。其中ρ表示硅胶管中所述液态导电合金的电阻率，l表示所述硅胶管的长度，所述A表示硅胶管的横截面面积。
一种可检测多级力的柔性传感单元制作方法，如图4所示，首先将所述压容单元和所述压阻单元进行制作，将铜箔导电胶带正交放置，并在正交处安装铬板形成电极板；纳米胶带在层与层之间进行正交放置形成介电层；将所述介电层安装于两个所述电极板之间，形成压容单元；
同时，在所述硅胶管中注入所述液态导电合金后对所述硅胶管两端进行密封，并引出导线，将所述硅胶管设置为螺旋状，将两段所述硅胶管通过所述导线进行串联，形成相互套合的双螺旋形状，将一层以上所述双螺旋形状进行上下粘接，并将双螺旋形状的所述硅胶管通过所述导线进行串联，形成压阻单元；
最后将所述压容单元和所述压阻单元重叠，并排封装于封装膜之间。
实施例
本实施例中设置所述铜箔导电胶带的宽度为1cm左右，所述铬板裁剪为1cm*1cm，将所述铬板完整贴合于正交放置的所述铜箔导电胶带之间的正交处；并将所介电层的所述纳米胶带设置为4～5层；所述压阻单元中形成双螺旋形状的所述硅胶管设置为3层，通过硅胶进行粘接。将所述压容单元在上，所述压阻单元在下，集成封装于所述上封装膜和所述下封装膜之间，所述上封装膜与所述压容单元的上极板进行连接，所述压容单元的下极板与所述压阻单元的上层进行叠加放置，所述压阻单元的底层与所述下封装膜进行连接。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种可检测多级力的柔性传感单元及制作方法，通过压容单元在外力较小的范围内工作，通过压阻单元在外力较大的范围内工作，通过电容单元和电阻单元在工作中相互转换，既可以保证多级力测量的精确性，又可以提高测量力大小的范围；本发明通过裁剪刚性材料且采用阵列的安装结构，来降低整体传感单元的杨氏模量，提高器件整体的可延展性和可弯曲性；通过液态导电合金实现器件整体的高柔弹性和可扩展性，在受力作用下的高稳定性和可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种可检测多级力的柔性传感单元，其特征在于，包括上封装膜、压容单元、压阻单元和下封装膜；所述压容单元和所述压阻单元叠加封装于所述上封装膜和所述下封装膜之间；所述压容单元包括上极板、介电层和下极板，所述上极板和所述下极板的结构相同，所述介电层安装于所述上极板和所述下极板之间；所述压阻单元包括硅胶管和液态导电合金，所述液态导电合金注入所述硅胶管中并进行密封，密封后的所述硅胶管两端引出导线，并将所述硅胶管设置为螺旋形状，所述压阻单元中的每一层均包括两根所述硅胶管，两根所述硅胶管通过引出的导线相互串联，并相互套合形成双螺旋形状；所述上封装膜与所述压容单元的上极板进行连接，所述压容单元的下极板与所述压阻单元的上层进行叠加放置，所述压阻单元的底层与所述下封装膜进行连接；
所述压阻单元包括一层以上构成双螺旋形状的所述硅胶管，每一层所述硅胶管两端引出的导线分别与相邻层的所述硅胶管引出的导线相互串联；
所述上极板和所述下极板的结构包括铜箔导电胶带和铬片；两层所述铜箔导电胶带正交放置，所述铬片安装于两层所述铜箔导电胶带的正交处；
所述介电层包括纳米胶带，一层以上所述纳米胶带两两相互正交叠放。
2.根据权利要求1所述的可检测多级力的柔性传感单元，其特征在于，所述铜箔导电胶带中设有粘性面，两层所述铜箔导电胶带中的粘性面相对安装，并将所述铬片通过所述粘性面进行固定。
3.根据权利要求1所述的可检测多级力的柔性传感单元，其特征在于，所述液态导电合金选用铟镓合金、铟镓锡合金或铋铟锡合金。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的可检测多级力的柔性传感单元的制作方法，其特征在于，将铜箔导电胶带正交放置，并在正交处安装铬片形成上极板和下极板；将纳米胶带层与层之间正交放置形成介电层；将所述介电层安装于上极板和下极板之间，形成压容单元；
将液态导电合金注入硅胶管中，对所述硅胶管两端进行密封，并在硅胶管两端引出导线设置为螺旋状，将两段所述硅胶管通过所述导线进行串联，形成相互套合的双螺旋形状，一层以上所述双螺旋形状的所述硅胶管进行上下粘接，每一层所述硅胶管两端引出的导线分别与相邻层的所述硅胶管引出的导线相互串联形成压阻单元；
将所述压容单元和所述压阻单元重叠，封装于上封装膜和下封装膜之间。
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