CN113932952A - 对数响应函数的仿生柔性压力电容传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有对数响应函数的仿生柔性压力电容传感器，属于压力传感器领域。由二张柔性绝缘薄膜上涂覆导电层作为电容传感器的上板电极和下板电极，在上板电极和下板电极之间填充有弹性介质膜，该弹性介质膜横截面自上而下弹性系数是渐变的，当所施加压力较小时，单位压力对应的弹性介质膜形变比较大，电容变化量比较大；当所施加压力逐渐增加时，虽然电容总量还在增加，但单位压力对应的形变增加量逐渐减少，单位压力对应的电容增加量逐渐减少，其电容与压力呈现近似对数关系。本发明的仿生柔性压力电容传感器可以感知很小的压力，当压力很大时也能计量，不会出现饱和，量程宽，符合仿生原理，可单独使用或者组成N×N矩阵进行应用。

Description

对数响应函数的仿生柔性压力电容传感器

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，尤其涉及一种对数响应函数的仿生柔性压力电容传感器。

背景技术

传统的仿生柔性压力电容传感器如图2所示。上表层柔性绝缘薄膜1、上电极导电层2、横截面自上而下弹性系数均匀的弹性介质膜6、下电极导电层4、下表层柔性绝缘薄膜5；上电极导电层2有一引出电极线2-1、下电极导电层4有一引出电极线4-1，电极线2-1和电极线4-1连接测量电路，测量电容量随压力变化。

这种仿生柔性压力电容传感器的电容量随压力呈线性关系，在所有压力下具有一样的灵敏度，而生物对压力的感知并不是线性的，因此传统的仿生柔性压力电容传感器不符合仿生学原理。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中仿生柔性压力电容传感器的电容量随压力呈线性关系，测量范围小的问题，提出一种电容量随压力呈对数关系的仿生柔性压力电容传感器，测量范围大，更加符合仿生学原理。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种对数响应函数的仿生柔性压力电容传感器，包括上表层柔性绝缘薄膜、上电极导电层、横截面自上而下弹性系数渐变的弹性介质膜、下电极导电层和下表层柔性绝缘薄膜；

所述的上表层柔性绝缘薄膜通过上电极导电层连接弹性介质膜的上表面，下表层柔性绝缘薄膜通过下电极导电层连接弹性介质膜的下表面；上电极导电层连接第一引出电极、下电极导电层连接第二引出电极，所述的第一引出电极和第二引出电极连接外部电路，用于测量弹性介质膜两侧的电容值和压力值；

所述的下表层柔性绝缘薄膜的下表面安装在待测物体上，由上表层柔性绝缘薄膜的上表面承受外界待测的压力；所述的弹性介质膜的横截面自上而下弹性系数逐渐增大，且弹性介质膜两侧的电容量随待测压力呈现对数函数的关系。

优选的，所述的上电极涂层和下电极涂层通过光刻工艺制成N×N矩阵的形式，且上电极涂层和下电极涂层上的矩阵一一对准。

优选的，所述的弹性介质膜采用不同目数的丝网印刷若干层介质材料形成。

该仿生柔性压力电容传感器可以获得以下效益：可以感知很小的压力，同时当压力很大时也能计量，不会出现饱和，具有宽量程，符合仿生学原理。

附图说明

图1是本发明所提出的仿生柔性压力电容传感器结构示意图；

图2是传统的柔性压力电容传感器结构示意图；

图中：1上表层柔性绝缘薄膜，2上电极导电层，2-1第一引出电极线，3横截面自上而下弹性系数渐变的弹性介质膜，4下电极导电层，4-1第二引出电极线，5下表层柔性绝缘薄膜，6横截面自上而下弹性系数均匀的弹性介质膜。

具体实施方式

本发明如图1所示，具有对数函数响应的仿生柔性电容式压力传感器，由上表层柔性绝缘薄膜1、上电极导电层2、横截面自上而下弹性系数渐变的弹性介质膜3、下电极导电层4、下表层柔性绝缘薄膜5构成。上电极导电涂层2连接有第一引出电极线2-1、下电极导电层4连接有第二引出电极线4-1，电极线2-1和电极线4-1连接测量电路，用于测量电容量随压力变化。所述的横截面自上而下弹性系数渐变的弹性介质膜3，其电容与压力呈现近似对数关系。由于横截面自上而下弹性系数渐变的弹性介质膜3在受压情况下，其电容值是随外界压力非线性变化的，当压力较小时，其单位压力对应的形变变化量较大，从而电容随单位压力的变化较大；当压力较大时，其单位压力对应的形变变化量较小，从而电容随单位压力的变化较小；随着压力从小变大，单位压力对应的形变增加量逐渐减小，虽然电容总变化量再不断增大，但是其在单位压力下的变化量也在逐渐减小；因此，在小的压力下，压力电容传感器的灵敏度极高，可以感知很小的压力，在压力很大时，由于单位压力对应的形变增加量逐渐减小，在较大的压力下也不会出现变形量饱和，量程宽，符合仿生原理。

在本发明的一项具体实施中，上表层柔性绝缘薄膜1和下表层柔性绝缘薄膜5采用聚酰亚胺(PI)薄膜；采用气相沉积法分别在二个PI薄膜的内表面沉积金属薄膜，用光刻技术分别获得4×4矩阵型上电极导电层2和下电极导电层4及其它们的引出电极线，上电极导电层2和下电极导电层4对准。在下电极导电层4基底上，采用不同目的丝网分五层印刷介质材料，得到的五层介质材料对应的丝网目数从上到下依次增加，形成弹性系数渐变的弹性介质膜，再覆盖上电极导电层2。在上表层柔性绝缘薄膜1上施加不同大小的压力，测量结果表明该仿生柔性电容式压力传感器具有近似对数响应，具有较宽的压力响应范围(0.2kPa-220kPa)，在低压强范围内，灵敏度可达0.18kPa^-1。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种对数响应函数的仿生柔性压力电容传感器，其特征在于，包括上表层柔性绝缘薄膜(1)、上电极导电层(2)、横截面自上而下弹性系数渐变的弹性介质膜(3)、下电极导电层(4)和下表层柔性绝缘薄膜(5)；

所述的上表层柔性绝缘薄膜(1)通过上电极导电层(2)连接弹性介质膜(3)的上表面，下表层柔性绝缘薄膜(5)通过下电极导电层(4)连接弹性介质膜(3)的下表面；上电极导电层(2)连接第一引出电极(2-1)、下电极导电层(4)连接第二引出电极(4-1)，所述的第一引出电极(2-1)和第二引出电极(4-1)连接外部电路，用于测量弹性介质膜(3)两侧的电容值和压力值；

所述的下表层柔性绝缘薄膜(5)的下表面安装在待测物体上，由上表层柔性绝缘薄膜(1)的上表面承受外界待测的压力；所述的弹性介质膜(3)的横截面自上而下弹性系数逐渐增大，且弹性介质膜(3)两侧的电容量随待测压力呈现对数函数的关系。

2.如权利要求1所述的对数响应函数的仿生柔性压力电容传感器，其特征在于，所述的上电极涂层(2)和下电极涂层(4)通过光刻工艺制成N×N矩阵的形式，且上电极涂层(2)和下电极涂层(4)上的矩阵一一对准。

3.如权利要求1所述的对数响应函数的仿生柔性压力电容传感器，其特征在于，所述的弹性介质膜(3)采用不同目数的丝网印刷若干层介质材料形成。

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