CN113939724A - 一种可拉伸的双向电容压力传感器及其使用方法 - Google Patents

一种可拉伸的双向电容压力传感器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种可拉伸的双向电容压力传感器(20)，包括：由介电材料制成的第一弹性片(22)，具有位于第一弹性片上或内的一系列导线(221)；由介电材料制成的第二弹性片(28)，具有位于第二弹性片上或内的一系列导线(261)；其中，第一弹性片的导线与第二弹性片的导线基本正交；微结构，包括由介电材料制成、设置于弹性片之间的多个弹性支柱(241)；其中，微结构被绑定至第一和第二弹性片上，以使双向传感器可以通过第一和第二弹性片的运动记录正压和负压。本发明的另一方面公开了一种通过使用二维电容压力传感器收集流过物体的流体的相关数据的方法。

Description

一种可拉伸的双向电容压力传感器及其使用方法
技术领域
本发明通常涉及一种用于测量压力的传感器。更具体地，本发明涉及具有两个弹性片的可拉伸的双向电容压力传感器，该弹性片带有一系列由弹性微结构隔开的嵌入碳纳米管电极。更进一步地，本发明涉及一种收集流过物体的流体的相关数据的方法，更具体地，涉及一种通过使用可拉伸的二维压力传感器，收集流过物体的流体的相关数据的方法。
背景技术
柔性和/或可拉伸的压力传感器是最新的进展，且是研究中广受关注的领域。这些传感器通常为二维传感器，可以通过读取区域的读数来测量作用于该区域上的力。柔性/可拉伸传感器中使用的传感机制可以各不相同，但它们可以分为压阻式、电容式和压电式，其中电容式传感器灵敏度高、响应速度快，且动态范围宽。电容传感机制的工作原理是传感器的电容随着电极之间距离的变化而改变。
正如Lipomi等人在“Skin-like pressure and strain sensors based ontransparent elastic films of carbon nanotubes”，Nature nanotechnology 6(12)p788-792中所述，可拉伸传感器可以由嵌入在弹性材料中、由连续的柔性介电聚合物构成的隔离层分隔的两个电极层构成。虽然，这种结构允许测量施加于电极层的正压力；但是，它灵敏度低且无法测量施加于电极层的负压力。Mannsfeld等人在“Highly sensitiveflexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers”，Nature Materials 9(10)p859-864中展示的最新进展已经确定，可以通过由微结构构成的分离层而不是连续层来提高灵敏度，特别是当微结构是金字塔微结构时。但是，由于金字塔微结构附着于单个电极层上，因此这种灵敏度的提高仅限于检测正压力。
用于电极的材料类型从刚性导体到电解液各不相同。由于存在泄漏和断裂的可能性，因此使用这些类型的导体限制了应用领域。Majidi等人在US20120118066 A1中描述了一种压力传感器，该压力传感器具有多个液体填充的微通道，用于诸如可穿戴技术等领域。
Xu等人在“stretchable batteries with self-similar serpentineinterconnects and integrated wireless recharging systems”Nature Communication4 p1543中描述了一种可拉伸的无线更换系统，该系统使用各种可拉伸电子设备，例如蛇形导线和使用形成超级电容的碳纳米管薄膜。
传统上，流体流动的分析和研究是使用计算方法或实验方法进行的。在风洞内使用模型是一种常见的实验方法。虽然通过将测压孔或单点传感器引入模型区域，可以测量这些点的压力，但由于测压孔位置数量的限制，很难获得更完整的图像。此外，由于风洞或其他实验装置的大小，所使用的模型在大小上受到限制。计算方法，例如计算流体动力学(CFD)，已经在某种程度上解决了实验方法的局限性。然而，计算方法的准确性受限于计算模型的复杂性和可用的计算能力。这两种方法也受到低雷诺数条件的挑战，因为在实验方法中可能难以观察到这些条件，或者在计算上求解可能存在问题。
计算和实验方法的另一个问题是环境和从其中收集的数据。这两种方法中的环境条件都可以理想化或稍加控制，这使得收集的数据充其量只能部分地与现实世界相关。Morozini等人在DE102016109531 A1中讨论了使用智能纺织品测量空气动力压力。所公开的智能纺织品应用于车辆，并用于对车辆各部分进行特定调整。但是，一旦使用智能纺织品，就无法移动，因为油漆会使纺织品硬化到所需的位置。
本发明的一个目的是减少或基本上消除上述问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种可拉伸的双向电容压力传感器，包括：由介电材料制成的第一弹性片，具有位于弹性片上或内的一系列导线；由介电材料制成的第二弹性片，具有位于弹性片上或内的一系列导线；其中，第一弹性片的导线与第二弹性片的导线基本正交；微结构，包括由介电材料制成的多个弹性支柱；其中，微结构被绑定至第一和第二弹性片上，以使双向传感器可以通过第一和第二弹性片的运动记录正压和负压。微结构是用于分离两个电极的间隔开的重复结构阵列。通过带有将微结构绑定至两个弹性片上的传感器，可以确保在记录正压和负压时具有高灵敏度。由于这种结构的高灵敏度，因此低雷诺条件不再是一个挑战。
微结构中的支柱可以直接或间接地绑定至第一和第二弹性片上。例如，如果存在中间材料层，则微结构的支柱间接绑定至弹性片。当弹性片是由多层组成的层压结构时，微结构的支柱可以直接绑定至弹性片上。这允许传感器的构造满足任何结构要求，同时仍保持记录正压和负压的能力。
第一和第二弹性片中的每一个中的一系列导线可由碳纳米管形成。当片被拉伸或变形时，这种类型的导电材料允许保持导线的电特性。可以基于所需的传感器规格(分辨率、灵敏度等)来选择系列中导线的数量以及导体材料的类型。例如，可以增加导线的数量以提高传感器的分辨率。该系列导线可以与微结构直接接触或具有中间层，例如弹性片。
每个支柱可以位于第一弹性片的导线和第二弹性片的导线之间的交叉点处。支柱和交叉点的组合形成一个像素(pixel)。像素数决定了传感器的分辨率。每个像素都可以提供一个测量值，但像素的组合会创建一个传感区域，在该区域上测量压力。
双向压力传感器内的介电材料可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物，或其他合适的弹性材料。这种材料是一种可拉伸的介电聚合物，也可以是透明的、半透明的或不透明的。当第一弹性片、第二弹性片和支柱由这种材料形成时，它可以提供可拉伸的透明传感器。
可拉伸的双向电容压力传感器可以包括可拉伸的电极。每个弹性片可以具有连接至系列导线的可拉伸电极。可拉伸电极可位于其各自的弹性片中或上。尽管传感器变形，但具有连接至系列导线中的导线的可拉伸电极允许保持与每条导线的电连接。可拉伸电极可由任何合适的材料形成，例如铜。每个可拉伸电极可以是蛇形电极。蛇形电极保持其电气特性的同时，最多可拉伸300％。
可拉伸的双向电容压力传感器可以包括粘合层以允许附接至物体。该粘合层可以是层压结构中的附加层，或者，可以是施加至弹性片之一的层。不同的粘合剂强度不同，可以选择粘合剂以允许可拉伸的双向电容压力传感器被移除和重新使用。
多个支柱可以彼此基本均匀地间隔开，从而允许获得更一致的读数。每个支柱的尺寸可以基本相似。例如，每个支柱的宽度可以为6μm，高度可以小于300μm。微结构的形状和尺寸可以设置为提供可以测量压力的区域，一个非限制性的示例为：4mm×4mm的正方形。在传感区域内有许多像素，这些像素由每个支柱和相关的导线交叉点组合而成。可以根据传感器规格(分辨率、灵敏度等)和所需的传感区域，选择支柱的数量、每个支柱的大小和支柱间距(例如，更多数量的较小支柱可以保持对正压和负压所需的灵敏度的同时，提高传感器的分辨率)。
弹性片可以包括层压结构，例如它可以包括第一PDMS层、包括系列导线的层和第二PDMS层。弹性片的层压结构允许构造传感器以满足任何结构要求。
根据本发明的第二方面，提供了一种收集流经物体上的流体的相关数据的方法，包括以下步骤：将至少一个可拉伸的二维电容压力传感器附接至物体的一个区域；使物体经受流体流动；和，根据可拉伸的二维压力传感器，记录指示物体区域上的压力的数据。二维电容式压力传感器允许在其传感区域获取多个读数，这与传统的压力孔或点传感器不同，后者仅提供一个区域内的单个读数。来自可拉伸的二维电容压力传感器的多个读数提供了类似于计算方法的细节，同时也考虑到实验方法的准确性。该方法允许使用真实的现实世界对象在现实世界条件下收集数据，例如该方法允许将传感器附接至在公共道路上行驶的车辆。
二维电容压力传感器可以是可拉伸的二维双向电容压力传感器。这允许测量正压和负压。优选地，可拉伸的二维电容压力传感器是本发明第一方面的可拉伸的二维电容压力传感器。
分析流体流动的方法还可以包括将物体放置于诸如风洞或水箱之类的实验装置内的步骤。在风洞或水箱内使用传感器允许在一个区域内进行更多测量，提供类似于计算方法的细节的同时，并提供实验数据的准确性。
在现实世界的条件下，物体可能会经受流体流动。这方面的一个例子是将可拉伸的二维压力传感器应用于车辆或车辆的一部分，然后在现实世界条件下在实验装置(风洞等)的外部操作车辆。这允许收集真实世界的数据而不是受控环境中的数据。
该方法可以在相似或不同的位置使用传感器阵列。可拉伸的二维电容传感器可以在传感器阵列内。该阵列还可以包括传感器以测量其他参数，例如温度。传感器阵列和另外的传感器可以是可拉伸的传感器。该阵列可以类似于可拉伸的双向电容压力传感器，其中在第一和第二弹性片之间具有多个微结构。多个微结构提供可以测量压力的传感区域。这在保持与可拉伸二维电容压力传感器相关的优势的同时，允许收集大量数据。
可拉伸的二维电容压力传感器，特别是本发明第一方面的那些，可应用于各种领域。例如，它们可以用作检测触摸的传感器或用作机器人设备的电子皮肤形式。
附图说明
为更好地理解本发明，并更清楚地显示如何实施本发明，现仅以举例的方式参考附图，其中：
图1示出了根据本发明第一方面的双向压力传感器的第一实施例的分解示意图；
图2是本发明第一实施例的双向压力传感器的平面图；
图3是图2中双向压力传感器的放大图；
图4显示了图1的传感器的微观结构的例子；
图5a、图5b和图5c一起示出了根据本发明第一方面的具有由于外力而变形的多个微结构的可拉伸双向电容压力传感器的侧视图；图5a示出了正压下的可拉伸的双向电容压力传感器阵列；图5b示出了负压下的可拉伸的双向电容压力传感器阵列；以及图5c示出了静止条件下的可拉伸的双向电容压力传感器阵列。
具体实施方式
图1示出了本发明第一方面的示例实施例的分解图。可拉伸的双向电容压力传感器20包括第一弹性片22、微结构24和第二弹性片26。第一弹性片22和第二弹性片26由介电材料制成。一系列平行延伸的导线221位于第一弹性片22上或中。微结构24包括由介电材料制成的多个弹性支柱241。本实施例中的各支柱为长方体，优选地为宽约6μm、高小于300μm的矩形长方体。尽管从图1的分解图中看不出来，但长方体支柱的两个相对面间接或直接绑定至第一弹性片22和第二弹性片26。一系列平行延伸的导线261位于第二弹性片26上或中。第一弹性片的一系列导线221与第二弹性片的一系列导线261正交。
图1中的导线看起来是实心的，技术人员将认识到这并不表示所用材料的类型。在优选实施例中，导线由碳纳米管形成，然而本领域技术人员已知的、具有柔性和可变形性同时保持其电特性的任何导电材料都是合适的。
弹性片22和26中的每一个都是具有PDMS层压层的层压结构。第二弹性片26包括允许传感器20附接至物体的粘合层。图中的数字263表示剥离背衬，通常用于在使用前保护粘合层。第一弹性片和第二弹性片在结构上基本相同。因此，当构造可拉伸的双向电容压力传感器20时，弹性片可以正交设置。
两个弹性片都包括位于边缘的可拉伸电极，在当前实施例中，这是由铜制成的蛇形电极28。每个蛇形电极28连接至其相应片上的系列中的所有导线的端部。此外，第一弹性片的蛇形电极垂直于第二弹性片的蛇形电极。
图2和图3均示出了从顶部观察的根据本发明第一实施例的可拉伸的双向电容压力传感器。在本实施例中，弹性片和支柱是半透明或透明的，从而允许看到两个系列的导线和蛇形电极。然而，在其他实施例中，弹性片可以是不透明的。可拉伸的双向电容压力传感器20包括具有系列导线221的第一弹性片22、微结构和具有系列导线261的第二弹性片。每个弹性片包括系列导线221和261。第一弹性片中的系列导线与第二弹性片中的系列导线正交。这提供了导线之间的交叉点30或明显的交叉点。虽然在图2或图3中不可见，但微结构包括多个直接或间接绑定至弹性片的支柱。每个支柱位于且绑定于交叉点30。图3中提供的可拉伸的双向压力传感器的放大视图以虚线显示了位于且绑定于交叉点的两个支柱的大致轮廓。蛇形电极28连接至系列导线中的每条导线。
图4示出了在本发明的第一实施例中使用的微结构的示例，它还示出了在微结构中使用的弹性支柱的示例。微结构40由介电弹性体制成，并且包括多个弹性支柱(例如支柱42)，其位于导线之间的交叉点处并绑定至弹性片。微结构是均匀间隔且大小相同的支柱阵列。微结构40的每个单独的支柱具有基本相似或相同的尺寸，且这些支柱彼此基本均匀地间隔开。支柱的数量、支柱间距、尺寸和形状是根据所需的传感器规格(分辨率、灵敏度等)选择的，例如，大量较小的支柱可以在保持正压和负压所需的灵敏度的同时，提高传感器的分辨率。微结构的整体尺寸和形状决定了传感器的有效检测区域或传感区域。在当前实施例中，每个支柱42具有多个面，其中两个相对的面提供用于绑定至弹性片的表面。
图5a、图5b和图5c一起示出了根据本发明第一方面的具有由多个微结构形成的传感区域阵列的可拉伸的双向电容压力传感器。在当前实施例中，可拉伸的双向电容压力传感器包括由介电材料制成的第一弹性片、由介电材料制成的第二弹性片和布置于弹性片之间的弹性微结构阵列。每个弹性片包括PDMS层52和由介电材料制成的另外的弹性层54。微结构阵列包括至少两个微结构58，每个微结构58具有多个直接或间接绑定至弹性片的支柱。每个微结构设置于形成于第一和第二弹性片上或中的电极组56和60之间。电极组中的每个电极包括一系列导线，这些导线与同一电极组中的相对电极中的导线正交。如在图1至图3中所示和上述的实施例中，每个支柱位于并绑定于电极组中的正交导线之间形成的交叉点处。支柱和交叉点的组合形成一个像素。每个微结构都有允许进行多次读取的多个支柱和交叉点(像素)，从而形成一个传感区域。
图5a示出了在作用在第一弹性片和第二弹性片上的压缩力(由力箭头所示)下的阵列50。每个微结构58内的多个支柱通过压缩而变形，这导致电极组56和60之间的距离减小。
图5b示出了在作用在第一和第二弹性片上的膨胀力(例如负压，由力箭头所示)下的可拉伸的双向电容压力传感器50。每个微结构中的多个支柱通过张力变形，导致每个电极组56和60之间的距离增加。
图5c示出了静止的可拉伸的双向电容压力传感器50，没有外力作用在第一弹性片或第二弹性片上。因此，多个支柱不会变形。
本发明第一方面和本发明第二方面的可拉伸的双向压力传感器的传感机制使用电容传感机制。微结构的至少一个支柱通过施加到第一弹性片和第二弹性片的外力而变形。如关于图5a和5b所讨论的，支柱可以通过压缩或拉伸而变形。由于导线之间的距离发生变化，因此这种变形会导致电容发生变化。每个支柱和导线交叉点的电容通过等式1计算。
Figure BDA0003282173150000061
其中电容(C)与正交导线之间的距离(L)成反比，与导线在交叉点处形成的面积(A)、介电材料的相对介电常数(εr)和真空中的介电常数(ε0)成正比。通过计算电容的变化，可以计算力的位置和强度。
由于所使用的各种材料(例如弹性体和可拉伸导体)，因此根据本发明第一方面的实施例的双向压力传感器在充分拉伸时保持功能。类似地，在本发明的第二方面的实施例中使用的压力传感器由于所使用的材料而在充分拉伸时保持功能。
本发明的第二方面由可拉伸的二维电容压力传感器或传感器阵列提供，该传感器或传感器阵列附接至物体，允许收集流经物体上的流体的相关数据。可拉伸的二维压力传感器是一种电容式传感器。可拉伸传感器优选地通过粘合剂附接至物体的区域(例如其表面的一部分)。一旦可拉伸传感器附接至物体上，它就会经受流体流动，并记录表示物体表面压力的数据。记录的数据可立即用于分析流体流量，或存储以备后用。流过可拉伸的电容压力传感器或传感器阵列的流体产生作用于弹性片上的外力。该弹性片使位于两个电极之间的介电材料变形。介电材料的变形会改变两个电极之间的距离，从而改变电容。
本发明的第二方面的另一个实施例使用可拉伸的双向电容压力传感器。该传感器包括两个包括电极的弹性层，以及由介电材料制成的电极分离层。电极分离层直接或间接地绑定至两个弹性层上。该绑定允许外力(例如正压或负压)转移至经受压缩或拉伸的分离层中。
本发明第二方面的另一个实施例使用本发明第一方面中描述的可拉伸的二维双向电容压力传感器。
使用可拉伸的压力传感器，尤其是在每个传感层中具有多个电极的压力传感器，可以在区域内进行测量。这些测量可用于创建力图。与传统的压力测量方法(例如测压孔)不同，使用可拉伸的压力传感器可以测量区域内的压力。这提供了类似于计算方法(例如CFD)的结果，它也可以计算模型区域内的压力。
上述实施例仅作为示例提供，并且在不脱离所附权利要求限定的本发明范围的情况下，本领域技术人员将明白各种变化和修改。

Claims (19)

1.一种可拉伸的双向电容压力传感器，包括：
由介电材料制成的第一弹性片，具有位于第一弹性片上或内的一系列导线；
由介电材料制成的第二弹性片，具有位于第二弹性片上或内的一系列导线；
其中，第一弹性片的导线与第二弹性片的导线基本正交；
微结构，包括由介电材料制成、设置于弹性片之间的多个弹性支柱；
其中，微结构被绑定至第一和第二弹性片，以使双向传感器可以通过第一和第二弹性片的运动记录正压和负压。
2.如权利要求1所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中第一和第二弹性片中的每一个中的一系列导线由碳纳米管形成。
3.如前述权利要求中任一项所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中每个弹性支柱位于第一弹性片的导线和第二弹性片的导线之间的交叉点处。
4.如前述权利要求中任一项所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中第一和第二弹性片中的每一个的弹性材料是聚二甲基硅氧烷聚合物。
5.如前述权利要求中任一项所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中微结构的弹性材料是聚二甲基硅氧烷聚合物。
6.如前述权利要求中任一项所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中每个弹性片具有连接至一系列导线并位于弹性片上或中的可拉伸电极。
7.如权利要求6所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中每个可拉伸电极是蛇形电极。
8.如权利要求6至7所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中所述可拉伸电极是铜电极。
9.如前述权利要求中任一项所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中所述弹性片中的至少一个包括粘合层，以允许附接至物体。
10.如前述权利要求中任一项所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中多个所述支柱在区域内基本均匀地间隔开。
11.如权利要求10所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中所述区域是正方形。
12.如权利要求11所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中所述正方形为4mm×4mm。
13.如前述权利要求中任一项所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中多个所述支柱中的每个支柱的尺寸基本相似。
14.如前述权利要求中任一项所述的可拉伸的双向电容压力传感器，其中所述弹性片包括层压结构。
15.一种收集流过物体上的流体的相关数据的方法，包括以下步骤：
将至少一个可拉伸的二维电容压力传感器附接至物体的一个区域；
使物体经受流体流动；和，
根据可拉伸的二维压力传感器，记录指示物体区域上的压力的数据。
16.如权利要求15所述的分析物体上流体流动的方法，其中所述可拉伸的二维电容压力传感器是可拉伸的二维双向电容压力传感器。
17.如权利要求15所述的分析物体上流体流动的方法，其中所述可拉伸的二维电容压力传感器是根据权利要求1至14中任一项所述的可拉伸的二维双向电容压力传感器。
18.如权利要求15至17所述的分析流体流动的方法，还包括将所述物体放置于风洞或水箱内的步骤。
19.如权利要求15至18所述的分析流体流动的方法，其中至少一个所述可拉伸的二维电容压力传感器位于传感器阵列内。
CN202080025174.7A 2019-01-30 2020-01-30 一种可拉伸的双向电容压力传感器及其使用方法 Pending CN113939724A (zh)

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