CN113959605A - 一种应力传感器及应力传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应力传感器及应力传感装置，应力传感器包括柔性传感层、第一电极、第二电极和导电层，所述柔性传感层由低电导率材料制成，所述导电层由高电导率材料制成；所述柔性传感层的一端与所述第一电极电连接，所述柔性传感层的另一端与所述第二电极电连接；所述导电层设置于所述柔性传感层一侧，在所述柔性传感层的另一侧受到压力，或者，在所述导电层远离所述柔性传感层的一侧受到压力时，所述柔性传感层与所述导电层接触。本发明所述的应力传感器通过设置形变程度随应力增加而增大的柔性传感层以及低电阻的导电层，在两者接触时，产生短接从而大幅度降低原阻值的大小，提高传感器的信噪比的同时，还能实现对微弱应力信号的大幅度响应。
Description
技术领域
本发明涉及传感器设备的技术领域，特别是涉及一种应力传感器及应力传感装置。
背景技术
应力传感器是传感器领域中较为常见的一种传感器，通常应力传感器的结构决定了其电学信号与应力大小之间的对应关系。目前应力传感器的特性响应曲线基本为线性设计，应力大小与电信号强弱之间成正比关系。这意味可能在针对小应力进行测量所获得的电信号较小，使得变送电路对于微弱信号的提取能力要求更高了。为了提高信噪比，有一部分传感器的结构设置了一个垫片结构，使得传感材料在未受应力时处于非导通状态，当受到应力作用时直接与电极接通，构成导通回路。这种应力传感器的对应电学信号则是表现为从电阻无限大到小电阻的转变，信号变化幅度较大。虽然这类传感器能够实现超大的电学变化量，但其结构难点在于垫片是具有一定的高度，从而引入了一个最小响应应力阈值，只有外界应力大于该阈值，传感器才有响应，使得无法针对非常微弱应力的高精度测量。并且，由于在无应力加载情况下，应力传感器处于非导通状态，初始电阻无穷大，无法评估传感器的噪声等级。
因此，为了实现微弱信号的提取，关键在于如何在提高传感器的信噪比的同时，还能实现对微弱应力信号的大幅度响应。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种应力传感器，其具有信噪比高，灵敏度高的特点。
第一方面，本发明提供了一种应力传感器，包括柔性传感层、第一电极、第二电极和导电层，所述柔性传感层由低电导率材料制成，所述导电层由高电导率材料制成；所述柔性传感层的一端与所述第一电极电连接，所述柔性传感层的另一端与所述第二电极电连接所述导电层设置于所述柔性传感层一侧，在所述柔性传感层的另一侧受到压力，或者，在所述导电层远离所述柔性传感层的一侧受到压力时，所述柔性传感层与所述导电层接触。
本发明所述的一种应力传感器，能够实现微弱的信号提取的同时提高传感器的信噪比。
进一步地，所述柔性传感层与所述导电层之间的接触点，随所述柔性传感层受到的压力的增大而增多。
进一步地，所述第一电极和所述第二电极之间减小的电阻，与所述柔性传感层和所述导电层之间的最大短接距离成正比，其中，所述短接距离为任意两个所述接触点之间的距离。
进一步地，所述导电层设置于所述柔性传感层的下方。
进一步地，所述第一电极和所述第二电极设置于所述柔性传感层的下方，所述第一电极和所述第二电极分别位于所述导电层的两端。
进一步地，所述导电层的数量为多个，多个所述导电层沿所述第一电极向所述第二电极的方向排布于所述柔性传感层下方。
进一步地，所述柔性传感层的电导率范围为10－8～103S/cm，所述柔性传感层与所述导电层之间的电阻相差至少两个量级。
进一步地，所述柔性传感层由以下至少一种材料制成：氧化钨、氧化锌、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、碳基材料复合布。
所述导电层由以下至少一种材料制成：铜、银、金、铂或合金。
第二方面，本发明还提供了本发明还提供一种应力传感装置：包括如本发明第一方面所述的应力传感器，多个所述应力传感器相互串联或并联。
本发明所述应力传感器通过设置柔性传感层和导电层，并使得导电层的电阻值远小于柔性传感层，使得柔性传感层在感受到压力产生形变，并与导电层接触时，与导电层之间产生短接从而大幅度降低应力传感器原电阻值的大小，从而提高传感器的信噪比。柔性传感层具有初始电阻值，能够通过该初始电阻值对噪声进行评估，从而有效区分微弱信号与噪声，最大限度地解决噪声误判为微弱压力变化的问题。并且，该柔性传感层的形变程度随外界应力的增大而增大，柔性传感层与导电层之间的接触点也随应力的增大而则增多，从而增大其短接路径，进一步降低应力传感器的电阻值，能够实现对微弱应力信号的大幅度响应。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明实施例中应力传感器的结构示意图；
图2本发明实施例中应力传感器受力前后的结构示意图；
图3为图2中应力传感器未受到外界应力时的电路图；
图4为图2中应力传感器受到外界应力时的电路图；
图5为本发明实施例中应力传感器受力过程中压力变化与短接路径变化关系的示意图；
图6为本发明实施例中基于短接技术的柔性传感层与导电层接触形成接触点的结构示意图；
图7为本发明实施例中应力传感装置的结构示意图；
图8为本发明实施例中应力传感器的实物结构示意图；
图9为本发明一个实施例应用于人体呼吸波检测中呼吸波与电阻的关系示意图。
附图标记：1、柔性传感层；2、导电层；3、第一电极；4、第二电极。
具体实施方式
现在参看后文中的附图，更完整地描述本发明，在图中，显示了本发明的实施例。然而，本发明可体现为多种不同的形式，并且不应理解为限于本文中所提出的特定实施例。确切地说，这些实施例用于将本发明的范围传达给本领域的技术人员。
除非另外限定，否则，本文中所使用的术语(包括技术性和科学性术语)应理解为具有与本发明所属的领域中的技术人员通常所理解的意义相同的意义。而且，要理解的是，本文中所使用的术语应理解为具有与本说明书和相关领域中的意义一致的意义，并且不应通过理想的或者过度正式的意义对其进行解释，除非本文中明确这样规定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
针对背景技术中提到的技术问题，本发明提供了一种应力传感器，如图1所示，其为本发明实施例中的应力传感器的结构示意图。本发明的应力传感器包括柔性传感层1、导电层2、第一电极3和第二电极4，柔性传感层1的一端与第一电极3连接，柔性传感层1的另一端与第二电极4连接，导电层2设置于柔性传感层1的一侧，在柔性传感层1的另一侧受到压力时，柔性传感层1产生形变，并与导电层2接触。在其他实施例中，导电层2远离所述柔性传感层1的一侧也可以受到应力从而与柔性传感层1接触。
其中，柔性传感层1由低电导率材料制成，如氧化钨、氧化锌、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、碳基材料复合布等至少一种低导电率的半导体材料制成，优选的，柔性传感层1的电导率范围为10－8～103S/cm。导电层2则由高电导率材料，例如可以是铜、银、金、铂或合金等至少一种材料制成。为了使得导电层2的电阻显著小于柔性传感层的电阻，在具体的例子中，导电层2的电导率至少高于柔性传感层1的电导率两个量级。另外，第一电极3和第二电极4可以是铜钨合金、黄铜和紫铜等材料制成。
优选的，在图1的例子中，导电层2设置于所述柔性传感层1的下方，当柔性传感层1的上方受到压力时，柔性传感层1产生形变，并从下方与导电层2发生接触，其中，根据受力的不同，柔性传感层1与导电层2之间的接触点，随柔性传感层1受到的压力的增大而增多。
如图1所示，为节省安装空间，第一电极3设置于柔性传感层1的下方，第二电极4也设置于柔性传感层1的下方。
在图1的例子中，柔性传感层1可以为方形，导电层2也可以为方形。在其他实施例中，柔性传感层1和导电层2还可以根据实际情况进行改变，设置为其他形状。
在一个具体的实施例中，如图2所示，其为本发明的应力传感器外接电源进行测量时，其受力与电流流向的示意图，在图2的STEP.1中，应力传感器的第一电极3外接电源的正极，第二电极4外接电源的负极，从而使得电源与第一电极3、柔性传感层1和第二电极2形成一供电回路。在STEP.1中，流经第一电极3、柔性传感层1和第二电极2的干路电流为I0，当柔性传感层的上方受力F0＝0，柔性传感层1与导电层2未发生接触。此时，STEP.1的等效电路如图3所示，柔性传感层按长度被分为三段区域，R1为长度为L1段的柔性传感层的电阻、R2为长度为L2段的柔性传感层的电阻、R3为长度为L3段的柔性传感层的电阻，R1、R2和R3串接进供电回路。
在图2的STEP.2中，柔性传感层1的上方受到大小为F1的力，其中，F1>F0，这时柔性传感层1产生形变，使得柔性传感层1的厚度从d0减少为d1，并与导电层2完全接触，由于导电层2的电阻远小于柔性传感层1，使得主要的电流都是流经导电层2，并在导电层2中形成极大的短路电流I2，其等效电路如图4所示。由于导电层2的电阻极小，相当于导线，此时相当于长度为L2段的柔性传感层1被导电层2所短路，大大减小回路中的电阻，并增大回路中的电流。在宏观上呈现出柔性传感层1在感受到压力产生形变，并与导电层2接触时，柔性传感层1与导电层2之间产生短接从而大幅度降低应力传感器原电阻值的大小，从而提高该应力传感器的信噪比。
在图2的例子中，仅展示了柔性传感层1和导电层2完全不接触和完全接触时的两种状态。在理想情况下，如图5所示，其为应力传感器受力过程中应力变化与短接路径变化关系的示意图。在图5的例子中，应力传感器由上方的中部收到垂直向下的力，应力传感器受到非常微弱的应力时，柔性传感层1受到应力而本身所受的形变忽略不计，只考虑柔性传感层1整体向下移动，恰好跟导电层2接触。具体的，柔性传感层1没有受到压力时，柔性传感层1与导电层2不接触；当柔性传感层1的中心位置受到其上方大于零的压力F1时，柔性传感层1受应力下移，与导电层2部分接触，形成长度为L1的短接路径；当柔性传感层1的中心位置受到其上方大于F1的应力F2时，柔性传感层1随应力的增大，与导电层2的接触面积增大，形成长度为L2的短接路径，其中，L2>L1。从图5中可以看出，当应力传感器的受力越大时，柔性传感层1与导电层2的短接路径越大，使得与柔性传感层1产生并联的导电层2的部分增多，从而应力传感器整体的电阻减小越多，使得应力传感器的电阻变化量大小与短接路径的大小成正比例关系，从而可以通过检测应力传感器电阻的大小变化，推导出应力传感器所受应力大小的变化。值得注意的是，虽然柔性传感层1和导电层2的接触面积随着压力的增大而增大，同时短接路径L在变长，但本发明所述的应力传感器的电阻并非与所述的接触面积存在联系。因为在电阻的表达式中
接触面积S是需要垂直于电流的方向，才能对电阻R产生影响，而图5中的接触面积是与电流的方向平行，对传感器的电阻变化无贡献。故本发明所提及的技术是通过改变长度L来实现应力传感器的电阻变化，这一点与通过改变接触面积来实现电阻变化的应力传感器在技术原理上完全不同。
在另一个具体的实施例中，由于实际上柔性传感层1的表面不是绝对平整的，所以柔性传感层1与导电层2之间由于受力大小的区别，有可能会产生多个接触点。如图6所示，其为柔性传感层1与导电层2接触所形成的多个接触点。柔性传感层1受到外界应力后产生形变，与导电层2接触，发生短接。具体的，柔性传感层1产生的形变随其受到应力的增大而增大，从而，当柔性传感层1受到应力时，其与导电层2的接触点会随着柔性传感层1受到的压力的增大而增多。第一电极3和第二电极4之间减小的电阻值，与柔性传感层1和导电层2之间的最大短接距离成正比，其中，任意两个接触点之间的距离称为短接距离，最大短接距离为两个距离最远的接触点之间的距离。
在一个优选地实施例中，如图7所示，将多个导电层2设置于柔性传感层1的下方。多个导电层2沿第一电极3朝向第二电极4的方向排布于柔性传感层1的下方。优选地，多个导电层2之间等间距排列。在其他实施例中，多个导电层2还可以通过其他方式排列于柔性传感层1的下方。
本发明还提供一种应力传感装置，包括多个上述应力传感器相互串联或并联。能够进一步地增大测试面积，提高信噪比和灵敏度。
本申请的应力传感器可应用于多种的应用场景，以测量不同的相互作用力，该相互作用力可以是机械相互作用力，例如，通过人体或物体施加的力或压力，应力传感器的尺寸可以根据不用的应用场景具体设置。如图8所示，在一个具体的实施例中，导电层2、第一电极3和第二电极4设置于柔性传感层1的一侧，在图8中，应力传感器的整体长度范围在40-50厘米，应力传感器的整体宽度范围在2-3厘米。在其他实施例中，应力传感器的大小与长度可以根据应用场景的不同进行设置。
将本申请实施例中应力传感器应用于在床、卧床以及呼吸检测中，得到如图9所示的呼吸波与电阻的关系示意图。其中，图9中所使用的应力传感器可以是由上述实施例中的一个应力传感器实现，也可以是由多个应力传感器串联或并联实现，其中，应力传感器可以是设置于床垫内。在图9中，当人体卧躺在设置有本申请实施例中的应力传感器的床上时，应力传感器能够感受到较大的压力，从而应力传感器的电阻值迅速降低；随人体平躺于卧床后，该应力传感器能够感受到人体卧躺呼吸波从而电阻值也随之波动；当人体吸气时，会增大对床垫的压力，从而应力传感器的电阻值会相对小幅度减小，当人体呼气时，会减小对床垫的压力，从而应力传感器的电阻值会相对小幅度增加。
而在人体侧躺时，由于对床垫感受到压力的受力面积减小，能够检测到比卧躺呼吸时更加明显的电阻变化，当人体翻身时，同样会引起较大的电阻波动变化；当人体离床时，对床垫施加的压力骤减，应力传感器也能迅速感受到其变化从而恢复到原电阻值。
本发明所述应力传感器通过设置柔性传感层和导电层，并使得导电层的电阻值远小于柔性传感层，使得柔性传感层在感受到压力产生形变，并与导电层接触时，与导电层之间产生短接从而大幅度降低应力传感器原电阻值的大小，从而提高传感器的信噪比。柔性传感层具有初始电阻值，能够通过该初始电阻值对噪声进行评估，从而有效区分微弱信号与噪声，最大限度地解决噪声误判为微弱压力变化的问题。并且，该柔性传感层的形变程度随外界应力的增大而增大，柔性传感层与导电层之间的接触点也随应力的增大而则增多，从而增大其短接路径，进一步降低应力传感器的电阻值，能够实现对微弱应力信号的大幅度响应。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种应力传感器，其特征在于：
包括柔性传感层、第一电极、第二电极和导电层，所述柔性传感层由低电导率材料制成，所述导电层由高电导率材料制成；
所述柔性传感层的一端与所述第一电极电连接，所述柔性传感层的另一端与所述第二电极电连接；
所述导电层设置于所述柔性传感层一侧，在所述柔性传感层的另一侧受到压力，或者，在所述导电层远离所述柔性传感层的一侧受到压力时，所述柔性传感层与所述导电层接触。
2.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于：
所述柔性传感层与所述导电层之间的接触点，随所述柔性传感层受到的压力的增大而增多。
3.根据权利要求2所述的应力传感器，其特征在于：
所述第一电极和所述第二电极之间减小的电阻，与所述柔性传感层和所述导电层之间的最大短接距离成正比，其中，所述短接距离为任意两个所述接触点之间的距离。
4.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于：
所述导电层设置于所述柔性传感层的下方。
5.根据权利要求4所述的应力传感器，其特征在于：
所述第一电极和所述第二电极设置于所述柔性传感层的下方，所述第一电极和所述第二电极分别位于所述导电层的两端。
6.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于：
所述导电层的数量为多个，多个所述导电层沿所述第一电极向所述第二电极的方向排布于所述柔性传感层下方。
7.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于：
所述柔性传感层的电导率范围为10－8～103S/cm，所述柔性传感层与所述导电层之间的电阻相差至少两个量级。
8.根据权利要求7所述的应力传感器，其特征在于：
所述柔性传感层由以下至少一种材料制成：
氧化钨、氧化锌、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、碳基材料复合布；
所述导电层由以下至少一种材料制成：
铜、银、金、铂或合金。
9.一种应力传感装置，其特征在于：
包括多个权利要求1-8所述的应力传感器，多个所述应力传感器相互串联或并联。
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