CN114199419B - 一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性传感器相关技术领域，并公开了一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器及其制备方法。该柔性压力传感器包括上电极和下电极，其中：上电极和下电极相对设置，上电极与下电极相对的面上涂覆有介电层，下电极与上电极相对的面上设置有多个凸峰，下电极和上电极通过凸峰与介电层粘接；在上电极上与凸峰之间的间隙相对应的位置处设置有褶皱，该褶皱降低拉伸或弯曲时上电极和下电极之间的挤压趋势，从而降低拉伸或弯曲对上电极和下电极形成的电容的影响，排除拉伸或弯曲对柔性压力传感器干扰。本发明解决压力感知过程中三维空间内的拉伸或弯曲对测量结果的干扰问题，实现多次装拆不影响传感器的压力测量功能。

Description

一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

随着智慧医疗、人机交互、智能机器人感知等领域的研究和快速发展，传感器的需求越来越多样化，压力测量是上述领域所需数据来源的重要途径。柔性压力传感器相比传统压力传感器，有便于穿戴，具有一定的拉伸、弯曲能力，能和人体皮肤等生物组织或复杂机器人表面具有良好的共形能力和适应性等优点，其研究具有重要意义。

现阶段柔性压力传感器通常有电容、电阻、压电等形式，传感器本体通常由柔性导电材料和柔性基体等组成。但是，传感器对压力目标信息的测量往往会受到装拆时的初始拉伸、运动测量过程中的动态拉伸及弯曲等影响，目前的柔性压力传感器研究中通常只通过每次安装时重新标定、提升线性度等方法解决安装时初始拉伸带来的问题，且对于上其他因素的影响也有没有较好的解耦合方案。

专利CN110017937A等专利中的压力传感器中也设置有凸峰结构，但是上述专利中的凸峰结构仅仅是为了提高压力传感器在感知到压力时的灵敏度，其对于压力传感器在测量过程中受到拉伸或者弯曲时对测量带来的影响并没有办法减弱或者避免，因此，本发明提供一种压力传感器在测量过程中能结构拉伸和弯曲对测量过程的干扰。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器及其制备方法，解决压力传感器测量过程中拉伸或弯曲对测量过程的干扰。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器，该柔性压力传感器包括上电极和下电极，其中：

所述上电极和下电极相对设置，所述上电极与所述下电极相对的面上涂覆有介电层，所述下电极与所述上电极相对的面上设置有多个凸峰，所述下电极和上电极通过所述凸峰与介电层粘接；在所述上电极上与所述凸峰之间的间隙相对应的位置处设置有褶皱，该褶皱在所述柔性压力传感器受到拉伸或弯曲时被舒展，让上电极和下电极之间不会因受拉伸或弯曲时横截面减小而产生挤压，降低拉伸或弯曲对上电极和下电极形成的电容的影响，实现拉伸或弯曲干扰的屏蔽。

进一步优选地，所述凸峰的高度为0.1～1mm，凸峰之间的间距为0.1～1mm。

进一步优选地，所述凸峰呈阵列均匀分布在所述下电极上。

进一步优选地，所述褶皱的厚度为0.02mm～0.5mm。

进一步优选地，所述上电极和下电极的材料为单壁/多壁碳纳米管、金属纳米线、石墨烯、导电炭黑和离子凝胶中的一种或多种组合与Ecoflex、PDMS或PU所构成的复合材料，所述介电层的材料为Ecoflex、PDMS或PU。

进一步优选地，所述介电层的厚度为0.01mm～0.4mm。

进一步优选地，所述上电极和下电极上均设置有导线，用于将所述柔性压力传感器产生的电信号传递出去；导线焊接在铜箔上，通过提高导线与柔性电极的接触面积来增强电路连接的稳定性。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1采用模具制备表面设置有凸峰的下电极和上电极；

S2在所述上电极的表面涂覆介电层，固化介电层；

S3将所述下电极预拉伸并将预拉伸后的下电极的两端固定，在所述介电层涂覆粘接剂，将涂覆所述粘接剂的上电极贴附在所述下电极上，使得上电极和下电极一一对应，固化粘接剂，释放所述下电极上的拉伸应力，在所述上电极上形成褶皱，并获得所需的柔性压力传感器。

进一步优选地，所述粘接剂为柔性硅胶粘合剂或与介电层及基体相同的材料或快速固化的铂催化硅橡胶Ecoflex-0035等。

进一步优选地，所述预拉伸的应变大小为10％～120％。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中在上电极上设置褶皱，在下电极上设置凸峰，通过凸峰阵列-褶皱间隔排列的形式，逐步消除了拉伸对电容增大的影响因素，最终得到对在平面、曲面内拉伸或弯曲不敏感的柔性压力传感器的特性；

2.本发明中的压力传感器受压时，小型凸峰阵列的结构使得传感器在同等压力下会发生更大的形变，此处的形变体现在两个方面，一方面上下电极之间的间隙会明显减小，另一方面凸峰的顶面积会增大，两者都会使电容显著增大，因此凸峰结构的存在能提升传感器压力灵敏度；

3.本发明对凸峰的尺寸合理设计可以控制其灵敏度以及所能够测量的压力量程，根据实际对测量量程可以改变凸峰尺寸，进而优化传感器的压力感知灵敏度；

4.本发明通过先预拉伸下电极、再组装上电极、介电层与下电极，然后释放预拉伸的方式让上电极在下电极凸峰之间形成均匀的褶皱，褶皱的存在可以使得传感器受拉伸、弯曲时上极板被舒展，让上下极板之间不会因受拉时横截面减小而产生挤压，有效地降低了拉伸、弯曲作用对电容的影响。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的压力传感器的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的压力传感器的剖视图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的压力传感器的爆炸图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的压力传感器的褶皱原理图，其中，(a)是褶皱拉伸前初始状态图，(b)拉伸后褶皱状态图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的压力传感器的实物图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的压力传感器的拉伸测试结果图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的压力传感器的在两种不同拉伸应变下的压力测试结果图；

图8是按照本发明的优选实施例所构建的压力传感器的用于鞋垫上足底压力测试示意图；

图9是按照本发明的优选实施例所构建的压力传感器的应用于足底压力测量的电容测量结果图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-下电极，2-介电层，3-上电极，4-导线，5-铜箔，6-凸峰。

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，以下结合附图及实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，电容型柔性压力传感器包括：下电极1、介电层2、上电极3、铜导线4、铜箔5，在本实施例中，下电极1由多壁碳纳米管(CNTs)和弹性基体组成，弹性基体为铂催化硅橡胶(Ecoflex00-30)，按照多壁碳纳米管质量分数3％～6％(优选5％)的比例配置而成，保证了良好的导电性、稳定性和柔性；下电极1上分布有均匀的圆柱形阵列6，介电层2由绝缘的铂催化硅橡胶(Ecoflex00-30)弹性层组成，上电极3由多壁碳纳米管和铂催化硅橡胶(Ecoflex00-30)弹性基体组成。

如图2所示为传感器在凸峰处的剖视图，下电极1、介电层2、上电极3按照以上顺序固定组装，下电极1的圆柱形凸峰6上表面与介电层2下表面粘合，介电层2的上表面与上电极3的下表面粘合。下电极1和上电极3上分别通过导电银浆粘贴铜箔5，铜箔5上焊接铜导线4引出，用于采集信号。

进一步的，基于预拉伸下电极的组装工艺，介电层2和上电极3在下电极1的凸峰阵列中形成均匀的褶皱阵列。

如图5所示，在本实施例中，下电极圆柱形凸峰的高度为1mm，直径为1mm；

在本实施例中，下电极圆柱形凸峰阵列的阵列方式为矩形阵列，中心距2mm；

在本实施例中，介电层和上电极厚度为100μm；

在本实施例中，多壁碳纳米管(CNTs)的长度为3～12μm，内径为3～5nm，外径为8～12nm；

在本实施例中，电极和介电层之间的组装通过铂催化硅橡胶(Ecoflex00-35)固化粘接或采用硅胶粘合剂粘接；

上述柔性电容型压力传感器的制备包括以下步骤：

1)制备下电极：

将铂催化硅橡胶组分A和组分B均匀混合，得到混合物C，将多壁碳纳米管加入混合物C中持续搅拌，将混合物刮涂于提前准备好的聚四氟乙烯模具上，室温固化4小时或80℃保温箱中固化30分钟。

在步骤1)中，在磁力搅拌机上均匀搅拌多组分混合物3分钟。

在步骤1)中，固化前的所有步骤在30分钟内完成，以保证刮涂效果。

2)制备上电极：

同步骤1)制备多壁碳纳米管与铂催化硅橡胶的混合物，刮涂于长条形的模具基底上，其他步骤同步骤1)；

3)在上极板上刮涂介电层：

在上极板固化后，先不进行脱模操作，配置液态铂催化硅橡胶，均匀刮涂于上极板之上，置于水平平台上室温固化4小时或80℃保温箱中固化30分钟；

4)组装上下电极：

将下极板脱模，预拉伸后粘贴两端固定于平面基底上，在上极板和介电层复合膜上介电层一侧均匀刮涂粘接剂，并将其与下极板正对组装，置于80℃保温箱中固化30分钟。

在步骤4)中，组装完成后释放下极板的约束，上极板和介电层的复合膜将在下极板凸峰之间形成褶皱。

5)引出导线：

将铜导线去除氧化膜，焊接在长2mm，宽2mm的铜箔之上，在上述步骤4)所得传感器下极板上一端平面区域涂导电银浆，将铜箔粘贴在下极板之上。相同方法在上极板上引出铜导线；

6)安装及应用布置：

传感器通过两端进行安装固定，安装区域上下电极之间填充硬度更大的铂催化硅橡胶(Ecoflex00-50)以降低此区域对压力测量的影响。传感器的一种应用为足底压力测量，将单个传感器或传感器阵列布置于鞋垫底面，引出导线固定集成于鞋垫，沿鞋内侧引出至测量模块。

其组装前结构如图3所示。上电极和介电层之间采用先刮涂并固化上电极然后在其上刮涂介电层并固化的方式自然组装，介电层和下电极之间接触的区域采用快速固化的硅胶粘合剂(Sil-Poxy)粘接组装。其中由于需要进行下电极预拉伸，上电极和介电层的初始长度等于下电极的初始长度加预拉伸长度。铜箔与上下电极之间先用导电银浆连接再采用硅胶粘合剂(Sil-Poxy)刮涂一层于表面加固的方式组装。为方便安装，传感器两端均留出5mm长的无凸峰平面区域，此区域下极板与介电层之间采用硬度相对更大的铂催化硅橡胶(Ecoflex00-50)进行填充，作为实验测量和使用过程中的安装段。

预拉伸下极板的组装工艺是产生褶皱、降低拉伸灵敏性，提升压力灵敏性的关键步骤之一，预拉伸量为50％～80％较为合适，实施例中优选60％预拉伸量，得到较为均匀的褶皱和较优的拉伸不灵敏效果。

如图4所示，传感器可以看做是很多个小平行板电容器并联组成。设传感器总电容为C＝n(C₀+C₁)，其中C₀为单个凸峰与上电极构成的平行板电容的电容值，C₁为下电极单个凸峰间隙与上电极相对部分构成的平行板电容的电容值，n为凸峰的数量。拉伸后电容相应变为C′＝n(C′₀+C′₁)。其中，根据平行板电容公式容易得出C₀和C₁，拉伸时，由于下极板厚度分布随凸峰呈阵列排布，拉伸形变主要发生在间隙处，而凸峰本身受拉伸的形变量不大，因此电容的增大主要发生在C₁，又由于C₁位置的上下电极间距较大，C₀远远大于C₁，因此，引入凸峰阵列结构，选取合适的材料参数后，通过将拉伸形变释放在对电容贡献不大的区域来实现传感器的拉伸不敏感特性。拉伸后的电容变化近似为ΔC＝C′-C＝n(C′₀-C₀)。

如图4所示，上电极/介电层整体在下电极的凸峰之间屈曲，形成褶皱。当不存在褶皱时，在水平面内拉伸传感器，上下极板之间会产生挤压。如果传感器贴于曲面上拉伸，上下极板之间会产生更严重的挤压。上述推导中有ΔC＝C′-C＝n(C′₀-C₀)，由于拉伸带来的挤压效果将导致传感器的C₀发生较大的变化，从而使得ΔC较大，效果不理想。褶皱结构的存在，使得在一定程度内拉伸时，上极板褶皱被逐渐拉平，但材料本身仍未产生拉伸形变，此时上下极板之间不存在挤压的效果，因此，引入褶皱后，可以认为，在一定的拉伸范围内，C′₀-C₀近似为0。

综上，通过凸峰阵列-褶皱间隔排列的形式，逐步消除了拉伸对电容增大的影响因素，最终得到对拉伸不灵敏的柔性压力传感器的特性。这种形式的传感器，在平面、曲面内发生拉伸时，都具有对拉伸不灵敏的效果。

为了说明本发明电容型柔性压力传感器的性能，采用弹簧拉压试验机对传感器进行不同程度的拉伸、挤压试验，通过LCR电桥实时记录电容的变化，通过拉压试验机上的力传感器记录压力的变化，通过拉压试验机上的位移传感器记录拉伸量的变化。结果如图6和图7所示，实施例在最大80％的拉伸应变下，其电容相对变化量仅3.7％，在传感器拉伸应变为0和50％两种情况下，传感器对压力F的响应基本一致，且实施例在高达160N的较大压力量程内均保持了较好的特性。综合两个实验结果证明本发明传感器通过凸峰阵列下极板、预拉伸组装引入褶皱等方式，实现了对拉伸的不灵敏以及对压力的高灵敏、宽量程测量。同理，弯曲变形可以等效成局部拉伸、压缩的综合结果，弯曲实验也验证了该设计实现了不同弯曲变形下的压力传感功能。

为了进一步说明本发明具有拉伸、弯曲不灵敏特性的压力传感器在实际应用中的作用，如图8所示，将实施例中的压力传感器安装于左足前掌位置鞋垫上进行足底压力测试。如图9所示，测试共进行了两轮实验，每轮实验分别包括传感器安装但未穿戴、被试者穿上安装了传感器鞋垫的鞋子但未受力、被试者静止直立、被试者踏步行走四个步骤，其中两轮实验的区别在于，第一轮实验传感器安装时初始拉伸5mm，第二轮实验传感器重新安装并使初始拉伸为10mm。结果表明：

1)传感器能灵敏地反映足底压力变化；

2)两次装拆之间初始拉伸量的不同对传感器的足底压力测量结果所产生的最大误差仅0.8pF(2％)，证明本发明拉伸、弯曲不灵敏型压力传感器实现了对传感器本体拉伸、弯曲作用和压力作用的隔离和解耦合，在误差允许的范围内实现了只需一次标定即可在任意装拆、50％范围内的任意拉伸干扰下准确反映压力大小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器，其特征在于，该柔性压力传感器包括上电极（3）和下电极（1），其中：

所述上电极（3）和下电极（1）相对设置，所述上电极与所述下电极相对的面上涂覆有介电层（2），所述下电极与所述上电极相对的面上设置有多个凸峰，所述下电极和上电极通过所述凸峰（6）与介电层粘接；在所述上电极上与所述凸峰之间的间隙相对应的位置处设置有褶皱，该褶皱在所述柔性压力传感器受到拉伸或弯曲时被舒展，让上电极和下电极之间不会因受拉伸或弯曲时厚度减小的趋势而产生挤压，降低拉伸或弯曲对上电极和下电极形成的电容的影响，实现拉伸或弯曲对柔性压力传感器干扰的屏蔽。

2.如权利要求1所述的一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器，其特征在于，所述凸峰（6）的高度为0.1mm~1mm，凸峰之间的间距为0.1mm~1mm。

3.如权利要求2所述的一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器，其特征在于，所述凸峰（6）呈阵列分布在所述下电极上。

4.如权利要求1或2所述的一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器，其特征在于，所述褶皱的厚度为0.02mm~0.5mm。

5.如权利要求1或2所述的一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器，其特征在于，所述上电极（3）和下电极（1）的材料为单壁/多壁碳纳米管、金属纳米线、石墨烯、导电炭黑和离子凝胶中的一种或多种与Ecoflex、PDMS或PU的混合，所述介电层的材料为Ecoflex、PDMS或PU。

6.如权利要求1或2所述的一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器，其特征在于，所述介电层（2）的厚度为0.01mm~0.4mm。

7.如权利要求1所述的一种屏蔽拉伸和弯曲干扰的柔性压力传感器，其特征在于，所述上电极（3）和下电极（1）上均设置有导线，用于将所述柔性压力传感器产生的电信号传递出去，所述导线与所述上电极或下电极之间通过铜箔和导电银浆连接，增大导线与上电极或下电极之间的接触面积，避免导线从电极上脱离。

8.一种权利要求1-7任一项所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1 采用模具制备表面设置有凸峰的下电极和上电极；

S2 在所述上电极的表面涂覆介电层，固化介电层；

S3 将所述下电极预拉伸并将预拉伸后的下电极的两端固定，在所述介电层涂覆粘接剂，将涂覆所述粘接剂的上电极贴附在所述下电极上，使得上电极和下电极平行相对，固化粘接剂，释放所述下电极上的拉伸应力，在所述上电极上形成褶皱，并获得所需的柔性压力传感器。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述粘接剂为柔性硅胶粘合剂或与介电层及基体相同的材料或快速固化的铂催化硅橡胶Ecoflex-0035。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述预拉伸的应变大小为10%~120%。

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