CN114323367B

CN114323367B - 一种柔性桥式开关传感器

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Publication number: CN114323367B
Application number: CN202111489652.2A
Authority: CN
Inventors: 黄汉雄; 苏逢春
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-08-22
Anticipated expiration: 2041-12-07
Also published as: CN114323367A

Abstract

一种柔性桥式开关传感器，包括柔性传感元件、电极、柔性限位片和柔性保护膜，柔性传感元件由下、上传感基片构成，电极包括单面、双面导电电极，柔性限位片包括下、上限位片，柔性保护膜包括下、上保护膜。单面导电电极的下表面(导电)和上表面(不导电)分别与下传感基片的上表面边缘和上传感基片的下表面边缘贴紧，双面导电电极的下表面和上表面分别与下传感基片的上表面和上传感基片的下表面边缘贴紧，下、上传感基片分别嵌入下、上限位片的限位孔中。本发明克服了压阻式压力传感器在较高频率压力监测方面的不足，表现出一定程度的弯曲不敏感性，实现了在不同压力下传感器都有较高的灵敏度和压力分辨率，属于柔性传感技术领域。

Description

一种柔性桥式开关传感器

技术领域

本发明涉及柔性传感技术，具体涉及一种柔性桥式开关传感器。

背景技术

随着科学技术的不断发展，柔性压力传感器在可穿戴设备、电子皮肤等方面有着广泛的应用。压力传感器实现了压力到电信号(如电阻、电容或电感)的有效转换，其传感机制一般包括压阻效应、电容效应、摩擦电效应等。在现有的柔性压力传感器中，压阻式压力传感器由于其出色的可靠性和较易读取的电阻变化信号，受到越来越多研究者的关注。

柔性压力传感器对频率力信号的监测能力受传感器响应时间的影响很大。现有的压力传感器通常用于响应静态压力或低频动态压力，但对较高频率动态压力的监测能力往往受限。压电和摩擦电传感装置也可以产生电压信号来对频率压力进行监测，但它们不能用来监测静态或缓慢变化的压力。此外，如果期望柔性压力传感器适用性广，还应考虑传感器的其他性能，例如，由于传感材料变形引起的传感器性能变化，传统柔性传感器难以准确测量被测物动态变形下的正向压力；再者，由于传感范围狭窄，传统传感器无法分辨相对高压状态下力的细微变化等。因此，提高柔性压力传感器对频率力的监测能力，有选择性地只感知压力，而对弯曲的影响并不敏感，实现不同预压力下信号的精确监测，成为新型柔性传感器追求的目标。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种减少弯曲应变对传感性能的影响且对较宽频率范围的动态压力有良好监测的柔性桥式开关传感器。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种柔性桥式开关传感器，包括柔性传感元件、电极、柔性限位片和柔性保护膜。柔性传感元件由下传感基片和上传感基片构成，电极包括单面导电电极和双面导电电极。柔性限位片包括下限位片和上限位片，柔性保护膜包括下保护膜和上保护膜。单面导电电极的下表面导电而上表面不导电，下表面和上表面分别与下传感基片的上表面边缘和上传感基片的下表面边缘贴紧，双面导电电极的下表面和上表面分别与下传感基片的上表面和上传感基片的下表面边缘贴紧。将贴紧电极的下传感基片和上传感基片分别嵌入下限位片和上限位片的限位孔中，然后下限位片和上限位片面对面叠放在一起；最后，将下保护膜贴紧在下传感基片和下限位片上，上保护膜贴紧在上传感基片和上限位片上。

作为一种优选，上传感基片的下表面和下传感基片的上表面有微结构或为平面，微结构特征的形状呈倒金字塔形、圆台形、波浪形、棱形或正金字塔形。

作为一种优选，上、下传感基片为表面导电的柔性高分子基片，其导电性是经过离子溅射后得到。离子溅射所用金属靶为Au靶或Pt靶，喷金厚度为

作为一种优选，柔性高分子基片采用注射压缩成型、模压成型、辊压成型、旋涂固化或紫外光固化工艺制备而成，柔性高分子材料为热塑性弹性体、硅橡胶或UV树脂，优选地，柔性高分子材料为聚氨酯弹性体(TPU)、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚氨酷丙烯酸酯(PUA)。

作为一种优选，电极的厚度为0.05～0.2mm，材料为铜箔、铝箔或导电胶。

作为一种优选，柔性限位片的材料为热塑性弹性体、硅橡胶或光敏树脂，优选地，柔性高分子材料为聚氨酯弹性体(TPU)、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚氨酷丙烯酸酯(PUA)。

作为一种优选，柔性保护膜的材料为柔性耐热耐腐蚀的薄膜，优选地，其材料为聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。

作为一种优选，电极的厚度使下传感基片与上传感基片之间形成间隙，从而构成了传感器的桥式结构，上传感基片需在压力作用下变形一定的挠度方可接触到下传感基片。电极厚度的增加使得上下传感基片相接触所需压力提高，这使得传感器具有一个可预设的压力阈值。

作为一种优选，上、下传感基片的接触过程是从局部导电斑点接触发展到两表面充分接触，与柔性材料形变相比，接触过程迅速，从而使传感器的信号响应时间大幅减少，动态压力响应更为迅速，对不同频率的动态压力呈现出可重复和稳定的信号响应，因此可用于对较宽频率范围动态压力的监测。传感器在受到弯曲应力后，桥式结构使上、下传感基片之间不接触，传感器的电阻相差较小，表现出一定程度的弯曲不敏感性。由于压力阈值的存在，传感器对最低检测极限处的力致信号具有放大的作用。较宽频率指的是0～50Hz。

作为一种优选，相对于高压区，传感器在低压区有较高的灵敏度，间隙的改变对其低压区的灵敏度影响不大，这使得传感器可以通过调整间隙值将低压区进行“平移”来调整压力监测范围，从而实现在不同压力下传感器都有较高的灵敏度和压力分辨率。

本发明的原理如下所述。传感器的桥式结构赋予传感器“开”和“关”两种状态。当没有压力作用于传感器表面时，传感器处在“关”的状态。此时下传感基片的表面电阻接入电路中，传感器的电阻值为下传感基片的表面电阻值。当传感器受到一定强度的压力后，上传感基片发生弯曲变形。当所施加的压力超过传感器压力阈值后，传感器处在“开”的状态。上传感基片下表面的一部分区域与下传感基片上表面产生接触，形成新的导电通路；随着压力的进一步提高，上下传感基片的接触区域扩大，如果下传感基片上表面存在微结构，微结构发生变形，可增加接触面积，从而减小接触电阻，最终使传感器实现了将压力的变化转换为电阻的变化。

本发明相对于现有技术具有如下优点。

(1)本发明中传感器通过特殊的桥式结构设计，克服了压阻式压力传感器在较高频率压力监测方面的不足，表现出一定程度的弯曲不敏感性，实现了在不同压力下传感器都有较高的灵敏度和压力分辨率。

(2)本发明中柔性传感基片的制备工艺简单、易操作，所采用的设备为工业生产中较为普遍的连续型加工设备(如注塑机)，因此，可实现连续、批量制备，易于在工业中推广，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明柔性桥式开关传感器的封装结构示意图。

图2为本发明上表面具有50μm倒金字塔微结构传感基片的扫描电镜照片，对应实施例一。

图3a和3b为本发明柔性桥式开关传感器的传感原理图。

图4为本发明柔性桥式开关传感器的等效电路图。

图5a、5b和5c分别为本发明柔性桥式开关传感器对频率为10Hz、25Hz和50Hz的动态压力的监测曲线，插图为曲线的局部放大图，对应实施例一。

图6为本发明柔性桥式开关传感器贴附于平面物体和不同半径的圆柱体上所测得的电阻，对应实施例一。

图7为本发明柔性桥式开关传感器的灵敏度曲线，插图为压力阈值附近的灵敏度曲线的放大图，对应实施例一。

图8为本发明三种不同间隙柔性桥式传感器的灵敏度曲线，对应实施例二。

图9为本发明柔性桥式开关传感器的灵敏度曲线，对应实施例三。

图10为对本发明柔性桥式开关传感器施加0.5N静态压力时的电阻变化曲线，对应实施例四。

上述各图中符号说明如下：1.1—下传感基片；1.2—上传感基片；2.1—单面导电电极；2.2—双面导电电极；3.1—下限位片；3.2—上限位片；4.1—下保护膜；4.2—上保护膜；5—间隙。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

图1示出了柔性桥式开关传感器的封装结构。所述传感器包括柔性传感元件、电极、柔性限位片和柔性保护膜。柔性传感元件由下传感基片1.1和上传感基片1.2构成，电极包括单面导电电极2.1和双面导电电极2.2，柔性限位片包括下限位片3.1和上限位片3.2，柔性保护膜包括下保护膜4.1和上保护膜4.2。单面导电电极2.1的下表面(导电)和上表面(不导电)分别与下传感基片1.1和上传感基片1.2的左侧边缘贴紧，双面导电电极2.2的下表面和上表面分别与下传感基片1.1和上传感基片1.2的右侧边缘贴紧；将贴紧有电极的下传感基片1.1和上传感基片1.2分别嵌入下限位片3.1和上限位片3.2的限位孔中，然后面对面叠放在一起，柔性限位片为传感元件和电极分别提供限位和支撑的作用；最后，将下保护膜4.1贴紧在下传感基片1.1和下限位片3.1上，上保护膜4.2贴紧在上传感基片1.2和上限位片3.2上。这样，就封装好了柔性桥式开关传感器。

下传感基片1.1的上表面具有倒金字塔微结构(如图2所示)，其深度为50μm、锥面夹角为60°；上传感基片1.2的下表面为平面。两片传感基片的材料均为聚氨酯弹性体(TPU)，尺寸为10mm×10mm×0.5mm，是采用注塑压缩成型技术制备并经离子溅射后得到，离子溅射所用金属靶为Au靶，喷金厚度为

单面导电电极2.1和双面导电电极2.2的材料均为铜箔，厚度均为0.05mm。

柔性限位片为矩形环状，材料为TPU，尺寸为20mm×20mm×0.5mm，内矩形孔尺寸为10mm×10mm。

柔性保护膜的材料为聚酰亚胺(PI)，下保护膜4.1的尺寸为30mm×30mm×0.1mm，上保护膜4.2的尺寸为20mm×20mm×0.1mm。

图3a和图3b示出了柔性桥式开关传感器的传感原理，图4示出了其等效电路。参阅图3a，图中箭头指示了电流流动的方向，“×”形符号表示此处不导电。电极的厚度使下传感基片1.1与上传感基片1.2之间形成间隙5，从而构成了传感器的桥式结构。传感器的桥式结构类似于在电路中设计了一个单刀双掷开关(参阅图4)，赋予传感器“开”和“关”两种状态。当没有压力作用于传感器表面时，传感器处在“关”的状态，此状态可等效为图4中开关拨至触点“关”时的电路。此时下传感基片1.1的表面电阻R_下接入电路中，上传感基片1.2的表面电阻R_上短路，两者的接触电阻R_接触断路。参阅图3b，当传感器受到一定强度的压力后，上传感基片1.2发生弯曲变形。由于间隙5的存在，上传感基片1.2需变形一定的挠度方可接触到下传感基片1.1，这使得传感器具有一定的压力阈值。当所施加的压力超过传感器压力阈值后，传感器处在“开”的状态，此状态可等效为图4中开关拨至触点“开”时的电路。上传感基片1.2下表面的一部分区域与下传感基片1.1上表面产生接触，形成新的导电通路，即R_接触和R_上接入电路中，两者和部分R_下串联；随着压力的进一步提高，上下传感基片的接触区域扩大，同时下传感基片1.1上表面的微结构发生变形，从而增加接触面积，减小R_接触，最终使传感器实现了将压力的变化转换为电阻的变化。

图5a、5b和5c分别示出了本实施例柔性桥式开关传感器对频率为10Hz、25Hz和50Hz的动态压力监测曲线。可见，柔性桥式开关传感器对不同频率的动态压力都呈现出可重复和稳定的电阻响应，以及较短的信号响应时间和弛豫时间(如图5a、5b和5c的插图所示)，因此可用于对较宽频率范围动态压力的监测。

将柔性桥式开关传感器依次贴附于平面物体以及半径为12.5mm、10mm、7.5mm和6mm的圆柱体上，然后以相反的顺序贴附传感器，测量各状态下传感器的电阻，结果如图6所示，图中箭头表示测量顺序。可见，各弯曲状态下传感器的电阻与平面状态时相比虽然有所增加，但与压力所导致的电阻变化量(如图5a、图5b和图5c所示)相比增加量较小，因此柔性桥式开关传感器表现出一定程度的弯曲不敏感性；在上述两种贴附顺序的测试过程中，相同弯曲半径下传感器的电阻相差较小，显示出柔性桥式开关传感器在弯曲状态下电阻信号的稳定性。

图7示出了本实施例柔性桥式开关传感器的灵敏度曲线。图中S₁和S₂分别指传感器在低压区和高压区的灵敏度，ΔR/R₀为相对电阻变化量。传感器由“关”状态转换为“开”状态的最低检测极限为1kPa，此时传感器的电阻降低了46％(如图7插所示)，这说明传感器对最低检测极限处的力致信号具有放大的作用；同时，传感器在低压区(1～10kPa)呈现较高的灵敏度(S₁＝0.06kPa^-1)，在较宽的高压区(10～250kPa)也有一定的响应(S₂＝0.0005kPa^-1)，表明其监测范围较宽。

实施例二

本实施例柔性桥式开关传感器下传感基片1.1的上表面倒金字塔微结构的深度为50μm、锥面夹角为60°。单面导电电极2.1和双面导电电极2.2的厚度分别为0.1mm、0.15mm和0.2mm，与传感元件共同构成三种不同间隙5的柔性桥式传感器。未提及部分同实施例一。

图8示出了本实施例三种柔性桥式传感器的灵敏度曲线。可见，传感器在低压区有较高的灵敏度，间隙的调整只改变了传感器的压力阈值，对其在低压区的灵敏度影响不大，这使得传感器可以通过调整间隙值将低压区进行“平移”来调整压力监测范围，从而实现在不同压力下传感器都有较高的灵敏度和压力分辨率。

实施例三

本实施例柔性桥式开关传感器下传感基片1.1的上表面倒金字塔微结构的深度为15μm、锥面夹角为60°。未提及部分同实施例一。

图9示出了本实施例柔性桥式开关传感器的灵敏度曲线。图中S₁、S₂和S₃分别指传感器在低压区、中压区和高压区的灵敏度。可见，传感器对压力在160kPa内的压力有信号变化，监测范围较宽。传感器在低压区(1～10kPa)呈现较高的灵敏度(S₁＝0.02275kPa^-1)，在中压区(10～60kPa)和高压区(60～150kPa)也有一定的响应(分别为：S₂＝0.00176kPa^-1，S₃＝0.00048kPa^-1)，表明其监测范围较宽。其它性能类似于实施例一，这里不再赘述。

实施例四

本实施例柔性桥式开关传感器的传感元件由表面均具有倒金字塔微结构的下传感基片1.1和上传感基片1.2构成，倒金字塔微结构的深度为50μm、锥面夹角为60°。未提及部分同实施例一。

图10示出了对本实施例柔性桥式开关传感器施加0.5N静态压力时的电阻变化曲线。可见，柔性桥式开关传感器在静态压力下呈现出较为稳定的电阻响应，响应时间和弛豫时间较短，分别为8ms和10ms。

除了上述实施例提及的方式外，柔性传感基片采用模压成型、辊压成型、旋涂固化或紫外光固化工艺制备并经离子溅射后得到；微结构特征的形状呈圆台形、波浪形、棱形或正金字塔形。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种柔性桥式开关传感器，其特征在于：包括柔性传感元件、电极、柔性限位片和柔性保护膜；柔性传感元件由下传感基片和上传感基片构成，电极包括单面导电电极和双面导电电极；柔性限位片包括下限位片和上限位片，柔性保护膜包括下保护膜和上保护膜；单面导电电极的下表面导电而上表面不导电，下表面和上表面分别与下传感基片的上表面边缘和上传感基片的下表面边缘贴紧，双面导电电极的下表面和上表面分别与下传感基片的上表面和上传感基片的下表面边缘贴紧；将贴紧电极的下传感基片和上传感基片分别嵌入下限位片和上限位片的限位孔中，然后下限位片和上限位片面对面叠放在一起；最后，将下保护膜贴紧在下传感基片和下限位片上，上保护膜贴紧在上传感基片和上限位片上；

电极的厚度使下传感基片与上传感基片之间形成间隙，从而构成了传感器的桥式结构，上传感基片需在压力作用下变形一定的挠度方可接触到下传感基片；电极厚度的增加使得上、下传感基片相接触所需压力提高，这使得传感器具有一个可预设的压力阈值。

2.按照权利要求1所述的一种柔性桥式开关传感器，其特征在于：上传感基片的下表面和下传感基片的上表面有微结构或为平面，微结构特征的形状呈倒金字塔形、圆台形、波浪形、棱形或正金字塔形。

3.按照权利要求1所述的一种柔性桥式开关传感器，其特征在于：上、下传感基片为表面导电的柔性高分子基片，其导电性是经过离子溅射后得到；离子溅射所用金属靶为Au靶或Pt靶，喷金厚度为

4.按照权利要求3所述的一种柔性桥式开关传感器，其特征在于：柔性高分子基片采用注射压缩成型、模压成型、辊压成型、旋涂固化或紫外光固化工艺制备而成，柔性高分子材料为热塑性弹性体、硅橡胶或光敏树脂。

5.按照权利要求1所述的一种柔性桥式开关传感器，其特征在于：电极的厚度为0.05～0.2mm，材料为铜箔、铝箔或导电胶。

6.按照权利要求1所述的一种柔性桥式开关传感器，其特征在于：柔性限位片的材料为热塑性弹性体、硅橡胶或UV树脂。

7.按照权利要求1所述的一种柔性桥式开关传感器，其特征在于：柔性保护膜的材料为柔性耐热耐腐蚀的薄膜。

8.按照权利要求1所述的一种柔性桥式开关传感器，其特征在于：上、下传感基片的接触过程是从局部导电斑点接触发展到两表面充分接触，接触过程迅速，从而使传感器的信号响应时间大幅减少，动态压力响应更为迅速，对不同频率的动态压力呈现出可重复和稳定的信号响应，因此可用于对较宽频率范围动态压力的监测；传感器在受到弯曲应力后，桥式结构使上、下传感基片之间不接触，传感器的电阻相差较小，表现出一定程度的弯曲不敏感性；由于压力阈值的存在，传感器对最低检测极限处的力致信号具有放大的作用；较宽频率指的是0～50Hz。

9.按照权利要求1所述的一种柔性桥式开关传感器，其特征在于：相对于高压区，传感器在低压区有较高的灵敏度，调整间隙可改变传感器的压力阈值，对其在低压区的灵敏度影响不大，这使得传感器可以通过调整间隙值将低压区进行平移来调整压力监测范围，从而实现在不同压力下传感器都有较高的灵敏度和压力分辨率。