CN114397057B - 一种水下接触压及水深监测一体化传感器 - Google Patents

一种水下接触压及水深监测一体化传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及压力传感，且公开了一种水下接触压及水深监测一体化传感器，包括双面胶，所述双面胶的底端固定连接有叉指电极，所述叉指电极的顶端固定连接有离子材料，所述叉指电极由一个柔性电路板制备，所述叉指电极的底端固定连接有柔性基材，所述双面胶位于叉指电极与离子材料的中间，所述叉指电极通过常规的印刷导电材料或激光刻蚀方法进行制备，制备的柔性电路板可以为单面、双面或多层电路。本发明通过将水和一种离子材料同时作为压力感知结构，基于离电式传感机制，设计包含有接触压信息采集和水压信息采集双模块的一体化传感结构，经双通道采集方式，可以同时监测接触压信号和水压信号变化，从而准确反馈水下压力综合信息。

Description

一种水下接触压及水深监测一体化传感器
技术领域
本发明涉及压力传感领域，更具体地涉及一种水下接触压及水深监测一体化传感器。
背景技术
水下压力信息的感知对于海洋探测、水下活动等领域有重要价值，柔性压力传感器能够模拟人类皮肤的压力感知功能，具备高灵敏度、高柔性及轻薄的特点，同时由于其柔软的特性，具备良好的贴敷效果。
水下压力信息感知在生命体运动等方面也有突出作用，通过可穿戴设备监测生命体征产生的压力信息变化，对于潜水员健康监测有重要意义，了解潜水员所处深度位置对于潜水安全具有重要指导意义，水生动物的生物力学分析，可以为生命科学研究和生物工程领域具有重要的价值，对于海洋生物的生存环境变化监控也有潜在价值，而同时测定这些因素技术上很难实施。
水下环境对压力测量存在诸多挑战：对于接触压信息来说，流体静压难以忽略，传感器输出信号会受到水压的影响，现有研究通过设计上下对称的硅橡胶结构以及内部填充液体来抵消静压影响，从而直接测量接触力，这种水压平衡的方案显然无法满足水下电子皮肤的需求，会带来体积上的负担，同时，对于高水压下的小信号输出存在困难，现有的水下压力传感器主要用于监测弯曲、扭动等较大幅度的运动信号，对于微弱生命信号采集难以实现。因为传感器压力分辨与噪音和灵敏度相关，外界高水压会使得传感器灵敏度降低，分辨率也会随之降低，此外，考虑到水深变化，现有水下压力传感器难以分辨水压和接触压信息，水压信息往往也是通过引入参比校正得到经验曲线来判断此刻传感器处于的深度情况，对于水深信息和接触压信息同时采集存在困难。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种水下接触压及水深监测一体化传感器，本发明所要解决的技术问题是：水深信息和接触压信息同时采集困难的问题。
一种水下接触压及水深监测一体化传感器，包括双面胶，所述双面胶的底端固定连接有叉指电极，所述叉指电极的顶端固定连接有离子材料，所述叉指电极由一个柔性电路板制备，所述叉指电极的底端固定连接有柔性基材，所述双面胶位于叉指电极与离子材料的中间。
在一个优选的实施方案中，所述叉指电极通过常规的印刷导电材料或激光刻蚀方法进行制备，制备的柔性电路板可以为单面、双面或多层电路，所述柔性基材可以使用聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷等，电极材料可采用铜、银、以及金、铂，等惰性金属。
在一个优选的实施方案中，所述叉指电极厚度为：1-1000微米，进一步为10-500微米，叉指条电极的线宽为：0.1-1000微米，进一步为10-300微米，叉指条电极的相邻两条电极之间间距为：0.1-1000微米，进一步为10-300微米。
在一个优选的实施方案中，所述离子材料具备一定粗糙结构，且所述离子材料具备交联网络结构和离子通路，所述离子材料组成为光固化的离子凝胶材料或热固化硅橡胶材料。
在一个优选的实施方案中，所述离子材料的网络内掺杂具有可聚合官能团结构的离子液体，所述离子材料离子液体的溶剂为乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、二甲基亚砜、丁二酸二甲酯、戊二酸三丁酯，所述离子材料内光引发剂包括苯偶酰类、苯乙酮类，所述离子液体包括乙烯基咪唑类磷酸盐、乙烯基咪唑类磺酰亚胺盐、烯丙基咪唑类磺酰亚胺盐、烯丙基咪唑类磷酸盐、乙烯基咪唑类硼酸盐。
在一个优选的实施方案中，所述离子材料中网络主体材料与离子液体含量配比为：离子液体主体材料为1份-1000份；网络主体材料溶剂为：0.1份-10份，网络主体材料引发剂为：0份-1份。
在一个优选的实施方案中，所述粗糙结构通过模板法制备得到，其中模板通过传统光刻工艺获得的规则金字塔形、半球形、柱形阵列，以及其他具有不规则粗糙表面结构的物体。
在一个优选的实施方案中，所述双面胶的材料选择为丙烯酸胶、聚氨酯胶，所述双面胶的厚度范围在10-200微米，所述双面胶在水压监测模块区域形成封闭结构，当外界水压改变时，由于水压监测模块属于封闭结构，受压力影响会发生离子材料变形，接触叉指电极结构，产生界面电容。
在一个优选的实施方案中，所述双面胶在接触压监测模块区域形成开放结构，留有液体通道，当浸入水中时，周围的液体就会填充电极与离子材料的间隙，液体环境为带有离子的液体，带有离子的液体为：氯化钠溶液，带有离子的液体还可为：氯化钾溶液、氯化钙溶液、硫酸镁溶液溶液以及上述几种的混合体系，以及自然界常见的海水体系、淡水体系、湖泊体系等。
在一个优选的实施方案中，该一体化传感器双通道结构可以连接到电感-电容-电阻检测系统检测压力变化时电容信号的变化；也可以通过将两个单点叉指电极连接同一激励信号引出，连接数据采集卡检测系统，压力改变对应的电容变化通过运放电路转化为输出电压的变化，分别采集某一通道信号或同时采集双通道信号。
本发明的技术效果和优点：
本发明通过将水和一种离子材料同时作为压力感知结构，基于离电式传感机制，设计包含有接触压信息采集和水压信息采集双模块的一体化传感结构，经双通道采集方式，可以同时监测接触压信号和水压信号变化，从而准确反馈水下压力综合信息；
附图说明
图1为本发明的传感器结构示意图。
图2为本发明传感器电极设计的几种示例
图3为本发明的水压与接触压模块工作原理示意图。
图4为本发明的水压与接触压模块压力响应曲线。
附图标记为：1、双面胶；2、叉指电极；3、柔性基材；4、离子材料；a、激励信号端；b、接触压信号；c、水压信号。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，另外，在以下的实施方式中记载的各结构的形态只不过是例示，本发明所涉及的水下接触压及水深监测一体化传感器并不限定于在以下的实施方式中记载的各结构，在本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。
实施例一：参照图1-4，本发明提供了一种水下接触压及水深监测一体化传感器，包括双面胶1，其特征在于：双面胶1的底端固定连接有叉指电极2，叉指电极2的顶端固定连接有离子材料4，叉指电极2由一个柔性电路板制备，叉指电极2的底端固定连接有柔性基材3，双面胶1位于叉指电极2与离子材料4的中间。
进一步的，叉指电极2通过常规的印刷导电材料或激光刻蚀方法进行制备，制备的柔性电路板可以为单面、双面或多层电路，柔性基材3可以使用聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯，电极材料可采用金、铂，以及铜、银等惰性金属。
进一步的，叉指电极2厚度为：1-1000微米，进一步为10-500微米，叉指条电极的线宽为：0.1-1000微米，进一步为10-300微米，叉指条电极的相邻两条电极之间间距为：0.1-1000微米，进一步为10-300微米。
进一步的，离子材料4具备一定粗糙结构，且离子材料4具备交联网络结构和离子通路，离子材料4组成为光固化的离子凝胶材料或热固化硅橡胶材料，网络主体结构包括丙烯酸酯类、聚醚丙烯酸酯类、环氧丙烯酸酯类、聚氨酯丙烯酸酯类、甲基乙烯基硅橡胶类，甲基苯基乙烯基硅橡胶类、氟硅橡胶类，腈硅橡胶类。
进一步的，离子材料4的网络内掺杂具有可聚合官能团结构的离子液体，包括但不限于乙烯基咪唑类磺酰亚胺盐、乙烯基咪唑类磷酸盐、乙烯基咪唑类硼酸盐、烯丙基咪唑类磺酰亚胺盐、烯丙基咪唑类磷酸盐、乙烯基咪唑类硼酸盐；离子材料4离子液体的溶剂为乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚，离子材料4离子液体的溶剂还可为：二甲基亚砜、丁二酸二甲酯、戊二酸三丁酯；离子材料4内光引发剂包括苯偶酰类、苯乙酮类，离子材料4内光引发剂还包括：α-羟基酮类、酰基膦氧化物类，离子液体为乙烯基咪唑类磷酸盐、乙烯基咪唑类磺酰亚胺盐、烯丙基咪唑类磺酰亚胺盐、烯丙基咪唑类磷酸盐、乙烯基咪唑类硼酸盐。
进一步的，离子材料4中网络主体材料与离子液体含量配比为：离子液体主体材料为1份-1000份；网络主体材料溶剂为：0.1份-10份，网络主体材料引发剂为：0份-1份，这里引入单位面积电容概念来表示材料的离子特性，本研究中所制备的离子材料其单位面积电容为水的0.0001-0.01。
进一步的，粗糙结构通过模板法制备得到，其中模板通过传统光刻工艺获得的规则金字塔形、半球形、柱形阵列，以及其他具有不规则粗糙表面结构的物体，离子材料前驱体在模板内固化，可以得到特定表面拓扑。
进一步的，双面胶1的材料选择为丙烯酸胶、聚氨酯胶，双面胶1的厚度范围在10-200微米，双面胶1在水压监测模块区域形成封闭结构，当外界水压改变时，由于水压监测模块属于封闭结构，受压力影响会发生离子材料变形，接触叉指电极结构，产生界面电容，水压增大，电容变大，其电容值与离子材料单位面积电容和接触面积呈正相关，从而方便进行检测。
进一步的，双面胶1在接触压监测模块区域形成开放结构，留有液体通道，当浸入水中时，周围的液体就会填充电极与离子材料的间隙，液体环境为带有离子的液体，带有离子的液体为：氯化钠溶液，在充液过程中，流体层与电极的界面处形成双电层结构，将整个传感器结构置于水下，当施加压力时，离子材料发生变形下压接触到电极表面，将接触处的液体排出，降低了水-电极界面电容，而增加了离子材料-电极界面电容，其电容值受到离子材料和水的单位面积电容共同影响，而对比两者单位面积电容，水远高于离子材料，最终表现为受压下电容值降低。
进一步的，该一体化传感器双通道结构通过将两个单点叉指电极连接同一激励信号引出，连接数据采集卡检测系统，压力改变对应的电容变化可以通过运放电路转化为输出电压的变化，分别采集某一通道信号或同时采集双通道信号，叉指电极的两端连接到电感-电容-电阻检测系统，可以通过电容-压力图推导某时刻受到的压力大小。
实施例二：
离子材料制备：光刻法制备具有半球结构的阵列，半球直径为50微米，点到点距离为100微米，将硅橡胶前驱液涂布在光刻板上，烘箱中80度加热2小时，取出后将固化好的硅橡胶A从光刻板上剥离，得到凹阵列结构，将聚氨酯丙烯酸酯预聚物溶解于戊二酸三丁酯溶剂中，添加离子液体1-乙烯基-3-丁基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐，加入光引发剂1173，其中聚氨酯、离子液体、溶剂、1173质量比为：1:0.02:2:0.05，搅拌均匀后灌入凹阵列结构中，UV光固化2min，膜揭下得到具有粗糙结构的离子凝胶材料。
电极制备：使用激光刻蚀工艺在PET镀金膜上制备出双通道叉指电极结构，其中叉指电极线宽与线间距均为200微米，电极整体尺寸为10mm*10mm，其中接触压模块电极尺寸为7mm*10mm，水压模块电极尺寸为2mm*10mm。
传感器制备：将双面胶通过激光切割得到特定结构，离子凝胶切割成10mm*10mm正方形，并将粗糙面朝向叉指电极，通过双面胶粘结在电极表面，将其放置于0.5％氯化钠溶液中，使液体充满接触压模块中电极与离子凝胶之间的空隙，同时水压模块为封闭结构，最终得到一体化水下传感器。
所制造出的传感器使用电感-电容-电阻检测系统，推导某时刻受到的压力大小结果更加准确，使用数据采集卡检测系统测量水下不同水压下以及不同接触力下双通道电容变化更加快速。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水下接触压及水深监测一体化传感器，包括双面胶(1)，其特征在于：所述双面胶(1)的底端固定连接有叉指电极(2)，所述叉指电极(2)的顶端固定连接有离子材料(4)，所述叉指电极(2)由一个柔性电路板制备，所述叉指电极(2)的底端固定连接有柔性基材(3)，所述双面胶(1)位于叉指电极(2)与离子材料(4)的中间；
所述离子材料(4)具备一定粗糙结构，且所述离子材料(4)具备交联网络结构和离子通路，所述离子材料(4)组成为离子凝胶材料或离子硅橡胶材料；
所述离子材料(4)的网络内掺杂具有可聚合官能团结构的离子液体，所述离子材料(4)离子液体的溶剂为乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、二甲基亚砜、丁二酸二甲酯、戊二酸三丁酯，所述离子材料(4)内引发剂包括偶氮类、苯偶酰类、苯乙酮类、α-羟基酮类、酰基膦氧化物类，所述离子液体为乙烯基咪唑类磷酸盐、乙烯基咪唑类磺酰亚胺盐、烯丙基咪唑类磺酰亚胺盐、烯丙基咪唑类磷酸盐、乙烯基咪唑类硼酸盐；
所述双面胶(1)在水压监测模块区域形成封闭结构，当外界水压改变时，所述离子材料(4)受压力影响发生变形，所述离子材料(4)接触叉指电极(2)，产生界面电容；
所述双面胶(1)在接触压监测模块区域形成开放结构，留有液体通道，当浸入水中时，周围的液体就会填充电极与离子材料的间隙，液体环境为带有离子的液体，包括NaCl溶液、KCl溶液、CaCl2溶液、MgSO4溶液以及其混合体系。
2.根据权利要求1所述的一种水下接触压及水深监测一体化传感器，其特征在于：所述叉指电极(2)通过常规的印刷导电材料或激光刻蚀方法进行制备，制备的柔性电路板为单面、双面或多层电路，所述柔性基材(3)使用聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷，电极材料采用铜、银、金或铂。
3.根据权利要求1所述的一种水下接触压及水深监测一体化传感器，其特征在于：所述叉指电极(2)厚度为：1-1000微米，叉指条电极的线宽为：0.1-1000微米，叉指条电极的相邻两条电极之间间距为：0.1-1000微米。
4.根据权利要求3所述的一种水下接触压及水深监测一体化传感器，其特征在于：所述叉指电极(2)厚度为：10-500微米，叉指条电极的线宽为：10-300微米，叉指条电极的相邻两条电极之间间距为：10-300微米。
5.根据权利要求1所述的一种水下接触压及水深监测一体化传感器，其特征在于：所述离子材料(4)中网络主体材料与离子液体含量配比为：离子液体主体材料为1份-1000份；网络主体材料溶剂为：0.1份-10份，网络主体材料引发剂为：0份-1份。
6.根据权利要求1所述的一种水下接触压及水深监测一体化传感器，其特征在于：所述粗糙结构通过模板法制备得到，其中模板通过传统光刻工艺获得的规则金字塔形、半球形、柱形阵列。
7.根据权利要求1所述的一种水下接触压及水深监测一体化传感器，其特征在于：所述双面胶(1)的材料为丙烯酸胶、聚氨酯胶，所述双面胶(1)的厚度范围为10-200微米。
8.根据权利要求1所述的一种水下接触压及水深监测一体化传感器，其特征在于：一体化传感器为双通道结构，一体化传感器连接到电感-电容-电阻检测系统或数据采集卡检测系统，压力改变对应的电容变化通过运放电路转化为输出电压的变化，分别采集某一通道信号或同时采集双通道信号。
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