CN114420493A - 压力和弯曲变形感应开关及压力检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力和弯曲变形感应开关，属于感应开关技术领域，包括非导电的柔性基体，柔性基体内设置有液态金属通道，液态金属通道内填充有液态金属；液态金属通道上设置有开合部，开合部两侧的液态金属分别能够与电子元件的正负极连接；柔性基体受到压力或者弯曲变形时，开合部能够关闭，开合部两侧的液态金属被隔断开，使压力和弯曲变形感应开关处于断开状态；柔性基体在撤去压力或者弯曲变形后，柔性基体的形状能够恢复，开合部打开，开合部两侧的液态金属连通，使压力和弯曲变形感应开关处于导通状态。本发明还公开一种包括上述压力和弯曲变形感应开关的压力检测装置。本发明既能实现压力感应又能实现弯曲变形感应。

Description

压力和弯曲变形感应开关及压力检测装置

技术领域

本发明涉及感应开关技术领域，特别是涉及一种压力和弯曲变形感应开关及压力检测装置。

背景技术

液态金属全称为室温液态金属，其特点是在常温下是液态的，不是固体形态的，对它进行降温，也可以实现固态金属样式。液态金属由于具有低熔点、高沸点、导电性及流动性等特点而受到广泛的关注，对液态金属的应用也受到了重视，而如何巧妙的利用液态金属仍然需要不断的探索。目前已有不少研究人员将液态金属用于开关或者感应装置。

开关与我们的生活息息相关，开关是用于接通或断开一个或几个电路电流的电器元件。各种新式开关层出不穷，开关的性能日益提高，安全性、可靠性也得到保证，虽然如此，随着科学技术的发展，系统电路对开关的性能和功能都提出了更高的要求，因此，与日新月异的新技术搭配的开关也不可或缺。感应开关是一种具有特殊功能的开关，目前也普遍应用于各个领域，虽然感应开关研究成果多到不胜枚举，但从实际应用来看，感应开关还有很大的发展空间。

如图1-图3所示，发明专利CN113871236A中公开了一种电子开关及柔性电子设备，其实施例之一：当在导电层施压，如图2所示，导电层1发生弯曲形变而透过隔离层的通孔9与电极层的第一导电区域4以及第二导电区域5接触，第一导电区域4与第二导电区域5之间形成电连接，从而使第一导电区域4、正极引线6、电子元件8、第二导电区域5以及负极引线7形成闭合的导电回路，实现一定的电子功能。当在导电层的压力解除时，导电层恢复为如左图所示形状，并且由于隔离层的存在而与电极层相互分离，电极层的第一导电区域与第二导电区域之间失去所述电连接，使导电回路断开。

发明专利CN113871236A中的另一实施例：如图3所示，电子元件8为发光元件；在导电层施压，当某导电单元发生弯曲形变而透过隔离层的通孔与相对应位置的电极单元的第一导电区域以及第二导电区域接触，使该电极单元的第一导电区域与第二导电区域之间形成电连接，构成闭合回路，发光元件发光；当其他导电单元未发生弯曲形变，或者，虽然发生弯曲形变但是该形变大小未能够使导电单元透过隔离层的通孔与对应位置的电极单元的第一导电区域以及第二导电区域接触而构成闭合回路，发光单元不发光。通过发光单元的发光与否可直观显示压力的分布情况。

利用该弹性电子开关阵列可以实现一定压力分布检测功能。例如，将该弹性电子开关阵列设置在智能家具，例如床、床垫、座位、轮椅、沙发、座椅等物品中，可用于监测人体对物品施加的压力的分布情况。

如图4-图6中，发明专利CN110033982B中公开了一种具有柔性结构的微型液态金属开关，并具体公开了通过外力按压使基体1、顶面密封薄膜6-1和底面密封薄膜6-2收缩，上储液池2-1和下储液池2-2中所储存的液态金属3向液态金属通流道4内流动形成液桥，从而完成电路连通，同时，侧面密封薄膜7因气体流入基体膨胀鼓起。当外力消除后，基体1、顶面密封薄膜6-1、底面密封薄膜6-2及侧面密封薄膜7依靠材料自身弹性同时自动回弹，液态金属通流道4中的液桥被拉伸、变细并在其自身表面张力的收缩作用下被截断，从而完成电路开断。与此同时，在侧面密封薄膜7回缩过程中，通过液态金属通流道4两侧的气流道5中的气体流通进一步促进液桥的截断与分离。

发明专利CN113871236A以及发明专利CN110033982B中虽然都能实现压力感应，但是不能实现弯曲变形感应。

因此，提供一种压力和弯曲变形感应开关及压力检测装置，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力和弯曲变形感应开关及压力检测装置，以解决现有技术中所存在的上述问题，能实现压力感应又能实现弯曲变形感应。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种压力和弯曲变形感应开关，包括非导电的柔性基体，所述柔性基体内设置有液态金属通道，所述液态金属通道内填充有液态金属；所述液态金属通道上设置有开合部，所述开合部两侧的所述液态金属分别能够与电子元件的正负极连接；

所述柔性基体受到压力或者弯曲变形时，所述开合部能够关闭，所述开合部两侧的所述液态金属被隔断开，使所述压力和弯曲变形感应开关处于断开状态；

所述柔性基体在撤去压力或者弯曲变形后，所述柔性基体的形状能够恢复，所述开合部打开，所述开合部两侧的所述液态金属连通，使所述压力和弯曲变形感应开关处于导通状态。

优选的，所述柔性基体内设置有多个空心结构，所述空心结构避开所述液态金属通道设置。

优选的，多个所述空心结构均匀分布在所述柔性基体内。

优选的，所述空心结构采用空心圆柱。

优选的，所述开合部包括通道凸台和通道凹槽，所述通道凸台和所述通道凹槽分别设置于所述液态金属通道的通道下壁和通道上壁上；所述压力和弯曲变形感应开关处于断开状态时，所述通道凸台嵌入所述通道凹槽内并与所述通道凹槽紧密配合；所述压力和弯曲变形感应开关处于导通状态时，所述通道凸台和所述通道凹槽分离。

优选的，所述开合部设置于所述液态金属通道长度方向上的中部。

优选的，所述柔性基体的材料采用热塑性弹性体、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚二甲基硅氧烷、脂肪族芳香族无规共聚酯、高分子聚合树脂、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体以及乳胶中的一种或者几种。

优选的，所述液态金属采用汞、镓铟合金和/或镓铟锡合金。

本发明还提供一种压力检测装置，包括多个上述的压力和弯曲变形感应开关。

优选的，多个所述压力和弯曲变形感应开关成阵列分布。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明柔性基体受到压力或者弯曲变形时，开合部能够关闭，开合部两侧的液态金属被隔断开，使压力和弯曲变形感应开关处于断开状态；柔性基体在撤去压力或者弯曲变形后，柔性基体的形状能够恢复，开合部打开，开合部两侧的液态金属连通，使压力和弯曲变形感应开关处于导通状态。本发明结构简单，且集压力感应和弯曲变形感应于一身，可实现压力感应和弯曲变形感应功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术电子开关及柔性电子设备中电子开关的结构示意图；

图2为图1中电子开关导通状态下的剖面示图；

图3为现有技术电子开关及柔性电子设备中一实施例的弹性阵列开关爆炸示图；

图4为现有技术具有柔性结构的微型液态金属开关的结构示意图；

图5为图4所示液态金属开关在闭合状态下的剖面示意图；

图6为图4所示液态金属开关在开断完成状态下的剖面示意图；

图7为本发明压力和弯曲变形感应开关的结构示意图；

图8为本发明压力和弯曲变形感应开关导通状态下的剖面示图；

图9为本发明压力和弯曲变形感应开关受压时断开状态下的剖面示图；

图10为本发明压力和弯曲变形感应开关第一弯曲状态下的剖面示图；

图11为本发明压力和弯曲变形感应开关第二弯曲状态下的剖面示图；

图12为本发明实施例四中感应开关阵列的结构示意图；

附图标记说明：

图1-图3中：1、导电层；2、隔离层；3、电极层；4、第一导电区域；5、第二导电区域；6、正极引线；7、负极引线；8、电子元件；9、通孔；11、电极单元；12、导电单元；

图4-图6中：1、基体；2-1、上储液池；2-2、下储液池；3、液态金属；4、液态金属通流道；5、气流道；6-1、顶面密封薄膜；6-2、底面密封薄膜；7、侧面密封薄膜；8、外接电极；

图7-图12中：100、柔性基体；101、感应开关内侧；102、感应开关外侧；200、液态金属通道；201、通道凸台；202、通道凹槽；203、通道上壁；204、通道下壁；300、空心圆柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种压力和弯曲变形感应开关及压力检测装置，以解决现有技术中所存在的上述问题，能实现压力感应又能实现弯曲变形感应。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图7-图11所示，本发明提供一种压力和弯曲变形感应开关，包括非导电的柔性基体100，柔性基体100内设置有液态金属通道200，液态金属通道200内填充有液态金属；液态金属通道200上设置有开合部，开合部两侧的液态金属分别能够与电子元件的正负极连接；

当柔性基体100受到压力或者弯曲变形时，开合部能够关闭，开合部两侧的液态金属被隔断开，使压力和弯曲变形感应开关处于断开状态；

柔性基体100在撤去压力或者弯曲变形后，柔性基体100的形状能够恢复，开合部打开，开合部两侧的液态金属连通，使压力和弯曲变形感应开关处于导通状态。

本实施例中，压力和弯曲变形感应开关整体采用全柔性结构，可用于柔性电子设备，并且可避免弯曲变形引起疲劳破坏

在本实施例中，柔性基体100内设置有多个空心结构，空心结构避开液态金属通道200设置，防止液态金属通道200内的液态金属流入空心结构内，造成感应开关失效。

在本实施例中，多个空心结构均匀分布在柔性基体100内，空心结构可以采用空心圆柱300或者空心长方体等，优选采用空心圆柱300；其中，空心圆柱300的大小和数量可以改变，通过改变空心圆柱300的大小和数量可以调整压力和弯曲变形感应开关的抗变形能力。

在本实施例中，柔性基体100采用在外力作用下可以发生形变、撤去外力后具有一定形变恢复能力的非导体材料，包括但不限于热塑性弹性体(TPE)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)、高分子聚合树脂、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体(POE)、乳胶中的一种或者几种；压力和弯曲变形感应开关通过选用适当的柔性基体材料，能够避免弯曲变形引起疲劳破坏。

在本实施例中，液态金属通道200内充满液态金属，液态金属是指在室温下为液态的导电材料，包括但不限于汞、镓铟合金、镓铟锡合金。

在本实施例中，开合部包括通道凸台201和通道凹槽202，通道凸台201和通道凹槽202分别设置于液态金属通道200的通道下壁204和通道上壁203上；压力和弯曲变形感应开关处于断开状态时，通道凸台201和通道凹槽202能够紧密配合；压力和弯曲变形感应开关处于导通状态时，通道凸台201和通道凹槽202分离。其中，开合部优选设置于液态金属通道200的中部。

或者，开合部还可以根据具体需要选择其它的开合结构，如卡扣结构等。

具体地，如图8所示，压力和弯曲变形感应开关在自然状态下处于导通状态，导体是液态金属通道200内的液态金属。压力和弯曲变形感应开关受到压力或者发生弯曲变形时，液态金属通道200内设置的通道凸台201可与通道凹槽202能够自动发生紧密配合；当通道凸台201与通道凹槽202紧密配合时，液态金属通道200内的液态金属将被完全隔断，此时压力和弯曲变形感应开关将处于断开状态。当压力或者弯曲变形撤除时，压力和弯曲变形感应开关的形状自动恢复到如图8所示的导通状态。

本实施例中，压力和弯曲变形感应开关采用压力感应时，工作过程如下：

使用时，将压力和弯曲变形感应开关贴到需要安装开关的位置，当压力和弯曲变形感应开关受到压力作用时，液态金属通道200发生变形(液态金属通道200被压扁)，使得通道凸台201与通道凹槽202自动紧密配合，如图9所示；液态金属通道200内的液态金属将被完全隔断，开关断开。其中，压力和弯曲变形感应开关对压力的敏感度可通过改变空心圆柱300的大小或数量进行调整，例如，对于大小固定的空心圆柱300，其数量越多，压力和弯曲变形感应开关越容易变形，对压力越敏感；此外，通过改变通道凸台201与通道凹槽202的间距也能调整压力和弯曲变形感应开关对压力的敏感度，通道凸台201与通道凹槽202的间距越小，压力和弯曲变形感应开关对压力越敏感。当压力撤除，压力和弯曲变形感应开关的形状自动恢复，通道凸台201与通道凹槽202自动分离，液态金属通道200内的液态金属汇聚，压力和弯曲变形感应开关导通。

本实施例中，压力和弯曲变形感应开关采用弯曲变形感应时，工作过程如下：

使用时，将压力和弯曲变形感应开关贴到需要安装开关的位置，当开关安装点发生弯曲变形，压力和弯曲变形感应开关也发生弯曲变形，此时液态金属通道200也发生了弯曲变形，但是通道上壁203与通道下壁204的曲率不同，使得通道凸台201与通道凹槽202自动紧密配合(如图10、图11所示)，液态金属通道200内的液态金属将被完全隔断，压力和弯曲变形感应开关断开。

如图10所示，当压力和弯曲变形感应开关处于第一弯曲状态时，即感应开关内侧101受压，感应开关外侧102受拉时，通道上壁203的曲率小，通道下壁204的曲率大，两者的曲率差使得通道凸台201与通道凹槽202自动紧密配合。如图11所示，当压力和弯曲变形感应开关处于第二弯曲状态时，即感应开关内侧101受拉，感应开关外侧102受压时，通道上壁203的曲率大，通道下壁204的曲率小，使得通道凸台201与通道凹槽202自动紧密配合。由上述现象可知，无论压力和弯曲变形感应开关朝内侧弯曲还是朝外侧弯曲，都可以使得压力和弯曲变形感应开关断开，因此可以实现弯曲变形感应的功能。

其中，压力和弯曲变形感应开关对弯曲的敏感度可通过改变空心圆柱300的大小或数量进行调整；例如，对于大小固定的空心圆柱300，其数量越多，通道凸台201与通道凹槽202越容易紧密接触，压力和弯曲变形感应开关对弯曲变形越敏感。此外，通过改变通道凸台201与通道凹槽202的间距也能调整压力和弯曲变形感应开关对弯曲的敏感度，通道凸台201与通道凹槽202的间距越小，压力和弯曲变形感应开关对弯曲变形越敏感。通过改变液态金属通道200到感应开关内侧101或者到感应开关外侧102的距离也可以调整压力和弯曲变形感应开关对弯曲的敏感度，液态金属通道200离感应开关内侧101越近，压力和弯曲变形感应开关对弯曲越敏感；同理，液态金属通道200离感应开关外侧102越近，压力和弯曲变形感应开关对弯曲越敏感。

当弯曲变形撤除，通道凸台201与通道凹槽202自动分离，液态金属通道200内的液态金属汇聚，压力和弯曲变形感应开关导通。

实施例二

本实施例是对实施例一的进一步解释说明，在本实施例中，利用压力和弯曲变形感应开关的压力感应功能，可以将压力和弯曲变形感应开关贴在机械手的手指内侧，作为压力感应开关用。机械手抓取物体时，压力和弯曲变形感应开关受到压力，当压力达到一定值时，压力和弯曲变形感应开关断开，这可作为机械手执行下一个动作的信号，也可防止被抓取的物体受到过大的压力。

实施例三

本实施例是对实施例一的进一步解释说明，在本实施例中，利用压力和弯曲变形感应开关的压力感应功能，可以将压力和弯曲变形感应开关贴在导轨的一端，作为限位开关。导轨上的滑块运动到一端并压紧压力和弯曲变形感应开关，压力和弯曲变形感应开关断开；基于这一原理，压力和弯曲变形感应开关可以作为限位开关。

实施例四

本实施例是对实施例一的进一步解释说明，如图12所示，在本实施例中提供一种压力检测装置，可以包括多个压力和弯曲变形感应开关，多个压力和弯曲变形感应开关成阵列分布，形成感应开关阵列，感应开关阵列可实现压力分布检测功能。例如，将该感应开关阵列安装在智能家具，例如床、床垫、座位、轮椅、沙发、座椅等物品中，可用于监测人体对物品施加的压力的分布情况。

综上所述，本发明结构简单，且集压力感应和弯曲变形感应于一身，可实现压力感应和弯曲变形感应功能，能够应用于限位装置、可穿戴装备、柔性电子设备、压力和弯曲变形感应装置等多个领域。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种压力和弯曲变形感应开关，其特征在于，包括非导电的柔性基体，所述柔性基体内设置有液态金属通道，所述液态金属通道内填充有液态金属；所述液态金属通道上设置有开合部，所述开合部两侧的所述液态金属分别能够与电子元件的正负极连接；

所述柔性基体受到压力或者弯曲变形时，所述开合部能够关闭，所述开合部两侧的所述液态金属被隔断开，使所述压力和弯曲变形感应开关处于断开状态；

所述柔性基体在撤去压力或者弯曲变形后，所述柔性基体的形状能够恢复，所述开合部打开，所述开合部两侧的所述液态金属连通，使所述压力和弯曲变形感应开关处于导通状态。

2.根据权利要求1所述的压力和弯曲变形感应开关，其特征在于，所述柔性基体内设置有多个空心结构，所述空心结构避开所述液态金属通道设置。

3.根据权利要求2所述的压力和弯曲变形感应开关，其特征在于，多个所述空心结构均匀分布在所述柔性基体内。

4.根据权利要求2或3所述的压力和弯曲变形感应开关，其特征在于，所述空心结构采用空心圆柱。

5.根据权利要求1所述的压力和弯曲变形感应开关，其特征在于，所述开合部包括通道凸台和通道凹槽，所述通道凸台和所述通道凹槽分别设置于所述液态金属通道的通道下壁和通道上壁上；所述压力和弯曲变形感应开关处于断开状态时，所述通道凸台嵌入所述通道凹槽内并与所述通道凹槽紧密配合；所述压力和弯曲变形感应开关处于导通状态时，所述通道凸台和所述通道凹槽分离。

6.根据权利要求1或5所述的压力和弯曲变形感应开关，其特征在于，所述开合部设置于所述液态金属通道长度方向上的中部。

7.根据权利要求1所述的压力和弯曲变形感应开关，其特征在于，所述柔性基体的材料采用热塑性弹性体、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚二甲基硅氧烷、脂肪族芳香族无规共聚酯、高分子聚合树脂、硅胶、橡胶、水凝胶、聚氨酯、聚乙烯辛烯共弹性体以及乳胶中的一种或者几种。

8.根据权利要求1所述的压力和弯曲变形感应开关，其特征在于，所述液态金属采用汞、镓铟合金和/或镓铟锡合金。

9.一种压力检测装置，其特征在于，包括多个如权利要求1-8任一项所述的压力和弯曲变形感应开关。

10.根据权利要求9所述的压力检测装置，其特征在于，多个所述压力和弯曲变形感应开关成阵列分布。

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