CN209783781U - 一种柔性传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种柔性传感器。该柔性传感器包括柔性且不导电的基底，可流动的压力敏感材料与电极；基底设置沟道，可流动的压力敏感材料填充在沟道中，与设置在沟道两端的电极形成电连接；并且，在柔性基底厚度方向该沟道呈不对称结构。该柔性基底结构简单，使用方法，受力弯曲时，通过检测电极两端的电信号变化，不仅可获得弯曲角度，而且可获得弯曲方向。

Description

一种柔性传感器

技术领域

本实用新型涉及传感技术领域，具体涉及一种柔性传感器。

背景技术

随着柔性电子学及可穿戴设备的发展，应力传感器越来越受到人们的关注。

传统的压力传感器可以分为压电式、电容式、压阻式等几大类。压电式压力传感器是根据压电效应制成的传感器，具有结构简单、重复性好、精度较高、灵敏度好、动态范围宽、机械性能优良等优点，但是存在信号采集电路复杂、成本高等不足。电容式压力传感器利用电容量随压力改变而变化的原理实现外界压力的检测，具有结构简单、功耗低、线性度好、体积小等优点。但是，电容式应力传感器易受到连接导线中的寄生电容影响，因此对测量电路要求较高。压阻式压力传感器利用金属或者半导体的电阻随外界压力的变化而变化的原理进行工作。目前应用的压阻式压力传感器主要是硅基压力传感器，具有应用广泛、动态范围宽、利于集成等优点。

在实际应用中，待测体往往发生拉伸、压缩、弯曲等形变，弯曲形变时相对于初始状态存在不同的弯曲方向，例如，初始时待测体水平放置，弯曲时存在向上弯曲或者向下弯曲。因此，不仅能够探测弯曲角度，而且能够探测弯曲方向的传感器将大大提高探测灵敏度。

实用新型内容

本实用新型提供一种柔性传感器，不仅可以探测弯曲角度，而且可以探测弯曲方向。

本实用新型的技术方案是：一种柔性传感器，包括柔性且不导电的基底，可流动的压力敏感材料与电极；

所述基底设置沟道，可流动的压力敏感材料填充在所述沟道中，与设置在沟道两端的电极形成电连接；

与所述基底的厚度方向垂直的截面称为横截面，位于所述基底的二分之一厚度位置的横截面为中轴横截面，中轴横截面将所述基底分为上下两部分；所述沟道位于基底的上部分。

所述基底具有柔韧性，可发生拉伸、弯曲等形变，并且所述基底不导电。构成所述基底的材料不限，可以是具有柔韧性的高分子材料，例如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚氨酯(PU)、聚酰亚胺(PI)等。

所述压力敏感材料具有导电性，其材料不限，可以是离子液体、液态金属、以及生理盐水等，优选为液态金属。

所述电极具有导电性，其材料不限，可以是金属材料，例如铜丝、金丝或者银丝等。

所述沟道位于基底的上部分，即，沿基底厚度方向，沟道仅位于基底一侧，呈不对称结构。作为优选，所述沟道远离中轴横截面。

所述基底的厚度不限，可以是微米级，也可以是毫米级，可以根据实际应用需求合理选择。

所述沟道形状不限，可以是直线形、折线形、曲线性中的一种或者几种的组合。

作为优选，所述基底的厚度毫米量级，作为进一步优选，所述基底的厚度为 1毫米-5毫米。

作为优选，所述沟道的宽度为微米量级，深度为微米量级，长度为毫米量级。作为进一步优选，所述沟道的宽度为50微米-500微米，深度为50微米-200微米，长度为10毫米-100毫米。

本实用新型还提供一种制备上述柔性传感器的方法，具体是：制备基底与沟道，在沟道中注入可流动的压力敏感材料，然后在沟道两端连接电极。

作为一种实现方式，采用3D打印的方法制备基底与沟道。作为优选，将液态的基底材料逐层固化，在沟道结构位置不固化而保持液态的方法进行3D打印，然后抽出其中液态的基底材料，得到基底与沟道。

本实用新型采用柔性基底与可流动的压力敏感材料，在柔性基底设置沟道，将可流动的压力敏感材料填充在沟道中形成导电连接，由于沟道设置在柔性基底的上部分，在柔性基底厚度方向呈不对称结构，具有如下有益效果：

(1)当柔性基底受力弯曲时，由于受到应力作用，沟道电阻发生变化，检测电极两端的电信号变化，可获得弯曲角度；并且，本实用新型人发现，由于本实用新型中将沟道沿柔性基底厚度方向设置为不对称结构，因此相对初始状态当柔性基底向设置沟道的一侧弯曲以及向向设置沟道的相反侧弯曲时，电极两端的电阻R变化情况相反：

当柔性基底向设置沟道的一侧弯曲时，沟道主要受到压应力作用，电极两端的电阻R减小，因此ΔR为负数，电阻变化率(ΔR/R×100％)为负数，并且电阻变化率随弯曲角度基本呈线性变化；

当柔性基底向设置沟道的相反侧弯曲时，沟道主要受到张应力作用，电极两端的电阻R增大，因此ΔR为正数，电阻变化率(ΔR/R×100％)为正数，并且电阻变化率随弯曲角度基本呈线性变化；

因此，当柔性基底受力弯曲时，通过检测电极两端的电信号变化，不仅可获得弯曲角度，而且可获得弯曲方向。所述电信号可以是电压信号、电流信号，或者电阻信号；作为优选，采用电阻信号。

(2)本实用新型的柔性传感器结构简单，可贴合在待测体上，并且使用方便，灵敏度高，具有尤其适合关节运动的探测，具体的使用方法如下：

(2-1)柔性传感器自然放置，不施加应力，为初始态，测试初始态柔性传感器的电阻R；

(2-2)其余测试条件与上述步骤(1)相同，相对于初始态，柔性传感器向设置沟道的一侧弯曲，测试该传感器在不同弯曲角度下的电阻变化率作为参比列表一；

(2-3)其余测试条件与上述步骤(1)相同，相对于初始态，将柔性传感器向设置沟道的相反侧弯曲，测试该传感器在不同弯曲角度下的电阻变化率作为参比列表二；

(2-4)实际使用中，将柔性传感器置于待测体表面，基底的下部分接触待测题，测试柔性传感器的电阻变化率，若电阻变化率为正数，则判断待测体向设置沟道的一侧弯曲，并且将电阻变化率与参比列表一进行比对，相同数值所对应的弯曲角度即为实际弯曲角度；若电阻变化率为负数，则判断待测体向设置沟道的相反侧弯曲，并且将电阻变化率与参比列表二进行比对，相同数值所对应的弯曲角度即为实际弯曲角度。

(3)本实用新型中，通过基底厚度和/或沟道尺寸的调整，可以进一步调节传感器的灵敏度；另外，本实用新型的柔性传感器具有稳定性，从而提高了传感器的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中的传感器的结构示意图。

图2是本实用新型实施例1中的传感器向上弯曲示意图。

图3是本实用新型实施例1中的传感器向上弯曲时电阻变化率随弯曲角度的变化图。

图4是本实用新型实施例1中的传感器向下弯曲示意图。

图5是本实用新型实施例1中的传感器向上弯曲时电阻变化率随弯曲角度的变化图。

图6是本实用新型实施例1中的传感器的重复性测试结果。

图7是将该柔性传感器贴合在人体手腕位置进行测试过程①-④时传感器的电阻变化率监测结果。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

图1中的附图标记为：基底1、沟道2、压力敏感材料3、电极4。

柔性传感器结构如图1所示，包括基底1，可流动的压力敏感材料3以及电极4。基底1设置沟道2，电极4设置在沟道两端，压力敏感材料3填充在沟道2 中，与电极4形成导电连接。

如图1所示，基底1水平放置，基底1的厚度方向为Y轴方向，基底1的横截面平行于XZ平面。

本实施例中，基底1的厚度为H，位于基底1的H/2厚度位置的横截面为中轴横截面，中轴横截面将基底1分为上下两部分；沟道2位于基底1的上部分并且靠近基底的上表面。

本实施例中，基底1的材料是市售树脂(型号为RS-F2-FLGR-02)，其厚度为3毫米，长度为60毫米，宽度为20毫米。压力敏感材料3为镓铟锡液态金属。沟道呈蛇形弯曲结构，沟道宽度为100微米，沟道深度为50微米。电极为铜电极。

上述柔性传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)制备基底与沟道

采用3D打印方法制备基底与沟道。使用光斑尺寸为140微米且功率为250 毫瓦的紫外光将液态的市售树脂(RS-F2-FLGR-02)固化为固体。逐层固化，每层的固化厚度为50微米，具体如下：

首先，固化尺寸为：长度60毫米，宽度20毫米，固化40次，形成厚度为2 毫米的固态；

然后，如图1所示，设计宽度为100微米，深度为50微米的蛇形弯曲形状的沟道，采用选择性固化制备该沟道，即，沟道处树脂不固化而仍然呈液态，其余部位形成厚度为0.05毫米的固态；

最后，固化尺寸为：长度60毫米，宽度20毫米，固化19次，形成厚度为 0.95毫米的固态。

(2)注入压力敏感材料

使用注射器将步骤(1)中的液态树脂抽出，形成沟道，然后将镓铟锡液态金属注入该沟道中。

(3)制备电极

在步骤(2)处理后的沟道两端插入铜电极。

采用半导体参数仪测试上述制得的柔性传感器的电阻R，具体的测试方法如下：

(1)如图2所示，柔性传感器水平放置，不施加应力，为初始态，测试电极两端的电阻R。

(2)其余测试条件与上述步骤(1)相同，如图2所示，将柔性传感器向上弯曲，即，向设置沟道的一侧弯曲，测试电极两端电阻R的变化，测试结果如图3所示，可以看出，向上弯曲后电阻R减小，ΔR为负数，并且电阻变化率(ΔR/R×100％)随弯曲角度基本呈线性变化，记录在不同弯曲角度下的电阻变化率作为参比列表一。

(3)其余测试条件与上述步骤(1)相同，如图4所示，将柔性传感器向下弯曲，即，向设置沟道的相反一侧弯曲，测试电极两端电阻R的变化，测试结果如图5所示，可以看出，向下弯曲后电阻R增大，ΔR为正数，并且电阻变化率(ΔR/R×100％)随弯曲角度基本呈线性变化，记录在不同弯曲角度下的电阻变化率作为参比列表二。

(4)其余测试条件与上述步骤(1)相同，对柔性传感器进行如下运动A：

运动A：将柔性传感器向下弯曲，即，向设置沟道的相反一侧弯曲至40°，然后恢复为初始态，在此过程中测试电极两端电阻R的变化；

重复上述运动A 68次，得到电阻变化率如图6所示，显示该柔性传感器在弯曲形变时具有变化稳定性。同理，当该柔性传感器向上弯曲时也具有相同的变化稳定性。

实际使用中，将该柔性传感器贴合在人体手腕位置，并且基底的下部分接触人体手腕进行测试。采用半导体参数仪测试该柔性传感器的电阻R，其余测试条件与上述步骤(1)相同。测试过程为：①初始时，人体手腕水平；②然后手腕向上弯曲；③再水平；④接着向下弯曲。测得的电阻变化率曲线如图7所示，可以看出：

①位置ΔR/R为0，为初始态；②位置ΔR/R为负数，则判断手腕向上弯曲，根据ΔR/R的数值，与参比列表一进行比对，可以得出手腕向上弯曲的角度值；③位置ΔR/R为0，则判断手腕恢复初始状态；④位置ΔR/R为正数，则判断手腕向下弯曲，根据ΔR/R的数值，与参比列表二进行比对，可以得出手腕向上弯曲的角度值。

实施例2：

本实施例中，柔性传感器结构与实施例1中的柔性传感器结构基本相同，所不同的是基底1的厚度为5毫米。

本实施例中，柔性传感器结构与实施例1中的柔性传感器结构基本相同，所不同的是基底1的厚度为5毫米。

采用半导体参数仪测试上述制得的柔性传感器的电阻R，具体的测试方法与实施例1相同，如下：

(1)如图2所示，柔性传感器水平放置，不施加应力，为初始态，测试电极两端的电阻R。

(2)其余测试条件与上述步骤(1)相同，如图2所示，将柔性传感器向上弯曲，即，向设置沟道的一侧弯曲，测试电极两端电阻R的变化，测试结果如图3所示，可以看出，向上弯曲后电阻R减小，ΔR为负数，并且电阻变化率(Δ R/R×100％)随弯曲角度基本呈线性变化，记录在不同弯曲角度下的电阻变化率作为参比列表一。另外，可以看出，与实施例1相比，在不同弯曲角度下本实施例中的电阻变化率更加敏感。

(3)其余测试条件与上述步骤(1)相同，如图4所示，将柔性传感器向下弯曲，即，向设置沟道的相反一侧弯曲，测试电极两端电阻R的变化，测试结果如图5所示，可以看出，向下弯曲后电阻R增大，ΔR为正数，并且电阻变化率(ΔR/R×100％)随弯曲角度基本呈线性变化，记录在不同弯曲角度下的电阻变化率作为参比列表二。另外，可以看出，与实施例1相比，在不同弯曲角度下本实施例中的电阻变化率更加敏感。

(4)其余测试条件与上述步骤(1)相同，对柔性传感器进行如下运动A：

运动A：将柔性传感器向下弯曲，即，向设置沟道的相反一侧弯曲至50°，然后恢复为初始态，在此过程中测试电极两端电阻R的变化；

重复上述运动A 70次，得到电阻变化率类似图6所示，显示该柔性传感器在弯曲形变时具有变化稳定性。同理，当该柔性传感器向上弯曲时也具有相同的变化稳定性。

本实施例中，在实际使用中将该柔性传感器设置在待测体上，并且基底的下部分接触待测体，采用半导体参数仪测试该柔性传感器的电阻，其余测试条件与上述步骤(1)相同，与实施例1相同，通过测试结果可以得到待测体进行弯曲运动时的弯曲方向以及弯曲角度。

以上所述的实施例对本实用新型的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种柔性传感器，其特征是：包括柔性且不导电的基底，可流动的压力敏感材料与电极；

所述基底设置沟道，可流动的压力敏感材料填充在所述沟道中，与设置在沟道两端的电极形成电连接；

与所述基底的厚度方向垂直的截面称为横截面，位于所述基底的二分之一厚度位置的横截面为中轴横截面，中轴横截面将所述基底分为上下两部分；所述沟道位于基底的上部分。

2.如权利要求1所述的柔性传感器，其特征是：所述沟道远离中轴横截面。

3.如权利要求1所述的柔性传感器，其特征是：所述沟道呈直线形、折线形、曲线性中的一种或者几种的组合。

4.如权利要求1所述的柔性传感器，其特征是：所述沟道的宽度为50微米-500微米，深度为50微米-200微米，长度为10毫米-100毫米。

5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的柔性传感器，其特征是：所述基底的厚度为1毫米-5毫米。