CN217084021U - 一种柔性无线无源压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性无线无源压力传感器，所述压力传感器由LC天线、织物薄膜和铁氧体薄膜组成。所述织物薄膜将LC天线和铁氧体薄膜分开；所述LC天线由金属线圈、叉指电容和聚酰亚胺薄膜构成，所述金属线圈和叉指电容分别放置在聚酰亚胺薄膜两侧，并通过聚酰亚胺薄膜上设置的通孔串联，形成LC谐振电路。在外部压力作用下，织物薄膜产生形变，进而改变LC天线和铁氧体薄膜间的距离，引起电感变化，实现LC谐振电路的谐振频率变化，进而计算出外部压力的大小。本实用新型可用于腕带、智能鞋垫、腰带等可穿戴医疗系统和运动生物力学产品。

Description

一种柔性无线无源压力传感器

技术领域:

本实用新型涉及压力传感技术领域，尤其是一种柔性无线无源压力传感器。

背景技术：

人们对信息的测量、存储、传输、显示等方面日益增大的需求，使传感器在各个领域有广泛的应用前景。目前可穿戴电子中的压力传感器主要有电容式、电阻式和压电式三种形式。为适应生物体的结构特点，可穿戴电子设备使用的材料必须具有轻巧柔软、耐磨性强、易于与各种织物基板集成的特性，这是传统电子器件制造无法实现的。然而，在这一研究领域还存在着一些亟待解决的问题，包括布线的复杂性、回弹性差以及鲁棒性差等。

现有的大多数柔性无线无源压力传感器依赖于LC谐振电路中电容的变化，而电容的增大会引起有效质量因子Q的损失。为了使可穿戴设备能更好地满足实际需求，本实用新型提出的一种柔性无线无源压力传感器，利用电感和电容的串联电路响应外场变化，并在电磁场中传递信息。相比电容式压力传感器，本实用新型利用外部压力作用下，织物薄膜产生的形变改变LC天线和铁氧体薄膜间的距离，引起线圈磁通量的变化，从而引起电感变化，进一步被转换为LC谐振电路的谐振频率的变化。本实用新型具有电路简单、无需电源、寿命长、小型化方便、抗干扰能力强和信号重现性好等特点，且充分利用了织物材料的柔性，为可穿戴电子设备在接触压力分布测量方面提供了广泛的应用前景。

实用新型内容：

针对现有可穿戴传感器布线复杂、回弹性差以及鲁棒性差等不足，本实用新型提出的一种柔性无线无源压力传感器由LC天线、织物薄膜和铁氧体薄膜组成。所述织物薄膜将LC天线和铁氧体薄膜分隔开，所述LC天线由金属线圈、叉指电容和聚酰亚胺薄膜构成。

所述金属线圈和叉指电容分别放置在聚酰亚胺薄膜两侧，通过聚酰亚胺薄膜上的通孔串联，形成LC谐振电路。所述聚酰亚胺是一种工业常用的有机高分子材料，具有耐受温度高，可达400℃以上、绝缘性能好、配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点，使压力传感器具有优异的柔性。

为了提高压力传感器的精度，优选的，金属线圈和叉指电容的材质为铜。因为铜的电阻率低、阻抗小，使谐振频率变化明显，测量压力精度更高。

为了增强传感器在可穿戴电子设备领域的适用性，优选的，织物薄膜采用细度为0.1D或更细的超细纤维制成，表面有纤细绒毛，孔隙不超过7μm，起透气防水的作用。

为了增大压力传感器的可测压力范围和提高灵敏度，优选的，织物薄膜的杨氏模量范围是2-500MPa，厚度范围是0.1-10mm。

为了提高所述压力传感器的灵敏度，所述铁氧体薄膜的相对磁导率范围是10-1000。

所述压力传感器的工作机理是，在外部压力作用下，织物薄膜产生形变，改变LC天线和铁氧体薄膜间的距离。金属线圈的电感值与铁氧体薄膜和LC天线间的分离距离的关系可表示为：

L_e∝μ_r/(1+μ_rd/l_e)

其中，L_e为金属线圈的电感值，μ_r为铁氧体薄膜的相对磁导率，d为铁氧体薄膜和LC天线间的分离距离，l_e为金属线圈的有效长度。

从而将LC天线和铁氧体薄膜间的距离转换为电感的变化，进一步被传感器转换为可检测到的LC谐振电路的谐振频率的变化，从而计算出所施加压力的大小。

由于铁氧体薄膜的相对磁导率高，磁感应强度大，电感变化更明显，从而使金属线圈的谐振频率变化更明显。且铁氧体薄膜能避免导电材料的干扰，克服了鲁棒性差的问题。

品质因数与电容、电感的关系为：

Q＝wL/R＝1/wRC

其中，Q为品质因素，w为电路谐振时的电源频率，L为感，R为电阻，C为电容。当外部压力增大时，引起电感增大，传感器的有效质量因子Q也随之增大，克服了现有的大多数柔性无线无源压力传感器的有效质量因子Q损失的问题。

所述压力传感器具有以下优点：(1)优异的机械弹性、耐磨性；(2)易于集成到各种织物基材的设备；(3)灵敏度高；(4)绕过固体电源和电子连接线，因而高度便携和可穿戴；(5)可测压力范围大。基于上述优点，所述压力传感器可克服传统压力传感器布线的复杂、回弹性差以及鲁棒性差的问题，适合应用在触觉传感领域，特别是新兴的可穿戴电子产品，比如智能腕带、鞋垫和腰托等。

附图说明

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明

图1是一种柔性无线无源压力传感器的结构示意图

图2是LC天线的结构示意图

具体实施方式

为进一步阐释本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段，以下结合附图以及较佳实施例，详细说明如下：

图1所示为本实用新型提供的压力传感器的结构示意图。一种柔性无线无源压力传感器由LC天线1、织物薄膜2和铁氧体薄膜3组成；所述织物薄膜2将LC天线1和铁氧体薄膜3分隔开。

LC天线1作为所述压力传感器的重要组成部分，图2所示为LC天线1的结构示意图。所述LC天线1由金属线圈11和叉指电容12通过聚酰亚胺薄膜15上设置的通孔13、14串联构成，形成LC谐振电路，所述通孔13、14分别连接金属线圈11的两端。

所述金属线圈11和叉指电容12的材质为铜，由于铜的电阻率低，阻抗小，从而使谐振频率变化明显，测量压力精度更高。所述聚酰亚胺是一种工业常用的有机高分子材料，具有耐受温度高，可达400℃以上、绝缘性能好、配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点，使压力传感器具有优异的柔性。

为了提高传感器在可穿戴领域的适用性，具体的，织物薄膜2采用细度为0.1D或更细的超细纤维制成，表面有纤细绒毛，孔隙不超过7μm，起透气防水的作用。

为了增大压力传感器的可测压力范围和提灵敏度，具体的，织物薄膜2的杨氏模量范围是2-500MPa，厚度范围是0.1-10mm。

为了提高所述压力传感器的灵敏度，所述铁氧体薄膜3的相对磁导率范围是10-1000。

所述压力传感器的工作机理是，在外部压力作用下，织物薄膜2产生形变，改变LC天线1和铁氧体薄膜3间的距离。金属线圈11的电感值与铁氧体薄膜3和LC天线1间的分离距离的关系可表示为：

L_e∝μ_r/(1+μ_rd/l_e)

其中，L_e为金属线圈11的电感值，μ_r为铁氧体薄膜3的相对磁导率，d为铁氧体薄膜3和LC天线1间的分离距离，l_e为金属线圈11的有效长度。

从而将金属线圈11的电感值与铁氧体薄膜3和LC天线1间的分离距离转换为电感的变化，进一步被传感器转换为可检测到的LC谐振电路的谐振频率的变化，从而计算出所施加压力的大小。

所述压力传感器具有以下优点：(1)优异的机械弹性、耐磨性；(2)易于集成到各种织物基材的设备；(3)灵敏度高；(4)绕过固体电源和电子连接线，因而高度便携和可穿戴；(5)可测压力范围大。基于上述优点，所述压力传感器可克服传统压力传感器布线的复杂、回弹性差以及鲁棒性差的问题，适合应用在触觉传感领域，特别是新兴的可穿戴电子产品，比如智能腕带、鞋垫和腰托等。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种柔性无线无源压力传感器，其特征在于：所述压力传感器由LC天线、织物薄膜和铁氧体薄膜组成；所述织物薄膜将LC天线和铁氧体薄膜分隔开；所述LC天线由金属线圈、叉指电容和聚酰亚胺薄膜构成。

2.如权利要求1所述的一种柔性无线无源压力传感器，其特征在于：所述金属线圈和叉指电容分别放置在聚酰亚胺薄膜两侧，并通过聚酰亚胺薄膜上设置的通孔串联。

3.如权利要求1所述的一种柔性无线无源压力传感器，其特征在于：所述金属线圈和叉指电容的材质为铜。

4.如权利要求1所述的一种柔性无线无源压力传感器，其特征在于：所述织物薄膜的杨氏模量范围是2-500MPa。

5.如权利要求1所述的一种柔性无线无源压力传感器，其特征在于：所述织物薄膜的厚度范围是0.1-10mm。

6.如权利要求1所述的一种柔性无线无源压力传感器，其特征在于：所述铁氧体薄膜的相对磁导率范围是10-1000。

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