CN217654653U - 一种柔性薄膜压力传感器 - Google Patents

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程旭东
董培梅
慈骋
缪谨柒
张文斌
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Abstract

本实用新型公开了一种柔性薄膜压力传感器，所述压力传感器由螺旋线圈、绝缘薄膜、叉指电极、弹性薄膜、铁氧体薄膜和基底层组成；所述螺旋线圈和所述叉指电极分别设于所述绝缘薄膜两侧，并通过所述绝缘薄膜上设置的通孔相连，组成LC谐振电路；所述弹性薄膜设于所述螺旋线圈、所述叉指电极和所述绝缘薄膜的下方；所述铁氧体薄膜设于所述弹性薄膜的下方。当压力作用于所述柔性薄膜压力传感器时，弹性薄膜产生压缩形变，减小了LC谐振电路和铁氧体薄膜间的距离，进而产生所述螺旋线圈的电感值的变化，而电感值的变化量和外部压力的大小具有正比关系，从而通过对LC谐振电路的谐振频率测量实现外部压力的测量。

Description

一种柔性薄膜压力传感器
技术领域:
本实用新型涉及压力传感技术领域，尤其是一种柔性薄膜压力传感器。
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。目前主要的压力传感器形式有电容式、电阻式和压电式三种。为提高可穿戴电子设备的实用性，其配套传感器需具有轻巧柔软、耐磨性强、易于与各种织物基板集成的特性，这是传统电子器件难以实现的。目前，可穿戴电子传感器的发展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传感器信号品质因子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薄膜压力传感器，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，弹性薄膜产生的形变改变电感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，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薄膜压力传感器，由螺旋线圈、绝缘薄膜、叉指电极、弹性薄膜、铁氧体薄膜和基底层组成；所述螺旋线圈和所述叉指电极分别设于所述绝缘薄膜两侧，并通过所述绝缘薄膜上设置的通孔相连，组成LC谐振电路；所述弹性薄膜设于所述螺旋线圈、所述叉指电极和所述绝缘薄膜的下方；所述铁氧体薄膜设于所述弹性薄膜下方。
所述绝缘薄膜为绝缘材质，将螺旋线圈和叉指电极分开，且绝缘薄膜需要具有较好的柔性，优选的，绝缘薄膜采用聚酰亚胺薄膜。聚酰亚胺由于其刚性的芳杂环结构，是目前耐热性能最好的聚合物材料之一。同时，其薄膜还具有优异的热稳定性、良好的机械性能、耐溶剂性、较低的介电常数的特性，且绝缘性能好、配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好，故被广泛地应用在信息、能源、医疗、国防等领域。
为了提高压力传感器的精度，优选的，螺旋线圈和叉指电极的材质为铜或银。因为铜和银是电阻率比较低的金属材料，由铜或银组成的LC谐振电路阻抗小，谐振频率变化明显，测量压力精度更高。
为了提高所述弹性薄膜在撤除外部压力后的恢复速率，优选的，所述弹性薄膜采用中空双层结构，并兼有透气防水的特点。
为了兼顾传感器的压力测量范围和线性度，优选的，所述弹性薄膜收到压力作用时的最大压缩率为50％。
所述螺旋线圈的电感值与铁氧体薄膜和LC谐振电路间的距离可用如下关系式表示：
Le∝μr/(1+μrd/le) (1)
其中，Le为螺旋线圈的电感值，μr为铁氧体薄膜的相对磁导率，d为铁氧体薄膜和LC谐振电路间的距离，le为螺旋线圈的有效长度。当压力作用于所述柔性薄膜压力传感器时，弹性薄膜产生压缩形变，减小了LC谐振电路和所述铁氧体薄膜间的距离，进而产生所述螺旋线圈的电感值的变化，电感值的变化会引起LC谐振电路的谐振频率的变化。所以，电感值的变化量和外部压力的大小具有正比关系。所述柔性薄膜压力传感器通过对LC谐振电路谐振频率的测量，可以计算得到外部施加压力的大小。
LC谐振电路的品质因数与电容、电感的关系为：
Q＝wL/R＝1/wRC (2)
其中，Q为品质因素，w为电路谐振时的电源频率，L为电感，R为电阻，C为电容。由关系式(1)可以看出，当施加外部压力时，铁氧体薄膜和LC谐振电路间的距离减小，所以所述螺旋线圈的电感值增大，所述柔性薄膜压力传感器的有效质量因子Q也随之增大，这就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。
所述柔性薄膜压力传感器具有以下优点：(1)品质因子Q值大，信号稳定；(2)具备优异的机械弹性、耐磨性，易于集成到可穿戴设备；(3)可恢复性强。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是一种柔性薄膜压力传感器的结构示意图。
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。一种柔性薄膜压力传感器，由螺旋线圈1、绝缘薄膜2、叉指电极3、弹性薄膜4、铁氧体薄膜5和基底层6组成；所述螺旋线圈1和叉指电极3分别设于所述绝缘薄膜2两侧，并通过所述绝缘薄膜2上设置的通孔相连，组成LC谐振电路；所述弹性薄膜4设于所述螺旋线圈1、所述叉指电极3和所述绝缘薄膜2的下方；所述铁氧体薄膜5设于所述弹性薄膜4下方。所述基底层6设于位于最底层。
所述绝缘薄膜2为绝缘材质，将螺旋线圈1和叉指电极3分开，且需要具有较好的柔性，优选的，绝缘薄膜2采用聚酰亚胺薄膜。聚酰亚胺由于其刚性的芳杂环结构，是目前耐热性能最好的聚合物材料之一。
为了提高压力传感器的精度，优选的，螺旋线圈1和叉指电极3的材质为铜或银。因为铜和银是电阻率比较低得两种金属材料，由铜或银组成的LC谐振电路阻抗小，谐振频率变化明显，测量压力精度更高。
为了提高所述弹性薄膜4在撤除外部压力后的恢复速率，优选的，所述弹性薄膜4采用中空双层结构，并兼有透气防水的特点。
为了兼顾传感器的压力测量范围和线性度，优选的，所述弹性薄膜4收到压力作用时的最大压缩率为50％。
所述螺旋线圈1的电感值与铁氧体薄膜5和LC谐振电路间的距离可用如下关系式表示：
Le∝μr/(1+μrd/le) (1)
其中，Le为螺旋线圈1的电感值，μr为铁氧体薄膜5的相对磁导率，d为铁氧体薄膜5和LC谐振电路间的距离，le为螺旋线圈1的有效长度。当压力作用于所述柔性薄膜压力传感器时，弹性薄膜4产生压缩形变，减小了LC谐振电路和铁氧体薄膜5间的距离，进而产生所述螺旋线圈1的电感值的变化，电感值的变化会引起LC谐振电路的谐振频率的变化。所以，电感值的变化量和外部压力的大小具有正比关系。螺旋线圈1的电感值的变化会引起LC谐振电路的谐振频率的变化。所述柔性薄膜压力传感器通过对LC谐振电路谐振频率的测量，可以计算得到外部施加压力的大小。
LC谐振电路的品质因数与电容、电感的关系为：
Q＝wL/R＝1/wRC (2)
其中，Q为品质因素，w为电路谐振时的电源频率，L为电感，R为电阻，C为电容。由关系式(1)可以看出，当施加外部压力时，铁氧体薄膜5和LC谐振电路间的距离减小，所以所述螺旋线圈1的电感值增大，所述柔性薄膜压力传感器的有效质量因子Q也随之增大，这就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。
所述柔性薄膜压力传感器具有以下优点：(1)品质因子Q值大，信号稳定；(2)具备优异的机械弹性、耐磨性，易于集成到可穿戴设备；(3)可恢复性性能好。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。

Claims (5)

1.一种柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述压力传感器由螺旋线圈、绝缘薄膜、叉指电极、弹性薄膜、铁氧体薄膜和基底层组成；所述螺旋线圈和所述叉指电极分别设于所述绝缘薄膜两侧，并通过所述绝缘薄膜上设置的通孔相连，组成LC谐振电路；所述弹性薄膜设于所述螺旋线圈、所述叉指电极和所述绝缘薄膜的下方；所述铁氧体薄膜设于所述弹性薄膜的下方。
2.如权利要求1所述的一种柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述绝缘薄膜为聚酰亚胺薄膜。
3.如权利要求1所述的一种柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述螺旋线圈和叉指电极的材料为铜或银。
4.如权利要求1所述的一种柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述弹性薄膜具有中空双层结构。
5.如权利要求1所述的一种柔性薄膜压力传感器，其特征在于：所述弹性薄膜收到压力作用时的最大压缩率为50％。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117128848A (zh) * 2023-10-26 2023-11-28 中国科学技术大学 基于裂纹间隙磁阻调制的双向弯曲传感器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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