CN220525178U - 柔性导电海绵压力传感器及压力传感器垫 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及柔性压力传感器领域，公开了柔性导电海绵压力传感器及压力传感器垫。所述柔性导电海绵压力传感器包括：基材层，所述基材层为柔性织物；导电电极层，设置在所述柔性织物上；以及弹性层，所述弹性层包括压感层，所述压感层与所述导电电极层导电连接，所述压感层的电阻值变化信号通过所述导电电极层传输；其中，所述压感层包括压感材料，所述压感材料为导电海绵，所述导电海绵的密度为18‑50kg/m3。所述柔性导电海绵压力传感器具有较优的压缩和弹性回复性等力学性能，同时兼具柔软、透气等性能，使用寿命长，舒适性好，不仅安全性高、质轻，且柔软、透气、能够弯曲折叠。
Description
技术领域
本实用新型涉及柔性压力传感器技术领域，具体涉及柔性导电海绵压力传感器及压力传感器垫。
背景技术
压力传感器是一种能够将接收的压力信号转化为电信号的元件。压力传感器可分为应变式、电容式、振频式、压阻式、压电式传感器等。柔性压力传感器由于其柔软舒适性被广泛应用于医疗、纺织品、航天航空等领域。
现有的柔性压力传感器多采用薄膜和硅胶等做基材，引线复杂，透气性差，不易弯曲，且舒适性低。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的柔性压力传感器透气性差、不易弯曲且舒适性低的问题。
为了实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种柔性导电海绵压力传感器，所述柔性导电海绵压力传感器包括：
基材层，所述基材层为柔性织物；
导电电极层，设置在所述柔性织物上；以及
弹性层，所述弹性层包括压感层，所述压感层与所述导电电极层导电连接，所述压感层的电阻值变化信号通过所述导电电极层传输；
其中，所述压感层包括压感材料，所述压感材料为导电海绵，所述导电海绵的密度为18-50kg/m3。
优选地，所述导电电极层包括导电线路和多个电极结构，所述电极结构与所述压感层导电连接，所述导电线路与所述电极结构导电连接。
优选地，所述电极结构为阵列式上下电极结构。
优选地，所述阵列式上下电极结构包括第一电极和第二电极，所述基材层包括第一基材层和第二基材层，所述压感层具有正面和与所述正面相对的背面，所述第一电极设置在所述第一基材层与所述压感层的正面之间，所述第二电极设置在所述第二基材层和所述压感层的背面之间。
优选地，所述导电线路包括第一导电线路和第二导电线路，所述第一导电线路与所述第一电极导电连接，所述第二导电线路与所述第二电极导电连接。
优选地，所述第一导电线路和所述第二导电线路各自独立地包括多条平行设置的导电线；所述第一导电线路与所述第二导电线路垂直设置。
优选地，所述导电线的宽度为1-500μm。
更优选地，所述导电线的宽度为10-200μm。
优选地，所述柔性导电海绵压力传感器还包括包覆层，以连接所述第一基材层和所述第二基材层，形成闭合。
优选地，所述导电电极层与所述压感层之间还设置有引线层，所述引线层通过导电粘结层固定在所述导电电极层上；所述引线层为柔性线路板。
优选地，所述引线层与所述基材层之间还设置有连接层；所述连接层包括导电纱线、非导电纱线和导电单面胶。
优选地，所述压感层的初始电阻值大于或等于100kΩ。
本实用新型第二方面提供一种压力传感器垫，所述压力传感器垫包括第一方面所述的柔性导电海绵压力传感器。
通过上述技术方案，本实用新型提供的柔性导电海绵压力传感器，包括：基材层，所述基材层为柔性织物；导电电极层，设置在所述柔性织物上；以及，弹性层，所述弹性层包括压感层，所述压感层与所述导电电极层导电连接，所述压感层的电阻值变化信号通过所述导电电极层传输；其中，所述压感层包括压感材料，所述压感材料为导电海绵，所述导电海绵的密度为18-50kg/m3。
本实用新型提供的柔性导电海绵压力传感器，以柔性织物作为导电电极层的基材，通过将具有上述特定密度的导电海绵作为压感材料，能够具有较优的压缩和弹性回复性等力学性能，同时兼具柔软、透气等性能，有效地提高了柔性导电海绵压力传感器的使用寿命，且提高了其使用舒适性，不仅安全性高、质轻，且柔软、透气、能够弯曲折叠，解决了现有柔性压力传感器透气性差、不易弯曲且舒适性低的问题。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1示意性示出了本实用新型提供的一种具体实施方式的柔性导电海绵压力传感器的结构图；
图2示意性示出了本实用新型的一种具体实施方式的导电电极层的结构图；
图3示意性示出了本实用新型的一种具体实施方式的导电电极层的结构图；
图4示意性示出了本实用新型提供的一种具体实施方式的柔性导电海绵压力传感器的结构图。
附图标记说明
101、第一基材层 102、第二基材层 2、导电电极层 3、导电粘结层
4、引线层 5、连接层 6、压感层 7、包覆层
201、第一电极 202、第二电极
203、第一导电线路 204、第二导电线路
501、导电纱线 502、非导电纱线 503、导电单面胶
具体实施方式
以下对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本实用新型中，使用的“第一、第二”只是为了区分在不同位置使用的同一设备或操作，不对设备或操作起到限定作用。
需要说明的是，若本实用新型中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
如前所述，本实用新型第一方面提供一种柔性导电海绵压力传感器，所述柔性导电海绵压力传感器包括：
基材层，所述基材层为柔性织物；
导电电极层，设置在所述柔性织物上；以及
弹性层，所述弹性层包括压感层，所述压感层与所述导电电极层导电连接，所述压感层的电阻值变化信号通过所述导电电极层传输；
其中，所述压感层包括压感材料，所述压感材料为导电海绵，所述导电海绵的密度为18-50kg/m3。
根据本实用新型的一些实施方式，所述压感层用于提供变化的电阻。当有压力作用于柔性导电海绵压力传感器时，该结构将被挤压，其电阻也发生改变，从而使压力信号转换为电信号。所述压感层与所述导电电极层导电连接，所述压感层的电阻值变化信号通过所述导电电极层传输。
根据本实用新型的一些实施方式，所述压感层包括压感材料，所述压感材料为导电海绵，所述导电海绵的密度为18-50kg/m3。本实用新型将具有上述特定密度的导电海绵作为压感材料，能够使得所述柔性导电海绵压力传感器具有较优的压缩和弹性回复性等力学性能，同时兼具柔软、透气等性能，有效提高了柔性导电海绵压力传感器的使用寿命。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述压感层的初始电阻值大于或等于100kΩ。优选大于或等于1MΩ，更优选为1-10MΩ。若所述压感层的初始电阻太小，则其导电性能太好，影响所述柔性导电海绵压力传感器的灵敏度和量程；若所述压感层的初始电阻太大，则其导电性能降低，导致所述压感层在受力时电阻值不能发生明显的变化。
根据本实用新型的一些实施方式，所述导电电极层设置在所述柔性织物上。所述导电电极层用于识别电阻，获取压力数据，以输出压力信号。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述导电电极层包括导电线路和多个电极结构，所述电极结构与所述压感层导电连接，所述导电线路与所述电极结构导电连接。在压力传感器垫的应用场景中，出于监测人体与环境物体的接触压力热点、平衡、压力分布，以及压力大小的检测，通过压力映射图，进行运动分析、姿势检测以及生物信号跟踪等应用的需求，需要多个电极结构协同作用，进行力-电信号的传感，以达到较高的灵敏度。所述导电电极层的位置与所述压感层对应，以识别所述弹性层的电阻，从而输出压力信号。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述电极结构为阵列式上下电极结构。上述优选实施方式的电极结构在特定情况下灵敏度更高。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述阵列式上下电极结构包括第一电极和第二电极，所述基材层包括第一基材层和第二基材层，所述压感层具有正面和与所述正面相对的背面，所述第一电极设置在所述第一基材层与所述压感层的正面之间，所述第二电极设置在所述第二基材层和所述压感层的背面之间。图1示意性示出了本实用新型提供的一种具体实施方式的柔性导电海绵压力传感器的结构图，图2和图3分别示意性示出了本实用新型的一种具体实施方式的导电电极层的结构图。如图所示，在所述实施方式中，所述柔性导电海绵压力传感器可以包括：基材层，包括第一基材层101和第二基材层102；导电电极层2，分别设置在所述第一基材层101和所述第二基材层102上；压感层6，所述压感层6与所述导电电极层2导电连接，所述压感层6的电阻值变化信号通过所述导电电极层2传输。导电电极层2由导电线路和多个电极结构构成，所述电极结构与压感层6导电连接，所述导电线路与所述电极结构导电连接。所述阵列式上下电极结构可以包括第一电极201和第二电极202，所述压感层6具有正面和与所述正面相对的背面，所述第一电极201设置在所述第一基材层101与所述压感层6的正面之间，所述第二电极202设置在所述第二基材层102和所述压感层6的背面之间。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述导电线路包括第一导电线路和第二导电线路，所述第一导电线路与所述第一电极导电连接，所述第二导电线路与所述第二电极导电连接。如图2和图3所示，在所述实施方式中，所述导电线路包括第一导电线路203和第二导电线路204，所述第一导电线路203与所述第一电极201导电连接，所述第二导电线路204与所述第二电极202导电连接。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述第一导电线路和所述第二导电线路各自独立地包括多条平行设置的导电线，如图2和图3所示；所述第一导电线路与所述第二导电线路垂直设置。图4示意性示出了本实用新型提供的一种具体实施方式的柔性导电海绵压力传感器的结构图，如图所示，在所述实施方式中，所述第一导电线路与所述第二导电线路垂直设置。
在现有的压力柔性压力传感器中，压力检测点为单点，且压力检测点的面积较大，使得其识别分辨率较低。而本实用新型通过多条平行设置的导电线，且所述第一导电线路与所述第二导电线路垂直设置，使得所述第一导电线路中的导电线与所述第二导电线路中的导电线互为十字交叉状，形成的交叉点呈阵列式结构。由于所述第一导电线路与所述第二导电线路之间设置有所述压感层，在受到压力时，所述第一导电线路、所述第二导电线路与所述压感层三者导通，输出的电阻值信号根据受力的大小而发生变化，压力越大，输出的电阻值越大。此外，所述第一导电线路与所述第二导电线路之间形成的交叉点越多，则压力的检测点越多，即一个交叉点即为一个压力检测点。通过设置多个交叉点能够实现压力的受力分布检测，同时也保证了传感器的柔软性。
采用上述优选实施方式，所述柔性导电海绵压力传感器的压力检测点更多，且压力检测点的面积小、分辨率高，对于接触压力的形状和分布识别越精准，且整体数据更准确。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述导电线的宽度为1-500μm，优选为10-200μm。采用上述优选实施方式有利于降低生产成本，且柔性导电海绵压力传感器的可靠性高。
根据本实用新型的一些实施方式，所述导电电极层的材质可以为纯金属(例如金、银、铜、铝、钼)、合金、导电碳材料(例如碳纤维、石墨、石墨烯、碳纳米管)、金属基复合材料、金属氧化物(ITO)、导电聚合物材料(例如聚吡咯、PEDOT-PSS、聚苯胺、)中的至少一种。可以采用蒸镀、溅射、喷墨打印、3D打印、丝网印刷、移印、凹印、光刻等方式以在柔性织物上形成所述导电电极层。
优选地，所述导电电极层由银浆制成；所述银浆采用丝网印刷和/或喷墨打印的方式印刷在柔性织物上以形成所述导电电极层。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述柔性导电海绵压力传感器还包括包覆层，以连接所述第一基材层和所述第二基材层，形成闭合，以固定各层结构，防止其发生移位。
优选地，所述包覆层为柔性的非导电纱线和/或柔性的非导电胶布，有利于保证柔性导电海绵压力传感器的柔软性。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述导电电极层与所述压感层之间还设置有引线层，所述引线层通过导电粘结层固定在所述导电电极层上。所述导电粘结层有利于使所述引线层和所述导电电极层充分贴合。
优选地，所述导电粘结层为柔性导电双面胶。所述柔性导电双面胶沿着所述导电电极层的导电线的延伸方向粘贴设置。为了避免所述柔性导电双面胶相连接造成短路，并保证柔性导电海绵压力传感器的使用安全性，优选地，任意相邻的所述柔性导电双面胶之间存在间距，所述间距可以根据实际需要选择。优选地，所述柔性导电双面胶的厚度为20-100μm。
优选地，所述导电粘结层与所述导电线为一体结构。即所述导电线的材质为导电布，由于导电布本身带有粘性，所述导电电极层可以直接粘贴在所述基材层上，同时所述引线层也可以直接粘贴在所述导电电极层上，因此，可以省略所述导电粘结层。当所述导电电极层由银浆采用丝网印刷和/或喷墨打印的方式印刷在柔性织物上形成时，则需要采用导电粘结层来将所述引线层固定在所述导电电极层上。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述引线层设置于所述基材层的侧边，如图2和图3所示。
优选地，所述引线层为柔性线路板，所述柔性线路板为现有常规的材料，例如可以是FPC、PCB等柔性线路板，但不限于上述材料。所述引线层能够保证传感器的柔软性和轻薄性。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述引线层与所述基材层之间还设置有连接层，以使所述基材层与所述引线层充分贴合的同时保证传感器的柔性。
优选地，所述连接层包括导电纱线501、非导电纱线502和导电单面胶503。如图3所示，其中，所述非导电纱线502沿着所述导电电极层2的导电线的延伸方向连接所述导电电极层2和所述引线层4，使得所述引线层4和所述导电电极层2之间充分贴合避免导电断路；所述导电纱线501沿着垂直于所述导电电极层2的导电线的方向延伸，用于连接所述导电电极层2和所述引线层4。
根据本实用新型的一些实施方式，所述基材层为柔性织物。现有的柔性压力传感器多采用薄膜和硅胶等做基材，引线复杂，透气性差，不易弯曲，并且舒适性低。同时，其与人体和/或环境物体接触时，难以保持高度贴合，因此，收集的相关数据也不够精确。而本实用新型使用柔性织物作为基材层，能够使传感器具有透气性和柔软性。所述柔性织物为现有常规的柔性布料，例如可以为棉布、化纤布、亚麻布和非织造布等织物布料中的至少一种，但不限于上述材质的布料。此外，所述基材层的厚度可以根据实际需要选择。所述基材层为柔性织物，其具有柔软舒适的特点，保证了传感器的柔韧性，在使用时具有较好的接触贴合度，并且由于柔性织物的机械形变性好，能够将压力精准地传递给压感层，因此可以提高压力传感数据的精确性和舒适度。
根据本实用新型的一些实施方式，优选地，所述弹性层为中间层，所述弹性层的边缘与所述基材层的边缘对齐，且所述连接层、所述引线层、所述导电粘结层、所述导电电极层和所述基材层依次按照由内而外的顺序，分别对称设置在所述压感层的正面和背面，如图1所示。其中，“内”指的是靠近所述弹性层的方向，“外”指的是远离所述弹性层的方向。
同时为了便于描述，定义设置在压感层的正面的一侧的连接层、引线层、导电粘结层和导电电极层分别为第一连接层、第一引线层、第一导电粘结层和第一导电电极层；定义设置在压感层的背面的一侧的连接层、引线层、导电粘结层和导电电极层分别为第二连接层、第二引线层、第二导电粘结层和第二导电电极层。当满足上述设置时，所述第一导电电极层中的导电线路和电极结构分别定义为第一导电线路和第一电极；所述第二导电电极层中的导电线路和电极结构分别定义为第二导电线路和第二电极。
如图1所示，在所述实施方式中，所述柔性导电海绵压力传感器包括：压感层6，所述压感层6具有正面和与所述正面相对的背面；依次按照由内而外的顺序，分别对称设置在所述压感层6的正面和背面的连接层5、引线层4、导电粘结层3、导电电极层2、基材层和包覆层7；
其中，所述基材层包括第一基材层101和第二基材层102；所述导电电极层2包括第一导电电极层和第二导电电极层；所述导电粘结层3包括第一导电粘结层和第二导电粘结层；所述引线层4包括第一引线层和第二引线层；所述连接层5包括第一连接层和第二连接层；
所述第一导电电极层设置在所述第一基材层101上，所述第二导电电极层设置在所述第二基材层102上；所述压感层6与所述导电电极层2导电连接，所述压感层6的电阻值变化信号通过所述导电电极层2传输；导电电极层2由导电线路和多个电极结构构成，所述电极结构与压感层6导电连接，所述导电线路与所述电极结构导电连接。所述电极结构为阵列式上下电极结构，包括第一电极201和第二电极202，所述第一电极201设置在所述第一基材层101与所述压感层6的正面之间，所述第二电极202设置在所述第二基材层102和所述压感层6的背面之间。所述导电线路包括第一导电线路和第二导电线路，所述第一导电线路与所述第一电极201导电连接，所述第二导电线路与所述第二电极202导电连接。所述第一导电线路和所述第二导电线路各自独立地包括多条平行设置的导电线；所述第一导电线路与所述第二导电线路垂直设置。
所述第一导电电极层与所述压感层6的正面之间还设置有第一引线层，所述第一引线层通过所述第一导电粘结层固定在所述第一导电电极层上；所述第二导电电极层与所述压感层6的背面之间还设置有第二引线层，所述第二引线层通过所述第二导电粘结层固定在所述第二导电电极层上；
所述第一引线层与所述第一基材层101之间还设置有第一连接层；所述第二引线层与所述第二基材层102之间还设置有第二连接层；所述包覆层7连接所述第一基材层101和所述第二基材层102，并形成闭合。
本实用新型第二方面提供一种压力传感器垫，所述压力传感器垫包括第一方面所述的柔性导电海绵压力传感器。
具体地，所述压力传感器垫可以包括但不限于床垫、坐垫、瑜伽垫等。
以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
Claims (13)
1.一种柔性导电海绵压力传感器，其特征在于，所述柔性导电海绵压力传感器包括：
基材层，所述基材层为柔性织物；
导电电极层，设置在所述柔性织物上；以及
弹性层，所述弹性层包括压感层，所述压感层与所述导电电极层导电连接，所述压感层的电阻值变化信号通过所述导电电极层传输；
其中，所述压感层包括压感材料，所述压感材料为导电海绵，所述导电海绵的密度为18-50kg/m3。
2.根据权利要求1所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述导电电极层包括导电线路和多个电极结构，所述电极结构与所述压感层导电连接，所述导电线路与所述电极结构导电连接。
3.根据权利要求2所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述电极结构为阵列式上下电极结构。
4.根据权利要求3所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述阵列式上下电极结构包括第一电极和第二电极，所述基材层包括第一基材层和第二基材层，所述压感层具有正面和与所述正面相对的背面，所述第一电极设置在所述第一基材层与所述压感层的正面之间，所述第二电极设置在所述第二基材层和所述压感层的背面之间。
5.根据权利要求4所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述导电线路包括第一导电线路和第二导电线路，所述第一导电线路与所述第一电极导电连接，所述第二导电线路与所述第二电极导电连接。
6.根据权利要求5所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述第一导电线路和所述第二导电线路各自独立地包括多条平行设置的导电线；所述第一导电线路与所述第二导电线路垂直设置。
7.根据权利要求6所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述导电线的宽度为1-500μm。
8.根据权利要求7所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述导电线的宽度为10-200μm。
9.根据权利要求4所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述柔性导电海绵压力传感器还包括包覆层，以连接所述第一基材层和所述第二基材层，形成闭合。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述导电电极层与所述压感层之间还设置有引线层，所述引线层通过导电粘结层固定在所述导电电极层上；所述引线层为柔性线路板。
11.根据权利要求10所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述引线层与所述基材层之间还设置有连接层；所述连接层包括导电纱线、非导电纱线和导电单面胶。
12.根据权利要求1-9中任意一项所述的柔性导电海绵压力传感器，其中，所述压感层的初始电阻值大于或等于100kΩ。
13.一种压力传感器垫，其特征在于，所述压力传感器垫包括权利要求1-12中任意一项所述的柔性导电海绵压力传感器。
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