一种柔性指尖压力传感器及其制作方法技术

一种柔性指尖压力传感器及其制作方法，传感器主体是材质为人体硅胶的中间弹性体，在传感器主体的内部设有圆柱形孔洞，在全部圆柱形孔洞内部设有液态导电金属溶液，圆柱形孔洞规则排布为阵列，排列在第一行的第一个和最后一个圆柱形孔洞，分别设有引线口A和引线口B，引线口A处引出引线A，引线口B处引出引线B。本发明专利技术柔性指尖压力传感器柔度大，避免过度用力对传感器带来的损伤；避免人体汗液对传感器的损伤，提高其传感器的防护性能；提高了传感器使用寿命；制作方法简便，可通过调节金属丝的大小及中间弹性体的厚度，进而调节传感器的量程与灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及力传感器领域，具体涉及一种柔性指尖压力传感器。
技术介绍
力传感器是检测获取环境信息的一种重要形式和必需媒介，实现物体与环境相互作用时一系列物理特征量的检测或感知，进而完成某种作业任务。随着信息技术的发展，人们对力信息的检测需求日益高涨，一些特殊用途的力传感器应运而生。在检测人体手部信息方面，如用于检测手指尖精确压力的传感器鲜有研究，此类传感器在保障优良的压力精度、灵敏度的同时还要求与人体有良好的佩戴舒适度。传统的压力传感器多为金属制品，其刚度大，且不适于佩戴。市场上存在的可检测接触信号的柔性佩戴式传感器，多采用电容式传感设计，其制备电容的弹性体人体佩戴舒适度较低，且弹性体变形度较小，在面对大柔性变形时，电容等测量元件本体将发生破坏性损坏。人在控制手指抓取物体时，指尖与物体接触的压力越大，佩戴在手指尖的传感器倘若能随着压力的增大而变形，能给予人一个更为直观、明了、舒适的控制手感。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结合人体硅胶与导电液体，大柔性可大变形且能精确检测手指尖压力的柔性指尖压力传感器及其制作方法。本专利技术主要包括传感器主体、圆柱形孔洞、引线口A、引线口B、引线A和引线B。其中，传感器主体是材质为人体硅胶的中间弹性体，在传感器主体的内部设有若干圆柱形孔洞，在全部圆柱形孔洞内部设有液态导电金属溶液。圆柱形孔洞规则排布为阵列，排列在第一行的圆柱形孔洞，除第一个和最后一个圆柱形孔洞，其他的相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连。排列在最后一行的圆柱形孔洞，相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连。排列在第一行的第一个和最后一个圆柱形孔洞，分别设有引线口A和引线口B，引线口A处引出引线A，引线口B处引出引线B。柔性指尖压力传感器的检测方式为：在柔性指尖压力传感器上表面受到压力后，将使人体硅胶本体压缩形变，圆柱形孔洞内液态导电金属溶液对人体硅胶本体力作用几乎为零，其液态导电金属溶液形状将随着人体硅胶本体压缩而压缩，将人体硅胶本体简化为一个弹性模量E微变的弹性体，将手指对传感器的作用力简化为中央至边缘逐步减少的应力函数σz(xi,yi)，以其中某一圆柱形孔洞为例，根据线弹性断裂力学，圆柱形孔洞高度变化量Δhi＝4(1-v2)rσz(xi,yi)/E式中，i为第i个孔洞，Δhi为第i个圆柱形孔洞高度变化量，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz(xi,yi)为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。要使液态导电金属溶液体积的压缩需要大压力。在此应用场合，传感器受力时，液态导电金属溶液的体积V几乎不变，因此近似取微孔横截面积Si＝V/(h-Δhi)式中，i为第i个孔洞，S为微孔横截面积，V为孔洞内液态导电金属的体积，h为孔洞的高度，Δh为传感器受压时孔洞高度的变化值。因此，此圆柱形孔洞电阻 R i = ρ [ h - 4 ( 1 - v 2 ) rσ z ( x i , y i ) / E ] 2 V ]]>式中，i为第i个孔洞，Ri为圆柱形孔洞电阻，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。柔性指尖压力传感器引线A和引线B之间总电阻为各个圆柱形孔洞电阻之和 R = Σ i = 1 n R i = Σ i = 1 n ρ [ h - 4 ( 1 - v 2 ) rσ z ( x i , y i ) / E ] 2 V ]]>式中，i为第i个孔洞，n为圆柱形孔洞电阻的数量，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。用信号处理模块检测引出的引线A和引线B之间电阻值R，再根据具体实际标定出各个圆柱形孔洞电阻力协调系数ki。得出外力与电阻的公式关系 R = Σ i = 1 n k i F ρ [ h - 4 ( 1 - v 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性指尖压力传感器及其制作方法，主要包括传感器主体、圆柱形孔洞、引线口A、引线口B、引线A和引线B，其特征在于：传感器主体是材质为人体硅胶的中间弹性体，在传感器主体的内部设有圆柱形孔洞，在全部圆柱形孔洞内部设有液态导电金属溶液，圆柱形孔洞规则排布为阵列，排列在第一行的圆柱形孔洞，除第一个和最后一个圆柱形孔洞，其他的相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连，排列在最后一行的圆柱形孔洞，相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连，排列在第一行的第一个和最后一个圆柱形孔洞，分别设有引线口A和引线口B，引线口A处引出引线A，引线口B处引出引线B，柔性指尖压力传感器的检测方式为：在柔性指尖压力传感器上表面受到压力后，将使人体硅胶本体压缩形变，圆柱形孔洞内液态导电金属溶液对人体硅胶本体力作用几乎为零，其液态导电金属溶液形状将随着人体硅胶本体压缩而压缩，将人体硅胶本体简化为一个弹性模量E微变的弹性体，将手指对传感器的作用力简化为中央至边缘逐步减少的应力函数σz(xi,yi)，根据线弹性断裂力学，圆柱形孔洞高度变化量Δhi＝4(1‑v2)rσz(xi,yi)/E式中，i为第i个孔洞，Δhi为第i个圆柱形孔洞高度变化量，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz(xi,yi)为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。要使液态导电金属溶液体积的压缩需要大压力，在此应用场合，传感器受力时，液态导电金属溶液的体积V几乎不变，近似取微孔横截面积Si＝V/(h‑Δhi)式中，i为第i个孔洞，S为微孔横截面积，V为孔洞内液态导电金属的体积，h为孔洞的高度，Δh为传感器受压时孔洞高度的变化值。此圆柱形孔洞电 阻式中，i为第i个孔洞，Ri为圆柱形孔洞电阻，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。柔性指尖压力传感器引线A和引线B之间总电阻为各个圆柱形孔洞电阻之和式中，i为第i个孔洞，n为圆柱形孔洞电阻的数量，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。用信号处理模块检测引出的引线A和引线B之间电阻值R，再根据具体实际标定出各个圆柱形孔洞电阻力协调系数ki。得出外力与电阻的公式关系式中，i为第i个孔洞，n为圆柱形孔洞电阻的数量，F为外界力大小，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，E为弹性模量。...

【技术特征摘要】
1.一种柔性指尖压力传感器及其制作方法，主要包括传感器主体、圆柱形孔洞、引线口A、引线口B、引线A和引线B，其特征在于：传感器主体是材质为人体硅胶的中间弹性体，在传感器主体的内部设有圆柱形孔洞，在全部圆柱形孔洞内部设有液态导电金属溶液，圆柱形孔洞规则排布为阵列，排列在第一行的圆柱形孔洞，除第一个和最后一个圆柱形孔洞，其他的相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连，排列在最后一行的圆柱形孔洞，相邻的两两圆柱形孔洞之间通过金属片相连，排列在第一行的第一个和最后一个圆柱形孔洞，分别设有引线口A和引线口B，引线口A处引出引线A，引线口B处引出引线B，柔性指尖压力传感器的检测方式为：在柔性指尖压力传感器上表面受到压力后，将使人体硅胶本体压缩形变，圆柱形孔洞内液态导电金属溶液对人体硅胶本体力作用几乎为零，其液态导电金属溶液形状将随着人体硅胶本体压缩而压缩，将人体硅胶本体简化为一个弹性模量E微变的弹性体，将手指对传感器的作用力简化为中央至边缘逐步减少的应力函数σz(xi,yi)，根据线弹性断裂力学，圆柱形孔洞高度变化量Δhi＝4(1-v2)rσz(xi,yi)/E式中，i为第i个孔洞，Δhi为第i个圆柱形孔洞高度变化量，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz(xi,yi)为应力函数，x为x轴向，y为y轴向，z为z轴向，E为弹性模量。要使液态导电金属溶液体积的压缩需要大压力，在此应用场合，传感器受力时，液态导电金属溶液的体积V几乎不变，近似取微孔横截面积Si＝V/(h-Δhi)式中，i为第i个孔洞，S为微孔横截面积，V为孔洞内液态导电金属的体积，h为孔洞的高度，Δh为传感器受压时孔洞高度的变化值。此圆柱形孔洞电 阻式中，i为第i个孔洞，Ri为圆柱形孔洞电阻，ρ为液态导电金属溶液电阻率，h为孔洞的高度，V为孔洞内液态导电金属的体积，v为人体硅胶本体泊松比，r为圆柱形孔洞半径，σz为应力函数，x为x轴向，...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建涛，向喜梅，张弘，赵永生，许允斗，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13