本申请涉及包括应变检测层、主动驱动层和辅助驱动层，所述应变检测层与所述主动驱动层贴合，平置于支撑层之上；所述主动驱动层用于使所述压力传感器产生与压力方向相反的微小挠度；所述主动驱动层用于提供驱动力，当驱动力增加到一定大小，由所述应变检测层与所述主动驱动层组成的复合层薄膜发生变形模式的转变，局部区域脱离其支撑层表面；所述应变检测层可以检测薄膜变形，得到薄膜变形随所述驱动力的变化趋势，根据变形模式转变临界点对应的驱动力大小可以得到待测压强值。本发明专利技术提出的薄膜式柔性压力传感器厚度超薄，容易实现和曲面表面的贴合，几乎不影响系统原有压强。所用材料均为线性本构且复合层薄膜仅发生小变形，因此该传感器具有超高线性度、良好的重复性和大测量量程。传感器的测量值不会受到柔性施压物体弹性模量和环境温度的影响。物体弹性模量和环境温度的影响。物体弹性模量和环境温度的影响。
【技术实现步骤摘要】
一种可主动驱动变形的薄膜式柔性压力传感器
[0001]本专利技术属于压力传感器设计
，尤其涉及一种可主动驱动变形的薄膜式柔性压力传感器。
技术介绍
[0002]薄膜式柔性压力传感器较为轻薄，可以贴附于复杂的被测物表面测量压强，因此近年来获得了广泛的关注。例如，在医疗领域中，采用薄膜式柔性压力传感器可以贴附于足部测量足底压力分布，辅助医生为患者定制姿态矫具；在人体工程学中，采用薄膜式柔性压力传感器可以测量工程学椅面或床面的压力分布，为器具的设计提供参考数据。现有薄膜式压力传感器的主流设计思路为利用压力敏感材料的变形，将压力信号转换为电信号，通过测量电信号的大小测得压强。
[0003]由于实心平板状的压力敏感材料变形能力有限，用其制备的压力传感器通常无法实现较高灵敏度，因此许多学者致力于对压力敏感材料进行微结构设计，降低其结构刚度，使材料在压力作用下产生大变形，以提高传感器的灵敏系数。但是此类压力传感器采用的压力敏感材料中通常包含PDMS、Ecoflex等软材料，其材料本构的非线性及大变形的发生都会使得传感器的输出信号与压力信号为非线性关系，因此传感器在每次使用前都需要进行繁复的标定和清零操作。此外，也有部分学者对具有线性本构的无机材料(如金属)进行力学结构设计，在压力传感时材料仅发生小变形，实现了传感器的线性输出。但是此类压力传感器整体厚度较大(＞500μm)，因此弯曲刚度高，不利于传感器应用于生物医疗等场景；此外，较大的弯曲刚度还会改变具有柔性表面的系统原有压强，使得压强测量结果与实际不符。
专利
技术实现思路
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种可主动驱动变形的薄膜式柔性压力传感器，能够通过主动驱动复合层薄膜发生变形模式的转变并测量其应变反馈来得到物体表面压强分布。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0006]一种可主动驱动变形的薄膜式柔性压力传感器包括至少1个压力传感器单元，所述压力传感器单元包括应变检测层、主动驱动层和支撑层，所述应变检测层与所述主动驱动层贴合，平置于支撑层之上；
[0007]所述主动驱动层用于提供驱动力，当驱动力增加到一定大小，由所述应变检测层与所述主动驱动层组成的复合层薄膜发生变形模式的转变，局部区域脱离其支撑层表面；所述应变检测层可以检测薄膜变形，得到薄膜变形随所述驱动力的变化趋势，根据变形模式转变临界点对应的驱动力大小可以得到待测压强值。
[0008]所述主动驱动层包含至少一个线圈，所述压力传感器还包括辅助驱动层，所述辅助驱动层包括至少一个线圈，所述支撑层为所述辅助驱动层的其中一部分，控制所述主动
驱动层内的线圈与所述辅助驱动层内的线圈通有反向电流，可以产生让二者互斥的电磁驱动力；随着驱动力的增加，所述主动驱动层带动薄膜发生变形模式的转变，局部区域脱离其支撑层表面；所述应变检测层用于检测薄膜变形，以得到薄膜变形随所述驱动力的变化趋势，进而判断待测压强。
[0009]所述的线圈对导电薄膜材料进行图案化形成得到平面线圈。
[0010]所述应变检测层包括应变栅构成的全桥电路、电桥供电端口以及电桥测量端口。所述全桥电路的电阻为四个电阻式应变栅。其中两个所述电阻式应变栅根据力学变形对称性放置，保证二者电阻值始终一致，另外两个所述电阻式应变栅分别非对称放置在复合层薄膜平面视图下的不同位置；
[0011]当薄膜的挠度变化时，另外两个所述非对称放置电阻式应变栅所在位置应变之差也发生改变，引发二者电阻差值变化；
[0012]当所述应变检测层工作时，由所述电桥供电端口提供电桥工作电压，在所述电桥测量端口测得由所述电阻式应变栅阻值差引起的电压。
[0013]将导电薄膜材料进行图案化以形成所述全桥电路中的四个所述电阻式应变栅，四个所述电阻式应变栅存在电气连接，所述全桥电路、所述电桥供电端口以及所述电桥测量端口之间存在电气连接。
[0014]所述全桥电路位置在复合层薄膜厚度方向上最外侧或最内侧绝缘层的里侧1层。
[0015]所述绝缘层为弹性模量较低且不易发生塑性变形的绝缘材料。
[0016]所述电桥供电端口所用材料为电导率与所述全桥电路材料电导率相同量级或更高量级的导电薄膜材料。
[0017]所述电桥测量端口所用材料为电导率与全桥电路材料电导率相同量级或更高量级的导电薄膜材料。
[0018]所述主动驱动层和所述辅助驱动层还各包括2个线圈端口。
[0019]当所述压力传感器包括至少两个压力传感器单元时，每个压力传感器单元上的电桥供电正极端口相互连通后接入外部电压源，每个压力传感器单元上的电桥供电负极端口连通后接入外部电压源，所述电桥供电正极端口和所述电桥供电负极端口接入同一外部电压源。
[0020]当所述压力传感器包括至少两个压力传感器单元时，位于同一行或同一列的电压测量端口的正极相互连通后再连通至通道选择器1的不同输入口，位于同一列或同一行的所有电压测量端口的负极相互连通后再连通至通道选择器2上的不同输入口。
[0021]当所述压力传感器包括至少两个压力传感器单元时，位于同一行或同一列的所有电压测量端口主动驱动层的正极一个线圈端口相互连通后再连通至通道选择器3，位于同一行列或同一列行的主动驱动层所有电压测量端口的另一个线圈端口负极相互连通后再连通至通道选择器4上的不同输入口，所有电压测量端口的正极和所有电压测量端口的负极不在同一行或同一列。
[0022]当所述压力传感器包括至少两个压力传感器单元时，位于同一行或同一列的辅助驱动层的一个线圈端口相互连通后再连通至通道选择器5，位于同一列或同一行的辅助驱动层的另一个线圈端口相互连通后再连通至通道选择器6上的不同输入口。
[0023][0024]有益效果：本专利技术提出的薄膜式柔性压力传感器厚度薄，容易实现和曲面表面的贴合，几乎不影响系统原有压强。所用材料均为线性本构且复合层薄膜仅发生小变形，因此该传感器具有高线性度和好重复性。压力传感器的测量值不会受到环境温度的影响；
[0025]高线性度的优势：传感器容易进行标定，且进行清零操作后标定关系保持不变。
附图说明
[0026]图1是薄膜式柔性压力传感器的分层结构示意图；
[0027]图2是压力传感器单元的爆炸图；
[0028]图3是绝缘层1平面图；
[0029]图4是电桥及其供电层2平面图；
[0030]图5是绝缘层3平面图；
[0031]图6是上层线圈
①4‑
1与电桥测量电压端口(1)4
‑
2平面图；
[0032]图7是绝缘层5平面图；
[0033]图8是上层线圈
②6‑
1与电桥测量电压端口(2)6
‑
2平面图；
[0034]图9是绝缘层7及绝缘层15平面图；
[0035]图10是下层线圈
①
8、下层线圈
②
10及下层线圈
③
1本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可主动驱动变形的薄膜式柔性压力传感器，其特征在于，包括至少1个压力传感器单元，所述压力传感器单元包括应变检测层、主动驱动层和支撑层，所述应变检测层与所述主动驱动层贴合，平置于支撑层之上。2.所述主动驱动层用于提供驱动力，当驱动力增加到一定大小，由所述应变检测层与所述主动驱动层组成的复合层薄膜发生变形模式的转变，局部区域脱离其支撑层表面；所述应变检测层可以检测薄膜变形，得到薄膜变形随所述驱动力的变化趋势，根据变形模式转变临界点对应的驱动力大小可以得到待测压强值。3.根据权利要求1所述的一种可主动驱动变形的薄膜式柔性压力传感器，其特征在于，所述主动驱动层包含至少一个线圈，所述压力传感器还包括辅助驱动层，所述辅助驱动层包括至少一个线圈，所述支撑层为所述辅助驱动层的其中一部分，控制所述主动驱动层内的线圈与所述辅助驱动层内的线圈通有反向电流，可以产生让二者互斥的电磁驱动力；随着驱动力的增加，所述主动驱动层带动薄膜发生变形模式的转变，局部区域脱离其支撑层表面；所述应变检测层用于检测薄膜变形，以得到薄膜变形随所述驱动力的变化趋势，进而判断待测压强。4.根据权利要求1所述的一种可主动驱动变形的薄膜式柔性压力传感器，其特征在于，所述的线圈对导电薄膜材料进行图案化形成得到平面线圈。5.根据权利要求1所述的一种可主动驱动变形的薄膜式柔性压力传感器，其特征在于，所述应变检测层包括应变栅构成的全桥电路、电桥供电端口以及电桥测量端口。所述全桥电路的电阻为四个电阻式应变栅。其中两个所述电阻式应变栅根据力学变形对称性放置，保证二者电阻值始终一致，另外两个所述电阻式应变栅分别非对称放置在复合层薄膜平面视图下的不同位置。6.当复合层薄膜的变形模式发生转变时，另外两个所述非对称放置的电阻式应变栅所在位置应变之差也发生改变，引发二者电阻差值变化。7.当所述应变检测层工作时，由所述电桥供电端口提供电桥工作电压，在所述电桥测量端口测得由所述电阻式应变栅阻值差引起的电压。8.根据权利要求5所述的一种可主动驱动变形的薄膜式柔性压力传感器，其特征在于，将导电薄膜材料进行图案化以形成所述全桥电路中的四个所述电阻式应变栅，四个所述电阻式应变栅存在电气连接，所述全桥电路、所述电桥供电端口以及所述电桥测量端口之间存在电气连接。9.根据权利要求6所述的一种可...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏业旺，李爽，蓝昱群，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：
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