本申请涉及一种可主动驱动变形的薄膜式柔性压力传感器，包括应变检测层和主动驱动层，所述应变检测层与所述主动驱动层贴合；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力分布。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、高重复性和大量程。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。同时，根据输出信号进一步分析，还可以获得柔性施压物体的弹性模量大小。还可以获得柔性施压物体的弹性模量大小。还可以获得柔性施压物体的弹性模量大小。
【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
[0005]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和主动驱动层，所述应变检测层与所述主动驱动层贴合；
[0006]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。
[0007]所述主动驱动层包括正极端口、压电材料、负极端口以及上下绝缘层，所述压电材料位于所述正极与所述负极之间，通过控制所述正极与所述负极之间的电压能够使压电材料伸长或收缩，当所述压电材料位于所述复合层薄膜中性层的上方或下方时，所述压电材料的伸长或收缩会产生驱动力。当电压增加到一定大小时，所述驱动力会使所述复合层薄膜的变形模式发生变化。
[0008]所述应变检测层包括全桥电路、电桥供电端口、电桥测量端口。所述全桥电路包括四个电阻式应变栅，其中两个所述电阻式应变栅根据力学变形对称性放置，保证两者的电阻值始终一致，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，当电桥处于供电工作状态时，如果另外两个非对称放置电阻式应变栅的电阻值有差异，则会引起电桥不平衡，即电桥两电压测量端口的电压值不为0；
[0009]当所述复合层薄膜的变形模式发生变化时，另外两个非对称放置电阻式应变栅所在位置应变的差也发生改变，引发两者电阻差值变化。
[0010]每个所述电阻式应变栅之间存在电气连接，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均存在电气连接。
[0011]所述电桥供电端口和电桥测量端口所用材料为电导率与所述全桥电路制作材料电导率相同量级或更高量级的导电薄膜材料。
[0012]所述压电材料选用压电陶瓷。
[0013]所述上下绝缘层为弹性模量较低和不易发生塑性变形的绝缘材料。
[0014]所述导电薄膜材料选用阻值变化与应变变化具有线性关系的材料。
[0015]所述传感器的所用材料均为线性本构且复合层薄膜仅发生小变形。
[0016]所述应变检测层包括一个电桥供电正极端口、一个电桥供电负极端口以及两个电桥电压测量端口，所述主动驱动层包括一个压电材料正极端口和一个压电材料负极端口。
[0017]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。
[0018]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的正极相互连通后再连通至通道选择器1，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。
[0019]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压电材料的正极端口相互连通后再连通至通道选择器3，位于同一列或同一行的所有压电材料的负极端口相互连通后再连通至通道选择器4上的不同输入口。
[0020]所述支撑面为传感器所贴附物体的表面，即传感器位于支撑面与施加待测压强的物体表面之间。
[0021]有益效果：本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，因此该传感器具有高线性度、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。同时，根据输出信号进一步分析，还可以获得柔性施压物体的弹性模量大小；
[0022]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
[0023]图1是薄膜式柔性压力传感器的分层结构示意图；
[0024]图2是压力传感器单元的爆炸图；
[0025]图3是绝缘层1平面图；
[0026]图4是电桥及其供电层2平面图；
[0027]图5是绝缘层3平面图；
[0028]图6是电桥测量电压端口(1)层4平面图；
[0029]图7是绝缘层5平面图；
[0030]图8是地层6平面图；
[0031]图9是压电层7平面图；
[0032]图10是压电正极层8平面图；
[0033]图11是绝缘层9平面图；
[0034]图12是压力传感器单元工作时1/4模型切面图；
[0035]图13是压力传感器单元应变检测层电路示意图；
[0036]图14是应变差随压电正极层8与地层6之间电压的变化图；
[0037]图15是不同压强下的临界电压值；
[0038]图16是3
×
3的压力传感器阵列的电桥及其供电层平面图；
[0039]图17是3
×
3压力传感器阵列的应变检测层电路示意图；
[0040]图18是3
×
3压力传感器阵列的主动驱动层电路示意图。
具体实施方式
[0041]以下结合具体实施例和说明书附图对本专利技术作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人本文档来自技高网...
【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和主动驱动层，所述应变检测层与所述主动驱动层贴合；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。2.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，所述主动驱动层包括正极端口、压电材料、负极端口以及绝缘层，所述压电材料位于所述正极与所述负极之间，通过控制所述正极与所述负极之间的电压能够使压电材料伸长或收缩，当所述压电材料位于所述复合层薄膜中性层的上方或下方时，所述压电材料的伸长或收缩会产生驱动力。当电压增加到一定大小时，所述驱动力会使所述复合层薄膜发生变形。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，所述应变检测层包括全桥电路、电桥供电端口、电桥测量端口。所述全桥电路包括四个电阻式应变栅，其中两个所述电阻式应变栅根据力学变形对称性放置，保证两者的电阻值始终一致，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，当电桥处于供电工作状态时，如果另外两个非对称放置电阻式应变栅的电阻值有差异，则会引起电桥不平衡，即电桥两电压测量端口的电压值不为0；当所述复合层薄膜的变形模式发生变化时，另外两个非对称放置电阻式应变栅所在位置应变的差也发生改变，引发两者电阻差值变化。4.根据权利要求3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，所述电阻式应变栅之间存在电气连接，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均存在电气连接。5.根据权利要求4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，所述应变感应层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。6.根据权利要求3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，所述电桥供电端口和电桥测量端口所...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏业旺，蓝昱群，李爽，
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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