一种柔性多维力觉压力传感器

1.本发明涉及传感器领域，具体涉及一种柔性多维力觉压力传感器。


背景技术：

2.柔性多维力觉压力传感器是具有良好的柔韧性，可以覆盖在不规则载体表面测量力信息的触觉传感器，具有尺寸小、重量轻、便携性、可拉伸、可穿戴、柔韧性好等优点，在工业生产、健康监测、电子皮肤、生物工程、可穿戴电子产品等领域有着广泛的应用前景。根据不同的工作原理，压力传感器可分为电阻式、电容式和压电式。和电阻式、压电式传感器相比，电容式传感器具有灵敏度高、迟滞小、动态稳定性好等特点，因此得到了更广泛的应用。
3.理想的压力传感器，应该具有成本低廉、制备简单和耐用性强等特点。常规压力传感器在电力、汽车、家居、工业制造等行业具有广泛的应用前景，但是常规压力传感器大都基于硬性的支撑衬底，不适用于大面积或不规则表面的压力检测，存在加工成本高、流程复杂等问题。针对现有技术的缺陷，有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种具有高灵敏度、高稳定性、高延展与弯曲性的柔性多维力觉压力传感器。本发明是采用如下技术方案实现的：
5.一种柔性多维力觉压力传感器，包括柔性衬底；置于柔性衬底上的电极；电极之间的电介质层（绝缘液体）、分隔层、导线、流体通道以及溢流水库。所述柔性衬底包括上层柔性衬底和下层柔性衬底，衬底之间可通过胶黏剂粘接，电极分为上下层电极和内外侧电极，在上层柔性衬底上涂敷上层电极和内侧电极，在下层柔性衬底上涂敷下层电极和外侧电极，内侧电极和上层电极采用柔性分隔层封装，以防止上下层电极或内外侧电极直接接触而使传感器失效。电极层中粘附有延伸到电极层外部的导线，相邻传感器单元间设有流体通道来连接溢流水库，整个传感器最后采用封装层封装。将制得的传感器阵列分布，制成柔性多维力觉压力传感阵列。
6.进一步的，所述柔性衬底为聚氨酯柔性衬底、聚二甲基硅氧烷柔性衬底或硅橡胶柔性衬底的其中一种。
7.进一步的，所述电极为碳纳米管电极、炭黑电极、银纳米线电极或石墨烯电极的其中一种。
8.进一步的，所述分隔层为聚二甲基硅氧烷分隔层或者硅橡胶分隔层。
9.进一步的，所述介电层为去离子水介电层或甘油介电层。
10.进一步的，所述封装层的材料为聚二甲基硅氧烷封装层或者硅橡胶封装层。
11.进一步的，所述柔性多维力觉压力传感器通过上下电极判断法向力大小，通过内外侧电极判断切向力的大小，从而实现对多维力方向和大小的检测。
12.进一步的，所述柔性多维力觉压力传感器上层电极和内侧电极的导线从上层柔性
衬底引出，下层电极和外侧电极的导线从下层柔性衬底引出。
13.上述的一种柔性多维力觉压力传感器阵列设置得到柔性多维力觉压力传感器阵列，相邻传感器单元间设有流体通道来连接溢流水库。
14.柔性多维力觉压力传感器的具体制备方式如下：
15.（1）、柔性衬底的制备：将上下层衬底材料的预聚体与固化剂按照适当的比例混合后，放入行星搅拌机，抽离其中的气泡，然后倒入上下衬底各自的模具里，并置于60
‑
70℃的真空干燥箱内加热1
‑
2小时，使其固化成形；
16.（2）、电极层的制备：将电极层的材料与甲苯溶液以1:100的比例混合，然后在超声模式下使其混合充分。最后将其旋转涂敷在布置好导线的上下层柔性衬底上；
17.（3）、分隔层的制备：将分隔层材料的预聚体与固化剂按照适当的比例混合后，放入行星搅拌机，抽离其中的气泡，然后倒入模具里，并置于60
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70℃的真空干燥箱内加热1
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2小时，使其固化成形。最后通过胶黏剂与下层柔性衬底粘接；
18.（4）、电介质层的制备：在下层柔性衬底内填充液体电介质，保证上下层柔性衬底粘接后，液体电介质能够充满整个介电层，最后把上下层柔性衬底通过胶黏剂粘接；
19.（5）、柔性传感器阵列及封装：将制得的传感器阵列分布，相邻的两个传感器间采用管道连接彼此的介电层，使介电层内的液体可以互相流通，最外侧一圈传感器的介电层也使用管道连接到外部的溢流水库，该水库内充满了与介电层同材料的不可压缩的电介质液体，当传感器阵列受到载荷作用时，介电层内的液体会流到溢流水库内而使水库发生膨胀，当载荷消除时，膨胀的水库会恢复形变，将液体重新挤入介电层内。最后再把传感器阵列用柔性材料封装成一个整体。
20.优选的，步骤（1）中，柔性衬底材料选择聚二甲基硅氧烷或者硅橡胶。
21.步骤（2）中，电极材料选择碳纳米管或者炭黑。
22.步骤（3）中，分隔层材料选择聚二甲基硅氧烷或者硅橡胶。
23.步骤（4）中，介电层材料选择去离子水或者甘油。
24.步骤（5）中，封装层材料选择聚二甲基硅氧烷或者硅橡胶。
25.本发明的有益效果是：本发明采用柔性材料作为电极，传感器的延展性和可弯曲性有了很大的提升，连续弯折数次后依旧能保持稳定的检测性能，且导电性能也能维持在较高的水平，另外由于采用了液体作为介电层，故该传感器的灵敏度和迟滞特性都得到了很大的改善，相较于以空气作为介电层的传感器，灵敏度至少提升了5倍。
附图说明
26.图1为本发明的柔性多维力觉压力传感器的三维结构示意图。
27.图2为本发明的柔性多维力觉压力传感器的主视图。
28.图3为本发明的柔性多维力觉压力传感器的上部三维结构示意图。
29.图4为本发明的柔性多维力觉压力传感器的上部主视图。
30.图5为本发明的柔性多维力觉压力传感器的下部三维结构示意图。
31.图6为本发明的柔性多维力觉压力传感器的下部主视图。
32.图7为本发明的柔性多维力觉压力传感器阵列的三维图。
33.图8为本发明的柔性多维力觉压力传感器阵列的俯视图。
34.图9为本发明的柔性多维力觉压力传感器阵列的主视图。
35.其中，1、上层柔性衬底；2、内侧电极；3、外侧电极；4、分隔层；5、上层电极；6、液体介电层；7、下层电极；8、下层柔性衬底；9、管道；10、溢流水库；11、封装层；12、引线。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
37.如图1所示为本发明所述的柔性多维力觉压力传感器三维结构示意图，柔性多维力觉压力传感器包括柔性衬底、置于柔性衬底上的电极、电极连接的导线、电极之间的介电层和分隔层；所述柔性衬底包括上层柔性衬底1和下层柔性衬底8，上层柔性衬底和下层柔性衬底之间通过胶黏剂粘接，电极分为上下电极和内外侧电极，在上层柔性衬底上涂敷上层电极和内侧电极，在下层柔性衬底上涂敷下层电极和外侧电极，内侧电极和上层电极采用柔性分隔层封装；所述电极粘附有延伸到电极层外部的导线，所述电极之间设置分隔层与液体介电层6。置于上层柔性衬底上的内侧电极2、上层电极5、分隔层4以及引线12；置于下层柔性衬底上的外侧电极3和下层电极7以及导线。
38.上下层柔性衬底的材料可以采用聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、硅橡胶等具有较好柔韧性及绝缘性的材料。
39.电极层的材料主要包括碳纳米管、炭黑、银纳米线、石墨烯等，并采用旋转涂敷的方式制备到上下层柔性衬底上。
40.分隔层的材料主要包括聚二甲基硅氧烷、硅橡胶等具有较好柔韧性及绝缘性的材料。
41.介电层的材料主要包括去离子水或甘油等不可压缩的液体，它们的相对介电常数较高，用作电介质时，既能增加传感器的电容，又可以保持传感器的灵活性。
42.封装层的材料主要包括聚二甲基硅氧烷或者硅橡胶。
43.柔性压力传感器通过上下电极判断法向力大小，通过内外侧电极判断切向力的大小，从而实现对多维力方向和大小的检测。当有法向力作用时，上层柔性衬底被挤压向下，把介电层中的液体电介质挤入溢流水库内；当载荷卸去时，原先因被挤入液体而膨胀的溢流水库会恢复形变，把液体重新送回传感器阵列中，使电容恢复到初始值；当有切向力作用时，外侧电极受力向内挤压，将介电层中的液体电介质挤入溢流水库内；当载荷卸去时，原先因被挤入液体而膨胀的溢流水库会恢复形变，把液体重新送回传感器阵列中，使电容恢复到初始值。
44.柔性压力传感器上层电极和内侧电极的导线从上层柔性衬底引出，下层电极和外侧电极的导线从下层柔性衬底引出。在涂敷电极层时，先把导线布在柔性衬底上，再旋转涂敷电极。
45.实施例2
46.实施例1的柔性多维力觉压力传感器具体制备方式如下：
47.（1）、柔性衬底的制备：将上下层衬底材料的预聚体与固化剂按照适当的比例混合后，放入行星搅拌机，抽离其中的气泡，然后倒入上下衬底各自的模具里，并置于60
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70℃的真空干燥箱内加热1
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2小时，使其固化成形；
48.（2）、电极层的制备：将电极层的材料与甲苯溶液以1:100的比例混合，然后在超声
模式下使其混合充分。最后将其旋转涂敷在上下层柔性衬底上；
49.（3）、分隔层的制备：将绝缘层材料的预聚体与固化剂按照适当的比例混合后，放入行星搅拌机，抽离其中的气泡，然后倒入模具里，并置于60
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70℃的真空干燥箱内加热1
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2小时，使其固化成形。最后通过胶黏剂与下层柔性衬底粘接；
50.（4）、电介质层的制备：在下层柔性衬底内填充液体电介质，保证上下层柔性衬底粘接后，液体电介质能够充满整个介电层，最后把上下层柔性衬底通过胶黏剂粘接；
51.（5）、柔性传感器阵列及封装：将制得的传感器阵列分布，相邻的两个传感器间采用管道连接彼此的介电层，使介电层内的液体可以互相流通，最外侧一圈传感器的介电层也使用管道连接到外部的溢流水库，该水库内充满了与介电层同材料的不可压缩的电介质液体，当传感器阵列受到载荷作用时，介电层内的液体会流到溢流水库内而使水库发生膨胀，当载荷消除时，膨胀的水库会恢复形变，将液体重新挤入介电层内。最后再把传感器阵列用柔性材料封装成一个整体。
52.步骤（1）中，柔性衬底材料选择聚二甲基硅氧烷或者硅橡胶。
53.步骤（2）中，电极材料选择碳纳米管或者炭黑。
54.步骤（3）中，分隔层材料选择聚二甲基硅氧烷或者硅橡胶。
55.步骤（4）中，介电层材料选择去离子水或者甘油。
56.步骤（5）中，封装层材料选择聚二甲基硅氧烷或者硅橡胶。
57.相邻传感器单元间设有流体通道来连接溢流水库。
58.该柔性压力传感具有灵敏度高、柔韧性好、响应快、迟滞低等优点，而且其制作成本低，可大规模制造，用途广泛等诸多优点。
59.本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。