[發明專利]一種可測量法向和切向力的柔性力傳感器

有效

• 申請號: 201410562317.4
• 申請日: 2014-10-22
• 公開（公告）號: CN104266780A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 潘宏青;魏璇;王菲露;汪玉冰;曹平國;雙豐
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14
• 代理公司: 合肥天明專利事務所 34115
• 代理人: 宋倩;奚華保

技術領域

本發明涉及物理測量儀器技術領域，具體是一種可測量法向和切向力的柔性力傳感器。

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背景技術

力學傳感器是將各種力學測量量轉換為電信號的傳感器件，廣泛應用于生產、生活中的各個方面。而且隨著便攜電子裝置、可穿戴設備、智能機器人等機電裝置的快速發展，具有體積小、重量輕、低功耗和高可靠性等優點的微小型傳感器開始大量應用。

電容式力學傳感器將檢測到的力學量轉換為電容測量值，具有結構簡單、靈敏度高、測量范圍大、動態響應時間短和穩定性好等一系列優點，是目前力學傳感器發展的熱點。根據制作材料的性質，電容式力學傳感器可分為全固態、半固態和柔性結構，其中柔性結構可應用于觸覺傳感器、機器人皮膚等需要適當彈性或匹配復雜外形的環境，因而具有更廣泛的適用性。

目前的電容式力學傳感器大多數為全固態或半固態結構，基于柔性結構的設計甚少。中國專利CN101059380B公開了一種柔性電容式觸覺傳感器的制作方法，利用PDMS中間層、柔性PI襯底和圖形化的金屬薄膜電極制備了一種可感受法向力和切向力的柔性觸覺傳感器；中國專利申請CN103424214A公開了一種柔性電容式觸覺傳感器及其柔性電容單元的制備方法，通過相互交錯的三對異形結構的柔性電極板和柔性介電層實現了三維力的檢測。但是，上述兩份文件中涉及的介電層均為實心填充結構，不利于電極板之間的相對位移，導致測量的靈敏度較低。

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發明內容

本發明的目的在于提供一種可測量法向和切向力的柔性力傳感器，采用柔性支架層替代傳統的實心介電層，有效提高測量靈敏度。

本發明的技術方案為：

一種可測量法向和切向力的柔性力傳感器，包括柔性力敏感單元以及與其電連接的檢測電路單元，所述柔性力敏感單元由上柔性電極板層、下柔性電極板層以及位于所述上柔性電極板層與下柔性電極板層之間的柔性支架層組成；所述柔性支架層由帶有空隙的柔性支撐體以及位于所述柔性支撐體空隙中的填充氣體組成。

所述的可測量法向和切向力的柔性力傳感器，所述柔性支撐體為若干相互平行且均勻分布的柔性支撐柱，所述柔性支撐柱采用柔性柱狀硅橡膠材料制成。

所述的可測量法向和切向力的柔性力傳感器，所述柔性支撐體為柔性多孔結構的支撐塊，所述柔性多孔結構的支撐塊采用柔性多孔硅橡膠材料制成。

所述的可測量法向和切向力的柔性力傳感器，所述柔性支撐體占柔性支架層空間的比例為30%～70%。

所述的可測量法向和切向力的柔性力傳感器，所述填充氣體為空氣、氮氣、惰性氣體三者之一。

所述的可測量法向和切向力的柔性力傳感器，所述上柔性電極板層和下柔性電極板層為平板狀電極，所述平板狀電極采用柔性導電橡膠或者以柔性硅橡膠材料為基體表面鍍上導電層制成。

所述的可測量法向和切向力的柔性力傳感器，所述柔性支架層分別與上柔性電極板層和下柔性電極板層通過粘合劑粘接在一起，或者澆筑成一體。

所述的可測量法向和切向力的柔性力傳感器，所述檢測電路單元由柔性封包層以及埋置于柔性封包層中的電子元件和柔性導線組成；所述柔性封包層設置于下柔性電極板層的底部正下方，其上開設有通孔，所述通孔中灌注有導電膠水，所述電子元件通過導電膠水與下柔性電極板層電連接。

所述的可測量法向和切向力的柔性力傳感器，所述柔性封包層采用柔性硅橡膠材料制成。

由上述技術方案可知，本發明的柔性力傳感器采用柔性支架層替代傳統的實心介電層，有效提高了傳感器受力時的電容變化值，顯著改善了力測量靈敏度，同時將檢測電路單元設置在柔性力敏感單元的底部正下方，使整個傳感器結構緊湊，易于使用。

附圖說明

圖1是本發明具體實施例的結構示意圖；

圖2是本發明具體實施例的結構分解示意圖；

圖3是本發明具體實施例的電路原理示意圖。

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具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例進一步說明本發明。

如圖1～圖2所示，一種可測量法向和切向力的柔性力傳感器，包括柔性力敏感單元和檢測電路單元。柔性力敏感單元從上至下依次為上柔性電極板層1、柔性支架層2和下柔性電極板層3。上柔性電極板層1和下柔性電極板層3是由柔性導電橡膠或者以柔性硅橡膠材料為基體表面鍍上導電層制成的平板狀電極。柔性支架層2由帶有空隙的柔性支撐體以及位于柔性支撐體空隙中的填充氣體組成。柔性支撐體占柔性支架層空間的比例為30%～70%，其余部分以空氣、氮氣或惰性氣體填充。