[發(fā)明專利]壓入式介電高彈體壓力傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410803826.1
• 申請日: 2014-12-22
• 公開（公告）號: CN104535227A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曲紹興;劉俊杰;毛國勇;黃曉強;鄒咤南
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;G01L9/12
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓入式介電高彈體壓力傳感器。

背景技術(shù)

傳感器在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用并占有極其重要的地位。它作為一種傳感元件，是人們獲取信息的主要媒介。壓力傳感器是一種通過傳感元件感受外部壓力信息，并將其轉(zhuǎn)換為電信號的器件，在許多需要測量壓力的工程領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。例如應(yīng)用在智能機器人四肢上的觸覺傳感器，用于測量座椅或是床墊上壓力分布的傳感器，或是用于對鍋爐等高壓設(shè)備內(nèi)壓力測量的傳感器等。

根據(jù)工作原理的不同，壓力傳感器一般分為壓電式，壓阻式和電容式三種類型。目前，常見的壓阻式傳感器主要是以金屬電阻絲為傳感元件，這類傳感器具有響應(yīng)頻率高，靈敏度高，精度高等優(yōu)點，但它的缺點是制作復(fù)雜且易受溫度影響。典型的壓電式傳感器以PVDP薄膜為敏感元件，這種傳感器具有工作頻段寬，靈敏度高等優(yōu)點，但由于PVDP材料本身會隨溫度升高而發(fā)生退極化，因此這類傳感器的性能也易受溫度的影響。傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器的敏感元件主要為由敏感薄膜與平行電極組成的電容器。當受到外界壓力作用時，電容器會發(fā)生變形,從而通過測量其電容變化來實現(xiàn)傳感。這種傳感器具有耗能低，靈敏度高，穩(wěn)定等優(yōu)點。介電高彈體是一種被稱為活性軟材料的功能性材料，這種材料在外加電場作用下會發(fā)生變形。若沿著介電高彈體薄膜厚度方向施加一電場，則薄膜的厚度會降低，相應(yīng)地其表面積會增大。當電場消失后，其又會恢復(fù)到原來的構(gòu)型。這種材料具有電致變形大(可高達380％)，機電轉(zhuǎn)換效率高，能量密度大，質(zhì)量輕等優(yōu)點，常用于制作驅(qū)動器，能量采集器。另外，由于其具有大變形，抗疲勞與環(huán)境適應(yīng)性好的特點，因此也是一種制作傳感器的理想材料。

公開號為103954394A的中國專利申請“基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器及傳感壓力的方法”，公開了一種基于介電高彈聚合物的柔性壓力傳感器，該傳感器包括介電高彈聚合物薄膜夾層，分別粘接在其上下表面的柔性駐極體正、負電極，分別夾于柔性駐極體正、負電極與介電高彈聚合物薄膜并由介電高彈聚合物薄膜側(cè)面邊緣引出的導(dǎo)電跡線，上、下絕緣支撐環(huán)將多層薄膜組成的夾心結(jié)構(gòu)固定在其間；其傳感壓力的方法，利用分別帶有一定量正負電荷的柔性駐極體電極提供極化電場，介電彈性聚合物薄膜在外部壓力作用下發(fā)生曲面變形，電容隨之改變，通過測量正負電極的電壓可獲得外部壓力大小。但是由于需要較大壓力才能引起形變，因此靈敏度不高。

文獻“Novel?Dielectric?Elastomer?Sensors?for?Compression?Load?Detection”(Electroactive?Polymer?Actuators?and?Devices(EAPAD)2014)公開了一種新型的基于介電高彈體的壓力傳感器，這種傳感器包含了三層結(jié)構(gòu)。它采用了上下層橫截面為波浪型的一種設(shè)計，實現(xiàn)了將壓力作用轉(zhuǎn)化為其中間介電高彈體薄膜層的拉伸變形，從而實現(xiàn)了傳感器的高靈敏度。但這種設(shè)計難以實現(xiàn)平面分布式的組合，從而達到測量平面分布壓力的目的。若直接去按壓覆蓋有電極的介電高彈體薄膜，它的形變量是非常小的，如此小的形變量所導(dǎo)致的電容變化幾乎是不可的檢測的。因此，設(shè)計一種合理的結(jié)構(gòu)，放大由外力所造成的介電高彈體薄膜的變形量，從而提高電容的變化量，成為制作基于介電高彈體傳感器的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種壓入式介電高彈體壓力傳感器。

一種壓入式介電高彈體壓力傳感器，由下至上依次包括基底、傳感層和覆蓋層；所述基底和覆蓋層中，其中一者上設(shè)有容置孔，另外一者上設(shè)有與所述容置孔相配合以擠壓傳感層發(fā)生形變的凸柱；所述傳感層為上、下表面均設(shè)有柔性電極的介電高彈體薄膜。

本發(fā)明的壓力傳感器為壓入式，設(shè)計了一種三層結(jié)構(gòu)，在作為傳感層的介電高彈體薄膜上設(shè)置覆蓋層，且令覆蓋層和基底設(shè)有若干個用于使傳感層發(fā)生形變的配合機構(gòu)，可以實現(xiàn)用較小的壓力產(chǎn)生較大的薄膜形變，從而實現(xiàn)傳感器的高靈敏度。這種壓入式介電高彈體壓力傳感器具有高溫，高濕惡劣環(huán)境下工作的能力，靈敏度高，并且能量損耗小，容易實現(xiàn)高度的集成化，以及制備成本底，結(jié)構(gòu)簡單的特點。

本發(fā)明的壓入式壓力傳感器可以根據(jù)不同的工況，來靈活地調(diào)整介電高彈體薄膜材料與其表面柔性電極的組合，以及覆蓋在其外表面的兩層結(jié)構(gòu)(基底和覆蓋層)的材料，來滿足實際要求。

本發(fā)明中柔性電極可以采用碳膏。