[發明專利]熱式壓力傳感器及柔性電子皮膚

有效

• 申請號: 201610041771.4
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105606291B
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發明（設計）人: 朱榮;趙帥
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01L7/08
• 分類號: G01L7/08;G01L1/16
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 李相雨

本發明公開了一種熱式壓力傳感器及柔性電子皮膚，熱式壓力傳感器包括：基底，其上設有第一熱敏電阻元件和第一溫度補償電阻元件，第一熱敏電阻元件和第一溫度補償電阻元件之上覆蓋有預設厚度的彈性膜；柔性電子皮膚包括：柔性基底，其上設有熱式壓力傳感器陣列(包括m行n列個熱式壓力傳感器)、熱式流場傳感器陣列(包括p行q列個熱式流場傳感器)和引線連線；熱式壓力傳感器與熱式流場傳感器交錯間隔排列；引線連線分別與熱式壓力傳感器陣列和熱式流場傳感器陣列連接。熱式壓力傳感器結構簡單、可柔性、靈敏度高，壓力測量范圍和靈敏度方便可調；柔性電子皮膚集成了觸感、溫感、風感和附著物感等功能，結構簡單、可大面積使用。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，特別涉及一種熱式壓力傳感器及柔性電子皮膚。

背景技術

壓力傳感器在各行各業都有廣泛的應用需求。常規壓力傳感器采用薄膜結構，當薄膜承受壓力時產生形變，這種形變轉化為電容信號或者被分布在薄膜上的應力敏感元件檢測獲得，從而轉化為電信號輸出。通常應力敏感元件采用壓阻材料，應力信息被轉換為電阻信息，通過測量電阻來感測應力乃至壓力的變化。

微型壓力傳感器通常基于硅基材料，采用微機械加工工藝制造傳感器，傳感器結構復雜、為剛性，難以滿足如電子皮膚應用等對柔性傳感器的需求。已有研究者開展了柔性壓阻材料的研制，采用碳納米管、炭黑等納米材料與聚合物材料混合形成具有壓阻特性的柔性材料，這種柔性壓阻材料已被用于制作柔性壓力傳感器，但該柔性壓力傳感器存在遲滯、測量范圍小、靈敏度不高等問題；且該柔性壓力傳感器形成的電子皮膚的功能集成度不高，常規只含有壓力測量或溫度測量，難以實現將觸感、溫感、風感、附著物感等功能集成的高仿真皮膚。

鑒于此，如何提供一種體積小、可柔性、結構簡單、靈敏度高的微型壓力傳感器以及一種基于該微型壓力傳感器的集觸感、溫感、風感、附著物感等功能為一體的柔性電子皮膚成為目前需要解決的技術問題。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明提供了一種熱式壓力傳感器及柔性電子皮膚，熱式壓力傳感器相比于現有的壓力傳感器，結構簡單、可柔性、靈敏度高，其壓力測量范圍和靈敏度方便可調；柔性電子皮膚將熱式壓力傳感器陣列、熱式流場傳感器陣列集成在柔性基底上，實現了集觸感、溫感、風感、附著物感等功能為一體的高仿真皮膚。

第一方面，本發明提供一種熱式壓力傳感器，包括：

基底，所述基底上設有第一熱敏電阻元件和第一溫度補償電阻元件，所述第一熱敏電阻元件和第一溫度補償電阻元件之上覆蓋有預設厚度的彈性膜；

所述第一熱敏電阻元件，用于在被加熱到高于環境溫度的工作溫度、且外界壓力使得所述彈性膜發生形變時檢測自身溫度的變化，并將自身溫度的變化轉換為電阻變化信號，進而檢測外界壓力造成的所述彈性膜導熱系數的變化；

所述第一溫度補償電阻元件，用于測量環境溫度并對所述第一熱敏電阻元件進行溫度補償。

可選的，所述熱式壓力傳感器，還包括：

第一信號調理電路，分別與所述第一熱敏電阻元件以及所述第一溫度補償電阻元件連接，用于調節所述第一熱敏電阻元件的工作溫度，以及將所述第一熱敏電阻元件和第一溫度補償電阻元件檢測的電阻變化信號轉換為電壓信號。

可選的，所述第一信號調理電路為恒流調理電路、或恒壓調理電路、或恒溫差調理電路。

可選的，所述恒溫差調理電路，包括：惠斯通電橋和運算放大器；

所述惠斯通電橋的一個橋臂為所述熱式壓力傳感器中的第一熱敏電阻元件，該橋臂的相對橋臂為所述熱式壓力傳感器中的第一溫度補償電阻元件，另外兩個橋臂均為固定電阻；

所述惠斯通電橋的兩輸出節點與所述運算放大器的輸入端連接，所述運算放大器的輸出端輸出反饋至所述惠斯通電橋的橋頂，形成閉環反饋回路；