[發明專利]可識別壓力和剪力的柔性傳感器

有效

• 申請號: 202010114649.1
• 申請日: 2020-02-25
• 公開（公告）號: CN111256884B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 馮雪;劉亞風;馬寅佶
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01D5/00
• 分類號: G01D5/00;G01L1/18;G01L5/162
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;張會華

1.一種可識別壓力和剪力的柔性傳感器，其包括襯底(6)，其特征在于，還包括信號敏感層和微結構層，所述信號敏感層包括應變柵且層疊于所述襯底(6)的上表面；

所述應變柵包括沿圓周方向排布的多個剪力應變柵(1)和位于所述多個剪力應變柵(1)的中心的壓力應變柵(2)，每個所述剪力應變柵(1)和所述壓力應變柵(2)均具有首尾相連而形成為蛇形的多個金屬線段，所述多個剪力應變柵(1)兩兩一組，所述柔性傳感器包括至少兩組所述剪力應變柵(1)，同一組的兩個所述剪力應變柵(1)沿所述圓周的徑向位于所述壓力應變柵(2)的兩側；

所述微結構層包括多個微結構(7)，所述微結構層包括壓力應變柵結合部(4)和剪力應變柵結合部(5)；

所述壓力應變柵結合部(4)的所述微結構(7)在所述圓周的徑向上覆蓋所述壓力應變柵(2)的所述金屬線段，所述剪力應變柵結合部(5)的所述微結構(7)具有在所述圓周的徑向上超出相應的所述剪力應變柵(1)的所述金屬線段的部分，多個所述剪力應變柵結合部(5)和相應的所述剪力應變柵(1)形成的結合體關于所述圓周的圓心對稱。

2.根據權利要求1所述的可識別壓力和剪力的柔性傳感器，其特征在于，所述柔性傳感器還包括導電網絡(3)，所述導電網絡(3)將所述壓力應變柵(2)和每個所述剪力應變柵(1)的兩端引出而用于形成導電回路。

3.根據權利要求2所述的可識別壓力和剪力的柔性傳感器，其特征在于，所述導電網絡(3)包括連接線(31)和導線(32)，所述連接線(31)將各所述剪力應變柵(1)和所述壓力應變柵(2)連接在一起，所述導線(32)連接至所述連接線(31)、各個所述剪力應變柵(1)和所述壓力應變柵(2)，從而所述導電網絡(3)用于在所述剪力應變柵(1)、所述壓力應變柵(2)和外部電設備之間形成電回路。

4.根據權利要求1所述的可識別壓力和剪力的柔性傳感器，其特征在于，當所述柔性傳感器受到壓力作用時，所述壓力應變柵(2)產生電阻變化ΔR₁，并根據公式(1-1)、公式(1-2)和公式(1-3)識別所述柔性傳感器所受的壓力F_P：

ΔR₁＝K₁ε₁ (1-1)；

其中，E₁為所述壓力應變柵(2)的所述微結構(7)的彈性模量，K₁為所述壓力應變柵(2)的應變靈敏度系數，ε₁為所述壓力應變柵(2)的壓應變，σ為所述壓力應變柵(2)的壓應力，d₁為壓力應變柵(2)的所述微結構(7)的寬度；

當所述柔性傳感器受到剪力作用時，同一組所述剪力應變柵(1)受到剪力分力F_τ，沿著所述剪力分力F_τ的方向位于前方和后方的所述剪力應變柵(1)分別產生電阻變化ΔR₂₁和ΔR₂₂，所述柔性傳感器根據公式(2-1)、公式(2-2)、公式(2-3)、公式(3-1)、公式(3-2)和公式(3-3)識別所述剪力分力F_τ：

對于沿著所述剪力分力F_τ的方向位于前方的所述剪力應變柵(1)：

ΔR₂₁＝K₂₁ε₂₁ (2-1)；

對于沿著所述剪力分力F_τ的方向位于后方的所述剪力應變柵(1)：

ΔR₂₂＝K₂₂ε₂₂ (3-1)；

其中，E₂₁和E₂₂為相應的所述剪力應變柵(1)的所述微結構(7)的彈性模量，K₂₁和K₂₂為相應的所述剪力應變柵(1)的應變靈敏度系數，ε₂₁和ε₂₂為相應的所述剪力應變柵(1)的壓應變，σ₂₁和σ₂₂為相應的所述剪力應變柵(1)的壓應力，η₂₁和η₂₂為相應的所述剪力應變柵(1)的所述微結構與相應的所述剪力應變柵(1)的所述金屬線段的位置偏移，L₂₁和L₂₂為相應的所述剪力應變柵(1)的所述微結構(7)的高度，d₂₁和d₂₂為相應的所述剪力應變柵(1)的所述微結構(7)的寬度；

所述柔性傳感器所受的剪力通過對不同組的所述剪力應變柵(1)識別的所述剪力分力F_τ按照四邊形法則合成而得。