[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

一種可識別壓力和剪力的柔性傳感器包括信號敏感層和微結構層。信號敏感層包括應變柵；應變柵包括壓力應變柵(2)和多個剪力應變柵(1)。柔性傳感器包括至少兩組剪力應變柵(1)，同一組的兩個剪力應變柵(1)沿圓周的徑向位于壓力應變柵(2)的兩側。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)；壓力應變柵結合部(4)的微結構(7)在圓周的徑向上覆蓋壓力應變柵(2)的金屬線段，剪力應變柵結合部(5)的微結構(7)具有在徑向上超出相應的剪力應變柵(1)的金屬線段的部分，多個剪力應變柵結合部(5)和相應的剪力應變柵(1)形成的結合體關于圓周的圓心對稱。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，且特別涉及一種可識別壓力和剪力的柔性傳感器。

背景技術

隨著科學技術的發展和人民生活水平的提高，醫療健康用可穿戴設備越來越受到人們的關注。應力或應變傳感器在健康檢測、智能屏幕、人機交互、電子皮膚等領域具有廣泛應用。近年來，人們開發了多種適合穿戴設備用柔性應力/應變傳感器，例如基于生物纖維素的應變傳感器、銀納米線傳感器、石墨烯柔性傳感器等。

面向未來的智能可穿戴設備，其發展趨勢是模擬人的皮膚實現復雜力學信號的檢測，而目前大部分柔性傳感器僅能感知壓應力或壓應變，不能檢測剪應力以及區分剪應力的方向。

發明內容

鑒于上述現有技術的狀態而做出本發明。本發明的目的在于提供一種可識別壓力和剪力的柔性傳感器，柔性傳感器能夠識別壓力，以及剪力的大小和方向。

提供一種可識別壓力和剪力的柔性傳感器，其包括襯底、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和位于所述多個剪力應變柵的中心的壓力應變柵，每個所述剪力應變柵和所述壓力應變柵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兩兩一組，所述柔性傳感器包括至少兩組所述剪力應變柵，同一組的兩個所述剪力應變柵沿所述圓周的徑向位于所述壓力應變柵的兩側；

所述微結構層包括多個微結構，所述微結構層包括壓力應變柵結合部和剪力應變柵結合部；

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

在至少一個實施方式中，所述柔性傳感器還包括導電網絡，所述導電網絡將所述壓力應變柵和每個所述剪力應變柵的兩端引出而用于形成導電回路。

在至少一個實施方式中，所述導電網絡包括連接線和導線，所述連接線將各所述剪力應變柵和所述壓力應變柵連接在一起，所述連接線與所述導線用于在所述應變柵和外部電設備之間形成電回路。

在至少一個實施方式中，當所述柔性傳感器受到壓力作用時，所述壓力應變柵產生電阻變化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為所述壓力應變柵的所述微結構的彈性模量，K₁為所述壓力應變柵的應變靈敏度系數，ε₁為所述壓力應變柵的壓應變，σ為所述壓力應變柵的壓應力，d₁為壓力應變柵的所述微結構的寬度；