[發明專利]一種可主動驅動變形的薄膜式柔性壓力傳感器

在審

• 申請號: 202210724312.1
• 申請日: 2022-06-23
• 公開（公告）號: CN115112275A
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 蘇業旺;李爽;藍昱群
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22;G01L1/20
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

本申請涉及包括應變檢測層、主動驅動層和輔助驅動層，所述應變檢測層與所述主動驅動層貼合，平置于支撐層之上；所述主動驅動層用于使所述壓力傳感器產生與壓力方向相反的微小撓度；所述主動驅動層用于提供驅動力，當驅動力增加到一定大小，由所述應變檢測層與所述主動驅動層組成的復合層薄膜發生變形模式的轉變，局部區域脫離其支撐層表面；所述應變檢測層可以檢測薄膜變形，得到薄膜變形隨所述驅動力的變化趨勢，根據變形模式轉變臨界點對應的驅動力大小可以得到待測壓強值。本發明提出的薄膜式柔性壓力傳感器厚度超薄，容易實現和曲面表面的貼合，幾乎不影響系統原有壓強。所用材料均為線性本構且復合層薄膜僅發生小變形，因此該傳感器具有超高線性度、良好的重復性和大測量量程。傳感器的測量值不會受到柔性施壓物體彈性模量和環境溫度的影響。

技術領域

本發明屬于壓力傳感器設計技術領域，尤其涉及一種可主動驅動變形的薄膜式柔性壓力傳感器。

背景技術

薄膜式柔性壓力傳感器較為輕薄，可以貼附于復雜的被測物表面測量壓強，因此近年來獲得了廣泛的關注。例如，在醫療領域中，采用薄膜式柔性壓力傳感器可以貼附于足部測量足底壓力分布，輔助醫生為患者定制姿態矯具；在人體工程學中，采用薄膜式柔性壓力傳感器可以測量工程學椅面或床面的壓力分布，為器具的設計提供參考數據。現有薄膜式壓力傳感器的主流設計思路為利用壓力敏感材料的變形，將壓力信號轉換為電信號，通過測量電信號的大小測得壓強。

由于實心平板狀的壓力敏感材料變形能力有限，用其制備的壓力傳感器通常無法實現較高靈敏度，因此許多學者致力于對壓力敏感材料進行微結構設計，降低其結構剛度，使材料在壓力作用下產生大變形，以提高傳感器的靈敏系數。但是此類壓力傳感器采用的壓力敏感材料中通常包含PDMS、Ecoflex等軟材料，其材料本構的非線性及大變形的發生都會使得傳感器的輸出信號與壓力信號為非線性關系，因此傳感器在每次使用前都需要進行繁復的標定和清零操作。此外，也有部分學者對具有線性本構的無機材料(如金屬)進行力學結構設計，在壓力傳感時材料僅發生小變形，實現了傳感器的線性輸出。但是此類壓力傳感器整體厚度較大(＞500μm)，因此彎曲剛度高，不利于傳感器應用于生物醫療等場景；此外，較大的彎曲剛度還會改變具有柔性表面的系統原有壓強，使得壓強測量結果與實際不符。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供一種可主動驅動變形的薄膜式柔性壓力傳感器，能夠通過主動驅動復合層薄膜發生變形模式的轉變并測量其應變反饋來得到物體表面壓強分布。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案。

一種可主動驅動變形的薄膜式柔性壓力傳感器包括至少1個壓力傳感器單元，所述壓力傳感器單元包括應變檢測層、主動驅動層和支撐層，所述應變檢測層與所述主動驅動層貼合，平置于支撐層之上；

所述主動驅動層用于提供驅動力，當驅動力增加到一定大小，由所述應變檢測層與所述主動驅動層組成的復合層薄膜發生變形模式的轉變，局部區域脫離其支撐層表面；所述應變檢測層可以檢測薄膜變形，得到薄膜變形隨所述驅動力的變化趨勢，根據變形模式轉變臨界點對應的驅動力大小可以得到待測壓強值。

所述主動驅動層包含至少一個線圈，所述壓力傳感器還包括輔助驅動層，所述輔助驅動層包括至少一個線圈，所述支撐層為所述輔助驅動層的其中一部分，控制所述主動驅動層內的線圈與所述輔助驅動層內的線圈通有反向電流，可以產生讓二者互斥的電磁驅動力；隨著驅動力的增加，所述主動驅動層帶動薄膜發生變形模式的轉變，局部區域脫離其支撐層表面；所述應變檢測層用于檢測薄膜變形，以得到薄膜變形隨所述驅動力的變化趨勢，進而判斷待測壓強。

所述的線圈對導電薄膜材料進行圖案化形成得到平面線圈。

所述應變檢測層包括應變柵構成的全橋電路、電橋供電端口以及電橋測量端口。所述全橋電路的電阻為四個電阻式應變柵。其中兩個所述電阻式應變柵根據力學變形對稱性放置，保證二者電阻值始終一致，另外兩個所述電阻式應變柵分別非對稱放置在復合層薄膜平面視圖下的不同位置；