CN106644194A - 电阻型压力传感器与可穿戴设备 - Google Patents

电阻型压力传感器与可穿戴设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种电阻型压力传感器与可穿戴设备。该电阻型压力传感器包括第一导电层、弹性隔离层与第二导电层，弹性隔离层设置在第一导电层的表面上，且弹性隔离层包括至少一个通孔；第二导电层设置在弹性隔离层的远离第一导电层的表面上，在未向电阻型压力传感器施加压力时，第一导电层与第二导电层处于隔离状态，当向电阻型压力传感器施加大于压力阈值的压力时，第一导电层与第二导电层通过通孔接触。该压力传感器的稳定性、重复性和耐疲劳性能均较好。

Description

电阻型压力传感器与可穿戴设备
技术领域
本申请涉及传感器领域，具体而言，涉及一种电阻型压力传感器与可穿戴设备。
背景技术
用于可穿戴电子设备以及智能纺织品的织物压力传感器已有相关专利报道。这些专利主要采用导电经纱和导电纬纱之间的接触电阻的变化来测量压力。但是，它们具有以下不足：(1)纱线属于较疏松的结构，经纱与纬纱接触面积面积变化的重复性通常很差，且难以实现线性化，使得电阻信号的线性度低，并且重复性差；(2)纱线表面的导电涂层会同时受到压力和剪切力作用，因此无法经受长期的循环加载，寿命有限；(3)因为织物结构透气透湿，而湿气会严重影响纱线的接触电阻，所以传感器极易受到湿气影响。
因此，亟需一种具有较高可靠性的压力传感器。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种电阻型压力传感器与可穿戴设备，以解决现有技术中的织物压力传感器稳定性差的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种电阻型压力传感器，该电阻型压力传感器包括：第一导电层；弹性隔离层，设置在上述第一导电层的表面上，且上述弹性隔离层包括至少一个通孔；第二导电层，设置在上述弹性隔离层的远离上述第一导电层的表面上，在未向上述电阻型压力传感器施加压力时，上述第一导电层与上述第二导电层处于隔离状态，当向上述电阻型压力传感器施加大于压力阈值的压力时，上述第一导电层与上述第二导电层通过上述通孔接触。
进一步地，上述通孔为圆形通孔或矩形通孔。
进一步地，上述第一导电层与第一导线电连接，上述第二导电层与第二导线电连接，上述第一导电层包括：一个或多个相互隔离的第一电接触部，上述第一电接触部在上述弹性隔离层上的投影与上述通孔一一对应重合或在对应的上述通孔的内部；一个或多个相互间隔的第一电连接部，各上述第一电连接部与一个或多个上述第一电接触部电连接，各上述第一电连接部用于将上述第一电接触部与上述第一导线连接，上述第二导电层包括：一个或多个相互隔离的第二电接触部，与上述第一电接触部一一对应设置，且各上述第二电接触部在上述弹性隔离层上的投影与对应的上述第一电接触部在上述弹性隔离层上的投影至少部分重合；一个或多个相互间隔的第二电连接部，各上述第二电连接部与一个或多个上述第二电接触部电连接，各上述第二电连接部用于将上述第二电接触部与上述第二导线连接。
进一步地，上述第一导电层和/或上述第二导电层的原料包括炭黑和硅橡胶的复合材料；优选地，上述弹性隔离层包括由聚氨酯形成的弹性织物。
进一步地，上述第一导线和/或上述第二导线包括镀银纤维导电纱线。
进一步地，上述电阻型压力传感器还包括：第一织物层，上述第一导电层设置在上述第一织物层的表面上，且上述第一导电层位于上述第一织物层与上述弹性隔离层之间；第二织物层，上述第二导电层设置在上述第二织物层的表面上，且上述第二导电层位于上述第二织物层与上述弹性隔离层之间。
进一步地，上述第一织物层和/或上述第二织物层包括涤纶平纹机织布。
进一步地，上述电阻型压力传感器还包括：第一粘结层，设置在上述第一织物层与上述弹性隔离层之间且避让上述通孔；第二粘结层，设置在上述第二织物层与上述弹性隔离层之间且避让上述通孔。
进一步地，上述第一粘结层和/或上述第二粘结层的原料包括热熔型TPU。
根据本申请的另一方面，提供了一种可穿戴设备，包括电阻型压力传感器，该电阻型压力传感器为任一种上述电阻型压力传感器。
应用本申请的技术方案，当没有外部压力时，两个导电层由于弹性隔离层的存在而相互分离。在施压情况下，第一导电层与第二导电层通过中间弹性隔离层的通孔进行面与面的接触从而导通并产生电阻信号。压力越大，第一导电层与第二导电层的接触面积越大，电阻值越小。因为第一导电层与第二导电层不是触点或者导线，所以实现了面接触。这极大地提高了压力传感器的稳定性、重复性和耐疲劳性能，并且大幅度改善了传感器的抗弯折和抗剪切能力。另外，可以通过改变弹性隔离层的厚度、弹性模量、通孔尺寸和通孔的形状来调节压力测量范围。且还可以通过控制两个导电层的厚度、表面形貌和电导率来调节压力传感器的灵敏度和电阻范围。当外部压力恰等于导通压力时，第一导电层与第二导电层相互接触，传感器的电阻从无穷大变为导通阈值电阻。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请的一种实施例提供的一种压力传感器的结构示意图；
图2示出了一种实施例提供的压力传感器的不同工作状态的结构示意图；
图3示出了本申请的另一种实施例提供的第一导电层和/或第二导电层的结构示意图；
图4示出了本申请的再一种实施例提供的第一导电层和/或第二导电层的结构示意图；
图5示出了本申请的又一种实施例提供的第一导电层和/或第二导电层的结构示意图；以及
图6示出了本申请的一种实施例提供的外部压力与压力传感器的电阻的曲线图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、第一织物层；2、第一导电层；3、弹性隔离层；4、第二导电层；5、第二织物层；30、通孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中的电阻型压力传感器主要导电经纱和导电纬纱之间的接触电阻的变化来测量压力，该压力传感器的稳定性较差，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种电阻型压力传感器与可穿戴设备。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种电阻型压力传感器，如图1所示，该电阻型压力传感器包括第一导电层2、弹性隔离层3与第二导电层4。其中，弹性隔离层3设置在上述第一导电层2的表面上，且上述弹性隔离层3包括至少一个通孔30；第二导电层4设置在上述弹性隔离层3的远离上述第一导电层2的表面上。
如图2所示的第一个状态图，在未向上述电阻型压力传感器施加压力时，上述第一导电层2与上述第二导电层4处于隔离状态，如图2所示的第二个与第三个状态图所示，当向上述电阻型压力传感器施加大于压力阈值的压力时，上述第一导电层2与上述第二导电层4通过上述通孔30接触，进而实现第一导电层与第二导电层导通并产生电阻信号，该压力阈值就是指使得第一导电层与第二导电层接触的压力。
压力越大，第一导电层与第二导电层之间的接触面积越大，电阻值越小。因为第一导电层与第二导电层不是触点或者导线，而是导电层的结构，因此，该电阻型压力传感器实现了面接触。这将极大地改善了电阻型压力传感器的稳定性、重复性和耐疲劳性能，并且大幅度改善了传感器的抗弯折和抗剪切能力。另外，可以通过改变弹性隔离层的厚度、弹性模量、通孔尺寸和通孔的形状来调节压力测量范围。且还可以通过控制两个导电层的厚度、表面形貌和电导率来调节电阻型压力传感器的灵敏度和电阻范围(包括初始电阻的大小)。当外部压力恰等于导通压力时，第一导电层与第二导电层相互接触，传感器的电阻从无穷大变为导通阈值电阻。
为了简化该电阻型压力传感器的制作过程，本申请的一种实施例中，如图2至图5所示，上述通孔30为圆形通孔或矩形通孔。
但是，通孔的形状并不限于上述提到的圆形或者矩形，该通孔的形状可以是现有技术中的任何形状，例如椭圆或三角形，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的通孔形状。
上述通孔的数量可以是一个也可以是多个，本领域技术人员可以根据实际情况设置合适数量的通孔，如图3与图5所示，上述弹性隔离层中的通孔30只有一个，如图4所示，上述弹性隔离层中的通孔30的数量为三个。
本申请中的第一导电层与第二导电层用于接触感应压力的部分，其在弹性隔离层的投影可以完全覆盖通孔，其投影也可以完全与通孔重合，其投影还可以位于通孔的内部，其投影还可以是一部分位于通孔的内部，另一部分位于通孔的外部。本领域技术人员可以根据实际情况设置合适的第一导电层与第二导电层，只要满足“当压力从0逐渐增大时，第一导电层与第二导电层的接触面积逐渐增大，且增大到一定程度停止增大”这一条件即可。
本申请的一种实施例中，上述第一导电层与第一导线电连接，上述第二导电层与第二导线电连接，上述第一导电层包括一个或多个相互隔离的第一电接触部与一个或多个相互隔离的第一电连接部，上述第一电接触部在上述弹性隔离层上的投影与上述通孔一一对应重合或在对应的上述通孔的内部；各第一电连接部与一个或多个上述第一电接触部电连接，各上述第一电连接部用于将上述第一电接触部与上述第一导线连接；上述第二导电层包括一个或多个相互隔离第二电接触部与一个或多个相互间隔第二电连接部，其中，第二电接触部与上述第一电接触部一一对应设置，且上述第二电接触部在上述弹性隔离层上的投影与对应的上述第一电接触部在上述弹性隔离层上的投影至少部分重合；各上述第二电连接部与一个或多个上述第二电接触部电连接，各上述第二电连接部用于将上述第二电接触部与上述第二导线连接。这样将第一导电层中的第一电接触部的面积设置为与通孔的面积相同或者小于通孔的面积，将第二导电层中的第二电接触部的面积设置为与通孔的面积相同或者小于通孔的面积，可以节省导电材料，降低电阻型压力传感器的成本。
当设置多个第一电接触部时，各电接触部之间可以是并联，也可以是串联，还可以是串并联混合的电连接关系，当该电阻型压力传感器包括多个间隔的第二电接触部时，多个电接触部之间可以是并联，也可以是串联，还可以是串并联混合的电连接关系。本领域技术人员可以根据实际情况设置各电接触部之间的电连接关系。
在实际的应用过程中，并不限于“第一电接触部与第二电接触部的面积均小于或者等于通孔的面积”的设置方式，还可以是第一电接触部与第二电接触部的面积不同时小于等于通孔的面积”的设置方式，例如，第一电接触部在弹性隔离层的投影覆盖通孔，第二电接触部在弹性隔离层上的投影小于或等于通孔的开孔面积。
上述第一导电层和第二导电层的原料可以独立地选自导电高分子原料或者导电复合原料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的原料形成第一导电层与第二导电层。并且，二者的原料可以是相同的，也可以是不同的。
本申请的一种实施例中，上述第一导电层和/或第二导电层的原料包括炭黑和硅橡胶的复合材料，这样可以实现更好的导电效果，且该复合材料兼具良好的弹性和导电性能，所以电阻型压力传感器的导电稳定性好，耐久性高。另外，该复合材料的适应温度范围广，成本低廉，环保无毒。
第一导电层和第二导电层是通过丝网印刷、孔板印刷或者喷涂等工艺设置于对应的织物层表面上的。优选使用丝网印刷工艺将导电材料涂覆在第一织物层与第二织物层的表面上，形成第一导电层与第二导电层。
上述的弹性隔离层可以选用实心板材、薄膜或者织物(可以是机织物、针织物、编结物或非织造布)。实心板材的原料可为硅胶、聚氨酯或其他弹性高分子材料。薄膜的原料也可以是硅胶、聚氨酯或其他弹性高分子材料，作为隔离弹性层的织物可以是天然纤维素纤维或人造纤维等材料。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适原料的弹性隔离层。
本申请中的再一种实施例中，上述弹性隔离层3包括由聚氨酯形成的弹性织物。该弹性织物绝缘性较好，具有良好的压缩变形能力和恢复能力，且柔软可弯折。
本申请的第一导电线与第二导电线可以独立地选自现有技术中的任何材料的导线，本领域技术人员可以根据实际情况选自合适材料的导线，并且可以根据实际情况设置二者的材料为相同或者不同。
第一导电层和第二导电层可采用焊接、粘接、缝纫、热压或刺绣等方式分别连接导线。
为了实现稳定性好、可靠性高且柔性好的导电连接，上述第一导线和/或上述第二导线包括镀银纤维导电纱线。
本申请的又一种实施例中，如图1与图2所示，上述电阻型压力传感器还包括第一织物层1与第二织物层5，上述第一导电层2设置在上述第一织物层1的表面上，且上述第一导电层2位于上述第一织物层1与上述弹性隔离层3之间；上述第二导电层4设置在上述第二织物层5的表面上，且上述第二导电层4位于上述第二织物层5与上述弹性隔离层3之间。这两个织物层可以满足现有技术中可穿戴设备的需求，且这两个织物层可以分别隔离两个导电层与身体，防止使用者触电。
上述第一织物层与第二织物层可以是现有技术中的任何材料的织物层，例如可以是机织布、针织布、编结物或者非织造布。本领域技术人员可以根据实际情况选择合适材料的织物层，并且可以根据实际情况设置二者为相同的织物层或者不同的织物层。
为了进一步保证该压力传感器的各部分连接的牢固性且同时对该压力传感器进行初步的封装，本申请的一种实施例中，上述第一织物层和/或上述第二织物层包括涤纶平纹机织布。
本申请的另一种实施例中，上述电阻型压力传感器还包括第一粘结层与第二粘结层，其中，第一粘结层设置在上述第一织物层与上述弹性隔离层之间且避让通孔；第二粘结层设置在上述第二织物层与上述弹性隔离层之间且避让通孔。这样可以进一步保证该电阻型压力传感器的弹性隔离层与第一织物层以及弹性隔离层与第二织物层能够很好地粘结在一起，进一步保证了织物层可以牢固地固定在弹性隔离层上，进一步保证了该电阻型压力传感器的性能可靠性与稳定性。
当导电层完全覆盖织物层时，粘结层设置在导电层的表面上，且粘结层在弹性隔离层的投影与通孔之间不具有重合的部分。
当导电层不完全覆盖织物层时，粘结层设置在织物层表面的未置设导电层的区域，或者是设置在织物层表面的未置设导电层的区域以及导电层的远离上述织物层的部分表面上(该部分在弹性隔离层的投影与通过之间不具有重合的部分)。
上述的第一粘结层与第二粘结层的材料可以现有技术中的任何具有粘结作用的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的粘结材料形成上述的第一粘结层与第二粘结层。例如可以选择热熔型TPU、丙烯酸类、酚醛类和/或环氧类粘合剂。并且可以根据实际情况设置为二者为相同或者不同的材料层。
本申请的再一种实施例中，上述第一粘结层和/或上述第二粘结层的原料包括热熔型TPU，这样可以实现简单快速的热压粘接，在保证压力传感器的性能可靠性和稳定性的前提下，简化工艺，节省成本。
本申请的再一种典型的实施方式中，提供了一种可穿戴设备，包括电阻型压力传感器，上述电阻型压力传感器为任一种上述的电阻型压力传感器。
该可穿戴设备由于包括上述的电阻型压力传感器，使得该可穿戴设备的性能较好且较稳定。
本申请中的电阻型压力传感器可以使用现有技术中的任何可以实现的方法制作，本申请的一种实施例中，上述电阻型压力传感器的制作方法包括：在第一织物层和第二织物层上分别印刷导电层，形成第一导电层与第二导电层；将弹性隔离层与两个粘结层复合，且粘结层位于上述弹性隔离层的两个表面上；在复合后的弹性隔离层上用刻刀切割或者冲轧形成通孔；第一导电层和第二导电层分别连接导电线；将涂有导电层的第一织物层和第二织物层与弹性隔离层对齐，通过粘结层进行复合，形成电阻型压力传感器。
为了使得本领域技术人员可以更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案。
实施例
电阻型压力传感器的结构如图1所示，电阻型压力传感器依次包括第一织物层1、第一导电层2、第一粘结层、弹性隔离层3、第二粘结层、第二导电层4、第二织物层5。其中，第一导电层2设置在第一织物层1的表面上，且完全覆盖第一织物层1，第二导电层4设置在第二织物层5的表面上，且完全覆盖第二织物层5；第一粘结层设置在导电层的部分区域上，该区域在弹性隔离层3上的投影与通孔30没有重合的部分，第二粘结层设置在导电层的部分区域上，该区域在弹性隔离层3上的投影与通孔30没有重合的部分；弹性隔离层3具有一个圆形通孔30。第一织物层1与第二织物层5为涤纶平纹机织布，弹性隔离层3为由聚氨酯长丝织造而成的经编弹性针织布，第一粘结层与第二粘结层为热熔型TPU层，第一导电层2与第二导电层4为炭黑和硅橡胶的复合材料层。
该电阻型压力传感器的制作方法包括：将炭黑与硅橡胶的复合材料通过丝网印刷工艺均匀地涂覆于第一织物层1和第二织物层5的表面上，加热后硅胶固化，形成第一导电层2与第二导电层4；
将经编弹性针织布与热熔型TPU层，通过热压加工复合粘结，中间为弹性隔离层3，两边为热熔型TPU层；
将复合后的弹性隔离层3使用激光切割机，切割出单个的圆形透孔；
在设置有第一导电层2的第一织物层1上以及设置有第二导电层4的第二织物层5上使用缝纫的方法，连接上镀银纤维导电线；
将弹性隔离层3与两个织物层，通过热压加工复合粘结，形成图1所示的结构，图中未示出第一粘结层与第二粘结层。
采用力电耦合的设备测试该电阻型压力传感器在循环压力加载的情况下的电阻变化曲线。其中，循环压力由万能测试机提供，电阻由与万能测试机时钟同步的万用表测量，测试结果具体见图6。
由图6所示，该压力传感器所受的压力与其电阻具有良好的线性关系，其稳定性高且重复度高。该电阻型压力传感器的结构简单且轻薄，可良好的嵌入到服用纺织品之中；其压力测量范围可调、初始电阻可调且灵敏度可调；其抗弯折和抗剪切能力强；其耐疲劳且疲劳寿命不低于一百万次；可用于智能鞋和鞋垫、智能袜子、智能坐垫以及智能服装等可穿戴智能纺织品。
该电阻型压力传感器由于通过第一导电层与第二导电层的面面接触，避免了现有技术中的接触面积较小的问题，使得该压力传感器具有较好的稳定性、重复性和耐疲劳性能。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1)、本申请的电阻型压力传感器实现了面接触。这将极大的电阻型压力传感器的稳定性、重复性和耐疲劳性能，并且大幅度改善了传感器的抗弯折和抗剪切能力。另外，可以通过改变弹性隔离层的厚度、弹性模量、通孔尺寸和通孔的形状来调节压力测量范围。且还可以通过控制两个导电层的厚度、表面形貌和电导率来调节电阻型压力传感器的灵敏度和电阻范围。当外部压力恰等于导通压强时，第一导电层与第二导电层相互接触，传感器的电阻从无穷大变为导通阈值电阻。
2)、本申请的可穿戴设备由于包括上述的电阻型压力传感器，使得该可穿戴设备的性能较好且较稳定。
以上上述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电阻型压力传感器，其特征在于，所述电阻型压力传感器包括：
第一导电层(2)；
弹性隔离层(3)，设置在所述第一导电层(2)的表面上，且所述弹性隔离层(3)包括至少一个通孔(30)；以及
第二导电层(4)，设置在所述弹性隔离层(3)的远离所述第一导电层(2)的表面上，在未向所述电阻型压力传感器施加压力时，所述第一导电层(2)与所述第二导电层(4)处于隔离状态，当向所述电阻型压力传感器施加大于压力阈值的压力时，所述第一导电层(2)与所述第二导电层(4)通过所述通孔(30)接触。
2.根据权利要求1所述的电阻型压力传感器，其特征在于，所述通孔(30)为圆形通孔或矩形通孔。
3.根据权利要求1所述的电阻型压力传感器，其特征在于，所述第一导电层(2)与第一导线电连接，所述第二导电层(4)与第二导线电连接，
所述第一导电层(2)包括：
一个或多个相互隔离的第一电接触部，所述第一电接触部在所述弹性隔离层(3)上的投影与所述通孔(30)一一对应重合或在对应的所述通孔(30)的内部；
一个或多个相互间隔的第一电连接部，各所述第一电连接部与一个或多个所述第一电接触部电连接，各所述第一电连接部用于将所述第一电接触部与所述第一导线连接，
所述第二导电层(4)包括：
一个或多个相互隔离的第二电接触部，与所述第一电接触部一一对应设置，且各所述第二电接触部在所述弹性隔离层(3)上的投影与对应的所述第一电接触部在所述弹性隔离层(3)上的投影至少部分重合；
一个或多个相互间隔的第二电连接部，各所述第二电连接部与一个或多个所述第二电接触部电连接，各所述第二电连接部用于将所述第二电接触部与所述第二导线连接。
4.根据权利要求1所述的电阻型压力传感器，其特征在于，所述第一导电层(2)和/或所述第二导电层(4)的原料包括炭黑和硅橡胶的复合材料；优选地，所述弹性隔离层(3)包括由聚氨酯形成的弹性织物。
5.根据权利要求3所述的电阻型压力传感器，其特征在于，所述第一导线和/或所述第二导线包括镀银纤维导电纱线。
6.根据权利要求1所述的电阻型压力传感器，其特征在于，所述电阻型压力传感器还包括：
第一织物层(1)，所述第一导电层(2)设置在所述第一织物层(1)的表面上，且所述第一导电层(2)位于所述第一织物层(1)与所述弹性隔离层(3)之间；以及
第二织物层(5)，所述第二导电层(4)设置在所述第二织物层(5)的表面上，且所述第二导电层(4)位于所述第二织物层(5)与所述弹性隔离层(3)之间。
7.根据权利要求6所述的电阻型压力传感器，其特征在于，所述第一织物层(1)和/或所述第二织物层(5)包括涤纶平纹机织布。
8.根据权利要求6所述的电阻型压力传感器，其特征在于，所述电阻型压力传感器还包括：
第一粘结层，设置在所述第一织物层(1)与所述弹性隔离层(3)之间且避让所述通孔(30)；以及
第二粘结层，设置在所述第二织物层(5)与所述弹性隔离层(3)之间且避让所述通孔(30)。
9.根据权利要求8所述的电阻型压力传感器，其特征在于，所述第一粘结层和/或所述第二粘结层的原料包括热熔型TPU。
10.一种可穿戴设备，包括电阻型压力传感器，其特征在于，所述电阻型压力传感器为权利要求1至9中任一项所述电阻型压力传感器。
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