CN110987246B - 柔性传感器和柔性传感器的制备、使用方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种柔性传感器和柔性传感器的制备、使用方法，柔性传感器包括容纳腔和至少两个电信号测量器件；其中：容纳腔内填充有液态导电介质；至少两个电信号测量器件分别与容纳腔连通，且任意两个电信号测量器件与容纳腔之间的连线具有夹角。利用容纳腔内液态导电介质的流动性，当受到一定方向的外力作用挤压时，不同方向的电信号测量器件中会流入不同量的液态导电介质，进而可以根据液态导电介质的流入量确定柔性传感器的受力方向和受力大小。

Description

柔性传感器和柔性传感器的制备、使用方法

技术领域

本发明涉及柔性器件技术领域，特别是涉及一种柔性传感器和柔性传感器的制备、使用方法。

背景技术

柔性电子作为未来个性化可穿戴医疗装备的核心技术，得到了广泛的关注和各方面的支持。柔性电子器件(包括电路、传感器、电极、芯片等等)具有皮肤亲和性好、可拉伸、可弯折等作为器件方面的优点。目前对于柔性电子器件的需求不再满足于可弯折、可拉伸等功能，具有方向性的或指向性的传感器器件也是柔性电子传感器的重要研究部分。

基于液态金属的柔性传感器因拉力产生变形，引起液态金属的电阻变化，所以检测出液态金属的电阻变化值，就能换算成拉力变化。但目前的柔性传感器多基于材料本身的变化，无法具有方向性或指向性，极大的局限了液态金属的柔性传感器的应用范围。

发明内容

本申请提供了一种柔性传感器和柔性传感器的制备、使用方法，可以使柔性传感器可以感应到外力的大小以及方向，扩大了柔性传感器的应用范围。

一种柔性传感器，包括容纳腔和至少两个电信号测量器件；其中：

所述容纳腔内填充有液态导电介质；

至少两个所述电信号测量器件分别与所述容纳腔连通，且任意两个所述电信号测量器件与所述容纳腔之间的连线具有夹角，用于在所述容纳腔内的液态导电介质受到压力而分别填充至各个所述电信号测量器件后，检测各个所述电信号测量器件的参数，根据所述参数确定所述柔性传感器的受力方向和受力大小。

在一实施例中，所述电信号测量器件包括阀门结构和电容传感器；所述电容传感器包括第一电极腔以及第二电极腔；所述第一电极腔与所述第二电极腔间隔设置；

所述第一电极腔以及第二电极腔分别通过所述阀门结构与所述容纳腔连通，用于根据进入所述第一电极腔以及第二电极腔的液态导电介质容量感应出对应电容；

所述阀门结构用于根据受到压力的大小以及方向调整阀门开度；

所述柔性传感器在受到压力时，所述容纳腔内的液态导电介质通过所述阀门结构填充至所述第一电极腔以及第二电极腔。

在一实施例中，所述电信号测量器件还包括固态电极，所述固态电极包括第一电极和第二电极；所述第一电极与所述第一电极腔连接，所述第二电极与所述第二电极腔连接，用于检测所述电容传感器的电容值。

在一实施例中，所述阀门结构包括套接的第一导管和第二导管；

所述第一导管的第一端与所述容纳腔连接，所述第二导管的第一端与电容传感器连接，所述第二导管的第二端由所述第一导管的第二端伸入所述第一导管内部并与之连接。

在一实施例中，所述电容传感器包括叉指电容。

在一实施例中，所述容纳腔内设置有多个支撑结构，所述支撑结构沿所述容纳腔中心朝所述电信号测量器件延伸。

在一实施例中，任意相邻两个所述电信号测量器件与所述容纳腔之间的连线夹角相等。

一种柔性传感器的制备方法，所述方法包括：

S1:提供柔性衬底模具，在所述柔性衬底模具内填充柔性衬底前驱体并固化，形成柔性衬底；

S2:在所述柔性衬底上制备容纳腔以及至少两个电信号测量器件，并在所述容纳腔内填充液态导电介质；所述电信号测量器件包括阀门结构和电容传感器，所述电容传感器通过所述阀门结构与所述容纳腔连通，且任意两个所述电信号测量器件与所述容纳腔之间的连线具有夹角；

S3:对所述液态导电介质进行封装，完成柔性传感器的制备。

在一实施例中，步骤S1包括：

提供一刚性衬底；

根据所述容纳腔及所述电信号测量器件的对应形状，在所述刚性衬底表面打印第一模具并固化，得到所述柔性衬底模具；

向所述柔性衬底模具内填充柔性衬底前驱体直至填满并固化，形成所述柔性衬底。

在一实施例中，步骤S2包括：

在所述柔性衬底上打印所述容纳腔，并在所述容纳腔的至少两个方向打印所述电信号测量器件；

向所述容纳腔内填充液态导电介质，使所述液态导电介质表面氧化形成固定形状。

在一实施例中，步骤S2包括：

根据所述容纳腔及所述电信号测量器件的对应形状，在所述柔性衬底和/或所述柔性衬底模具上打印第二模具并固化；

向所述第二模具内填充前驱体液态材料直至填满并固化；

移除位于所述容纳腔及所述电信号测量器件内的第二模具；

向所述容纳腔内填充液态导电介质，使所述液态导电介质表面氧化形成固定形状。

在一实施例中，所述电信号测量器件还包括固态电极，所述固态电极与所述电容传感器连接。

在一实施例中，步骤S3包括：

根据所述容纳腔及所述电信号测量器件的对应形状，在所述柔性衬底模具和/或所述柔性衬底上打印上层模具并固化；

在所述上层模具内填充所述柔性衬底前驱体直至填满并固化，使所述柔性衬底前驱体包覆所述液态导电介质；

移除柔性衬底模具和上层模具，得到所述柔性传感器。

一种上述柔性传感器的使用方法，所述方法包括：

将柔性传感器的容纳腔置于待测体表面，并将多个所述电信号测量器件粘贴在待测体表面的不同方向；

获取每一所述电信号测量器件的参数；

根据所述参数确定所述待测体表面的受力方向和受力大小。

本申请提供的柔性传感器和柔性传感器的制备、使用方法，柔性传感器包括容纳腔和至少两个电信号测量器件；其中：所述容纳腔内填充有液态导电介质；所述电信号测量器件分别与所述容纳腔连通，且任意两个所述电信号测量器件与所述容纳腔之间的连线具有夹角，用于在所述容纳腔内的液态导电介质受到压力而分别填充至各个所述电信号测量器件后，检测各个所述电信号测量器件的参数，根据所述参数确定所述柔性传感器的受力方向和受力大小。本申请提供的柔性传感器通过在容纳腔的多个方向设置电信号测量器件，利用容纳腔内液态导电介质的流动性，当有外力作用挤压时，不同方向的电信号测量器件中会流入不同量的液态导电介质，进而可以根据液态导电介质的流入量确定柔性传感器的受力方向和受力大小。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例提供的柔性传感器的结构示意图；

图2为另一实施例提供的柔性传感器的结构示意图；

图3为另一实施例提供的柔性传感器在受到外力作用时的结构示意图；

图4为另一实施例提供的阀门结构的结构示意图；

图5为一实施例提供的图4中阀门结构受到纵向拉伸时的结构示意图；

图6为另一实施例提供的图4中阀门结构受到横向拉伸时的结构示意图；

图7为一个实施例中提供的柔性传感器制备方法的流程图；

图8为一个实施例中提供的柔性传感器使用方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本申请的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为本申请一实施例提供的柔性传感器的结构示意图，如图1所示，一种柔性传感器，包括容纳腔110和至少两个电信号测量器件120；其中：

容纳腔110内填充有液态导电介质。至少两个电信号测量器件120分别与容纳腔110连通，且任意两个电信号测量器件120与容纳腔110之间的连线具有夹角，用于在容纳腔110内的液态导电介质受到压力而分别填充至各个所述电信号测量器件120后，检测各个电信号测量器件120的参数，根据参数确定柔性传感器的受力方向和受力大小。

本申请中的容纳腔110用于填充液态导电介质，可以通过3D打印刚性材料制备容纳腔110的硬质模具。具体地，可以首先通过模具给柔性衬底前驱体液态材料制备填充空间，在填充空间充入柔性衬底前驱体液态材料进行加热固化形成柔性衬底，然后在柔性衬底上制备液态导电介质存储区域的结构，将液态导电介质填充入液态导电介质存储区域，最后在液态导电介质表面上再次填充柔性衬底前驱体液态材料，完成液态导电介质存储区域的结构的封装，形成容纳腔110。可以理解的是，容纳腔110也可以通过其他方式获得，本实施例不作限制。

容纳腔110的形状可以是圆形、多边形、椭圆形等形状，具体形状根据实际情况选择。本申请实施例中，容纳腔110为圆形，圆形的容纳腔110可以形成更多方向的流道，液态导电介质的流动不会受到容纳腔110形状的影响，从而可以更准确判断出柔性传感器的受力方向和受力大小。

液态导电介质可以为液态金属、盐水和硫酸溶液等，只要液体里面存在大量阴阳离子即可，本申请以液态导电介质为液态金属为例进行说明，因为一定氧化程度的液态金属易成型。液态金属是指一种不定型金属，液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属也是一种可流动的液体金属。本申请将液态金属填充进容纳腔110，利用液态金属的流动性，在容纳腔110受到外力作用时，容纳腔110内的液态金属会受外力的挤压进行流动。本申请中，在容纳腔110填充的液态金属主要包括镓铟锡合金(Galinstan)、镓铟合金(EGaIn)、镓锌合金(GaZn)或镓锡合金(GaSn)等液态金属，容纳腔110内填充的液态金属的具体组成本实施例不作限制。

本申提供的柔性传感器包括至少两个电信号测量器件120，至少两个电信号测量器件120分别与容纳腔110连通，且任意两个电信号测量器件120与容纳腔110之间的连线具有夹角。在一实施例中，相邻两个电信号测量器件120与容纳腔110之间的连线夹角相等。

由图1可以看出，柔性传感器包括四个电信号测量器件120，四个电信号测量器件120设置在容纳腔110的不同方向，且任意相邻两个电信号测量器件120与容纳腔110之间的连线夹角相等，从而使容纳腔110内的液态金属具有多个方向的流道，当容纳腔110受到外力作用时，液态金属会根据受力的方向和大小沿不同方向的流道流入不同的电信号测量器件120。电信号测量器件120根据液态金属的流量感应出对应的参数，通过分析多个电信号测量器件120的参数可以确定柔性传感器的受力方向和受力大小。本申请提供的柔性传感器在符合人体的运动学设计的同时，通过多个电信号测量器件120测量的参数实现方向性的测定。其中，参数可以包括电容、电压等电性能参数。

可以理解的是，图1***号测量器件120的数量和设置位置仅作为举例说明，并不对具体数量和设置位置进行限定。电信号测量器件120的数量和设置位置可以根据实际情况自由调节，由于方向性功能的需要，电信号测量器件120的数量最少应不少于两个。

本申请实施例提供的柔性传感器包括容纳腔110和至少两个电信号测量器件120；其中：容纳腔110内填充有液态金属；至少两个电信号测量器件120分别与容纳腔110连通，且任意两个电信号测量器件120与容纳腔110之间的连线具有夹角，用于在受到压力容纳腔110内的液态金属填充至电信号测量器件120后，检测至少两个电信号测量器件120的参数，并根据参数确定柔性传感器的受力方向和受力大小。本申请提供的柔性传感器通过在容纳腔110的多个方向设置电信号测量器件120，利用容纳腔110内液态金属的流动性，当有外力作用挤压时，不同方向的电信号测量器件120中会流入不同量的液态金属，进而可以根据液态金属的流入量确定柔性传感器的受力方向和受力大小。

在另一实施例中，如图2所示，电信号测量器件120包括阀门结构121和电容传感器122；电容传感器122包括第一电极腔1221以及第二电极腔1222；第一电极腔1221与第二电极腔1222间隔设置；

第一电极腔1221以及第二电极腔1222分别通过阀门结构121与容纳腔110连通，用于根据进入第一电极腔1221以及第二电极腔1222中的液态导电介质容量感应出对应电容；

阀门结构121用于根据受到压力的大小以及方向调整阀门开度；

柔性传感器在受到压力时，容纳腔110内的液态导电介质通过阀门结构121填充至第一电极腔1221以及第二电极腔1222。

参考图2和图3，阀门结构121靠近容纳腔110设置，容纳腔110内的液态金属通过阀门结构121流入电容传感器122。柔性传感器在使用过程中，当人体做出方向性的拉伸动作并对柔性传感器的容纳腔110进行方向性拉伸时(如手肘部分的拉伸和弯曲的共同作用下)，由于液态金属具有流动性，从而会将容纳腔110内的液态金属挤入电容传感器122中。另外，由于阀门结构121具有伸缩性，每个方向的阀门结构121在一定方向的外力作用下产生的形变各不相同，因此其对液态金属产生的阻碍能力不同，因此涌入每个方向的电信号测量器件120的液态金属量也不同，通过电信号的大小，判断受力方向和大小。具体地，在拉伸方向上的阀门结构121受到纵向拉伸，阀门结构121的流道被拉长变细，不利于液态金属挤入，而在垂直于拉伸方向的阀门结构121受到横向拉伸，阀门结构121的流道增大，利于液态金属的挤入，因此，在定向拉伸作用下，不同方向的电容传感器122中涌入不同量的液态金属，因此不同方向电容传感器122感应到的电容大小也不同。

在另一实施例中，容纳腔110内设置有多个支撑结构111，支撑结构111以容纳腔110中心朝电信号测量器件120延伸。

支撑结构111的数量与电信号测量器件120的数量可以相等，支撑结构111侧材质可以和衬底材质相同，例如可以是PDMS。本实施例通过在容纳腔110内设置支撑结构111，可以防止容纳腔110在挤压过程中阀门结构121的入口位置被堵塞。

在另一实施例中，如图4所示，阀门结构121包括柔性且套接的第一导管1211和第二导管1212；第一导管1211的第一端与容纳腔110连接，第二导管1212的第一端与电容传感器122连接，第二导管1212的第二端由第一导管1211的第二端伸入第一导管1211内部并与之连接，第一导管1211和第二导管1212的管径在从第一端至第二端延伸的方向上均为逐渐缩小。

当阀门结构121受到纵向拉伸时，如图5所示，第一导管1211和第二导管1212的流道均处于收缩状态，第一导管1211的第二端与第二导管1212的第二端挤压在一起，从而使阀门结构121的开口缩小，受到的力越大，阀门结构121的开口越小直至闭合，容纳腔110内的液态金属很难通过阀门结构121涌入电容传感器122。当容纳腔110复原时，流入电容传感器122的液态金属通过第二导管1212流入与容纳腔110连通的第一导管1211中，然后流入容纳腔110内。

当阀门结构121受到横向拉伸时，如图6所示，第一导管1211和第二导管1212的流道均处于扩张状态，第二导管1212的第二端不再受第一导管1211的第二端的挤压，从而使阀门结构121处于打开状态，容纳腔110内的液态金属很容易通过阀门结构121，从而使得液态金属更容易涌入电容传感器122。当容纳腔110复原时，流入电容传感器122的液态金属通过第二导管1212流入与容纳腔110连通的第一导管1211中，然后流入容纳腔110内。

平行于拉伸方向的电容传感器122中液态金属量较少，垂直于拉伸方向的电容传感器122的液态金属量较多，因此，垂直于拉伸方向的电容传感器122电容值高，而平行于拉伸方向的电容传感器122电容值低，因此可以根据电容的大小判断受力的大小和方向。

电容传感器122是两层柔性衬底中间注有液态金属层，从而可以防止制备过程中两层柔性衬底黏在一起。在另一实施例中，电容传感器122包括叉指电容。可以通过3D打印方法打印叉指电容，叉指电容设置在柔性衬底上，由交叉设置的第一电极腔1221以及第二电极腔1222构成，叉指数目和间距可根据灵敏度需要进行选择，第一电极腔1221以及第二电极腔1222之间形成电容结构，用于根据液态金属容量感应出对应电容。在另一实施例中，叉指电容具有一定厚度，本实施例中叉指电容具有一定厚度，例如可以为20微米，防止第一电极腔1221和第二电极腔1222产生粘连。叉指电容的具体厚度也可以根据实际情况选择，本实施不作具体限定。

在另一实施例中，参考图2，电信号测量器件120还包括固态电极，固态电极包括第一电极131和第二电极132；第一电极131与第一电极腔1221连接，第二电极132与第二电极腔1222连接，用于检测电容传感器122的电容值。在固态电极位置通过连接电信号接收器，测量出每一电容器感应的电容值，根据测量出的电容值确定柔性传感器的受力方向和受力大小。电容传感器122和电信号接收器可以通过固态金属导线或者导电聚合物连接。

本申请还提供一种柔性传感器的制备方法，如图7所示，包括步骤S1至步骤S3，其中：

步骤S1，提供柔性衬底模具，在所述柔性衬底模具内填充柔性衬底前驱体并固化，形成柔性衬底；

步骤S2，在所述柔性衬底上制备容纳腔以及至少两个电信号测量器件，并在所述容纳腔内填充液态导电介质；所述电信号测量器件包括阀门结构和电容传感器，所述电容传感器通过所述阀门结构与所述容纳腔连通，且任意两个所述电信号测量器件与所述容纳腔之间的连线具有夹角；

步骤S3，对液态导电介质进行封装，完成柔性传感器的制备。

本实施例提供的柔性传感器的制备方法，通过在柔性衬底上制备容纳腔以及阀门结构，容纳腔内填充有液态导电介质，并在容纳腔的至少两个方向制备电容传感器，利用容纳腔内液态导电介质的流动性，当有外力作用挤压时，不同方向的电容传感器中流入不同量的液态导电介质，进而可以根据液态导电介质的流入量确定柔性传感器的受力方向和受力大小。

在一实施例中，所述提供柔性衬底模具，在所述柔性衬底模具内填充柔性衬底前驱体并固化，形成柔性衬底包括：

提供一刚性衬底；

根据所述容纳腔及所述电信号测量器件的对应形状，在所述刚性衬底一侧打印第一模具并固化，得到所述柔性衬底模具；

向所述柔性衬底模具内填充柔性衬底前驱体直至填满并固化，形成所述柔性衬底。

其中，在打印柔性衬底模具时，可以通过3D打印技术在所述刚性衬底表面打印柔性衬底模具。形成模具的材料包括聚氯乙烯PVC、聚酰胺PA、苯乙烯三种单体的三元共聚物ABS等，柔性衬底材质可以为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚酰亚胺PI和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等。

在一实施例中，所述在所述柔性衬底上制备容纳腔以及至少两个电信号测量器件包括：

在所述柔性衬底上打印所述容纳腔，并在所述容纳腔的至少两个方向打印所述电信号测量器件；

向所述容纳腔内填充液态导电介质，使所述液态导电介质表面氧化形成固定形状。

本实施例通过3D打印技术，首先在柔性衬底上打印所述容纳腔，并向容纳腔内填充液态导电介质，然后在制备好的容纳腔的不同方向打印多个电信号测量器件，完成对容纳腔和电信号测量器件的制备。

在一实施例中，所述在所述柔性衬底上制备容纳腔以及至少两个电信号测量器件包括：

根据所述容纳腔及所述电信号测量器件的对应形状，在所述柔性衬底和/或所述柔性衬底模具上打印第二模具并固化；

向所述第二模具内填充前驱体液态材料直至填满并固化；

移除位于所述容纳腔及所述电信号测量器件内的第二模具；

向所述容纳腔内填充液态导电介质，使所述液态导电介质表面氧化形成固定形状。

本实施例在制备容纳腔和电信号测量器件时，首先根据容纳腔及所述电信号测量器件的形状在柔性衬底和/或柔性衬底模具上打印第二模具，将柔性衬底前驱体填充至第二模具内来制备容纳腔、阀门结构和电容传感器。由于硬质模具材料固化快、结构不易坍塌，使用硬质模具制备的容纳腔和电信号测量器件的三维结构更准确。另外，可以通过控制模具的高度，或通过层叠打印多层模具，满足容纳腔和电信号测量器件的不同尺寸要求。容纳腔以及阀门结构的材质可以与柔性衬底材质相同，为聚二甲基硅氧烷PDMS、聚酰亚胺PI和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等。液态导电介质可以为液态金属，需要说明的是，若只有一层结构则对液态金属的氧化程度没有特殊要求；若需在液态金属的上层柔性衬底表面打印硬质模具，则采用氧化程度为1-3wt％的液态金属，也即氧化镓与镓之比为1-3wt％，此状态下的液态金属易于成形且可以起一定支撑作用。液态导电介质的填充量(容纳腔的容积)应大于等于填满全部电容传感器的总体积。

在一实施例中，参考图2，所述电信号测量器件还包括固态电极，所述固态电极与所述电容传感器连接，固态电极包括第一电极和第二电极；

通过3D打印技术，在所述容纳腔的至少两个方向打印电容传感器122，电容传感器122包括第一电极腔1221与第二电极腔1222；

通过3D打印技术，在所述阀门结构及所述电容传感器相应位置打印一层所述液态导电介质；

将第一电极131放置于第一电极腔1221，将第二电极132放置于第二电极腔1222。

其中，上述过程中使用的液态导电介质可以为氧化程度为1.0wt％-3.0wt％的液态金属，更易成形，可以防止封装时上下柔性衬底粘连；且与柔性衬底有比较好的界面结合，浸润性好。固态电极可以设置于阀门结构121附近，如此设置，可以防止拉伸过程中固态电极与柔性衬底脱粘。

在一实施例中，所述对液态导电介质进行封装包括：

根据所述容纳腔及所述电信号测量器件的对应形状，在所述柔性衬底模具和/或所述柔性衬底上打印上层模具并固化；

在所述上层模具内填充所述柔性衬底前驱体直至填满并固化，使所述柔性衬底前驱体包覆所述液态导电介质；

移除柔性衬底模具和上层模具，得到所述柔性传感器。

具体地，在进行封装时，在柔性衬底模具和/或柔性衬底上打印容纳腔、阀门结构和电容传感器对应结构的上层模具，再在上层模具内充入柔性衬底前驱体，使柔性衬底前驱体包覆液态导电介质，固化后形成上层柔性衬底，实现容纳腔、阀门结构和电容传感器的封装。另外，在移除位于容纳腔和电信号测量器件内的第二模具后，可以仅在容纳腔外的第二模具上打印容纳腔、阀门结构和电容传感器对应结构的上层模具，通过填充柔性衬底前驱体完成封装。当然也可以将容纳腔和电信号测量器件对应位置的第二模具均移除，在进行封装时，在柔性衬底模具上打印上层模具，通过填充柔性衬底前驱体完成封装。若对制备的柔性传感器有特殊形状要求，可以在上层柔性衬底表面打印对应形状的硬质模具，再充入柔性衬底前驱体，固化形成相应形状。

由于不同部位使用的柔性传感器的结构会存在不同，本申请以用于膝部区域的具有四个电信号测量器件的柔性传感器的制备方法为例进行说明。

柔性传感器的制备方法具体包括如下步骤：

(1)通过3D打印技术，使用PVC材料，根据四个电信号测量器件120和一个容纳腔110的对应形状在聚乳酸刚性衬底上打印第一模具并固化，得到柔性衬底模具，第一模具的高度为20mm。

(2)在柔性衬底模具中充入PDMS柔性衬底前驱体液态材料，直至填满柔性衬底模具。通过加热盘加热至80℃，加热20min完成固化形成PDMS柔性衬底。

(3)使用PDMS柔性衬底前驱体液态材料，通过3D在PDMS柔性衬底上打印制备具有支撑结构111的容纳腔110、电容传感器122以及与每个电容传感器122对应的阀门结构121并固化。也可以根据容纳腔110、电容传感器122以及阀门结构121的形状，使用PVC材料在PDMS柔性衬底和/或柔性衬底模具上打印第二模具并固化，然后向第二模具内填充PDMS柔性衬底前驱体液态材料直至填满并固化后，移除所述容纳腔及所述电信号测量器件对应形状的第二模具。电容传感器122区域为长方形，4cm×3cm。四个电信号测量器件120组成十字形；容纳腔110为圆形，直径7cm。

(4)在容纳腔110的液态导电介质储存区域充入液态金属EGaIn，使液态金属表面自然氧化，形成固定形状以及固定区域。

(5)使用黏度较高且氧化程度1.7wt％的EGaIn在电容传感区域通过3D打印方法根据阀门结构121和电容传感器122的形状打印相应图案，厚度为20微米。

(6)在阀门结构121附近放置固态电极，拉伸时中间位置变形大两侧变形小，防止拉伸过程中固态电极与柔性衬底脱粘。

(7)在柔性衬底模具上打印上层模具，在液态金属表面和固态电极上再次填充柔性衬底前驱体液态材料，加热固化，完成柔性传感器的整体封装。

(8)移除刚性衬底和上层模具，将固态电极连接电信号接收器，完成柔性传感器的制备。

本申请还提供一种上述柔性传感器的使用方法，如图8所示，柔性传感器的使用方法包括步骤810至步骤830，其中：

步骤810，将柔性传感器的容纳腔110置于待测体表面，并将多个电信号测量器件120粘贴在待测体表面的不同方向；

步骤820，获取每一电信号测量器件120的参数；

步骤830，根据参数确定待测体表面的受力方向和受力大小。

本申请以前述制备的用于膝部区域的柔性传感器为例进行说明其使用方法。将制备的柔性传感器的容纳腔110置于待测体表面，对人体运动信号的测量，具体地包括以下步骤：

(1)将柔性传感器的两个电信号测量器件120与肌肉拉伸方向平行粘贴至膝盖部位，将另外两个电信号测量器件120与肌肉拉伸方向垂直粘贴在膝盖两侧。在柔性传感器的容纳腔110的周围以及电信号测量器件120上通过粘性敷料进行点式黏贴，以保证容纳腔110的挤压以及电信号测量器件120的拉伸过程相对独立。

(2)膝盖弯曲时会对容纳腔110产生挤压作用，同时，平行与受力方向的阀门结构121受到纵向拉伸时，阀门结构121闭合，液态金属更难涌入电信号测量器件120，垂直与受力方向的阀门结构121受到横向拉伸时，阀门结构121开口扩大，液态金属更容易涌入电信号测量器件120。使四个电信号测量器件120中电容传感器122内涌入的液态金属量不同，平行于拉伸方向的电容传感器122中液态金属量较少，垂直于拉伸方向的电容传感器122中的液态金属量较多，因此，垂直的电容传感器122电容值高，而平行的电容传感器122电容值低，因此判断膝盖的运动状态是弯曲的，两个电容值相差越大，膝盖弯曲程度越大。由电信号的不同推断膝盖的运动状态。

(3)当液态导电介质存储区域复原时，由于阀门结构121作用，液态金属容易从电信号测量器件120内流出，返回容纳腔110内。

(4)重复以上循环动作，完成对膝盖运动状态的测量。

应该理解的是，虽然图7和图8的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图7和图8中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种柔性传感器，其特征在于，包括容纳腔和至少两个电信号测量器件；其中：

所述容纳腔内填充有液态导电介质；

所述电信号测量器件与所述容纳腔连通，且任意两个所述电信号测量器件与所述容纳腔之间的连线具有夹角，用于在所述容纳腔内的液态导电介质受到压力而分别填充至各个所述电信号测量器件后，检测各个所述电信号测量器件的参数，根据所述参数确定所述柔性传感器的受力方向和受力大小；

所述电信号测量器件包括阀门结构和电容传感器；所述电容传感器包括第一电极腔以及第二电极腔；所述第一电极腔与所述第二电极腔间隔设置；所述第一电极腔以及第二电极腔分别通过所述阀门结构与所述容纳腔连通，用于根据进入所述第一电极腔以及第二电极腔的液态导电介质容量感应出对应电容；所述阀门结构用于根据受到压力的大小以及方向调整阀门开度；所述柔性传感器在受到压力时，所述容纳腔内的液态导电介质通过所述阀门结构填充至所述第一电极腔以及第二电极腔。

2.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述电信号测量器件还包括固态电极，所述固态电极包括第一电极和第二电极；所述第一电极与所述第一电极腔连接，所述第二电极与所述第二电极腔连接，用于检测所述电容传感器的电容值。

3.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述阀门结构包括套接的第一导管和第二导管；

所述第一导管的第一端与所述容纳腔连接，所述第二导管的第一端与电容传感器连接，所述第二导管的第二端由所述第一导管的第二端伸入所述第一导管内部并与之连接。

4.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述电容传感器包括叉指电容。

5.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述容纳腔内设置有多个支撑结构，所述支撑结构沿所述容纳腔中心朝所述电信号测量器件延伸。

6.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，任意相邻两个所述电信号测量器件与所述容纳腔之间的连线夹角相等。

7.一种柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1至权利要求6中任一项所述的柔性传感器，所述方法包括：

S1: 提供柔性衬底模具，在所述柔性衬底模具内填充柔性衬底前驱体并固化，形成柔性衬底；

S2: 在所述柔性衬底上制备容纳腔以及至少两个电信号测量器件，并在所述容纳腔内填充液态导电介质；所述电信号测量器件包括阀门结构和电容传感器，所述电容传感器通过所述阀门结构与所述容纳腔连通，且任意两个所述电信号测量器件与所述容纳腔之间的连线具有夹角；

S3: 对所述液态导电介质进行封装，完成柔性传感器的制备。

8.根据权利要求7所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤S1包括：

提供一刚性衬底；

根据所述容纳腔及所述电信号测量器件的对应形状，在所述刚性衬底表面打印第一模具并固化，得到所述柔性衬底模具；

向所述柔性衬底模具内填充柔性衬底前驱体直至填满并固化，形成所述柔性衬底。

9.根据权利要求7所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：

在所述柔性衬底上打印所述容纳腔，并在所述容纳腔的至少两个方向打印所述电信号测量器件；

向所述容纳腔内填充液态导电介质，使所述液态导电介质表面氧化形成固定形状。

10.根据权利要求7所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：

根据所述容纳腔及所述电信号测量器件的对应形状，在所述柔性衬底和/或所述柔性衬底模具上打印第二模具并固化；

向所述第二模具内填充前驱体液态材料直至填满并固化；

移除位于所述容纳腔及所述电信号测量器件内的第二模具；

向所述容纳腔内填充液态导电介质，使所述液态导电介质表面氧化形成固定形状。

11.根据权利要求7所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述电信号测量器件还包括固态电极，所述固态电极与所述电容传感器连接。

12.根据权利要求7所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤S3包括：

根据所述容纳腔及所述电信号测量器件的对应形状，在所述柔性衬底模具和/或所述柔性衬底上打印上层模具并固化；

在所述上层模具内填充所述柔性衬底前驱体直至填满并固化，使所述柔性衬底前驱体包覆所述液态导电介质；

移除柔性衬底模具和上层模具，得到所述柔性传感器。

13.如权利要求1至6中任一权利要求所述的柔性传感器的使用方法，其特征在于，所述方法包括：

将所述柔性传感器的容纳腔置于待测体表面，并将多个所述电信号测量器件粘贴在待测体表面的不同方向；

获取每一所述电信号测量器件的参数；

根据所述参数确定所述待测体表面的受力方向和受力大小。