CN113865775A - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压力传感器，包括电阻单元和压力感应单元，其中电阻单元包括第一电极、第二电极和第一电极和第二电极之间的多个连接位，相邻连接位之间设置有电阻器；压力感应单元包括第三电极、接触面、容腔和出液端，容腔内置有液态金属，第三电极与液态金属连接；出液端在接触面受压后容纳从容腔溢出的液态金属，并使液态金属与连接位接触。本发明提供的压力传感器，通过接触面受压变形之后对容腔内液态金属的挤压，使的液态金属进入出液端，与出液端一一对应的连接位接触液态金属后，通过第一电极或第二电极与第三电极形成回路，基于接通的连接位所串联的有效电阻器的阻值，从而根据电阻或电流与压力的预设关系，最终得出压力值。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器。

背景技术

压力传感器是一种常见的传感器，可以将物体直接施压、气压、液压等需要检测的压力数据转化为电信号，并可读取压力值的电子器件。常见的压力传感器类型采用了电阻、电容、压电等原理。这几种传感器各有优劣，电阻压力传感器因为具备结构简单、成本低、结果准确等优点而被广泛采用。

液态金属作为一种新型金属材料，具备高电导率、可流动、易变形、撤消压力后可自我恢复这些特性，已被研究人员关注并应用于传感器领域。现有将液态金属应用到传感器中的技术是，将液态金属作为柔性压力传感器的电极材料，利用压力致使复合电极电阻变化产生电信号变化。由于电极的柔性特征，可提高电极的抗压性能和使用寿命，但是该方案测压范围有限。

然而利用液态金属本身的受压变形进行压力传感提高压力传感器测试范围，提高灵敏度的需求是目前业界亟待解决的重要课题。

发明内容

本发明提供一种压力传感器，用以解决现有技术中没有利用液态金属本身的受压变形进行压力传感提高压力传感器测试范围，提高灵敏度的技术空白，实现通过接触面受压变形后使得容腔内的液态金属进入出液端与连接位接触后形成回路，根据回路中有效电阻器的阻值来计算压力大小。

本发明提供一种压力传感器，包括：

电阻单元，包括第一电极、第二电极以及所述第一电极和所述第二电极之间的多个连接位，相邻所述连接位之间设置有电阻器；

压力感应单元，包括第三电极、接触面、容腔和出液端，所述容腔内置有液态金属，所述第三电极与所述液态金属连接，所述接触面用于承受压力，所述出液端与所述连接位一一对应；

其中，所述出液端在所述接触面受压后容纳从所述容腔溢出的所述液态金属，并使所述液态金属与所述连接位接触。

根据本发明提供的压力传感器，所述第一电极与所述第三电极连接在测量电路上或所述第二电极与所述第三电极连接在所述测量电路上。

根据本发明提供的压力传感器，每个所述出液端的高度相等，所述出液端的横截面积呈梯度分布。

根据本发明提供的压力传感器，横截面积由大到小连续排布的所述出液端与从所述第一电极到所述第二电极的所述连接位依次对应，

或者，横截面积由大到小连续排布的所述出液端与从所述第二电极到所述第一电极的所述连接位依次对应。

根据本发明提供的压力传感器，所述电阻单元的每个所述连接位对应设置有导电针，所述导电针延伸至所述出液端内，其中，所述导电针的长度均相同。

根据本发明提供的压力传感器，所述电阻单元的每个所述连接位对应设置有导电针，所述导电针延伸至所述出液端内，其中，所述导电针的长度呈梯度分布。

根据本发明提供的压力传感器，每个所述出液端的高度相等，且每个所述出液端的横截面积相等。

根据本发明提供的压力传感器，所述导电针长度由长到短与从所述第一电极到所述第二电极的所述连接位依次连接，

或者，所述导电针长度由长到短与从所述第二电极到所述第一电极的所述连接位依次连接。

根据本发明提供的压力传感器，所述液态金属为汞、镓、镓基合金、铋基合金中的任一一种或几种的组合。

根据本发明提供的压力传感器，所述电阻器的阻值均相等或阻值从所述第一电极到所述第二电极呈梯度变化。

本发明提供的压力传感器，通过接触面受压变形之后对容腔内液态金属的挤压，使的液态金属进入出液端，与出液端一一对应的连接位接触液态金属后，通过第一电极或第二电极与第三电极形成回路，基于接通的连接位所串联的有效电阻器的阻值，从而根据电阻或电流与压力的预设关系，最终得出压力值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的压力传感器为受压状态下结构示意图；

图2是本发明提供的压力传感器受压状态结构示意图之一；

图3是本发明提供的出液端排列方式之一的结构示意图；

图4是本发明提供的出液端排列方式之二的结构示意图；

图5是本发明提供的压力传感器受压状态结构示意图之二；

图6是本发明提供的压力传感器受压状态结构示意图之三；

图7是本发明提供的压力传感器采用电阻线圈的结构示意图。

附图标记：

100：电阻单元； 101：第一电极； 102：第二电极；

103：连接位； 104：电阻器； 105：导电针；

200：压力感应单元； 201：第三电极； 202：接触面；

203：容腔； 204：出液端； 110：电阻线圈；

111：螺旋部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1至图7，对本发明的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种压力传感器，包括：电阻单元100和压力感应单元200，其中，电阻单元100，包括第一电极101、第二电极102以及第一电极101和第二电极102之间的多个连接位103，相邻连接位103之间设置有电阻器104。

压力感应单元200，包括第三电极201、接触面202、容腔203和出液端204，容腔203内置有液态金属，第三电极201与液态金属连接，接触面202用于承受压力，出液端204与连接位103一一对应。

其中，出液端204在接触面202受压后容纳从容腔203溢出的液态金属，并使液态金属与连接位103接触。

具体来说，第一电极101和第二电极102为电阻单元100的首末两端，用于与测量电路连接。当然在本实施例中，第一电极101和第二电极102可以采用液态金属材料制成或者铜等电极材料制成。连接位103用于与压力感应单元200的出液端204溢出的液态金属连接，从而形成回路。其中，电阻器104用于不同连接位103与对应出液端204的液态金属接通后有效电阻值的确认，从而便于计算出压力值的大小。电阻器104的阻值是已知的。

此外，连接位103和电阻器104交替分布在第一电极101和第二电极102之间，在第一电极101和与其最近的连接位103之间也可以设置电阻器104和/或在第二电极102和与其最接近的连接位103之间也可以设置电阻器104。

进一步地，压力感应单元200可以为一个整体的装置，例如，压力感应单元200为一个箱体，箱体内空间形成容腔203，用于容纳液态金属，箱体的底部采用橡胶或者聚二甲基硅氧烷等弹性材料密封连接形成接触面202。与接触面202相对的面上设置有多个与连接位103对应的出液端204，每个出液端204具有独立的腔体，且出液端204可以凸出在箱体上端也可以凹陷在箱体内部，出液端204的腔体与容腔203连通。其中，第三电极201与容腔203内的液态金属连接并引出至压力感应单元200外部与测量电路连接，当然，第三电极201可以采用液态金属材料制成或者铜等电极材料制成。

其中，在接触面202未受到任何压力时，液态金属均置于容腔203内，并充满容腔203；在接触面202受到压力变形后，容腔203内的液态金属从容腔203进入到出液端204的腔体内，因接触面202的受压变形程度的影响，会有一个或多个出液端204内的液态金属与对应的连接位103接触并形成回路。基于回路中串联的有效电阻器104的阻值，从而计算出接触面202所受压力的大小。压力释放后，接触面202恢复原状。

在本发明的可选实施例中，液态金属为汞、镓、镓基合金、铋基合金中的任一一种或几种的组合。换言之，液态金属即常温下呈现液态的金属单质或合金。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一电极101与第三电极201连接在测量电路上或第二电极102与第三电极201连接在测量电路上。

换句话说，第三电极201与第一电极101和第二电极102中的一个共同连接在测量电路中。测量电路可以通过测量第三电极201和第一电极101或第二电极102之间的有效电阻或电流，根据电阻与标定电压或根据电流与标定电压之间关系，达到测试压力值的目的。本发明的实施例并不限于测量电路的具体电路结构。

如图1和图2所示，在本发明的一个可选实施例中，电阻单元100的每个连接位103对应设置有导电针105，导电针105延伸至出液端204内，其中，导电针105的长度呈梯度分布。

具体地，导电针105的梯度分布包括从第一电极101到第二电极102的连接位103，导电针105的长度依次增加；或者从第一电极101到第二电极102的连接位103，导电针105的长度依次减小。导电针105由铜或不锈钢等防液态金属腐蚀的材料制成。，可以采用液态金属制作而成。

此外，如图1至图4所示，在本发明的一些实施例中，每个出液端204的高度相等，且每个出液端204的横截面积相等。换言之，每个出液端204结构完全相同。当然，应当理解的是，电阻单元100距离每个出液端204的高度相同。换句话说，每个连接位103距离对应的出液端204的高度均一致。在本实施例中，每对连接位103和出液端204之间的导电针105长度不同。

另外，在本发明的可选实施例中，导电针105长度由长到短与从第一电极101到所述第二电极102的连接位103依次连接，或者，导电针105长度由长到短与从第二电极102到第一电极101的连接位103依次连接。简而言之，连接位103串联在第一电极101和第二电极102之间，导电针105按长度由长到短或由短到长依次连接在连接位103上。

如图3和图4所示，根据压力感应单元200的接触面202的形状以及出液端204的分布情况确定电阻单元100的走线轨迹。例如接触面202呈矩形，出液端204可以成排成列的排布在容腔203上部，或者例如接触面202呈圆形出液端204可以呈多个同心圆形分布在容腔203上部；当然接触面202可以是其它形状，出液端204也可以采用其它形式的排布。确保连接位103以及导电针105与出液端204顺次对应从而确定走线轨迹即可。并且，出液端204、连接位103和导电针105一一对应，数量越多压力传感器的灵敏度越高。而且，出液端204是否均布在容腔203上部并不影响整个压力传感器的使用。

同时，在本实施例中，电阻器104的阻值均相等或阻值从第一电极101到第二电极102呈梯度变化。例如，在图2所示的示例中，包括5个出液端204和对应的5个连接位103以及5个长度依次增加的导电针105，在相邻连接位103之间设置有电阻器104，即包括4个电阻器104，其电阻值分别是R1、R2、R3、R4。其中，可以R1＝R2＝R3＝R4，或者R1>R2>R3>R4，或者R1<R2<R3<R4。

在本实施例中，将第一电极101和第三电极201连接在测量电路中。如图1所示的状态下，接触面202未受到压力，第一电极101和第三电极201未接通。如图2所示在接触面202受到压力F1后，接触面202受压变形，将容腔203内的液态金属挤压进入出液端204内，液态金属首先与出液端204内最长的导电针105接触。如果此时压力F1保持不变，第一电极101、4个电阻值分别为R1、R2、R3、R4的电阻器104、长度第一长的导电针105、液态金属以及第三电极201形成回路。接入电路的有效电阻值为R1+R2+R3+R4，测量电路根据接入电路的有效阻值或电流，最终得到压力值。

如图5所示，接触面202压力持续增加到F2，其中F1<F2，接触面202挤压变形程度加大，进入出液端204内的液态金属不断上升至与倒数第二长的导电针105B接触，保持压力不变，第一电极101、3个电阻值分别为R2、R3、R4的电阻器104、长度第二长导电针105、液态金属以及第三电极201形成回路。接入电路的有效电阻值为R2+R3+R4，测量电路根据接入电路的有效阻值或电流，最终得到压力值。如果接触面202压力不断增加，依次类推得出压力值。

综上，采用电阻测量压力值，那么在本实施例中，电阻越小压力越大，电阻与压力呈反比。采用电流测量压力值，那么在本实施例中，电流越大压力越大，电流与压力呈正比。

同理，如果第二电极102与第三电极201接入测量电路，采用电阻测量压力值，那么在本实施例中，电阻越小压力越小，电阻与压力呈正比。采用电流测量压力值，那么在本实施例中，电流越大压力越小，电流与压力呈反比。

如图6所示，在本发明的另一个可选实施例中，每个出液端204的高度相等，出液端204的横截面积呈梯度分布。

换句话说，出液端204的横截面积呈梯度分布包括按一定顺序连续的从横截面积最大排列到横截面积最小或按一定顺序连续的从横截面积最小排列到横截面积最大。出液端204的顺序与连接位103顺序密切相关。具体关系如下。

具体地，在本发明的实施例中，横截面积由大到小连续排布的出液端204与从第一电极101到第二电极102的连接位103依次对应；或者，横截面积由大到小连续排布的出液端204与从第二电极102到第一电极101的连接位103依次对应。

例如，图6所示，出液端204在列的方向上依次横截面积由大到小设置在容腔203上部，第一电极101和第二电极102也沿列的方向布置，连接位103依次对应横截面积呈递减趋势的出液端204。当然，出液端204处于其它排列方式时，各出液端204的横截面积由大到小的连线走势即为电阻单元100的布局走势，横截面积最大的出液端204与第一电极101最接近的连接位103对应或与第二电极102最接近的连接位103对应，依次类推。即保证出液端204和连接位103是顺序且连续对应。

同时，在本实施例中，电阻器104的阻值均相等或阻值从第一电极101到第二电极102呈梯度变化。例如，在图6所示的示例中，包括5个横截面积依次递增的出液端204和对应的5个连接位103，在相邻连接位103之间设置有电阻器104，即包括4个电阻器104，其电阻值分别是R1、R2、R3、R4。其中，可以R1＝R2＝R3＝R4，或者R1>R2>R3>R4，或者R1<R2<R3<R4。

在本实施例中，将第一电极101和第三电极201连接在测量电路中。在接触面202受到压力后，接触面202受压变形，将容腔203内的液态金属挤压进入出液端204内，由于各出液端204的高度相同，横截面积不同，因此横截面积最小的出液端204，液面高度最高，最先与连接位103接触，从而接通测量电路。

例如在图6中，在横截面积最小的出液端204内液态金属与对应的连接位103接触，在压力保持不变的状态下，第一电极101、4个电阻值分别为R1、R2、R3、R4的电阻器104、液态金属以及第三电极201形成回路。接入电路的有效电阻值为R1+R2+R3+R4，测量电路根据接入电路的有效阻值或电流，最终得到压力值。如压力不断增大，横截面积第二小的出液端204内的液态金属与对应的连接位103接触，那么接入电路的有效电阻值将为R2+R3+R4。依次类推。

综上，采用电阻测量压力值，那么在本实施例中，电阻越小压力越大，电阻与压力呈反比。采用电流测量压力值，那么在本实施例中，电流越大压力越大，电流与压力呈正比。

同理，如果第二电极102与第三电极201接入测量电路，采用电阻测量压力值，那么在本实施例中，电阻越小压力越小，电阻与压力呈正比。采用电流测量压力值，那么在本实施例中，电流越大压力越小，电流与压力呈反比。

此外，在本发明的另一个实施例中，电阻单元100的每个连接位103对应设置有导电针105，导电针105延伸至出液端204内，其中，导电针105的长度均相同。导电针105由铜或不锈钢等防液态金属腐蚀的材料制成。

如图7所示，在本发明的一个可选实施例中，电阻单元100可以为电阻线圈110，电阻线圈110包括多个螺旋部111，每个螺旋部111对应一个连接位103。相邻连接位103之间的电阻线圈110相当于电阻器104。其中，电阻线圈110由镍铬合金或者铜等材料制成，依据压力传感器的压力灵敏度选择合适电阻率的电阻丝。电阻线圈110外表面具有绝缘漆。螺旋部111越多，压力传感器的灵敏度越高。

本发明提供的压力传感器，通过接触面受压变形之后对容腔内液态金属的挤压，使的液态金属进入出液端，与出液端一一对应的连接位接触液态金属后，通过第一电极或第二电极与第三电极形成回路，基于接通的连接位所串联的有效电阻器的阻值，从而根据电阻或电流与压力的预设关系，最终得出压力值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

电阻单元，包括第一电极、第二电极以及所述第一电极和所述第二电极之间的多个连接位，相邻所述连接位之间设置有电阻器；

压力感应单元，包括第三电极、接触面、容腔和出液端，所述容腔内置有液态金属，所述第三电极与所述液态金属连接，所述接触面用于承受压力，所述出液端与所述连接位一一对应；

其中，所述出液端在所述接触面受压后容纳从所述容腔溢出的所述液态金属，并使所述液态金属与所述连接位接触。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一电极与所述第三电极连接在测量电路上或所述第二电极与所述第三电极连接在所述测量电路上。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，每个所述出液端的高度相等，所述出液端的横截面积呈梯度分布。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，横截面积由大到小连续排布的所述出液端与从所述第一电极到所述第二电极的所述连接位依次对应，

或者，横截面积由大到小连续排布的所述出液端与从所述第二电极到所述第一电极的所述连接位依次对应。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述电阻单元的每个所述连接位对应设置有导电针，所述导电针延伸至所述出液端内，其中，所述导电针的长度均相同。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述电阻单元的每个所述连接位对应设置有导电针，所述导电针延伸至所述出液端内，其中，所述导电针的长度呈梯度分布。

7.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，每个所述出液端的高度相等，且每个所述出液端的横截面积相等。

8.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述导电针长度由长到短与从所述第一电极到所述第二电极的所述连接位依次连接，

或者，所述导电针长度由长到短与从所述第二电极到所述第一电极的所述连接位依次连接。

9.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述液态金属为汞、镓、镓基合金、铋基合金中的任一一种或几种的组合。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述电阻器的阻值均相等或阻值从所述第一电极到所述第二电极呈梯度变化。

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