CN114279599A - 柔性压力传感器、柔性压力应变传感组件及压力检测方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供了一种柔性压力传感器、柔性压力应变传感组件及压力检测方法，柔性压力传感器包括：第一有机薄膜层、第二有机薄膜层、弹性体结构；每个有机薄膜层上均设置有多个弹性体结构，每个弹性体结构的底面与有机薄膜层均通过第一导电材料连接；每个弹性体结构除底面之外的***面上均设置有第二导电材料，第二导电材料与第一导电材料连接，第二导电材料在空间的对应位置上也设置有第二导电材料，以在空间上通过具有预定距离的两层第二导电材料形成一个压力检测点位的空间电容。本公开实施例可以确定压力发生位置及方向，解决了现有柔性压力传感器无法识别压力的方向以及力运动方向，提升了产品性能。
Description
技术领域
本公开涉及传感器领域，特别涉及一种柔性压力传感器、柔性压力应变传感组件及压力检测方法。
背景技术
技术的不断进步，人们对周边环境信息的采集深度与广度不断提升，柔性压力传感器作为一类十分重要的信息采集器件得到越来越广泛的应用。不仅如此，以柔性传感技术替代传统的传感技术，颠覆了对传统电子器件、传感器件及***等形态和功能的认知，该类器件为社会生活的多个方面带来了革命性变化，可能被广泛地应用在机器人、医疗诊断、可穿戴电子设备、人工器官、人机交互、智能蒙皮等领域，针对柔性压力传感器的研究也成为近年来的热点。
柔性压力传感器类似于人的皮肤，能感知外界力刺激的强度，可以帮助机器人实现触觉，也在人体健康监测等诸多领域有广泛的应用。然而，无论是人的皮肤还是柔性压力传感器(或电子皮肤)，都普遍存在一个严重的缺点，即目前柔性压力传感器大都为单轴传感器，无法识别压力的方向以及力运动方向。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提出了一种柔性压力传感器、柔性压力应变传感组件及压力检测方法，用以解决现有技术的如下问题：目前柔性压力传感器大都为单轴传感器，无法识别压力的方向以及力运动方向。
一方面，本公开实施例提出了一种柔性压力传感器，包括：第一有机薄膜层、第二有机薄膜层、弹性体结构；每个有机薄膜层上均设置有多个弹性体结构，每个所述弹性体结构的底面与所述有机薄膜层均通过第一导电材料连接；每个所述弹性体结构除所述底面之外的***面上均设置有第二导电材料，所述第二导电材料与所述第一导电材料连接，所述第二导电材料在空间的对应位置上也设置有所述第二导电材料，以在空间上通过具有预定距离的两层第二导电材料形成一个压力检测点位的空间电容。
在一些实施例中，所述第二导电材料在空间的对应位置上的弹性体结构体上设置有所述第二导电材料，或者，所述第二导电材料在空间的对应位置上的有机薄膜层上设置有所述第二导电材料。
在一些实施例中，所述第一有机薄膜层上的弹性体结构与所述第二有机薄膜层上的弹性体结构交错排布。
在一些实施例中，所述第一有机薄膜层上的弹性体结构在所述第二有机薄膜层上的投影与所述第二有机薄膜层上的弹性体结构在所述第二有机薄膜层上的投影不重合。
在一些实施例中，一个所述空间电容对应的两层所述第二导电材料所在表面相互平行或者所在表面的剖面结构相互平行。
在一些实施例中，所述弹性体结构的所述***面上的所述第二导电材料分为多个区域，每个区域上的第二导电材料对应一个压力检测点位。
在一些实施例中，所述第一导电材料在所述底面上具有分离的多个区域，每个区域与一个压力检测点位对应的第二导电材料连接。
在一些实施例中，所述弹性体结构的剖面结构形状至少包括以下之一：梯形、长方形、正方形。
另一方面，本公开实施例提出了一种柔性压力应变传感组件，至少包括：多个本公开实施例任一所述的柔性压力传感器。
另一方面，本公开实施例提出了一种压力检测方法，应用本公开实施例任一所述的柔性压力传感器，包括：获取来自所述柔性压力传感器的空间电容的当前电容值；根据所述当前电容值与预定电容值确定多个所述空间电容中电容值发生变化的空间电容；根据各个空间电容的电容值的变化量确定压力发生位置及方向。
本公开实施例的柔性压力传感器在两层有机薄膜层之间设置有多个弹性体结构，多个弹性体结构上均具有第二导电材料，进而多个弹性结构之间可以根据需要压力检测点位的多少而形成很多个空间电容，这些空间电容的电容值变化就可以确定压力发生位置及方向，解决了现有柔性压力传感器无法识别压力的方向以及力运动方向，提升了产品性能。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的柔性压力传感器的剖面结构示意图一；
图2为本公开实施例提供的柔性压力传感器的剖面结构示意图二；
图3为本公开实施例提供的柔性压力传感器的剖面结构示意图三；
图4为本公开实施例提供的柔性压力应变传感组件的剖面结构示意图；
图5为本公开实施例提供的压力检测方法的流程图。
附图标记：
1-第一有机薄膜层，2-第二有机薄膜层，3-弹性体结构，4-第一导电材料，5-第二导电材料。
具体实施方式
为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。
本公开实施例提供了一种柔性压力传感器，其剖面结构示意如图1所示，包括：
第一有机薄膜层1、第二有机薄膜层2、弹性体结构3；每个有机薄膜层上均设置有多个弹性体结构，每个弹性体结构的底面与有机薄膜层均通过第一导电材料4连接；每个弹性体结构除底面之外的***面上均设置有第二导电材料5，第二导电材料与第一导电材料连接，第二导电材料在空间的对应位置上也设置有第二导电材料，以在空间上通过具有预定距离的两层第二导电材料形成一个压力检测点位的空间电容。
本公开实施例的柔性压力传感器在两层有机薄膜层之间设置有多个弹性体结构，多个弹性体结构上均具有第二导电材料，进而多个弹性结构之间可以根据需要压力检测点位的多少而形成很多个空间电容，这些空间电容的电容值变化就可以确定压力发生位置及方向，解决了现有柔性压力传感器无法识别压力的方向以及力运动方向，提升了产品性能。
图1所示的柔性压力传感器仅为一种示意图，由图中可以看出，可以空间电容对应的两层第二导电材料可以军在弹性体结构体上设置，当然也可以将一层第二导电材料设置在有机薄膜层上。上述导电材料可以是金属导线等物质，也可以是任何可以充当电容电极的材料，此处不再赘述。
具体实现时，第一有机薄膜层上的弹性体结构可以与第二有机薄膜层上的弹性体结构交错排布。在一个优选实施例中，第一有机薄膜层上的弹性体结构在第二有机薄膜层上的投影与第二有机薄膜层上的弹性体结构在第二有机薄膜层上的投影不重合，进而保证形成的各个空间电容的两层第二导电材料之间的预定距离足够远，以便在电容值发生较小的变化时也能够及时检测到变化。
在一个优选实施例中，空间电容对应的两层第二导电材料所在表面相互平行或者所在表面的剖面结构相互平行，即呈现如图1所示的状态。具体实现时，如果是所在表面整面都相互平行则具有更好的效果。
为了能够采用更少的弹性结构体实现更多方向的压力检测，弹性体结构的***面上的第二导电材料可以分为多个区域，每个区域上的第二导电材料对应一个压力检测点位。如图1所示，在上层有机薄膜层上的左右两个弹性体结构就分别被分为两个区域，相对应的，为了对应两个区域的电容值的传输，第一导电材料在底面上也具有分离的两个区域，每个区域与一个压力检测点位对应的第二导电材料连接。
如图2(由于分开的第一导电材料可能在该剖面方向上只显示一个第一导电材料，因此，图中分开的第一导电材料均以一个整体显示，后续附图不再进行说明)和图3所示，均为柔性压力传感器的剖面结构示意，由此可见，弹性体结构的剖面结构形状至少可以是梯形、长方形、正方形中的一种。图2和图3中最边缘侧弹性体结构上的第二导电材料可以设置也可以不设置，具体根据加工工艺流程而选择，其设置与否并不会对压力检测结果存在影响。
本公开实施例还提供了一种柔性压力应变传感组件，其至少包括多个上述实施例中的柔性压力传感器，例如如图4所示的柔性压力应变传感组件，其是在图3的柔性压力传感器基础上形成的，图4的柔性压力应变传感组件将多个图3的柔性压力传感器进行一体设计，即将所有柔性压力传感器的第一有机薄膜层和第二有机薄膜层作为一个整体，不同柔性压力传感器之间通过支撑结构分隔开，该支撑结构也能起到保证第一有机薄膜层和第二有机薄膜层不塌陷的作用。
在制造柔性压力传感器时，其可以采用如下工艺流程：
1.在基板(例如玻璃)上PI或者PET等有机薄膜层。
2.金属导线的沉积及Mask。该金属导线即为第一导电材料。
3.进行弹性体结构的制备，即可以采用旋涂+曝光+刻蚀的方式，当然，也可以采用3D打印的方式，其中，弹性体结构的材料可以采用PDMS、聚乙烯、聚氨酯、橡胶等，优选弹性模量较大的材料，以便更好的检测。
4.金属导线的沉积及Mask。该过程中的金属导线即为第二导电材料。
5.对盒及封装，即将上述过程中加工得到的两个具有弹性体结构的有机薄膜层进行组合，进行形成一个柔性压力传感器。
本公开实施例还提供了一种压力检测方法，实现时应用上述实施例中任一柔性压力传感器，其流程如图5所示，包括步骤S501至S503：
S501，获取来自柔性压力传感器的空间电容的当前电容值；
S502，根据当前电容值与预定电容值确定多个空间电容中电容值发生变化的空间电容；
S503，根据各个空间电容的电容值的变化量确定压力发生位置及方向。
通过上述方法，可以利用具有多轴的柔性压力传感器识别压力大小和压力来源方向。该柔性压力传感器可以应用于机器电子皮肤，也可以用于运动穿戴设备力检测如搏击类(散打、跆拳道、空手道等)、击剑等领域。
此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本公开的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本公开的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本公开的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。
以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括：
第一有机薄膜层、第二有机薄膜层、弹性体结构；
每个有机薄膜层上均设置有多个弹性体结构，每个所述弹性体结构的底面与所述有机薄膜层均通过第一导电材料连接；
每个所述弹性体结构除所述底面之外的***面上均设置有第二导电材料，所述第二导电材料与所述第一导电材料连接，所述第二导电材料在空间的对应位置上也设置有所述第二导电材料，以在空间上通过具有预定距离的两层第二导电材料形成一个压力检测点位的空间电容。
2.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述第二导电材料在空间的对应位置上的弹性体结构体上设置有所述第二导电材料，或者，所述第二导电材料在空间的对应位置上的有机薄膜层上设置有所述第二导电材料。
3.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一有机薄膜层上的弹性体结构与所述第二有机薄膜层上的弹性体结构交错排布。
4.如权利要求3所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一有机薄膜层上的弹性体结构在所述第二有机薄膜层上的投影与所述第二有机薄膜层上的弹性体结构在所述第二有机薄膜层上的投影不重合。
5.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，一个所述空间电容对应的两层所述第二导电材料所在表面相互平行或者所在表面的剖面结构相互平行。
6.如权利要求1至3中任一项所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述弹性体结构的所述***面上的所述第二导电材料分为多个区域，每个区域上的第二导电材料对应一个压力检测点位。
7.如权利要求6所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一导电材料在所述底面上具有分离的多个区域，每个区域与一个压力检测点位对应的第二导电材料连接。
8.如权利要求1至5中任一项所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述弹性体结构的剖面结构形状至少包括以下之一：梯形、长方形、正方形。
9.一种柔性压力应变传感组件，其特征在于，至少包括：多个权利要求1至8中任一项所述的柔性压力传感器。
10.一种压力检测方法，其特征在于，应用权利要求1至8中任一项所述的柔性压力传感器，包括：
获取来自所述柔性压力传感器的空间电容的当前电容值；
根据所述当前电容值与预定电容值确定多个所述空间电容中电容值发生变化的空间电容；
根据各个空间电容的电容值的变化量确定压力发生位置及方向。
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