CN114878034B - 可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法 - Google Patents

可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，传感器敏感单元层上的半球形微结构面直接与一接触电极接触，使得在施加压力后由超弹性体制成的半球形微结构会随之发生结构变形，改变接触电极和敏感层之间的接触面积而使得传感器电阻发生线性变化；其确定方法利用超弹性体变形的连续性假设，推导出单个微结构变形后的接触面面积及所产生的高度变化，进而根据多阶半球形微结构下法向受力分配平衡条件及预设变形阈值，计算出微结构不同阶梯尺寸、数量及布局，实现对采用超弹性材料作为压阻式传感器敏感层的设计确定，进行定量设计线性灵敏度的应用需求；该方法能够满足计算简便且准确率高的要求，实现传感器可设计线性灵敏度的目的。

Description

可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法
技术领域
本发明涉及柔性压阻式传感器技术领域，尤其涉及柔性压阻式传感器微结构设计领域，具体是可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，其特别适用于对线性度、检测区间较高要求的、采用超弹性材料作为敏感单元层基底的微结构尺寸、数量及布局的确定方法。
背景技术
柔性传感器因其固有的柔韧性与较佳的可贴附性，结合适当的反馈信号即可实现监测目标功能的目的，如方兴未艾的人体健康检测、手势识别与预测、机器人空间感知与人机交互等领域均在持续发挥其重要的应用价值。其中，压阻式压力传感器因其具有整体结构简单、响应灵敏、信号采集与处理便捷等优势，已然成为未来实现广泛智能化应用场景的重要工具。如Li等人经由银纳米线、石墨烯与聚酰胺纳米纤维等组成的分级厚度式压阻薄膜PANFs，在PET薄膜框架的包覆下由两端铜线引出而制得柔性压力传感器[Li X,Fan YJ,Li HY et al.ACS Nano,2020:14(8),9605-9612]，该传感器虽在0-5kPa范围内灵敏度较高，但整体线性度较弱，尤其在较高压力范围下敏感度仅为0.7kPa-1。
如何在保证柔性压力传感器高线性度下，实现宽压力范围内的灵敏度可设计，以适应更广泛的应用场景，是当前研究亟待破解的难题。微纳结构阵列由于其高比表面积、力学和化学等特性，在柔性电子、催化和微机电***等领域应用广泛，其在提升传感器线性度、检测灵敏性与响应速度等方面也起到重要作用。如专利[具有微结构的柔性压力传感器，申请号202010929587.X]、专利[一种微结构、柔性压力传感器及其制备方法，申请号202110437999.6]与专利[基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器及制备方法，申请号202010965224.1]均公开了由微结构作为敏感单元制备的高灵敏度柔性传感器，但具体对于传感器的线性度与灵敏度的可设计性，均未提出解决方案。
采用仿生手段倒模制备柔性传感器，是当前解决上述线性度表现不理想的主要手段之一。Yang等人通过二次倒模花瓣表面微结构，制备了以聚苯胺薄膜为压力敏感单元层的柔性传感器[Yang T,Deng W et al.ACS Nano,2020:15(7),11555-11563]，其线性灵敏度最高可达53.0kPa-1；Zhou等人通过模仿人体皮肤中棘层的起伏结构，制备出了MHA@Mesh丝网微结构的压力传感器[Zhou K,Zhang C et al.Advanced Functional Materials,2020:30(38),2001296]，其丝网边缘分布的极细刺状微结构可探测5kPa范围内的压力，并作出灵敏响应；Zhao等人利用带有二级高度结构的植物花粉作为倒模模板[Zhao T,Yuan Let al.ACS Applied Materials&Interfaces,2020:12(49),55362-55371]，利用PDMS翻模出其高度特征的柔性压力传感器可最大在0-218kPa内表现最高3.5kPa-1的线性灵敏度。同时，上述仿生手段制备的柔性传感器虽然具备较优的线性度，但其微结构均为随机获得，较难在实际应用场景中进行功能客制化。为此，通过引入激光加工硅片制成台阶微结构[Zhong M,Zhang L et al.Chemical Engineering Journal,2021:412,128649]，机加工微穹形结构模板[Ji B,Zhou Q et al.Small,2021:17(43),2103312]，人工点胶微球形结构[Fang F,Tao X et al.Micromachines,2020:11(2),161]等，均通过预先设计完成特定微结构加工，从而避免引入随机性结构，但也呈现出一定的弱线性度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实施可靠、线性效果佳的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法。
为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
一种可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，用于压阻式柔性压力传感器敏感单元层上的半球形微结构的布局确定；所述确定方法包括：
S01、将传感器的半球形微结构简化处理为半圆形截面，且定义其为超弹性材料，该超弹性材料在受压过程中的变形为体积不可压缩变形，还定义其结构周向范围不受约束而仅受其法向压力，其任一微小高度切面假设为受压均匀，再定义该切面处的应力计算函数；
S02、定义超弹性材料的半球形微结构在变形前，其赤道处的应力公式，然后根据变形前后的半径定义其赤道处的应变率，其中，超弹性材料在受压变形过程中，其所受的压力在其顶点至赤道处为关于半圆形截面高度的连续函数；
S03、定义半圆形截面高度为去单位的名义高度，进而计算任一名义高度下受压时应变相对于赤道处的变化率，即切面应变率；
S04、根据所计算每名义高度处的应变率，其所在高度方向的积分可计算受压前后的总体压缩变化率；
S05、据S03计算所得的切面应变率与S04计算所得的总体高度压缩率，计算接触面面积与实际物理压缩高度；
S06、根据S05计算所获得的接触面面积半径与实际物理压缩高度，从单一半球形微结构推论至待设计的各阶半球形微结构，还定义各阶面积变化比相对于其所受力值比呈线性，以保证线性变化，进而计算出各阶半球形微结构应所受力大小；
S07、根据各阶半球形微结构的受力之和与所施加力平衡，计算出各阶半球形微结构的数量、尺寸；
S08、根据所获得的各阶半球形微结构的数量、尺寸，按预设条件对其进行布局设置。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S01包括：
将传感器的半球形微结构简化处理为半圆形截面，且定义其为超弹性材料，其应变能量函数可表示为
W＝C1(I1-3)
其中，W为应变能量密度,C1为材料常数，I1为右柯西-格林变形张量，可表示为三个主方向的应变比，即
Figure BDA0003619646660000041
对其进行三个主方向的偏微分，即可求得主方向应力差为：
Figure BDA0003619646660000042
Figure BDA0003619646660000043
所述半圆形截面的超弹性材料在受压过程为体积不可压缩变形，可表示为λ1λ2λ3＝1；其周向范围不受约束而仅受其法向压力，可定义为：
σ11＝σ22＝0
λ1＝λ2＝λ
联立上述表达式，可求得法向应力为：
Figure BDA0003619646660000044
其中，λ为某一预设方向下受压形变前后尺寸之比，其任一微小高度切面假设其受压均匀，令α＝λ2可定义此切面处应力计算函数为：
Figure BDA0003619646660000045
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S02包括：
基于S01推论，所述超弹性材料的半球形微结构变形前，其赤道处的应力可表示为
Figure BDA0003619646660000046
变形后该处微切面高度应变率可根据变形前后的半径定义，可定义为(dz)e＝αe(dz*)e，带入变形后半径Re，可表示为
Figure BDA0003619646660000047
对于任意截面高度y*下，当前横切面半径x*可定义为y*2＝R*2-x*2；
所述超弹性材料在受压变形的过程中，其所受的压力在其顶点直至赤道处为关于半圆截面高度的连续函数，且前后总体体积未发生变化，则当前接触面高度Hc可表示为：
Figure BDA0003619646660000048
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S03包括：
据S02推论，可定义半圆形截面高度为去单位的名义高度
Figure BDA0003619646660000051
带入S01所得推论，可计算此名义高度下应力为：
Figure BDA0003619646660000052
其中，G为剪切模量
Figure BDA0003619646660000053
计算任一名义高度下受压时名义应变相对于赤道处的变化率Qe为：
Figure BDA0003619646660000054
据此，可求得任一名义高度处的应变率
Figure BDA0003619646660000055
即切面应变率。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S04包括：
根据S03所计算每名义高度处的应变率
Figure BDA0003619646660000056
其所在高度方向的积分，即受压前后的总体压缩变化率β，即截面高度变化比
Figure BDA0003619646660000057
可由S02推论转换，表示为：
Figure BDA0003619646660000058
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S05包括：
据S03计算所得的接触切面
Figure BDA0003619646660000059
处的应变率αc与S04计算所得的总体高度压缩率β，推论接触面面积半径为：
Figure BDA00036196466600000510
其实际物理压缩高度，即当前压力下接触切面的变化高度Δh，可表示为：
Δh＝(1-β)R*
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S06包括：
据S05计算所获得的接触面积半径与实际物理压缩高度，将单一半球形微结构推论至待设计n阶结构，令各阶面积变化比相对于其所受力值比呈线性比，以保证线性变化，其可定义为：
Figure BDA0003619646660000061
其中，Sn为第n阶微结构下在施加压力时的所有微结构的总接触面积；设第n阶小球接触时所受压力为Ft，定义第n阶微结构数量为mn，其所受分力为Ft-n；
特别地，关于确定第n阶小球接触时预设压力Ft值，其具体需根据以下步骤判断：
e.根据所选取超弹性导电敏感层基材，测定其应力-应变曲线，从而拟合出其超弹性材料常数C1；
f.根据应用场景要求，确定所要制作传感器的量程和分辨率(如每10kPa或每1kPa)，从而计算出所要设计传感器敏感层微结构的阶数；
g.进而，根据量程与阶数，确定第n阶小球接触时预设压力Ft值；
h.上述步骤可表示为：
Figure BDA0003619646660000062
根据各阶半球形微结构受力之和与所施加力平衡，可表示为：
Figure BDA0003619646660000063
此时，其各阶微结构接触总面积可定义为：
Figure BDA0003619646660000064
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S07包括：
在预设起始微结构半径与预设压力Ft的前提下，根据S05推论可计算当前压力下的半球形微结构的变形量，表示为：
Figure BDA0003619646660000065
以此逐步确定(n-1)阶微结构半径，再进一步推算第n阶微结构半径为：
Figure BDA0003619646660000066
联立S06推论，可最终计算出各阶半球形微结构数量及其尺寸。
作为一种可能的实施方式，进一步，本方案S08包括：
根据所确定的各阶半球形微结构的尺寸及数量，将尺寸相对较大的N个半球形微结构排布在传感器的敏感单元层中央及边角四周，以维持整体结构在受压情况下的稳定性；其余各阶半球形微结构按照该方式，遍布设置于尺寸相对较大的半球形微结构四周。
上述方案的半球形超弹性微结构的确定方法，其用于可设计线性灵敏度的压阻式柔性压力传感器，基于此，本发明还提供一种可设计线性灵敏度的压阻式柔性压力传感器，其包括：
敏感单元层，
接触电极，设置在敏感单元层的上下端面，以及
柔性封装层，将接触电极和敏感单元层封装其中；
其中，所述敏感单元层的一端面具有与其中一接触电极接触连接的半球形微结构，该半球形微结构通过上述所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法进行尺寸、数量和布局确定。
其中，敏感单元微结构面直接与一接触电极接触，通过阶梯式接触达到线性弥补灵敏度的目的。通过结合实验可得到的随压强不断变化的材料杨氏模量，可求得超弹性敏感层下的物理材料形变规律，继而分别计算横切面应变率与总体高度压缩率，及其接触面面积与实际物理压缩高度。
本方案传感器敏感单元层上的半球形微结构面直接与其中一接触电极接触，使得其在施加压力后由超弹性体制成的半球形微结构会随之发生结构变形，改变接触电极和敏感层之间的接触面积而使得传感器电阻发生线性变化；而其确定方法利用超弹性体变形的连续性假设，推导出单个微结构变形后的接触面面积，及其所产生的高度变化，进而根据多阶半球形微结构下法向受力分配平衡条件及预设变形阈值，计算出在所设定传感器检测域内微结构的不同阶梯尺寸、数量及其布局，从而实现对采用超弹性材料作为压阻式传感器敏感层的设计确定，进行定量设计线性灵敏度的应用需求；该确定方法能够满足计算简便且准确率高的要求，从而达到通过调控微结构参数与制备工艺等方式，最终实现该方法下传感器可设计线性灵敏度的目的。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，其充分考虑了超弹性敏感单元层下的物理材料形变规律，在避免上述背景技术中的不足之处的同时，本方法可根据具体的实际应用需求预先设计其灵敏度，并以此调整微结构的尺寸、间距、布局及数量，从而实现其在受压工况下多级微结构与上电极间呈现接触面积线性化，以使此传感器在一定压力范围内实现可设计灵敏度的高线性度特性。同时，通过调整微结构中不同级单元的尺寸与数量，也可有效拓展该传感器的线性动态压力范围，实现在广泛应用场景下的客制化设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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是本发明方案所提及的传感器的简要剖面示意图；
图2是本发明方案所提及半球形微结构在半圆形截面状态下的变形受力示意图；
图3是本发明方案所提及半球形微结构在任意截面高度下的接触面高度在半圆形截面状态下的示意图；
图4是本发明方案所提及半球形微结构所用材料的拉伸试验结果表征图；
图5是本发明方案各阶半球形微结构和与所施力平衡的受力示意图；
图6是本发明方案单一半球形微结构超弹性模型在不同压强下的变化高度理论值示意图；
图7是本发明方案单一半球形微结构超弹性模型在不同压强下的接触面积理论值示意图；
图8是本发明方案半球形微结构在传感器敏感单元层的布局示意图之一；
图9是本发明方案半球形微结构在传感器敏感单元层的布局示意图之二。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例方案提供一种可设计线性灵敏度的压阻式柔性压力传感器，其包括：
敏感单元层1，
接触电极2，设置在敏感单元层的上下端面，以及
柔性封装层3，将接触电极和敏感单元层封装其中；
其中，所述敏感单元层1的一端面具有与其中一接触电极接触连接的半球形微结构11，该半球形微结构11通过下述所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法进行尺寸、数量和布局确定，所述确定方法大致包括：
S01：将半球形结构简化为半圆形截面，其可定义为超弹性neo-Hookean材料；所述的半圆形截面超弹性材料在受压过程为体积不可压缩变形，本发明中微结构其周向范围不受约束而仅受其法向压力，其任一微小高度切面层假设其受压均匀，可定义此切面处应力计算函数；
S02：据步骤S01推论，其赤道处的应变率可根据变形前后的半径定义；超弹性材料在受压变形的过程中，其所受的压力在其顶点直至赤道处为关于半圆截面高度的连续函数；
S03：据步骤S02推论，可定义半圆形截面高度为去单位的名义高度，进而计算任一名义高度下受压时应变相对于赤道处的变化率；
S04：根据所计算每名义高度处的应变率，其所在高度方向的积分可计算受压前后的总体压缩变化率；根据材料的实际物理状态，对上述变化率进行修正；
S05：据步骤S03与步骤S04所分别计算的切面应变率与总体高度压缩率，计算接触面面积与实际物理压缩高度；
S06：据步骤S05结论，将单一半球形微结构推论至待设计各阶结构，为保证线性变化，需使得各阶面积变化比相对于其所受力值比呈线性，进而计算出各阶应所受力大小；
S07：根据各阶半球形微结构受力之和与所施加力平衡，计算出各阶微结构数量；
S08：根据上述步骤所确定的各阶半球形微结构的尺寸及数量，进一步确定敏感层的布局方式。
在本实施例中，所述确定方法具体包括：
S01：将半球形结构简化为半圆形截面，其可定义为超弹性neo-Hookean材料，其应变能量函数可表示为W＝C1(I1-3)，其中，W为应变能量密度，C1为材料常数，I1为右柯西-格林变形张量，可表示为三个主方向的应变比，即
Figure BDA0003619646660000101
对其进行三个主方向的偏微分，即可求得主方向应力差为：
Figure BDA0003619646660000102
Figure BDA0003619646660000103
所述的半圆形截面超弹性材料在受压过程为体积不可压缩变形，可表示为λ1λ2λ3＝1；其周向范围不受约束而仅受其法向压力，可定义为：σ11＝σ22＝0，λ1＝λ2＝λ。联立上述表达式，可求得法向应力为：
Figure BDA0003619646660000104
其中，λ为某一预设方向下受压形变前后尺寸之比，其任一微小高度切面层假设其受压均匀，令α＝λ2可定义此切面处应力计算函数为：
Figure BDA0003619646660000111
S02：据步骤S01推论，其变形前赤道处(半球形微结构的平面侧对应的虚拟线)的应力可表示为
Figure BDA0003619646660000112
变形后该处微切面高度应变率可根据变形前后的半径定义，可定义为(dz)e＝αe(dz*)e(参考附图2)，带入变形后半径Re，可表示为
Figure BDA0003619646660000113
对于任意截面高度y*下，当前横切面半径x*可定义为y*2＝R*2-x*2(参考附图3)；其超弹性材料在受压变形的过程中，其所受的压力在其顶点直至赤道处为关于半圆截面高度的连续函数，且前后总体体积未发生变化，则当前接触面高度Hc可表示为：
Figure BDA0003619646660000114
S03：据步骤S02结论，可定义半圆形截面高度为去单位的名义高度
Figure BDA0003619646660000115
带入步骤S01结论，可计算此名义高度下应力为：
Figure BDA0003619646660000116
其中G为剪切模量
Figure BDA0003619646660000117
结合拉伸试验结果(参考附图4)，随着应变的增大，材料的杨氏模量也不断增大，而半球在受压过程中，应力主要集中在其顶部，当外界施加的压力为kPa级时，在名义高度
Figure BDA00036196466600001112
处受到的应力可以达到MPa级，与最初始状态下材料的杨氏模量存在较大差异，故在计算半球受压过程中的应变情况时，设置杨氏模量为随压强而变化的变量。
计算任一名义高度下受压时名义应变相对于赤道处的变化率Qe为：
Figure BDA0003619646660000118
据此，可求得任一名义高度处的应变率
Figure BDA0003619646660000119
S04：根据所计算每名义高度处的应变率
Figure BDA00036196466600001110
其所在高度方向的积分，即受压前后的总体压缩变化率β(即截面高度变化比
Figure BDA00036196466600001111
)可由步骤2结论转换，表示为：
Figure BDA0003619646660000121
S05：据步骤S03与步骤S04所可分别计算接触切面
Figure BDA0003619646660000122
处的应变率αc与总体高度压缩率β，故所推论接触面面积半径为：
Figure BDA0003619646660000123
其实际物理压缩高度，即当前压力下接触切面的变化高度Δh，可表示为：
Δh＝(1-β)R*
S06：据步骤S05结论，将单一半球形微结构推论至待设计n阶结构，为保证线性变化，需使得各阶面积变化比相对于其所受力值比呈线性比，可定义为：
Figure BDA0003619646660000124
其中，Sn为第n阶微结构下在施加压力时的所有微结构的总接触面积。设第n阶小球接触时所受压力为Ft，定义第n阶微结构数量为mn，其所受分力为Ft-n。
特别地，关于确定第n阶小球接触时预设压力Ft值，其具体需根据以下步骤判断：
i.根据所选取超弹性导电敏感层基材，测定其应力-应变曲线，从而拟合出其超弹性材料常数C1；
j.根据应用场景要求，确定所要制作传感器的量程和分辨率(如每10kPa或每1kPa)，从而计算出所要设计传感器敏感层微结构的阶数；
k.进而，根据量程与阶数，确定第n阶小球接触时预设压力Ft值；
l.上述步骤可表示为：
Figure BDA0003619646660000125
根据各阶半球形微结构受力之和与所施加力平衡(参考附图5)，可表示为：
Figure BDA0003619646660000126
此时，其各阶微结构接触总面积可定义为：
Figure BDA0003619646660000131
通过结合实验可得到的随压强不断变化的材料杨氏模量，可求得超弹性敏感层下的物理材料形变规律，继而分别计算横切面应变率与总体高度压缩率，及其接触面面积与实际物理压缩高度。其中，单一半球形微结构超弹性模型在不同压强下的变化高度和接触面积理论值示意参考图6、图7所示。
S07：在给定起始微结构半径与预设压力Ft的前提下，根据步骤5结论可计算当前压力下的半球形微结构的变形量，表示为：
Figure BDA0003619646660000132
以此逐步确定(n-1)阶微结构半径，可进一步推算第n阶微结构半径为
Figure BDA0003619646660000133
联立步骤6结论，可最终计算出各阶半球形微结构数量及其尺寸。其中对于施加外力Ft大小，可根据具体超弹性材料形变量确定，可取连续前后两次施加力变形量的20％为宜，以此减小不同阶微结构弥补所带来的线性波动问题。
S08：根据上述步骤所确定的各阶半球形微结构的尺寸及数量，将尺寸较大的微结构排布在敏感单元层中央及边角四周，以维持整体结构在受压情况下的稳定性(参考附图8、9)。其余各阶微结构按照该方式，遍布设置于尺寸较大微结构四周。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，用于压阻式柔性压力传感器敏感单元层上的半球形微结构的布局确定；其特征在于，所述确定方法包括：
S01、将传感器的半球形微结构简化处理为半圆形截面，且定义其为超弹性材料，该超弹性材料在受压过程中的变形为体积不可压缩变形，还定义其结构周向范围不受约束而仅受其法向压力，其任一微小高度切面假设为受压均匀，再定义该切面处的应力计算函数；
S02、定义超弹性材料的半球形微结构在变形前，其赤道处的应力公式，然后根据变形前后的半径定义其赤道处的应变率，其中，超弹性材料在受压变形过程中，其所受的压力在其顶点至赤道处为关于半圆形截面高度的连续函数；
S03、定义半圆形截面高度为去单位的名义高度，进而计算任一名义高度下受压时应变相对于赤道处的变化率，即切面应变率；
S04、根据所计算每名义高度处的应变率，其所在高度方向的积分可计算受压前后的总体压缩变化率；
S05、根据S03计算所得的切面应变率与S04计算所得的总体压缩变化率，计算接触面面积半径与实际物理压缩高度；
S06、根据S05计算所获得的接触面面积半径与实际物理压缩高度，从单一半球形微结构推论至待设计的各阶半球形微结构，还定义各阶面积变化比相对于其所受力值比呈线性，以保证线性变化，进而计算出各阶半球形微结构应所受力大小；
S07、根据各阶半球形微结构的受力之和与所施加力平衡，计算出各阶半球形微结构的数量、尺寸；
S08、根据所获得的各阶半球形微结构的数量、尺寸，按预设条件对其进行布局设置。
2.如权利要求1所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，其特征在于，S01包括：
将传感器的半球形微结构简化处理为半圆形截面，且定义其为超弹性材料，其应变能量函数可表示为
W＝C1(I1-3)
其中，W为应变能量密度，C1为材料常数，I1为右柯西-格林变形张量，可表示为三个主方向的应变比，即
Figure FDA0003971194720000021
对其进行三个主方向的偏微分，即可求得主方向应力差为：
Figure FDA0003971194720000022
Figure FDA0003971194720000023
所述半圆形截面的超弹性材料在受压过程为体积不可压缩变形，可表示为λ1λ2λ3＝1；其周向范围不受约束而仅受其法向压力，可定义为：
σ11＝σ22＝0
λ1＝λ2＝λ
联立表达式，可求得法向应力为：
Figure FDA0003971194720000024
其中，λ为某一预设方向下受压形变前后尺寸之比，其任一微小高度切面假设其受压均匀，令α＝λ2可定义此切面处应力计算函数为：
Figure FDA0003971194720000031
3.如权利要求2所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，其特征在于，S02包括：
基于S01推论，所述超弹性材料的半球形微结构变形前，其赤道处的应力可表示为
Figure FDA0003971194720000032
变形后该处微切面高度应变率可根据变形前后的半径定义，可定义为(dz)e＝αe(dz*)e，带入变形后半径Re，可表示为
Figure FDA0003971194720000033
对于任意截面高度y*下，当前横切面半径x*可定义为y*2＝R*2-x*2；
所述超弹性材料在受压变形的过程中，其所受的压力在其顶点直至赤道处为关于半圆截面高度的连续函数，且前后总体体积未发生变化，则当前接触面高度Hc可表示为：
Figure FDA0003971194720000034
4.如权利要求3所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，其特征在于，S03包括：
根据S02推论，可定义半圆形截面高度为去单位的名义高度
Figure FDA0003971194720000035
Figure FDA0003971194720000036
带入S01所得推论，可计算此名义高度下应力为：
Figure FDA0003971194720000041
其中，G为剪切模量，其表达式为
Figure FDA0003971194720000042
计算任一名义高度下受压时名义应变相对于赤道处的变化率Qe为：
Figure FDA0003971194720000043
据此，可求得任一名义高度处的应变率
Figure FDA0003971194720000044
即切面应变率。
5.如权利要求4所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，其特征在于，S04包括：
根据S03所计算每名义高度处的应变率
Figure FDA0003971194720000045
其所在高度方向的积分，即受压前后的总体压缩变化率β，即截面高度变化比
Figure FDA0003971194720000046
可由S02推论转换，表示为：
Figure FDA0003971194720000047
6.如权利要求5所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，其特征在于，S05包括：
根据S03计算所得的接触切面
Figure FDA0003971194720000048
处的应变率αc与S04计算所得的总体高度压缩率β，推论接触面面积半径为：
Figure FDA0003971194720000049
其实际物理压缩高度，即当前压力下接触切面的变化高度Δh，可表示为：
Δh＝(1-β)R*。
7.如权利要求6所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，其特征在于，S06包括：
根据S05计算所获得的接触面积半径与实际物理压缩高度，将单一半球形微结构推论至待设计n阶结构，令各阶面积变化比相对于其所受力值比呈线性比，以保证线性变化，其可定义为：
Figure FDA0003971194720000051
其中，Sn为第n阶微结构下在施加压力时的所有微结构的总接触面积；设第n阶小球接触时所受压力为Ft，定义第n阶微结构数量为mn，其所受分力为Ft-n；
关于确定第n阶小球接触时预设压力Ft值，其具体需根据以下步骤判断：
a.根据所选取超弹性导电敏感层基材，测定其应力-应变曲线，从而拟合出其超弹性材料常数C1；
b.根据应用场景要求，确定所要制作传感器的量程和分辨率，从而计算出所要设计传感器敏感层微结构的阶数；
c.进而，根据量程与阶数，确定第n阶小球接触时预设压力Ft值；
d.压力Ft可表示为：
Figure FDA0003971194720000052
根据各阶半球形微结构受力之和与所施加力平衡，可表示为：
Figure FDA0003971194720000053
此时，其各阶微结构接触总面积可定义为：
Figure FDA0003971194720000061
8.如权利要求7所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，其特征在于，S07包括：
在预设起始微结构半径与预设压力Ft的前提下，根据S05推论可计算当前压力下的半球形微结构的变形量，表示为：
Figure FDA0003971194720000062
以此逐步确定(n-1)阶微结构半径，再进一步推算第n阶微结构半径为：
Figure FDA0003971194720000063
联立S06推论，可最终计算出各阶半球形微结构数量及其尺寸。
9.如权利要求8所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法，其特征在于，S08包括：
根据所确定的各阶半球形微结构的尺寸及数量，将尺寸相对较大的N个半球形微结构排布在传感器的敏感单元层中央及边角四周，以维持整体结构在受压情况下的稳定性；其余各阶半球形微结构遍布设置于尺寸相对较大的半球形微结构四周。
10.一种可设计线性灵敏度的压阻式柔性压力传感器，其特征在于，其包括：
敏感单元层，
接触电极，设置在敏感单元层的上下端面，以及
柔性封装层，将接触电极和敏感单元层封装其中；
其中，所述敏感单元层的一端面具有与其中一接触电极接触连接的半球形微结构，该半球形微结构通过权利要求1至9之一所述的可设计线性灵敏度传感器半球形超弹性微结构的确定方法进行尺寸、数量和布局确定。
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