柔性应变传感单元、阵列及采样系统的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性应变传感单元、阵列及采样系统。


背景技术：

2.应变传感器是一类重要的电学传感器件，当其受到外力作用时自身形变会导致电阻或电容发生变化，通过监测这些变化从而实现应变感知功能。近年来由于在可穿戴电子设备，电子皮肤和医疗健康监测系统中巨大的应用潜力，灵活稳定的高性能柔性电容式应变传感器受到广泛关注。柔性电容式应变传感器可以精确地检测微小的机械变化并实时反馈。
3.但是现有的应变传感器只能对单一方向的应变进行检测，难以实现同时对多个方向应变进行检测。在实际应用于检测某个待检测点的应力变化时，需要同时使用大量的应变传感器分别对不同方向的应变进行检测。


技术实现要素：

4.本发明提供一种柔性应变传感单元、阵列及采样系统，用以解决现有技术中的应变传感器存在只能对单一方向的应变进行检测等缺陷，实现了通过单个柔性应变传感单元即可同时对切向两个方向的切应力、轴向正压力和扭转应力进行检测，进而可以准确的得知待检测点的运动趋势。
5.本发明提供一种柔性应变传感单元，包括从上到下依次设置的柔性上衬底、第一柔性上极板、柔性介质层和柔性下衬底；
6.所述柔性介质层和柔性下衬底之间设置有至少四个柔性下极板，每一个所述柔性下极板与位于该所述柔性下极板上方的所述柔性介质层和所述第一柔性上极板形成一个电容。
7.根据本发明提供的一种柔性应变传感单元，所述柔性应变传感单元还包括至少一个第二柔性上极板，所述第二柔性上极板位于和所述介质层和所述柔性上衬底之间，所述第二柔性上极板与所述第一柔性上极板之间设置有间距，每一个所述柔性下极板与位于该所述柔性下极板上方的所述柔性介质层和所述第二柔性上极板形成一个电容。
8.根据本发明提供的一种柔性应变传感单元，所述柔性应变传感单元包括有两个或两个以上的第二柔性上极板，两两所述第二柔性上极板之间设置有间距。
9.根据本发明提供的一种柔性应变传感单元，所述柔性介质层的厚度、长度和宽度分别为0.5-3mm、2-10mm和2-10mm。
10.根据本发明提供的一种柔性应变传感单元，所述柔性介质层为碳黑颗粒掺杂的聚合物材料层。
11.根据本发明提供的一种柔性应变传感单元，所述柔性介质层为多孔聚合物层。
12.根据本发明提供的一种柔性应变传感单元，所述多孔聚合物层例如由pdms、ecoflex和硅橡胶为原材料经过多孔制备工艺制备而成。
13.根据本发明提供的一种柔性应变传感单元，所述柔性上衬底和所述柔性下衬底为聚酰亚胺或pet或聚氨酯薄膜或pdms薄膜或ecoflex薄膜。
14.根据本发明提供的一种柔性应变传感单元，所述第一柔性上极板和所述下极板分别电连接有个电极，所述电极为图形化金属或图形化石墨烯或图形化导电聚合物。
15.本发明还提供一种柔性应变传感阵列，包括多个呈阵列分布的所述柔性应变传感单元。
16.本发明还提供一种柔性应变传感阵列，相邻的两个所述柔性应变传感单元共用至少两个所述柔性下极板。
17.根据本发明提供的一种柔性应变传感阵列，相邻两个所述柔性应变传感单元的所述第一柔性上极板之间的两个所述柔性下极板为相邻两个所述柔性应变传感单元共用。
18.本发明还提供一种柔性应变传感采样系统，包括mcu微控制器、采样芯片和开关阵列，所述mcu微控制器分别与所述采样芯片和所述开关阵列电连接，所述采样芯片与所述开关阵列电连接，所述开关阵列用于同时与多个所述柔性应变传感单元电连接。
19.根据本发明提供的一种柔性应变传感单元、阵列及采样系统，通过将柔性应变传感单元设置于待检测的检测点，柔性传感单元由与柔性下极板数量相同的电容组成。当柔性应变传感单元受到外力时，第一柔性上极板和柔性下极板之间的柔性介质层会随着发生形变。柔性介质层的形变使得每个柔性下极板和第一柔性上极板之间的距离发生不同的变化，每个柔性下极板与第一柔性上极板之间的有效作用面积也会随着发生不同的变化，进而使得每个柔性下极板所对应的电容的数值随着发生不同的变化。然后对每个电容的数值进行检测，并根据每个电容的数值变化量进行计算即可得知检测点的在切向两个方向的切应力、轴向正压力和扭转应力。进而实现了通过单个柔性应变传感单元即可同时对切向两个方向的切应力、轴向正压力和扭转应力进行检测，从而可以准确的得知检测点的运动趋势。
20.通过使得至少四个柔性下极板共用一个第一柔性上极板，简化了柔性应变传感单元的结构，通过对四个下极板形成的电容的数值变化量进行测量，然后对电容数值进行计算即可完成对检测点处的x切应变、y切应变、z轴应变和扭转应变的测量。且柔性上衬底、第一柔性上极板、柔性介质层、柔性下极板和柔性下衬底均具有一定的柔性，进而使得柔性应变传感单元具有一定的柔性，使得柔性应变传感单元在受到外力时可以随着外力的方向进行相应的形变，进而使得柔性应变传感单元可以更好对多个方向的应变进行检测
附图说明
21.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。
22.图1是本发明提供的柔性应变传感单元的俯视图之一；
23.图2是本发明提供的柔性应变传感单元的俯视图之二；
24.图3是本发明提供的柔性应变传感单元的结构示意图；
25.图4是本发明提供的柔性应变传感单元的受力示意图之一；
26.图5是本发明提供的柔性应变传感单元的受力示意图之二；
27.图6是本发明提供的柔性应变传感单元的部分结构示意图；
28.图7是本发明提供的柔性应变传感阵列的结构示意图；
29.图8是本发明提供的柔性应变传感采样系统的结构示意图；
30.图9是本发明提供的柔性应变传感采样阵列的流程图；
31.附图标记：
32.101：柔性上衬底；
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102：第一柔性上极板； 103：柔性介质层；
33.104：柔性下衬底；
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105：柔性下极板；
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106：mcu微控制器；
34.107：采样芯；
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108：开关阵列；
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109：第二柔性上极板。
具体实施方式
35.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。
36.下面结合图1至图9描述本发明的柔性应变传感单元、阵列及采样系统。
37.如附图1、附图3、附图4和附图5所示，柔性应变传感单元包括从上到下依次设置的柔性上衬底101、第一柔性上极板102、柔性介质层103和柔性下衬底104。
38.具体来说，柔性介质层103和柔性下衬底104之间设置有至少四个柔性下极板105，每一个柔性下极板105与位于该柔性下极板105上方的柔性介质层103和第一柔性上极板102形成一个电容。
39.在使用时，将柔性应变传感单元设置于待检测的检测点，柔性传感单元由与柔性下极板105数量相同的电容组成。当柔性应变传感单元受到外力时，第一柔性上极板102和柔性下极板105之间的柔性介质层103会随着发生形变。柔性介质层103的形变使得每个柔性下极板105和第一柔性上极板102之间的距离发生不同的变化，每个柔性下极板105与第一柔性上极板102之间的有效作用面积也会随着发生不同的变化，进而使得每个柔性下极板105所对应的电容的数值随着发生不同的变化。然后对每个电容的数值进行检测，并根据每个电容的数值变化量进行计算即可得知检测点的在切向两个方向的切应力、轴向正压力和扭转应力。进而实现了通过单个柔性应变传感单元即可同时对切向两个方向的切应力、轴向正压力和扭转应力进行检测，从而可以准确的得知检测点的运动趋势。
40.通过使得至少四个柔性下极板105共用一个第一柔性上极板102，简化了柔性应变传感单元的结构，通过对四个下极板形成的电容的数值变化量进行测量，然后对电容数值进行计算即可完成对检测点处的x切应变、y切应变、z轴应变和扭转应变的测量。且柔性上衬底101、第一柔性上极板102、柔性介质层103、柔性下极板105和柔性下衬底104均具有一定的柔性，进而使得柔性应变传感单元具有一定的柔性，使得柔性应变传感单元在受到外力时可以随着外力的方向进行相应的形变，进而使得柔性应变传感单元可以更好对多个方向的应变进行检测。
41.进一步的，如附图2所示，所述柔性应变传感单元还包括至少一个第二柔性上极板109，所述第二柔性上极板109位于和所述介质层103和所述柔性上衬底101之间，所述第二
柔性上极板109与所述第一柔性上极板102之间设置有间距，每一个所述柔性下极板105与位于该所述柔性下极板105上方的所述柔性介质层103和所述第二柔性上极板109形成一个电容。在使用时，由于每一个柔性下极板105分别与第一柔性上极板102和第二柔性上极板109之间形成有电容，进而当柔性应变传感单元受到外力时，每一个柔性下极板105和第一柔性上极板102之间的电容数值，通过检测得到电容的数量变化量，然后通过相应的计算即可得知柔性应变传感单元所在的检测点的在切向两个方向的切应力、轴向正压力和扭转应力。而每一个柔性下极板105和第二柔性上极板109之间的电容数值均会随着改变，通过检测电容的数值变化量，并通过相应的计算，进而可以进一步的对柔性应变传感单元所在的检测点的在切向两个方向的切应力、轴向正压力和扭转应力等检测数据进行修正和完善，提高了检测准确性。
42.其中，如附图2所示，所述柔性应变传感单元包括有两个或两个以上的第二柔性上极板109，两两所述第二柔性上极板109之间设置有间距。在使用时，每一个柔性下极板105与第二柔性上极板109之间形成一个电容，进而增加了柔性应变传感单元内的电容数量，通过检测电容的数值变化并通过相应的计算即可得知对应电容所在位置的应力变化，使得柔性应变传感单元可以实现对检测位置进行多点位的检测，进而可以提高柔性应变传感单元的检测准确性。
43.其中，在本发明的可选实施例中，所述第二柔性上极板109下方的介质层103和所述第一柔性上极板102下方的介质层103例如为同一个，即所述第一柔性上极板102和第二柔性上极板109共用一个介质层103。但是应当了解，还可以在所述第二柔性上极板109的下方单独设置一个新的介质层。
44.进一步的，如附图1和附图3所示，柔性介质层103的厚度、长度和宽度分别为0.5-3mm、2-10mm和2-10mm。
45.其中，在本发明的可选实施例中，柔性介质层103的厚度为2mm，长度为8mm，宽度为8mm。但是应当了解，柔性介质层103的厚度、长度和宽度还可以是其他任何合适的数值。
46.进一步的，如附图6所示，柔性介质层103例如为碳黑颗粒掺杂的聚合物材料层。在使用时，通过将具有提高介电性能的微米或纳米颗粒的添加掺杂到聚合物材料中，可以有效的提高柔性介质层103的的介电性，进而提高电容的灵敏性，使得柔性应变传感单元的灵敏度变得更高，提高了柔性应变传感单元的检测准确性。
47.其中，在本发明的可选实施例中，碳黑颗粒掺杂的聚合物材料层由pdms、ecoflex和硅橡胶组成。但是应当了解，碳黑颗粒掺杂的聚合物材料层还可以由其他材料组成。
48.进一步的，如附图6所示，柔性介质层103例如为多孔聚合物层。在使用时，通过采用多孔聚合物层作为柔性介质层103，使得柔性介质层103具有高介电性，进而有效提升了电容的敏感度，使得柔性应变传感单元的敏感度随着提高，进而使得柔性应变传感单元可以更加准确的对应力进行检测，进而可以准确的得知待检测点的运动趋势。
49.其中，在本发明的可选实施例中，多孔聚合物层例如由pdms、ecoflex和硅橡胶为原材料经过多孔制备工艺制备而成。但是应当了解，多孔聚合物还可以是通过其他任何合适的材料或工艺制备而成。
50.其中，在本发明的可选实施例中，所述柔性上衬底101和所述柔性下衬底104例如为聚酰亚胺或pet或聚氨酯薄膜或pdms薄膜或ecoflex薄膜。但是应当了解，所述柔性上衬
底101和所述柔性下衬底104还可以是其他任何合适的材质。
51.进一步的，所述第一柔性上极板102和所述下极板105分别电连接有个电极，所述电极为图形化金属或图形化石墨烯或图形化导电聚合物。在使用时，将电容检测仪器的一端与所述柔性下极板105上的电极电连接，另一端与所述第一柔性上极板102上的电极电连接，即可实现对电容数值的检测。
52.另一方面，如附图7所示，本发明还提供一种柔性应变传感阵列，包括多个呈阵列分布的柔性应变传感单元。在使用时，每一个柔性应变传感单元可以对一个检测位置进行检测，通过将柔性应变传感阵列安装在相应的设备或仪器上，即可实现同时对多个位置的应力进行检测，提高了检测效率。
53.进一步的，相邻的两个柔性应变传感单元共用至少两个柔性下极板105。
54.在使用时，其中一个柔性应变传感单元的第一柔性上极板102位于至少两个柔性下极板105的一端的上方，另一个柔性应变传感单元的第一柔性上极板102位于上述至少两个柔性下极板105的另一端的上方。进而使得上述至少两个柔性下极板105的一端与其上方的柔性介质层103和第一柔性上极板102形成相应的电容，同时上述至少两个柔性下极板105的另一端与其上方的柔性介质层103和第一柔性上极板102形成相应的电容。进而实现了柔性下极板105的复用，减少了采集电容数值时所需使用的导线。以及在实际使用时，可以根据实际需求确定共用的柔性下极板105的数量与位置。
55.进一步的，如附图7所示，相邻两个柔性应变传感单元的第一柔性上极板102之间的两个柔性下极板105为相邻两个柔性应变传感单元共用。在使用时，相邻的两个第一柔性上极板102设置于相同的两个柔性下极板105的上方，即其中一个柔性应变传感单元中有两个柔性下极板105与另一个柔性应变传感单元中的两个柔性下极板105是相同的，进而在相邻的两个柔性应变传感单元之间实现了两个柔性下极板105的共用，进而减少了柔性应变传感阵列中的柔性下极板105的数量，从而相应的减少了检测电容数值时与柔性下极板105连接的导线数量，简化了柔性应变传感阵列的结构。
56.另一方面，如附图8所示，本发明还提供一种柔性应变传感采样系统，包括mcu微控制器106、采样芯片107和开关阵列108，mcu微控制器106分别与采样芯片107和开关阵列108电连接，采样芯片107与开关阵列108电连接，开关阵列108用于同时与多个柔性应变传感单元电连接。在使用时，通过控制总线将mcu微处理器与开关阵列108电连接，进而可以通过mcu微处理器对开关阵列108进行控制。通过数据总线将mcu微处理器与采样芯片107电连接，进而使得采样芯片107采集到的数据可以传输给mcu微处理器。将柔性应变传感单元中的上极板与开关阵列108的一端电连接，将多个下极板分别与开关阵列108的另一端电连接，进而使得采样芯片107可以同时采集多个电容的数值。在实际使用时，还可以同时将多个柔性应变传感单元分别与开关阵列108电连接，使得采样芯片107可以同时对多个柔性应变传感单元中的多个电容进行数值采集，进而实现了通过开关阵列108进行大规模阵列扫描电容数值，提高了工作效率。
57.其中，如附图9所示，在对检测点受到的应力进行检测时，可以根据实际需求选择正压力采集或是全信号采集。当选择正压力采集时，采样芯片107将会采集检测点处受到外力时，柔性应变传感单元的多个电容因轴向正压力而产生的数值变化，然后将检测数值写入缓存，当采样完成后，将数据打包写入本地存储，然后对数据进行分析计算即可得知监测
点处受到的轴向正压力。
58.当选择全信号采集时，采样芯片107将会采集检测点处受到外力时柔性应变传感单元的电容的数值变化，然后将采集的数据写入缓存，当采集完成后，根据电容的数值变化计算相应的切应力、轴向正压力和扭转应力，然后将数据打包写入本地存储。
59.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。