热式压力传感器及柔性电子皮肤制造技术

本发明专利技术公开了一种热式压力传感器及柔性电子皮肤，热式压力传感器包括：基底，其上设有第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元件，第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元件之上覆盖有预设厚度的弹性膜；柔性电子皮肤包括：柔性基底，其上设有热式压力传感器阵列(包括m行n列个热式压力传感器)、热式流场传感器阵列(包括p行q列个热式流场传感器)和引线连线；热式压力传感器与热式流场传感器交错间隔排列；引线连线分别与热式压力传感器阵列和热式流场传感器阵列连接。热式压力传感器结构简单、可柔性、灵敏度高，压力测量范围和灵敏度方便可调；柔性电子皮肤集成了触感、温感、风感和附着物感等功能，结构简单、可大面积使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器
，特别涉及一种热式压力传感器及柔性电子皮肤。
技术介绍
压力传感器在各行各业都有广泛的应用需求。常规压力传感器采用薄膜结构，当薄膜承受压力时产生形变，这种形变转化为电容信号或者被分布在薄膜上的应力敏感元件检测获得，从而转化为电信号输出。通常应力敏感元件采用压阻材料，应力信息被转换为电阻信息，通过测量电阻来感测应力乃至压力的变化。微型压力传感器通常基于硅基材料，采用微机械加工工艺制造传感器，传感器结构复杂、为刚性，难以满足如电子皮肤应用等对柔性传感器的需求。已有研究者开展了柔性压阻材料的研制，采用碳纳米管、炭黑等纳米材料与聚合物材料混合形成具有压阻特性的柔性材料，这种柔性压阻材料已被用于制作柔性压力传感器，但该柔性压力传感器存在迟滞、测量范围小、灵敏度不高等问题；且该柔性压力传感器形成的电子皮肤的功能集成度不高，常规只含有压力测量或温度测量，难以实现将触感、温感、风感、附着物感等功能集成的高仿真皮肤。鉴于此，如何提供一种体积小、可柔性、结构简单、灵敏度高的微型压力传感器以及一种基于该微型压力传感器的集触感、温感、风感、附着物感等功能为一体的柔性电子皮肤成为目前需要解决的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供了一种热式压力传感器及柔性电子皮肤，热式压力传感器相比于现有的压力传感器，结构简单、可柔性、灵敏度高，其压力测量范围和灵敏度方便可调；柔性电子皮肤将热式压力传感器阵列、热式流场传感器阵列集成在柔性基底上，实现了集触感、温感、风感、附着物感等功能为一体的高仿真皮肤。第一方面，本专利技术提供一种热式压力传感器，包括：基底，所述基底上设有第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元件，所述第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元件之上覆盖有预设厚度的弹性膜；所述第一热敏电阻元件，用于在被加热到高于环境温度的工作温度、且外界压力使得所述弹性膜发生形变时检测自身温度的变化，并将自身温度的变化转换为电阻变化信号，进而检测外界压力造成的所述弹性膜导热系数的变化；所述第一温度补偿电阻元件，用于测量环境温度并对所述第一热敏电阻元件进行温度补偿。可选的，所述热式压力传感器，还包括：第一信号调理电路，分别与所述第一热敏电阻元件以及所述第一温度补偿电阻元件连接，用于调节所述第一热敏电阻元件的工作温度，以及将所述第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元件检测的电阻变化信号转换为电压信号。可选的，所述第一信号调理电路为恒流调理电路、或恒压调理电路、或恒温差调理电路。可选的，所述恒温差调理电路，包括：惠斯通电桥和运算放大器；所述惠斯通电桥的一个桥臂为所述热式压力传感器中的第一热敏电阻元件，该桥臂的相对桥臂为所述热式压力传感器中的第一温度补偿电阻元件，另外两个桥臂均为固定电阻；所述惠斯通电桥的两输出节点与所述运算放大器的输入端连接，所述运算放大器的输出端输出反馈至所述惠斯通电桥的桥顶，形成闭环反馈回路；所述惠斯通电桥，还包括：与所述热式压力传感器中的第一温度补偿电阻元件串联的可调电阻，用于调节所述第一热敏电阻元件的工作温度，进而调节所述热式压力传感器的灵敏度和量程。第二方面，本专利技术提供一种柔性电子皮肤，包括：柔性基底，所述柔性基底上设有热式压力传感器阵列、热式流场传感器阵列和引线连线；所述热式压力传感器阵列，包括：m行n列个热式压力传感器，m和n均为大于1的整数，所述热式压力传感器为权利要求1所述的热式压力传感器，所述热式压力传感器阵列中的基底为所述柔性基底；所述热式流场传感器阵列，包括：p行q列个热式流场传感器，p和q均为大于1的整数；所述热式压力传感器与所述热式流场传感器交错间隔排列，使得所述热式流场传感器阵列上表面形成在所述热式压力传感器的弹性膜之间纵横交叉的无弹性膜通道；所述引线连线分别与所述热式压力传感器阵列和所述热式流场传感器阵列连接。可选的，所述热式流场传感器，包括：所述柔性基底，所述柔性基底上设有第二热敏电阻元件和第二温度补偿电阻元件，所述第二热敏电阻元件和第二温度补偿电阻元件之上覆盖有纳米厚度的保护层；所述第二热敏电阻元件，用于在被加热到高于环境温度的工作温度、且外界流场经过所述热式流场传感器表面或者所述热式流场传感器表面粘有附着物时检测自身温度的变化，并将自身温度的变化转换为电阻变化信号；所述第二温度补偿电阻元件，用于测量环境温度并对所述第二热敏电阻元件进行温度补偿。可选的，在所述热式流场传感器阵列中，两个相邻的热式流场传感器中的第二热敏电阻元件采用互为垂直的热敏丝结构，用于测量柔性电子皮肤表面流场的流速大小和方向；或者，所述热式流场传感器中的第二热敏电阻元件，包括：在所述柔性基底上设有圆形的热敏电阻区域，所述热敏电阻区域被均分为至少三个扇形区域，每一个所述扇形区域均布置有一个迂回结构的热敏电阻丝，以便所述热敏电阻丝均匀分布在所述扇形区域内，用于测量所述柔性电子皮肤表面流场的流速大小和方向。可选的，所述引线连线为交叉网络结构，所述热式压力传感器阵列和所述热式流场传感器阵列的输入引线均通过横向连线与相邻传感器的输入引线连接，所述热式压力传感器阵列和所述热式流场传感器阵列的输出引线均通过纵向连线与相邻传感器的输出引线连接，横向输入连线和纵向输出连线采用双层布线结构，输入连线分布在一层，输出连线分布在另一层，双层连线结构之间采用绝缘层隔开；所述柔性电子皮肤工作时，采用输入连线和输出连线扫描顺序选通的方式，遍历阵列中的各个传感器，顺序输出各个传感器的信号。可选的，所述的柔性电子皮肤，还包括：第二信号调理电路，通过引线连线分别与所述热式压力传感器阵列以及所述热式流场传感器阵列连接，用于调节所述热式压力传感器阵列中的第一热敏电阻元件的工作温度，将所述热式压力传感器阵列中的第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元件检测的电阻变化信号转换为电压信号，以及调节所述热式流场传感器阵列中的第二热敏电阻元件的工作温度，将所述热式流场传感器阵列中的第二热敏电阻元件和第二温度补偿电阻元件检测的电阻变化信号转换为电压信号。可选的，所述第二信号调理电路为恒流调理电路、或恒压调理电路。本专利技术提供的热式压力传感器及柔性电子皮肤，热式压力传感器采用一种弹性材料作为热敏元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热式压力传感器，其特征在于，包括：基底，所述基底上设有第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元件，所述第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元件之上覆盖有预设厚度的弹性膜；所述第一热敏电阻元件，用于在被加热到高于环境温度的工作温度、且外界压力使得所述弹性膜发生形变时检测自身温度的变化，并将自身温度的变化转换为电阻变化信号，进而检测外界压力造成的所述弹性膜导热系数的变化；所述第一温度补偿电阻元件，用于测量环境温度并对所述第一热敏电阻元件进行温度补偿。

【技术特征摘要】
1.一种热式压力传感器，其特征在于，包括：
基底，所述基底上设有第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元
件，所述第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元件之上覆盖有预设
厚度的弹性膜；
所述第一热敏电阻元件，用于在被加热到高于环境温度的工作温
度、且外界压力使得所述弹性膜发生形变时检测自身温度的变化，并
将自身温度的变化转换为电阻变化信号，进而检测外界压力造成的所
述弹性膜导热系数的变化；
所述第一温度补偿电阻元件，用于测量环境温度并对所述第一热
敏电阻元件进行温度补偿。
2.根据权利要求1所述的热式压力传感器，其特征在于，还包
括：
第一信号调理电路，分别与所述第一热敏电阻元件以及所述第一
温度补偿电阻元件连接，用于调节所述第一热敏电阻元件的工作温度，
以及将所述第一热敏电阻元件和第一温度补偿电阻元件检测的电阻
变化信号转换为电压信号。
3.根据权利要求2所述的热式压力传感器，其特征在于，所述
第一信号调理电路为恒流调理电路、或恒压调理电路、或恒温差调理
电路。
4.根据权利要求3所述的热式压力传感器，其特征在于，所述
恒温差调理电路，包括：惠斯通电桥和运算放大器；
所述惠斯通电桥的一个桥臂为所述热式压力传感器中的第一热
敏电阻元件，该桥臂的相对桥臂为所述热式压力传感器中的第一温度
补偿电阻元件，另外两个桥臂均为固定电阻；
所述惠斯通电桥的两输出节点与所述运算放大器的输入端连接，
所述运算放大器的输出端输出反馈至所述惠斯通电桥的桥顶，形成闭

\t环反馈回路；
所述惠斯通电桥，还包括：与所述热式压力传感器中的第一温度
补偿电阻元件串联的可调电阻，用于调节所述第一热敏电阻元件的工
作温度，进而调节所述热式压力传感器的灵敏度和量程。
5.一种柔性电子皮肤，其特征在于，包括：
柔性基底，所述柔性基底上设有热式压力传感器阵列、热式流场
传感器阵列和引线连线；
所述热式压力传感器阵列，包括：m行n列个热式压力传感器，
m和n均为大于1的整数，所述热式压力传感器为权利要求1所述的
热式压力传感器，所述热式压力传感器阵列中的基底为所述柔性基底；
所述热式流场传感器阵列，包括：p行q列个热式流场传感器，
p和q均为大于1的整数；
所述热式压力传感器与所述热式流场传感器交错间隔排列，使得
所述热式流场传感器阵列上表面形成在所述热式压力传感器的弹性
膜之间纵横交叉的无弹性膜通道；
所述引线连线分别与所述热式压力传感器阵列和所述热式流场
传感器阵列连接。
6.根据权利要求5所述的柔性电...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱荣，赵帅，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11