一种基于惠斯通电桥原理的全柔性双向拉力传感器制造技术

一种基于惠斯通电桥原理的全柔性双向拉力传感器，属于柔性微流控传感器领域，能够定量检测平面上拉力大小并判断其作用方向。该拉力传感器是由柔性基体封装液态镓铟合金的全柔性微流控拉力传感芯片，微流控通道设计模仿惠斯通电桥结构，采用四部分相同结构的蛇形微通道斜对称排列，利用拉力与其作用下微通道形变引起的电阻值变化产生的输出桥通道电势差之间的定量关系，通过测得的输出桥通道两端电势差大小、正负号可以定量分析拉力的大小、判断拉力作用方向。本发明专利技术可用于智能穿戴设备、运动健康监控设备，用以监测人体运动或康复条件下肌肉拉伸、关节运动、肌腱牵拉过程中拉力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于惠斯通电桥原理的全柔性双向拉力传感器
本专利技术属于柔性微流控传感器领域，具体涉及一种利用软光刻加工技术制作液态合金填充的全柔性微流控拉力传感器，并提出了一种利用惠斯通电桥原理实现双向拉力测量的新方法。
技术介绍
柔性传感器是柔性电子技术的核心技术之一，是将电子器件制作在金属箔片或柔性材料基板上的新兴电子技术，以其柔韧性、可延展/弯曲、便携性、可穿戴等特点以及集成化、微型化、低成本的制造工艺，在智能穿戴设备、运动健康监控、医疗保健、航空航天、环境监测等领域得到广泛应用。柔性拉力传感器是智能穿戴设备、运动健康监控设备中的关键器件，用以监测人体运动或康复条件下肌肉拉伸、关节运动、肌腱牵拉等状态。该类力传感器检测的外力行程长、拉力变化大，要求柔性拉力传感器柔韧性强、抗暴力拉伸、响应速度快、灵敏度高。然而，传统的力学传感器由刚性材料制作加工，不具备高柔度、可拉伸的特点，难以满足智能穿戴设备、便携式监测设备的要求。近年来，随着新材料与微机电加工技术的发展，基于新材料、新结构、新原理的微型化、低功耗、高精度柔性可穿戴拉力传感器应运而生。然而，目前柔性拉力传感器仍有部分采用柔性基底结合金属薄片、单层纳米碳等硬质的敏感元件，其柔度与拉伸率与传统刚性力传感器相比有较大提高，但由于敏感元件固有的硬质特性，在遭受到外部大拉伸或暴力冲击时，刚性敏感元件与柔性基底易产生分离，内置刚性敏感器件易受到破坏性损伤，长期使用过程中，传感器的精确度和稳定性大大降低。因此，迫切需要基于新材料、新结构、新原理的设计研发全柔性拉力传感器，用于人体运动或康复条件下肌肉拉伸、关节运动、肌腱牵拉过程中拉力的监测。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种利用微流控芯片领域中软光刻加工技术制作液态合金填充的全柔性微流控拉力传感器，通过检测拉力引起的微通道形变产生的电阻变化，基于惠斯通电桥原理实现双向拉力的定量测量与分析。本专利技术将新材料液态金属合金与新技术软光刻微纳芯片加工技术相结合，巧妙地利用柔性材料的拉伸性与液态合金的导电性，结合微通道对称结构设计与惠斯通电桥特性，实现对平面上拉力的测量。该柔性拉力传感器的设计结构简单，制作加工方便，检测方式便捷，可利用拉力引起的微通道内液态合金的电阻变化，通过定量检测惠斯通电桥中输出桥通路两端的电势差或电流，实现平面上拉力大小与方向的定量分析与判断。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于惠斯通电桥原理的全柔性双向拉力传感器，所述的全柔性双向拉力传感器包括封装液态金属合金的全柔性微流控拉力传感芯片以及四个金属接线引脚。所述的全柔性微流控拉力传感芯片包括柔性基体内置2×2阵列形式栅型微通道的全柔性微流控芯片(如图1)；第一栅型微通道A-1、第二栅型微通道A-2、第三栅型微通道A-3和第四栅型微通道A-4结构一致，均由相互平行的长直通道与末端半圆形通道连接构成，平行长直通道的数量根据实际需要进行调整；第一栅型微通道A-1和第三栅型微通道A-3关于全柔性微流控芯片中心点中心对称，长直通道与横轴方向平行；第二栅型微通道A-2和第四栅型微通道A-4关于全柔性微流控芯片中心点中心对称，长直通道与纵轴方向平行；所有栅型微通道内均封装液态金属合金材料；所述的四个金属接线引脚包括第一金属接线引脚B-1、第二金属接线引脚B-2、第三金属接线引脚B-3和第四金属接线引脚B-4；第一金属接线引脚B-1通过微通道和第一栅型微通道A-1始端与第二栅型微通道A-2末端相连；第二金属接线引脚B-2通过微通道和第二栅型微通道A-2始端与第三栅型微通道A-3末端相连；第三金属接线引脚B-3通过微通道和第三栅型微通道A-3始端与第四栅型微通道A-4末端相连；第四金属接线引脚B-4通过微通道和第四栅型微通道A-4始端与第一栅型微通道A-1末端相连(如图2)；所述的内置2×2阵列微通道结构形如惠斯通电桥，第一栅型微通道A-1、第二栅型微通道A-2、第三栅型微通道A-3和第四栅型微通道A-4分别对应惠斯通电桥的桥壁R1、桥臂R2、桥壁R3和桥臂R4(如图3)；第一金属接线引脚B-1、第二金属接线引脚B-2、第三金属接线引脚B-3和第四金属接线引脚B-4分别对应惠斯通电桥响应检测引脚Vo1、激励加载引脚Vi1、响应检测引脚Vo2和激励加载引脚Vi2；激励加载引脚Vi1和激励加载引脚Vi2构成输入桥通道激励加载的两级；响应检测引脚Vo1和响应检测引脚Vo2构成输出桥通道响应检测的两级。具体地，根据惠斯通电桥原理，当全柔性双向拉力传感器未受到拉伸力作用，四个部分的栅型微通道结构和尺寸相同，各桥臂电阻值相同，输出桥通道两级之间的电势为零；当受到平面上横向或纵向的拉力后，力作用方向的栅型微通道会发生形变，挤压内部的液态金属合金，引起电阻值改变，而垂直力作用方向上栅型微通道形变可忽略不计，因而在输出桥通道两级之间产生电势差；利用拉力与其作用下栅型微通道形变引起的电阻值变化产生的输出桥通道两级之间电势差的定量关系，通过测得的输出桥通道两端电势差大小、正负号可以定量分析拉力的大小、判断拉力作用方向；拉力作用与输出桥通道两级电势差之间的定量关系如下：当全柔性微流控拉力传感芯片受到平面上横向或纵向的拉力作用时，芯片主体即柔性基体在拉力作用下产生形变，拉力作用与柔性基体形变满足胡克定律：其中，E为柔性基体弹性模量，S是传感芯片拉力作用面的横截面积，ls0是拉力作用方向上芯片长度初始值，Δls拉力作用方向上芯片长度变化值。对于基体来说，内置微通道所占整个基体体积的比率非常小，故可将基体近似为各向同性良好的弹性体，柔性基体弹性模量可认为是一个定量E。同时，拉力作用除了产生作用方向上的伸长应变还会引起作用面的收缩形变，因此式(1)变为：式中，a是柔性基体截面的长，b是柔性基体截面的宽，ν是柔性基体材料的泊松比，n是柔性基体的形变率。柔性基体的形变引起内置栅型微通道的形变，因此栅型微通道的形变率与柔性基体的形变率一致，即：其中，lc0是栅型微通道直通道的初始长度，Δlc是拉力作用方向上栅型微通道长度的增量。栅型微通道受到拉力作用产生形变，拉力作用前后封装在栅型微通道内液态金属合金的体积保持不变，即：式中，d0是栅型微通道正方形截面的初始边长，d是拉力作用下栅型微通道截面的边长。栅型微通道中长直通道的长度远远大于弯曲通道长度，因此栅型微通道的初始电阻R0可近似为：其中，N是栅型微通道中长直通道的条数，ρ是液态金属合金的电阻率。拉力作用后栅型微通道的电阻值R与微通道尺寸之间的关系可表示成由式(4)-(6)可得：R＝R0(1+n)2(7)根据惠斯通电桥原理，当在激励加载引脚Vi1与激励加载引脚Vi2之间输入激励电压Ui＝Vi1-Vi2，响应检测引脚Vo1与响应检测引脚Vo2之间的电势差，即输出桥通路电势差Uo可表示为当全柔性微流控拉力传感芯片的基体受到横向拉力作用时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惠斯通电桥原理的全柔性双向拉力传感器，其特征在于，所述的全柔性双向拉力传感器包括封装液态金属合金的全柔性微流控拉力传感芯片以及四个金属接线引脚；/n所述的全柔性微流控拉力传感芯片包括柔性基体内置2×2阵列形式栅型微通道的全柔性微流控芯片；第一栅型微通道(A-1)、第二栅型微通道(A-2)、第三栅型微通道(A-3)和第四栅型微通道(A-4)结构一致，均由相互平行的长直通道与末端半圆形通道连接构成，平行长直通道的数量根据实际需要进行调整；第一栅型微通道(A-1)和第三栅型微通道(A-3)关于全柔性微流控拉力传感芯片中心点中心对称，长直通道与横轴方向平行；第二栅型微通道(A-2)和第四栅型微通道(A-4)关于全柔性微流控拉力传感芯片中心点中心对称，长直通道与纵轴方向平行；所有栅型微通道内均封装液态金属合金材料；/n所述的四个金属接线引脚包括第一金属接线引脚(B-1)、第二金属接线引脚(B-2)、第三金属接线引脚(B-3)和第四金属接线引脚(B-4)；第一金属接线引脚(B-1)通过微通道和第一栅型微通道(A-1)始端与第二栅型微通道(A-2)末端相连；第二金属接线引脚(B-2)通过微通道和第二栅型微通道(A-2)始端与第三栅型微通道(A-3)末端相连；第三金属接线引脚(B-3)通过微通道和第三栅型微通道(A-3)始端与第四栅型微通道(A-4)末端相连；第四金属接线引脚(B-4)通过微通道和第四栅型微通道(A-4)始端与第一栅型微通道(A-1)末端相连；/n所述的内置2×2阵列微通道结构形如惠斯通电桥，第一栅型微通道(A-1)、第二栅型微通道(A-2)、第三栅型微通道(A-3)和第四栅型微通道(A-4)分别对应惠斯通电桥的桥壁R...

【技术特征摘要】
1.一种基于惠斯通电桥原理的全柔性双向拉力传感器，其特征在于，所述的全柔性双向拉力传感器包括封装液态金属合金的全柔性微流控拉力传感芯片以及四个金属接线引脚；
所述的全柔性微流控拉力传感芯片包括柔性基体内置2×2阵列形式栅型微通道的全柔性微流控芯片；第一栅型微通道(A-1)、第二栅型微通道(A-2)、第三栅型微通道(A-3)和第四栅型微通道(A-4)结构一致，均由相互平行的长直通道与末端半圆形通道连接构成，平行长直通道的数量根据实际需要进行调整；第一栅型微通道(A-1)和第三栅型微通道(A-3)关于全柔性微流控拉力传感芯片中心点中心对称，长直通道与横轴方向平行；第二栅型微通道(A-2)和第四栅型微通道(A-4)关于全柔性微流控拉力传感芯片中心点中心对称，长直通道与纵轴方向平行；所有栅型微通道内均封装液态金属合金材料；
所述的四个金属接线引脚包括第一金属接线引脚(B-1)、第二金属接线引脚(B-2)、第三金属接线引脚(B-3)和第四金属接线引脚(B-4)；第一金属接线引脚(B-1)通过微通道和第一栅型微通道(A-1)始端与第二栅型微通道(A-2)末端相连；第二金属接线引脚(B-2)通过微通道和第二栅型微通道(A-2)始端与第三栅型微通道(A-3)末端相连；第三金属接线引脚(B-3)通过微通道和第三栅型微通道(A-3)始端与第四栅型微通道(A-4)末端相连；第四金属接线引脚(B-4)通过微通道和第四栅型微通道(A-4)始端与第一栅型微通道(A-1)末端相连；
所述的内置2×2阵列微通道结构形如惠斯通电桥，第一栅型微通道(A-1)、第二栅型微通道(A-2)、第三栅型微通道(A-3)和第四栅型微通道(A-4)分别对应惠斯通电桥的桥壁R1、桥臂R2、桥壁R3和桥臂R4；第一金属接线引脚(B-1)、第二金属接线引脚(B-2)、第三金属接线引脚(B-3)和第四金属接线引脚(B-4)分别对应惠斯通电桥响应检测引脚Vo1、激励加载引脚Vi1、响应检测引脚Vo2和激励加载引脚Vi2；激励加载引脚Vi1和激励加载引脚Vi2构成输入桥通道激励加载的两级；响应检测引脚Vo1和响应检测引脚Vo2构成输出桥通道响应检测的两级。


2.根据权利要求1或2所述的一种基于惠斯通电桥原理的全柔性双向拉力传感器，其特征在于，根据惠斯通电桥原理，当全柔性双向拉力传感器未受到拉伸力作用，四个部分的栅型微通道结构和尺寸相同，各桥臂电阻值相同，输出桥通道两级之间的电势为零；当受到平面上横向或纵向的拉力后，力作用方向的栅型微通道会发生形变，挤压内部的液态金属合金，引起电阻值改变，而垂直力作用方向上栅型微通道形变忽略不计，因而在输出桥通道两级之间产生电势差；利用拉力与其作用下栅型微通道形变引起的电阻值变化产生的输出桥通道两级之间电势差的定量关系，通过测得的输出桥通道两端电势差大小、正负号定量分析拉力的大小、判断拉力作用方向。


3.根据权利要求1或2所述的一种基于惠斯通电桥原理的全柔性双向拉力传感器，其特征在于，拉力作用与输出桥通道两级电势差之间的定量关系如下：当全柔性微流控拉力传感芯片受到平面上横...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泳江，占琛林，覃开蓉，陈晓明，薛春东，刘琨，于苗，杨雨浓，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21