一种柔性无线无源压力传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种柔性无线无源压力传感器，所述压力传感器由LC天线、织物薄膜和铁氧体薄膜组成。所述织物薄膜将LC天线和铁氧体薄膜分开；所述LC天线由金属线圈、叉指电容和聚酰亚胺薄膜构成，所述金属线圈和叉指电容分别放置在聚酰亚胺薄膜两侧，并通过聚酰亚胺薄膜上设置的通孔串联，形成LC谐振电路。在外部压力作用下，织物薄膜产生形变，进而改变LC天线和铁氧体薄膜间的距离，引起电感变化，实现LC谐振电路的谐振频率变化，进而计算出外部压力的大小。本实用新型专利技术可用于腕带、智能鞋垫、腰带等可穿戴医疗系统和运动生物力学产品。腰带等可穿戴医疗系统和运动生物力学产品。腰带等可穿戴医疗系统和运动生物力学产品。

A flexible wireless passive pressure sensor

【技术实现步骤摘要】
一种柔性无线无源压力传感器

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[0001]本技术涉及压力传感
，尤其是一种柔性无线无源压力传感器。

技术介绍
：
[0002]人们对信息的测量、存储、传输、显示等方面日益增大的需求，使传感器在各个领域有广泛的应用前景。目前可穿戴电子中的压力传感器主要有电容式、电阻式和压电式三种形式。为适应生物体的结构特点，可穿戴电子设备使用的材料必须具有轻巧柔软、耐磨性强、易于与各种织物基板集成的特性，这是传统电子器件制造无法实现的。然而，在这一研究领域还存在着一些亟待解决的问题，包括布线的复杂性、回弹性差以及鲁棒性差等。
[0003]现有的大多数柔性无线无源压力传感器依赖于LC谐振电路中电容的变化，而电容的增大会引起有效质量因子Q的损失。为了使可穿戴设备能更好地满足实际需求，本技术提出的一种柔性无线无源压力传感器，利用电感和电容的串联电路响应外场变化，并在电磁场中传递信息。相比电容式压力传感器，本技术利用外部压力作用下，织物薄膜产生的形变改变LC天线和铁氧体薄膜间的距离，引起线圈磁通量的变化，从而引起电感变化，进一步被转换为LC谐振电路的谐振频率的变化。本技术具有电路简单、无需电源、寿命长、小型化方便、抗干扰能力强和信号重现性好等特点，且充分利用了织物材料的柔性，为可穿戴电子设备在接触压力分布测量方面提供了广泛的应用前景。

技术实现思路
：
[0004]针对现有可穿戴传感器布线复杂、回弹性差以及鲁棒性差等不足，本技术提出的一种柔性无线无源压力传感器由LC天线、织物薄膜和铁氧体薄膜组成。所述织物薄膜将LC天线和铁氧体薄膜分隔开，所述LC天线由金属线圈、叉指电容和聚酰亚胺薄膜构成。
[0005]所述金属线圈和叉指电容分别放置在聚酰亚胺薄膜两侧，通过聚酰亚胺薄膜上的通孔串联，形成LC谐振电路。所述聚酰亚胺是一种工业常用的有机高分子材料，具有耐受温度高，可达400℃以上、绝缘性能好、配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点，使压力传感器具有优异的柔性。
[0006]为了提高压力传感器的精度，优选的，金属线圈和叉指电容的材质为铜。因为铜的电阻率低、阻抗小，使谐振频率变化明显，测量压力精度更高。
[0007]为了增强传感器在可穿戴电子设备领域的适用性，优选的，织物薄膜采用细度为0.1D或更细的超细纤维制成，表面有纤细绒毛，孔隙不超过7μm，起透气防水的作用。
[0008]为了增大压力传感器的可测压力范围和提高灵敏度，优选的，织物薄膜的杨氏模量范围是2
‑
500MPa，厚度范围是0.1
‑
10mm。
[0009]为了提高所述压力传感器的灵敏度，所述铁氧体薄膜的相对磁导率范围是10
‑
1000。
[0010]所述压力传感器的工作机理是，在外部压力作用下，织物薄膜产生形变，改变LC天线和铁氧体薄膜间的距离。金属线圈的电感值与铁氧体薄膜和LC天线间的分离距离的关系
可表示为：
[0011]L
e
∝
μ
r
/(1+μ
r
d/l
e
)
[0012]其中，L
e
为金属线圈的电感值，μ
r
为铁氧体薄膜的相对磁导率，d为铁氧体薄膜和LC天线间的分离距离，l
e
为金属线圈的有效长度。
[0013]从而将LC天线和铁氧体薄膜间的距离转换为电感的变化，进一步被传感器转换为可检测到的LC谐振电路的谐振频率的变化，从而计算出所施加压力的大小。
[0014]由于铁氧体薄膜的相对磁导率高，磁感应强度大，电感变化更明显，从而使金属线圈的谐振频率变化更明显。且铁氧体薄膜能避免导电材料的干扰，克服了鲁棒性差的问题。
[0015]品质因数与电容、电感的关系为：
[0016]Q＝wL/R＝1/wRC
[0017]其中，Q为品质因素，w为电路谐振时的电源频率，L为感，R为电阻，C为电容。当外部压力增大时，引起电感增大，传感器的有效质量因子Q也随之增大，克服了现有的大多数柔性无线无源压力传感器的有效质量因子Q损失的问题。
[0018]所述压力传感器具有以下优点：(1)优异的机械弹性、耐磨性；(2)易于集成到各种织物基材的设备；(3)灵敏度高；(4)绕过固体电源和电子连接线，因而高度便携和可穿戴；(5)可测压力范围大。基于上述优点，所述压力传感器可克服传统压力传感器布线的复杂、回弹性差以及鲁棒性差的问题，适合应用在触觉传感领域，特别是新兴的可穿戴电子产品，比如智能腕带、鞋垫和腰托等。
附图说明
[0019]下面结合附图和实例对本技术作进一步说明
[0020]图1是一种柔性无线无源压力传感器的结构示意图
[0021]图2是LC天线的结构示意图
具体实施方式
[0022]为进一步阐释本技术为达成预定技术目的所采取的技术手段，以下结合附图以及较佳实施例，详细说明如下：
[0023]图1所示为本技术提供的压力传感器的结构示意图。一种柔性无线无源压力传感器由LC天线1、织物薄膜2和铁氧体薄膜3组成；所述织物薄膜2将LC天线1和铁氧体薄膜3分隔开。
[0024]LC天线1作为所述压力传感器的重要组成部分，图2所示为LC天线1的结构示意图。所述LC天线1由金属线圈11和叉指电容12通过聚酰亚胺薄膜15上设置的通孔13、14串联构成，形成LC谐振电路，所述通孔13、14分别连接金属线圈11的两端。
[0025]所述金属线圈11和叉指电容12的材质为铜，由于铜的电阻率低，阻抗小，从而使谐振频率变化明显，测量压力精度更高。所述聚酰亚胺是一种工业常用的有机高分子材料，具有耐受温度高，可达400℃以上、绝缘性能好、配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点，使压力传感器具有优异的柔性。
[0026]为了提高传感器在可穿戴领域的适用性，具体的，织物薄膜2采用细度为0.1D或更细的超细纤维制成，表面有纤细绒毛，孔隙不超过7μm，起透气防水的作用。
[0027]为了增大压力传感器的可测压力范围和提灵敏度，具体的，织物薄膜2的杨氏模量范围是2
‑
500MPa，厚度范围是0.1
‑
10mm。
[0028]为了提高所述压力传感器的灵敏度，所述铁氧体薄膜3的相对磁导率范围是10
‑
1000。
[0029]所述压力传感器的工作机理是，在外部压力作用下，织物薄膜2产生形变，改变LC天线1和铁氧体薄膜3间的距离。金属线圈11的电感值与铁氧体薄膜3和LC天线1间的分离距离的关系可表示为：
[0030]L
e
∝
μ
r
/(1+μ
r
d/l
e
)
[0031]其中，L
e
为金属线圈11的电感值，μ
r
为铁氧体薄膜3的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性无线无源压力传感器，其特征在于：所述压力传感器由LC天线、织物薄膜和铁氧体薄膜组成；所述织物薄膜将LC天线和铁氧体薄膜分隔开；所述LC天线由金属线圈、叉指电容和聚酰亚胺薄膜构成。2.如权利要求1所述的一种柔性无线无源压力传感器，其特征在于：所述金属线圈和叉指电容分别放置在聚酰亚胺薄膜两侧，并通过聚酰亚胺薄膜上设置的通孔串联。3.如权利要求1所述的一种柔性无线无源压力传感器，其特征在于：所述金属线圈和叉指电容的材...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪谨柒，程旭东，王娇，董培梅，张文斌，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：