柔性传感器及其设计方法技术

本发明专利技术提供了柔性传感器，涉及传感器件技术领域，包括柔性基底和传感部件，柔性基底设有容纳腔，各容纳腔凸出于柔性基底的一个端面，各传感部件设于各容纳腔内，且各传感部件的外壁与各容纳腔的内壁相匹配并接触，各传感部件的电阻值能随各传感部件的变形而改变。测试准确性高。其设计方法为：制作传感部件试样，获得试样的应力

【技术实现步骤摘要】
柔性传感器及其设计方法


[0001]本专利技术涉及传感器件
，特别是涉及一种柔性传感器及其设计方法。

技术介绍

[0002]目前，随着机器人等工业产品智能化技术的快速发展，与其相关领域的技术研究也成为人们关注的焦点。对外部环境的精确、快速感知是智能化的基础，柔性传感器是实现这一功能的重要手段。将柔性传感器集成于可穿戴设备实现对用户生理参数预测并快速、准确地做出健康评估，亦或是智能机器人通过穿戴这类柔性电子仿生皮肤可以更加灵活、全面地完成人机交互，因此，柔性传感器应用领域十分广泛，如体育、游戏、医疗、军事和科研等多个方面。石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，因其特殊的单原子层结构而呈现出优异的物理和化学性能。同时，三维石墨烯气凝胶结合了石墨烯及三维网络结构的双重优势，作为柔性压阻传感材料具有显著的优势以及广阔的应用前景。
[0003]现有的柔性传感器大多采用三明治结构，即柔性传感器由上柔性基底、下柔性基底和传感部件组成。上柔性基底、下柔性基底和传感部件均为平面结构，传感器部件设置于上柔性基底和下柔性基底之间。柔性传感器作用于变形或非规则表面时会造成柔性基底的变形，从而压迫传感材料，无法准确地测量外应力，故此类结构并不符合柔性传感器走向皮肤化的应用要求，亟需开发具有抗干扰性的柔性传感器。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种柔性传感器及其设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单，测试准确性高。柔性传感器的设计方法有利于简化设计流程，提高模拟的准确性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]本专利技术提供了一种柔性传感器，包括柔性基底和至少一个传感部件，所述柔性基底设有至少一个封闭的容纳腔，各所述容纳腔凸出于所述柔性基底的一个端面，各所述传感部件设置于各所述容纳腔内，且各所述传感部件的外壁与各所述容纳腔的内壁相匹配并接触，各所述传感部件的电阻值能够随各所述传感部件的变形而改变。
[0007]优选的，本专利技术提供的柔性传感器还包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均至少为一个，各所述第一电极和各所述第二电极之间留有间隙，所述柔性基底包括第一基底和第二基底，所述第一基底具有所述容纳腔，所述容纳腔凸出于所述第一基底的一个端面，所述第一基底的另一端与所述第二基底固定连接，各所述传感部件远离各所述容纳腔凸出方向的一端均与一个所述第一电极的一端和一个所述第二电极的一端接触，各所述第一电极的另一端和各所述第二电极的另一端与所述第二基底靠近所述第一基底的一端接触，所述第一基底和所述第二基底能够将各所述传感部件和各所述第一电极夹紧，所述第一基底和所述第二基底能够将各所述传感部件和各所述第二电极夹紧。
[0008]优选的，本专利技术提供的柔性传感器还包括至少一个支撑部件，各所述支撑部件的
一端与所述第二基底靠近所述第一基底的一端固定连接，一个所述支撑部件的另一端与所述第一电极和所述第二电极均接触，所述第一基底和所述第二基底能够通过各所述支撑部件和各所述容纳腔将各所述传感部件和各所述第一电极、各所述传感部件和各所述第二电极夹紧。
[0009]优选的，所述容纳腔和所述传感部件均为多个，多个所述容纳腔和多个所述传感部件均呈阵列排列。
[0010]优选的，本专利技术提供的柔性传感器还包括横向导线和纵向导线，所述横向导线和所述纵向导线均为多个，位于一横排的多个所述第一电极与一个所述横向导线连接，位于一纵排的多个所述第二电极通过多个所述纵向导线串联，所述横向导线和所述纵向导线均为螺旋导线。
[0011]优选的，各所述传感部件的材料为三维石墨烯，所述容纳腔呈圆柱形。
[0012]本专利技术还提供了一种柔性传感器的设计方法，包括：
[0013]S1：制作所述传感部件试样，测试并记录所述传感部件试样在不同应变下的应力并获得所述传感部件试样的应力
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应变实验数据；创建所述柔性传感器的三维模型，所述柔性传感器的三维模型中的传感部件的三维形状与所述传感部件试样的三维形状相同；
[0014]S2：通过所述传感部件试样的应力
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应变实验数据获得所述传感部件试样的应力
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应变函数的参数；
[0015]S3：将所述传感部件试样的应力
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应变函数曲线的参数应用于所述柔性传感器的三维模型中进行有限元分析，获得所述柔性传感器的三维模型在不同应变下各部位的应力分布；
[0016]S4：通过所述柔性传感器的三维模型在不同应变下各部位的应力分布情况预测所述柔性传感器在各类变形下的力学特性。
[0017]优选的，S1包括：通过万能试验机获得所述传感部件试样的应力
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应变实验数据；
[0018]S2包括：将所述传感部件试样的应力
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应变实验数据进行有限元分析，获得所述传感部件试样的应力
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应变曲线、所述传感部件试样的应力
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应变函数曲线及所述传感部件试样的应力
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应变函数的参数。
[0019]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0020]本专利技术提供的柔性传感器，将传感部件设置于容纳腔内，当柔性传感器发生变形时，变形量主要发生在容纳腔与柔性基底的连接处，凸出于柔性基底的容纳腔处的部分变形量很小，不易对内置的传感部件造成压迫，从而使得受外力影响较小，从而提高了测试的准确性。本专利技术还提供的柔性传感器的设计方法，传统的设计方式均从可压缩弹性材料本身为出发点，将可压缩弹性材料制成不同的孔状结构，预测在不同孔状结构下可压缩弹性材料的力学行为；本实施例则以可压缩弹性多孔材料(如三维石墨烯)为出发点，忽略多孔结构，以具体的孔状结构下的材料的实验数据为基础，预测具体结构的可压缩弹性多孔材料(如三维石墨烯)的力学变化，故而该方法不存在多孔结构存在的不确定性与难以建模造成的缺点，有利于简化设计流程，提高模拟的准确性。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
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专利技术的一些实施例，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。
[0022]图1为实施例1中的柔性传感器的结构示意图(阵列结构)；
[0023]图2本实施例1中的柔性传感器的结构示意图(单个结构)；
[0024]图3为实施例1中的横向导线和纵向导线的布置示意图；
[0025]图4为实施例1中现有的三明治结构柔性传感器在拉伸2mm状态下有限元分析的应变示意图；
[0026]图5为实施例1的柔性传感器在拉伸2mm状态下有限元分析的应变示意图；
[0027]图6为实施例1中现有的三明治结构柔性传感器在拉伸6mm状态下有限元分析的应变示意图；
[0028]图7为实施例1的柔性传感器在拉伸6mm状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性传感器，其特征在于：包括柔性基底和至少一个传感部件，所述柔性基底设有至少一个封闭的容纳腔，各所述容纳腔凸出于所述柔性基底的一个端面，各所述传感部件设置于各所述容纳腔内，且各所述传感部件的外壁与各所述容纳腔的内壁相匹配并接触，各所述传感部件的电阻值能够随各所述传感部件的变形而改变。2.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于：还包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均至少为一个，各所述第一电极和各所述第二电极之间留有间隙，所述柔性基底包括第一基底和第二基底，所述第一基底具有所述容纳腔，所述容纳腔凸出于所述第一基底的一个端面，所述第一基底的另一端与所述第二基底固定连接，各所述传感部件远离各所述容纳腔凸出方向的一端均与一个所述第一电极的一端和一个所述第二电极的一端接触，各所述第一电极的另一端和各所述第二电极的另一端与所述第二基底靠近所述第一基底的一端接触，所述第一基底和所述第二基底能够将各所述传感部件和各所述第一电极夹紧，所述第一基底和所述第二基底能够将各所述传感部件和各所述第二电极夹紧。3.根据权利要求2所述的柔性传感器，其特征在于：还包括至少一个支撑部件，各所述支撑部件的一端与所述第二基底靠近所述第一基底的一端固定连接，一个所述支撑部件的另一端与所述第一电极和所述第二电极均接触，所述第一基底和所述第二基底能够通过各所述支撑部件和各所述容纳腔将各所述传感部件和各所述第一电极、各所述传感部件和各所述第二电极夹紧。4.根据权利要求2所述的柔性传感器，其特征在于：所述容纳腔和所述传感部件均为多个，多个所述容纳腔和多个所述传感部件均呈阵列排列。5.根据权利要求4所述的柔性传感器，其特征在于：还包括横向导线和纵向导线，所述横向导线和所述纵向导线均为多个，位于一横排的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金清，李义云，杨生荣，马立民，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：