一种基于磁致伸缩薄膜的接触/非接触力磁双模感知传感器制造技术

本发明专利技术为一种基于磁致伸缩薄膜的接触/非接触力磁双模感知传感器。该传感器的组成包括敏感层、转换层、变换电路和激励电源；所述的敏感层为磁致伸缩薄膜，所述的转换层为三层结构的柔性图形电路，FPC的三个基层中，最上层覆盖有铜层，下面的两层基层上，分别设置有拾取线圈和激励线圈；拾取线圈与变换电路相连，激励线圈与激励电源；铜层与地线相连；所述的敏感层沉积于转换层的顶层敷铜上。本发明专利技术可以直接拾取磁致伸缩薄膜内磁化态变化，无机械响应过程，具有高灵敏度、响应时间与恢复时间短、兼容性好、全量程感知的优良性能。全量程感知的优良性能。全量程感知的优良性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁致伸缩薄膜的接触/非接触力磁双模感知传感器


[0001]本专利技术将磁致伸缩薄膜材料应用于电子皮肤领域，基于磁致伸缩薄膜独特的磁机械耦合效应，通过应力/磁场作用下磁化态的变化实现弯曲挠度/磁场双信息感知，可应用于人与仿生机器人关节处获得实时的手/肢体姿态及空间位置信息，实现高灵敏度、高分辨率的接触和非接触人机交互。

技术介绍

[0002]电子皮肤是通过电学信号的集成与反馈来模拟人体皮肤感受外界刺激(压力、温度、湿度)的新型电子器件，集新材料技术、传感器技术等多项技术为一体相互融合而成。在电子皮肤的各种感知功能中，触觉感知是其与外部环境直接互动的基础。随着智能电子、人性化机器人以及虚拟现实技术的兴起，越来越多的真实和虚拟对象需要被感知与操控，从而要求电子皮肤同时具有接触与非接触感知功能，这可以在触觉交互的基础上增加其对于磁场信号的反馈来实现[3]。开创高灵敏度、简单可靠的应力/磁场双信息感知柔性传感器阵列，明确传感器阵列的感知机理，对于人类感知能力的拓展以及人机交互技术的发展具有重要的理论和实际意义。
[0003]可精确感知外力/磁场大小及位置的高密度阵列柔性传感器(电子皮肤)，不仅需要具有类似皮肤特性的新型敏感材料，还需要具有突破性的信息提取原理和满足关键性能要求的传感器单元与系统集成。然而，能满足以上需求的敏感材料及传感器阵列至今仍然极具挑战。目前报道的力磁双模感知技术可概括为以分散填充磁性颗粒的高分子载体为敏感元件，通过在外力或磁场作用下磁性颗粒的移动导致材料或器件内微观结构变化，进而引起电阻、电容、磁阻、摩擦电、置换反应电压等响应信号变化实现双信息传感。相关研究极大地推进了力磁双模感知技术的发展，但是，将磁性材料微粒嵌入柔性高分子材料作为敏感元件的传感单元构型，存在柔性不高、磁力较低、聚合物阻力大、导电能力弱、传感响应慢、稳定性差等诸多问题亟待解决，目前难以满足力磁双模感知柔性传感器阵列高性能化、小型化、规模化和柔性化的要求。因此，急需一种新型传感器实现高柔性、高可靠性与灵敏度的力磁双模感知技术十分迫切。

技术实现思路
：
[0004]本专利技术的目的为针对当前技术中存在的不足，提出一种基于磁致伸缩薄膜的接触/非接触力磁双模感知传感器。该传感器由敏感层、转换层以及配套的变换电路和激励电源组成，将磁致伸缩薄膜敏感层与线圈转换层垂直排布构成平面柔性传感结构，可感知力磁条件下磁致伸缩薄膜中磁化态的变化，通过激励线圈两端与激励电源连接，拾取线圈两端与变换电路连接，测量交变磁场下拾取线圈两端的信号幅值，可将敏感层感受到的力磁物理量转化为电信号，通过配置弯力和磁场的方向将电信号分离到正负两个不同区域，实现接触/非接触双信息感知。本专利技术结构直接拾取磁致伸缩薄膜内磁化态变化，无机械响应过程，具有高灵敏度、响应时间与恢复时间短、兼容性好、全量程感知的优良性能。用一个结
构和导线同时实现力磁信号传感，极大简化接触/非接触双信息感知电子皮肤的设计和制造。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种基于磁致伸缩薄膜的接触/非接触力磁双模感知传感器，该传感器的组成包括敏感层、转换层、变换电路和激励电源；
[0007]所述的敏感层为磁致伸缩薄膜，材质为Fe
‑
Ni、Fe
‑
Co、Fe
‑
Ga或TerFenol；厚度范围为 1～1000微米；
[0008]所述的转换层为三层结构的柔性图形电路，FPC的三个基层中，最上层覆盖有铜层，下面的两层基层上，分别设置有拾取线圈和激励线圈；
[0009]拾取线圈与变换电路相连，激励线圈与激励电源；铜层与地线相连；
[0010]所述的敏感层沉积于转换层的顶层敷铜上；
[0011]所述的FPC的三个基层的材质为聚酰亚胺(PI)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度为 0.01～0.03mm；各层之间相互绝缘，只有磁场的耦合；铜导体厚度10～20微米。
[0012]所述的变换电路，其组成为交流信号幅值测量系统和前置电压放大器；所述的交流信号幅值测量系统为单线圈结构，使用锁相放大器，或者双线圈结构使用数字示波器；或者芯片；
[0013]所述的激励电源为波形发生器。
[0014]所述的转换层的制备方法，包括以下步骤：
[0015]取四片单面铜箔基层板，其中，基层为绝缘材料，导电层为铜箔，在四片基层板中心处钻孔并镀通孔，利用光成像图形转移和蚀刻工艺方法印制线路，在三片基层板上分别印制拾取线圈、激励线圈以及两层中间的中心处引线；所有基层板铜箔侧向上，将第四片基层板附于印制的三层基层板之上，使用绝缘材料热固贴合为一个FPC；FPC最外层的裸铜层，作为敏感层的电沉积基材，工作时接地；
[0016]所述的敏感层的制备方法，包括以下步骤：
[0017]将顶层为铜箔的PFC清洗和酸洗后作为阴极，铂板为阳极，以Co
‑
Fe合金电沉积溶液为电解液，在温度为50℃条件下，采用直流电源恒流模式输出，电流密度控制在0.35A/cm2，通过滴加10％稀硫酸溶液使电解液的pH控制在3，电沉积时长40min，取出FPC基片清洗干燥得到；
[0018]所述的电沉积溶液由铁硫酸盐、钴硫酸盐、络合剂、缓冲剂、抗氧化剂及表面光亮剂等组成，并由电解水作为溶剂，具体含有FeSO4·
7H2O 0.01～0.1mol/L，CoSO4·
7H2O 0.1～0.5mol/L，柠檬酸钠0.2～0.5mol/L，硼酸0.2～0.3mol/L，抗坏血酸0.5～2g/L，糖精1～3g/L，十二烷基硫酸钠0.01～0.05g/L；
[0019]本专利技术的实质性特点为：
[0020]该力磁双模传感器由敏感层、转换层以及配套的变换电路和激励电源组成，转换层为三层柔性图形电路，顶层为裸露敷铜，中间层为拾取线圈，底层为激励线圈。敏感层为磁致伸缩薄膜，制备于柔性图形电路顶层。激励电源接激励线圈两端，为敏感层提供交变磁场。利用磁化曲线非线性特性，根据法拉第电磁感应定律，变换电路接收拾取线圈两端的电信号，可反映外应力场和外磁场作用下的敏感层材料磁化过程。设计力/磁在磁致伸缩薄膜法向上施加的正负方向影响材料内磁化态的矢量，从而可将电信号在时域内分离为感知接
触/非接触的信号的上下两个区域，用这单一结构和导线输出的电信号可无需状态转换的实时感知接触/ 非接触的弯力/磁场变化。
[0021]本专利技术的有益效果具体体现为：
[0022]1、本专利技术与传统的柔性电子皮肤相比，传统的柔性电子皮肤只能对单模态信号进行感知，且测量量程和灵敏度固定。本专利技术中的柔性电子皮肤可以检测力磁两种感知模态。并且这种柔性电子皮肤可以通过复合在不同薄板材料上改变剪切模量实现弯力检测范围和灵敏度的调节，通过永磁体设置实现不同距离的非接触感知。
[0023]2、本专利技术利用成熟的薄膜材料制备及光刻蚀工艺便于大面积规模化生产(由于FPC工艺简单成本低，最大面积可达米级；而目前以分散本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁致伸缩薄膜的接触/非接触力磁双模感知传感器，其特征为该传感器的组成包括敏感层、转换层、变换电路和激励电源；所述的敏感层为磁致伸缩薄膜，材质为Fe
‑
Ni、Fe
‑
Co、Fe
‑
Ga或TerFenol；厚度范围为1～1000微米；所述的转换层为三层结构的柔性图形电路，FPC的三个基层中，最上层覆盖有铜层，下面的两层基层上，分别设置有拾取线圈和激励线圈；拾取线圈与变换电路相连，激励线圈与激励电源；铜层与地线相连；所述的敏感层沉积于转换层的顶层敷铜上；所述的FPC的三个基层的材质为聚酰亚胺(PI)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度为0.01～0.03mm；各层之间相互绝缘，只有磁场的耦合；铜导体厚度10～20微米。2.如权利要求1所述的基于磁致伸缩薄膜的接触/非接触力磁双模感知传感器，其特征为所述的变换电路，其组成为交流信号幅值测量系统和前置电压放大器；所述的交流信号幅值测量系统为单线圈结构，使用锁相放大器，或者双线圈结构，使用数字示波器；或者芯片；所述的激励电源为波形发生器。3.如权利要求1所述的基于磁致伸缩薄膜的接触/非接触力磁双模感知传感器，其特征为所述的转换层的制备方法，包括以下步骤：取四片单面铜箔基层板，其中，基层为绝...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明明，王千，李海毅，翁玲，黄文美，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：