一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器及应用，包括封装层、螺旋主体、引线和介电层；封装层位于纤维式加速度传感器最外侧，封装层的两侧闭合，并分别与螺旋主体的两个端点连接；螺旋主体包括基体骨架、电极层、绝缘层；引线一端与螺旋主体端点处的电极层连接，另一端穿过封装层暴露于纤维式加速度传感器外侧；介电层填充纤维式加速度传感器内的剩余空间。本发明专利技术提供的传感器在加速度下可产生电容变化，同时不受轴向拉伸和法向压力的干扰，从而实现高可靠加速度检测；对本发明专利技术传感器进行编织，可进一步得到可穿戴加速度传感织物。本发明专利技术传感器还适用于人机交互、类人机器人、智能假肢等应用场景。智能假肢等应用场景。智能假肢等应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器及应用


[0001]本专利技术涉及柔性电子器件
，尤其涉及一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器及应用。

技术介绍

[0002]加速度传感器是一种可以测量加速度的微惯性器件，主体为质量块和弹性元件。其原理基于牛顿第二定律，即外界产生加速度时，由于质量块和弹性元件之间的惯性不对等，导致弹性元件发生弹性形变，改变传感器的电容、电阻、电流等信号。其在人机交互和柔性机器人等领域有出色的应用前景。
[0003]但是，目前的加速度传感器通常由刚性元器件组成，其可穿戴性、检测稳定性和便携性较差，对于全柔性加速度传感器的研究处于空白状态。其原因主要在于全柔性加速度传感器易受外界无效压力和拉伸信号的串扰，可靠性较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器及应用；实现全柔性加速度传感的同时，通过螺旋结构和封装层分别消除无效压力信号和拉伸信号的串扰，解决了全柔性加速度传感器易受外界无效压力和拉伸信号串扰的问题。
[0005]本专利技术的目的通过如下的技术方案来实现：
[0006]一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器，包括封装层、螺旋主体、引线和介电层；所述封装层位于所述纤维式加速度传感器最外侧，封装层的两侧闭合，并分别与所述螺旋主体的两个端点连接；所述螺旋主体包括基体骨架、电极层、绝缘层；所述螺旋主体根据螺距不同分为密实区域、小螺距区域和大螺距区域；所述引线一端与螺旋主体端点处的电极层连接，另一端穿过封装层暴露于所述纤维式加速度传感器外侧；所述介电层填充所述纤维式加速度传感器内的剩余空间。
[0007]进一步地，所述密实区域的螺距P1＝h，其中h为螺旋主体线高；所述小螺距区域的螺距P2大于h且小于其中ε为介电层的介电常数，r为螺旋主体的半径，d为螺旋主体线宽；所述大螺距区域的螺距P3大于
[0008]进一步地，所述基体骨架位于螺旋主体最内层。
[0009]进一步地，所述电极层沿螺旋线方向复合于基体骨架的上下两侧。
[0010]进一步地，所述绝缘层沿螺旋线方向将电极层和基体骨架完全包覆。
[0011]进一步地，所述引线将螺旋主体上下两侧的电极层与电容测量装置的正、负极连接。
[0012]进一步地，所述螺旋主体的半径在100μm
‑
2cm之间，线宽和线高在50μm
‑
1cm之间，长度在0.1cm
‑
1000cm之间，弹性模量在0.1Mpa
‑
10Gpa之间。
[0013]进一步地，所述介电层可为变压器油、菜籽油、蓖麻子油、空气、离子弹性体、
Ecoflex、PDMS中的任意一种。
[0014]一种上述基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器在制备智能感知装置中的应用。
[0015]进一步地，所述智能感知装置为人机交互装置、类人机器人、柔性机器人或智能假肢。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0017]本专利技术提供一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器，通过设置封装层以及位于封装层内的螺旋主体和介电层，螺旋主体在封装层内可自由伸缩，螺旋主体相邻匝的匝间电容随螺距变化，且螺距越大，电容变化率越小。这样，在使用该加速度传感器时，在传感器检测到加速度时，由于大螺距区域、密实区域、小螺距区域惯性不对等，螺旋主体发生弹性形变。其中，密实区域由于螺距不变，电容不发生变化；大螺距区域由于螺距较大，电容变化率较小；小螺距区域由于螺距较小，电容变化率较大；加速度传感器可视为密实区域、大螺距区域和小螺距区域并联，其电容为三者之和。因此，通过测量引线两端的电容值变化，可以判断加速度的大小和方向。在此过程中，当纤维受到垂直于螺距方向的压力时，螺旋结构释放压缩应变，螺距不发生变化，电容值不变。同时，由于封装层不可拉伸，纤维在平行螺距方向的拉力下不会发生拉伸应变，电容值不变。本专利技术实现全柔性加速度传感的同时，通过螺旋结构和封装层分别消除无效压力信号和拉伸信号的串扰，从而实现高可靠加速度检测。此外，将本专利技术提供的纤维加速度传感器进行编织，可得到可穿戴加速度传感织物。本专利技术提供的一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器适用于人机交互、类人机器人、智能假肢等应用场景。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本专利技术提出的一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器的结构示意图；
[0020]图2为本专利技术提出的一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器的等效电路示意图；
[0021]图3为本专利技术提出中螺旋主体螺距和电容变化率的关系示意图；
[0022]图4为本专利技术提出的一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器在+x方向加速度作用下的变化情况示意图；
[0023]图5为本专利技术提出的一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器在
‑
x方向加速度作用下的变化情况示意图；
[0024]图6为本专利技术提出的一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器在压力作用下的电容变化情况示意图；
[0025]图中，1、封装层；2、螺旋主体；21、基体骨架；22、电极层；23、绝缘层；3、引线、4、介电层。
具体实施方式
[0026]这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。
[0027]在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0028]应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
[0029]应当理解，本专利技术可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本专利技术公开透明且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本专利技术的范围。此外，下面所描述的各实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器，其特征在于，包括封装层(1)、螺旋主体(2)、引线(3)和介电层(4)；所述封装层(1)位于所述纤维式加速度传感器最外侧，封装层(1)的两侧闭合，并分别与所述螺旋主体(2)的两个端点连接；所述螺旋主体(2)包括基体骨架(21)、电极层(22)、绝缘层(23)；所述螺旋主体(2)根据螺距不同分为密实区域、小螺距区域和大螺距区域；所述引线(3)一端与螺旋主体(2)端点处的电极层(22)连接，另一端穿过封装层(1)暴露于所述纤维式加速度传感器外侧；所述介电层(4)填充所述纤维式加速度传感器内的剩余空间。2.根据权利要求1所述的基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器，其特征在于，所述密实区域的螺距P1＝h，其中h为螺旋主体(2)线高；所述小螺距区域的螺距P2大于h且小于其中ε为介电层(4)的介电常数，r为螺旋主体(2)的半径，d为螺旋主体(2)线宽；所述大螺距区域的螺距P3大于3.根据权利要求1所述的基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器，其特征在于，所述基体骨架(21)位于螺旋主体(2)最内层。4.根据权利要求1所述的基于梯度螺旋结构的纤维式加速度传感器，其特征在于，所述电极层(22)沿螺旋线方向复合于基体骨架(21...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志军，瞿瑞祥，李恒毅，张利昂，宋晓珂，马思远，祁源，陈福广，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：