基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统及其制作方法技术方案

本发明专利技术涉及接触压力传感器技术领域，尤其涉及基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统及其制作方法。本发明专利技术提供的柔性感知系统包括从上到下依次设置的低弹性模量的硅橡胶与钕铁硼颗粒混合体的永磁性多孔弹性膜、硅胶过渡层、PLA打印壳体、焊有霍尔传感器的柔性电路板(FPC)。本发明专利技术传感层为使用牺牲模板法制备的永磁性多孔薄膜，具有弹性模量低、可拉伸和孔隙均匀等优点，微小作用力即可造成多孔薄膜结构变形，进而引起磁场明显变化。本发明专利技术克服了传统永磁性柔性传感器灵敏度较低、准确度低、结构复杂等缺点，具有灵敏度高、响应速度快、耐用性强、可阵列集成和易于制作等特点。可阵列集成和易于制作等特点。可阵列集成和易于制作等特点。

【技术实现步骤摘要】
基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统及其制作方法


[0001]本专利技术涉及接触压力传感器
，尤其涉及基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统及其制作方法。

技术介绍

[0002]随着科技快速发展和工作环境更加趋于复杂化和多样化，人们对电子器件在便携性、柔韧性、可穿戴性等方面要求越来越高。柔性感知传感器作为一种新型的电子器件，它在人机交互、医疗健康、机器触觉等应用领域具有比传统刚性传感器更大的优势。
[0003]传统柔性压力传感器根据工作机制不同主要分为压容式、压阻式、压电式三类，由于原理简单、易于测量的优点引起科研人员广泛研究，最新的压容式压力传感器可实现与人类皮肤相当的高分辨率，但在三维压力感知解耦与阵列集成方面面临着体积庞大、结构复杂等挑战，限制了在三维压力感知领域的应用。基于磁性薄膜的触觉传感器，可通过霍尔元器件精确感知薄膜的磁场变化，并自然地解耦法向力和剪切力，简化传感结构和校准过程，因此具有较大的应用前景。中国专利技术CN 114739541 A报道了一种基于磁性薄膜的触觉传感器，该传感器为三明治结构，从上向下依次为柔性磁膜、中间弹性体和磁性传感单元，通过磁性传感，捕捉柔性磁膜由于形变而引起的磁场变化，具有响应快速，耐温性好的优点，但由于中间弹性体为弹性模量较高的实心结构，相同外力作用下变形量较小，灵敏度较低。因此，开发具有高瞬态响应、高精度、高分辨率等特点的磁性压力传感器极为重要。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于永磁性多孔弹性体的柔性(三维)感知系统及其制作方法。
[0005]本专利技术传感层为使用牺牲模板法制备的永磁性多孔薄膜，具有弹性模量低、可拉伸和孔隙均匀等优点，微小作用力即可造成多孔薄膜结构变形，进而引起磁场明显变化。本专利技术克服了传统永磁性柔性传感器灵敏度较低、准确度低、结构复杂等缺点，具有灵敏度高、响应速度快、耐用性强、可阵列集成和易于制作等特点。
[0006]具体而言，第一方面，本专利技术提供的柔性感知系统包括从上到下依次设置的低弹性模量的硅橡胶与钕铁硼(NdFeB)颗粒混合体的永磁性多孔弹性膜、硅胶过渡层、PLA打印壳体、焊有霍尔传感器的柔性电路板(FPC)。
[0007]本专利技术使用硅橡胶和钕铁硼(NdFeB)来合成永磁性多孔弹性薄膜，使用霍尔传感器接收磁场变化；柔性多孔磁弹性体对外力敏感，可显著提升实体薄膜的收缩比，能够将接触压力引起微小形变转化为薄膜的磁场变化，霍尔传感器电压随磁场强度的变化而变化。本专利技术中磁化的磁膜和三维霍尔传感器复合，外力施加在磁膜上引起磁场的变化，霍尔传感器接收到磁场的变化后，进而可以得出所施加外力的大小和方向。本专利技术灵敏度高，准确性高，有高分辨率，结构简单且易于制作，使用了柔性电路板，相对于刚性电路板，应用范围更广，系统能够测得微小应力。
[0008]第二方面，本专利技术提供所述的基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统的制作方法，其中永磁性多孔弹性膜的制备包括以下步骤：
[0009]1)将糖颗粒与水混合搅拌，压入模具中，真空干燥，得糖块；
[0010]2)将硅橡胶与钕铁硼颗粒混合，并匀质搅拌，得第一混合体；
[0011]3)将所述第一混合体倒入所述糖块，抽真空，得第二混合体；
[0012]4)待所述第二混合体凝固，进行超声波水浴和真空干燥，得第三混合体；
[0013]5)将所述第三混合体充磁，得到永磁性多孔弹性膜。
[0014]作为优选，本专利技术提供的基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统的制作方法，包括以下步骤：
[0015]1)将糖颗粒与水混合搅拌，压入模具中，真空干燥，得糖块；
[0016]2)将硅橡胶与钕铁硼(NdFeB)颗粒混合，并匀质搅拌，得第一混合体；
[0017]3)将所述第一混合体倒入所述糖块，抽真空，得第二混合体；
[0018]4)待所述第二混合体凝固，进行超声波水浴和真空干燥，得第三混合体；
[0019]5)将所述第三混合体充磁，得到永磁性多孔弹性膜；
[0020]6)将所述永磁性多孔弹性膜与硅胶过渡层连接；
[0021]7)将PLA打印壳体与连有霍尔传感器的柔性电路板(FPC)组合，并将所述PLA打印壳体与所述硅胶过渡层连接。
[0022]作为优选，步骤1)中，将糖颗粒与去离子水用玻璃棒混合搅拌1～2min；然后填压入3D打印模具中，真空干燥1～2h，得糖块。更优选的，所述糖颗粒的粒径为0.45～1.25mm，所述糖颗粒的质量为10～40g，所述去离子水的质量为0.5～2g。本专利技术中，糖颗粒与水质量比影响所制备的糖块硬度，同时糖颗粒粒径的选择影响制备的多孔弹性膜的孔隙大小和步骤三真空抽入的成功率。本专利技术优选选择的糖颗粒粒径以及糖颗粒与水的质量比制备的糖块在步骤三与混合体混合抽真空时，能够使混合体完全抽入糖块内部孔隙，得到合适的感知系统的灵敏度和增加制备成功率。
[0023]作为优选，步骤2)中，将硅橡胶与NdFeB颗粒混合，均质搅拌3～5min，得混合体。更优选的，所述硅橡胶的质量为10～40g，所述NdFeB颗粒的质量为15～60g，所述NdFeB颗粒的粒径为2～5μm。本专利技术具体的，NdFeB颗粒和硅橡胶的质量比的选择影响步骤三需要的混合体的流动性，质量比增加会增加系统的灵敏度，但是混合体的流动性会减小，进一步，步骤三的成功率减少。本专利技术中优选选择的上述质量比满足系统需求的灵敏度，并且得到满足制备需求混合体流动性。
[0024]进一步优选，取10～20g Ecoflex 00
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30A液，与粒径为2～5μm的15～30g NdFeB颗粒混合，均质搅拌1～5min，得到混合体A液；取10～20g Ecoflex 00
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30B液，与15～30g所述NdFeB颗粒混合，均质搅拌1～5min，得到混合体B液，将混合体A、混合体B液进行1:1混合，混合搅拌。本专利技术中，采用混合体A、混合体B的混合方法，满足制备过程中避免Ecoflex 00
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30A液和B液提前混合导致步骤三时间不足，混合体凝固其流动性无法满足制备需求。
[0025]作为优选，步骤3)中，将步骤1)干燥后的糖块放入3D打印容器中，将步骤2)得到的混合体放入所述3D打印容器中至没过所述糖块，真空干燥箱抽真空3～5次。
[0026]进一步优选，本专利技术中的3D打印模具为内径为长度20mm宽度20mm高度5mm的长方体3D打印模具；和/或，3D打印容器为内径为长度22.5mm宽度22.5mm高度20mm的长方体3D打
印容器。本专利技术中，3D打印模具的形状和体积取决于所应用的永磁性多孔弹性膜的形状和体积，方案仅提供制作思路。
[0027]作为优选，步骤4)中，所述第二混合体在空气中常温凝固2～4h，得到糖块与混合体的组合物，进行超声波水浴90～120min，真空干燥1～2h，得到多孔弹性体薄膜。
[0028]作为优选，步骤5)中，对所述多孔弹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统，其特征在于，包括从上到下依次设置的低弹性模量的硅橡胶与钕铁硼颗粒混合体的永磁性多孔弹性膜、硅胶过渡层、PLA打印壳体、焊有霍尔传感器的柔性电路板。2.权利要求1所述的基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统的制作方法，其特征在于，永磁性多孔弹性膜的制备包括以下步骤：1)将糖颗粒与水混合搅拌，压入模具中，真空干燥，得糖块；2)将硅橡胶与钕铁硼颗粒混合，并匀质搅拌，得第一混合体；3)将所述第一混合体倒入所述糖块，抽真空，得第二混合体；4)待所述第二混合体凝固，进行超声波水浴和真空干燥，得第三混合体；5)将所述第三混合体充磁，得到永磁性多孔弹性膜。3.根据权利要求2所述的基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统的制作方法，其特征在于，步骤1)中，将糖颗粒与去离子水用玻璃棒混合搅拌1～2min；然后填压入3D打印模具中，真空干燥1～2h，得糖块；优选的，所述糖颗粒的粒径为0.45～1.25mm，所述糖颗粒的质量为10～40g，所述去离子水的质量为0.5～2g。4.根据权利要求3所述的基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统的制作方法，其特征在于，步骤2)中，将硅橡胶与NdFeB颗粒混合，均质搅拌3～5min，得混合体；优选的，所述硅橡胶的质量为10～40g，所述NdFeB颗粒的质量为15～60g，所述NdFeB颗粒的粒径为2～5μm。5.根据权利要求4所述的基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统的制作方法，其特征在于，步骤3)中，将步骤1)干燥后的糖块放入3D打印容器中，将步骤2)得到的混合体放入所述3D打印容器中至没过所述糖块，真空干燥箱抽真空3～5次。6.根据权利要求2
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5任一项所述的基于永磁性多孔弹性体的柔性感知系统的制作方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：何志祝，陈梦晗，刘梦婷，李茂林，董昊轩，刘铭扬，刘伟，李振明，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司国网北京市电力公司，
类型：发明
国别省市：