CN109855776B - 压力传感器、压力检测系统及可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器、压力检测系统及可穿戴设备，涉及传感器领域。该压力传感器(00)可以包括：第一电极层(01)、第二电极层(02)以及设置在第一电极层(01)与第二电极层(02)之间的压阻层(03)。该压阻层(03)包括：柔性基板(031)以及设置在该柔性基板(031)上的多个压阻元件(032)。由于该柔性基板(031)具有较高的柔弹性，且该多个压阻元件(032)设置在该柔性基板(031)上，因此在拉伸或弯折该压力传感器(00)时，仅该柔性基板(031)发生形变，该压阻元件(032)不会发生形变或损坏，从而可以确保该压力传感器(00)的检测准确性，使得该压力传感器(00)在变形后仍能正常使用。

Description

压力传感器、压力检测系统及可穿戴设备

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别涉及一种压力传感器、压力检测系统及可穿戴设备。

背景技术

压力传感器可以将施加在其上的压力转化为电信号。该电信号即可反映施加在该压力传感器上的压力的大小。

相关技术中，压力传感器可以包括：上电极层、下电极层以及设置在该上电极层和下电极层之间的压阻片，该压阻片可以为压阻橡胶。当压力作用在该压力传感器上时，该压阻片会发生形变，导致该压阻片的阻值发生变化，使得上电极层和下电极层之间的电压也随之变化。根据该上电极层和下电极层之间的电压的大小，即可确定该压力的大小。

但是，当弯折或拉伸该压力传感器时，该压阻片可能会受损，导致压力传感器的检测准确性降低。

发明内容

本发明提供了一种压力传感器、压力检测系统及可穿戴设备，可以解决相关技术的压力传感器在拉伸或者弯折后，检测准确性降低的问题。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种压力传感器，所述压力传感器包括：第一电极层、第二电极层以及设置在所述第一电极层和所述第二电极层之间的压阻层；

所述压阻层包括柔性基板，以及多个压阻元件；

所述柔性基板上间隔设置有多个通孔，每个所述通孔内设置有一个所述压阻元件，每个所述压阻元件的一端与所述第一电极层电连接，另一端与所述第二电极层电连接。

可选的，所述第一电极层包括：多个条状的第一电极，所述多个条状的第一电极间隔且平行设置；

所述第二电极层包括：多个条状的第二电极，所述多个条状的第二电极间隔且平行设置，且所述第二电极的延伸方向与所述第一电极的延伸方向相交；

所述多个条状的第一电极在所述柔性基板上的正投影，与所述多个条状的第二电极在所述柔性基板上的正投影具有多个交叠区域；

每个所述交叠区域与一个所述通孔所在区域至少部分重叠。

可选的，所述第一电极层远离所述压阻层一侧设置有与所述压阻元件对应的多个凸起部；

每个所述凸起部向远离所述压阻层的方向凸起；

每个所述压阻元件在所述柔性基板上的正投影，位于对应的一个所述凸起部在所述柔性基板上的正投影内。

可选的，所述第一电极层还包括：第一基板，所述多个第一电极设置在所述第一基板上；所述第二电极层还包括：第二基板，所述多个第二电极设置在所述第二基板上；

所述柔性基板、所述第一基板、所述第二基板以及所述触点层均由聚二甲基硅氧烷制成。

可选的，所述压力传感器还包括：第一金属层和第二金属层中的至少一个金属层；

所述第一金属层设置在所述第一电极层与所述压阻层之间，所述第一金属层包括：与所述多个条状的第一电极一一对应的多个第一金属条；

每个所述第一金属条平行于对应的一个所述第一电极，且每个所述第一金属条分别与至少一个所述压阻元件和对应的一个所述第一电极接触；

所述第二金属层设置在所述第二电极层与所述压阻层之间，所述第二金属层包括：与所述多个条状的第二电极一一对应的多个第二金属条；

每个所述第二金属条平行于对应的一个所述第二电极，且每个所述第二金属条分别与至少一个所述压阻元件和对应的一个所述第二电极接触。

可选的，制成每个所述第一电极以及每个所述第二电极材料包括银纳米线和聚二甲基硅氧烷。

可选的，所述压力传感器还包括：设置在每个所述压阻元件靠近所述第一电极层的一端的第一金属片，以及设置在每个所述压阻元件靠近所述第二电极层的一端的第二金属片。

可选的，制成每个所述压阻元件的材料包括镍粉和聚二甲基硅氧烷。

另一方面，提供了一种压力检测系统，所述压力检测系统包括：如上述方方面所述的压力传感器、处理器和电源；

所述压力传感器中的第一电极层和第二电极层中的一个电极层与所述电源连接，另一个电极层与所述处理器连接。

再一方面，提供了一种可穿戴设备，所述可穿戴设备包括：如上述方面所述的压力检测系统。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明提供了一种压力传感器、压力检测系统及可穿戴设备，该压力传感器可以包括：第一电极层、第二电极层以及设置在第一电极层与第二电极层之间的压阻层。该压阻层包括：柔性基板以及设置在该柔性基板上的多个压阻元件。由于该柔性基板具有较高的柔弹性，且该多个压阻元件设置在该柔性基板上，因此在拉伸或弯折该压力传感器时，仅该柔性基板发生形变，该压阻元件不会发生形变或损坏，从而可以确保该压力传感器的检测准确性，使得该压力传感器在变形后仍能正常使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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。

图1是本发明实施例提供的一种压力传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种压阻层的俯视图；

图3是本发明实施例提供的一种压力传感器的检测原理示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种压力传感器的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种第一电极层的俯视图；

图6是本发明实施例提供的一种第二电极层的俯视图；

图7是本发明实施例提供的一种压力传感器的剖视图；

图8是本发明实施例提供的一种压力检测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种压力传感器，可以解决相关技术中的压力传感器在拉伸或弯折后，检测准确性降低的问题。该压力传感器可以为压阻式压力传感器。参见图1，该压力传感器可以包括：第一电极层01、第二电极层02以及设置在该第一电极层01和该第二电极层之间02的压阻层03。该压阻层03包括柔性基板031，以及多个压阻元件032。

图2是本发明实施例提供的一种压阻层的俯视图。如图2所示，该柔性基板031上间隔设置有多个通孔033，每个通孔033内设置有一个压阻元件032，每个压阻元件032的一端可以与该第一电极层01电连接，另一端与该第二电极层02电连接。可选的，参见图1和图2，该多个通孔033可以阵列排布在该柔性基板031上。

在本发明实施例中，该第一电极层01与该第二电极层02的极性可以相反。示例的，当该第一电极层01为正电极层时，该第二电极层02即为负电极层。

图3是本发明实施例提供的一种压力传感器的检测原理示意图。参考图3，当有压力P作用在该压力传感器上时，第一电极层01与第二电极层02之间的压阻层03中的压阻元件032会因该压力P产生形变，从而导致该压阻元件032的阻值发生变化，且该阻值与该压力P的变化正相关。也即是，作用在该压力传感器上的压力P越大，该压阻元件032的阻值变化越大。通过检测该压力传感器的阻值Ω即可检测到作用在该压力传感器上的压力P的大小。

由于本发明实施例提供的压力传感器中，柔性基板031具有较高的柔弹性，该压阻元件032设置在该柔性基板031的通孔033内，因此在拉伸或弯折该压力传感器时，该柔性基板031会发生形变，而该压阻元件032不会发生形变或损坏，从而有效确保了该压力传感器的检测准确性。

并且，该柔性基板031可以将该多个压阻元件032链接起来，并对该多个压阻元件032起到固定作用，避免在拉伸或弯折过程中，该多个压阻元件032的位置发生移动，影响该压力传感器的灵敏度以及检测准确性。

综上所述，本发明实施例提供了一种压力传感器，该压力传感器可以包括：第一电极层、第二电极层以及设置在第一电极层与第二电极层之间的压阻层。该压阻层包括：柔性基板以及设置在该柔性基板上的多个压阻元件。由于该柔性基板具有较高的柔弹性，且该多个压阻元件设置在该柔性基板上，因此在拉伸或弯折该压力传感器时，仅该柔性基板发生形变，该压阻元件不会发生形变或损坏，从而可以确保该压力传感器的检测准确性，使得该压力传感器在变形后仍能正常使用。

本发明实施例提供的压力传感器将新材料化学与传感器技术相结合，可以应用于生物力学、医学工程、工业生产或智能家居等多个领域。

可选的，制成每个压阻元件032的材料可以包括镍粉和聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)。采用该材料制成的压阻元件032不仅导电性较好，且具有较好的拉伸率，可以避免在压力传感器的拉伸或弯折过程中损坏。

在本发明实施例中，参见图2，柔性基板031上的每个通孔033均可以为圆形通孔，相应的，每个压阻元件032可以为圆柱状结构。或者柔性基板031上的每个通孔033也可以为其他形状的通孔，例如方形孔，则该每个压阻元件032可以为立方体。本发明实施例对该通孔033的形状以及该压阻元件032的形状不做限定，仅需保证该通孔033的形状与该压阻元件032的形状相匹配即可。

可选的，每个通孔033的直径的范围可以为2毫米(mm)至3mm。该压阻元件032的直径可以为2mm左右，也即是该压阻元件032与该通孔033之间可以存在间隙。由此，一方面，在该压阻层03的制造过程中，便于在该通孔033内设置压阻元件032。另一方面，可以确保该压阻元件032在拉伸或者弯折的过程中，该通孔033不会挤压该压阻元件032，以确保该压阻元件032不会发生形变，从而有效确保了该压力传感器的检测精度。可选的，该间隙的宽度可以为0.5mm。

图4是本发明实施例提供的另一种压力传感器的结构示意图。图5是本发明实施例提供的一种第一电极层的俯视图。参见图4和图5，该第一电极层01可以包括：多个条状的第一电极011，该多个条状的第一电极011可以间隔且平行设置。图6是本发明实施例提供的一种第二电极层的俯视图。参考图4和图6，该第二电极层02可以包括：多个条状的第二电极021，该多个条状的第二电极021可以间隔且平行设置，且该第二电极021的延伸方向与该第一电极011的延伸方向相交。

示例的，参见图4，每个第二电极021的延伸方向可以垂直于该第一电极011的延伸方向，且该第一电极011的个数可以等于第二电极021的个数。例如图4中示出了8个第一电极011以及8个第二电极021。

在本发明实施例中，该多个条状的第一电极011在该柔性基板031上的正投影，与该多个条状的第二电极021在该柔性基板031上的正投影可以形成多个交叠区域，每个交叠区域可以与一个通孔033所在区域至少部分重叠。可选的，每个通孔033可以设置在一个交叠区域内，也即是该通孔033的直径可以小于等于该交叠区域的内接圆的直径。

由于柔性基板031上的每个通孔033内设置有一个压阻元件032，因此通过在每个交叠区域内设置一个通孔033，可以保证第一电极011与第二电极021的每个交叉点处均设置有一个压阻元件032，从而可以确保检测的准确性。

在本发明实施例中，第一电极011和第二电极021可以由相同的材料制成。可选的，制成每个第一电极011以及每个第一电极022的材料可以包括银纳米线(AgNWs)和PDMS。其中该AgNWs与该PDMS的比例可以为1:1。或者，每个第一电极012以及每个第二电极022也可以均由氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)制成。

图7是本发明实施例提供的一种压力传感器的剖视图。参见图5和图7，该第一电极层01还可以包括：第一基板012，该多个第一电极011可以等间距且平行地设置在该第一基板012上。参见图6和图7，该第二电极层02还可以包括：第二基板022，该多个第二电极021可以等间距且平行地设置在该第二基板022上。

如图7所示，该第一电极层01远离该压阻层03一侧设置有与该多个压阻元件032一一对应的多个凸起部013。每个凸起部013向远离该压阻层03的方向凸起。并且，每个压阻元件032在该柔性基板031上的正投影，位于对应的一个凸起部013在该柔性基板031上的正投影内。

通过在第一电极层01远离所述压阻层03的一侧设置向远离压阻层03的方向凸起的凸起部013，可以使得施加在该压力传感器上的压力通过凸起部013集中到对应的压阻元件032上，进一步提高了该压力传感器的检测精度。另外，由于每个凸起部013向远离该压阻层03的方向凸起，在该压力传感器的拉伸或者弯折过程中，可以降低该电极层的形变量，从而可以降低该电极层与压阻层03之间的相对滑动。

在本发明实施例中，该柔性基板031、该第一基板012以及该第二基板022均可以由具有高柔弹性、易固化且不易反应(也即化学惰性)的聚合物制成，例如可以由PDMS制成。由于该PDMS具有较高的柔弹性，可以进一步提高该压力传感器的柔弹性，并且在保证该压力传感器的检测精度的前提下，有效提高了该压力传感器的拉伸率，使其可以设置在多维不规则物体的表面，例如可以设置在医疗机器人的手臂上。

可选的，本发明实施例提供的压力传感器可以包括：设置在每个压阻元件032靠近该第一电极层01的一端的第一金属片，以及设置在每个压阻元件032靠近该第二电极层02的一端的第二金属片。

参见图4和图7，该压力传感器还可以包括：第一金属层04和第二金属层05中的至少一个金属层。例如，图4和图7所示的压力传感器包括第一金属层04和第二金属层05。可选的，每个金属层的厚度的范围可以为30纳米(nm)至50nm。

其中，该第一金属层04可以设置在该第一电极层01与该压阻层03之间，该第一金属层04可以包括：与该多个条状的第一电极011一一对应的多个第一金属条041。每个第一金属条041可以平行于对应的一个第一电极011，且每个第一金属条041可以分别与至少一个压阻元件032和对应的一个第一电极011接触。

该第二金属层05可以设置在该第二电极层02与该压阻层03之间，该第二金属层05可以包括：与该多个条状的第二电极021一一对应的多个第二金属条051。并且，每个第二金属条051可以平行于对应的一个第二电极021，且每个第二金属条051可以分别与至少一个压阻元件032和对应的一个第二电极021接触。

在本发明实施例中，该第一金属片可以是对该压阻元件032的一端进行金属化后形成的，该第二金属片可以是对该压阻元件032的另一端进行金属化形成的。该第一金属层04可以是对该第一电极层01中的每个第一电极011靠近压阻层03的一侧进行金属化后形成的，该第二金属层05可以是对该第二电极层02的每个第二电极021靠近压阻层03的一侧进行金属化后形成的。

示例的，该第一金属片、第二金属片、该第一金属层04以及该第二金属层05均可以采用磁控溅射法或者电子蒸镀法形成。并且形成每个第一金属片、第二金属片、第一金属条041以及每个第二金属条051的材料可以为金。

一方面，该金属层和金属片具有润滑作用，可以避免该电极层与压阻层03上的压阻元件032的之间的相互磨损，以保证该压力传感器的检测精度，且可以有效增长该压力传感器的使用寿命。另一方面，该金属层和金属片具有较高的导电性，可以降低该压阻元件04与两个电极层之间的接触电阻，有效提高了该压力传感器的灵敏度以及检测准确性。

在本发明实施例中，每个第一金属条041在该柔性基板031上的正投影，可以与对应的一个第一电极011在该柔性基板031上的正投影重合。或者，可以位于对应的一个第一电极011在该柔性基板031上的正投影内。

每个第二金属条051在该柔性基板031上的正投影，可以与对应的一个第二电极021在该柔性基板031上的正投影重合。或者，可以位于对应的一个第二电极021在该柔性基板031上的正投影内。

综上所述，本发明实施例提供了一种压力传感器，该压力传感器可以包括：第一电极层、第二电极层以及设置在第一电极层与第二电极层之间的压阻层。该压阻层包括：柔性基板以及设置在该柔性基板上的多个压阻元件。由于该柔性基板具有较高的柔弹性，且该多个压阻元件设置在该柔性基板上，因此在拉伸或弯折该压力传感器时，仅该柔性基板发生形变，该压阻元件不会发生形变，从而可以确保该压力传感器的检测准确性，使得该压力传感器在变形后仍能正常使用。

图8是本发明实施例提供的一种压力检测系统的结构示意图。参见图8，该系统可以包括：处理器10、电源20以及如图1、图4或图7所示的压力传感器00。

该压力传感器00的第一电极层01和第二电极层02中的一个电极层可以与电源20连接，另一个电极层可以与处理器10连接。该电源20可以为其所连接的一个电极层供电，处理器10可以接收其所连接的电极层提供的电信号，并可以根据接收到的电信号，确定作用在该压力传感器00上的压力P的大小和位置。

可选的，如图8所示，该处理器10可以设置在计算机中。

参见图8，该检测系统还可以包括：数据采集卡30以及微控制器40。该微控制器40可以分别与电源20、该数据采集卡30以及一个电极层中的每个电极连接。该微控制器40可以接收数据采集卡30传输的时序控制信号，并可以在电源20提供的工作电压的驱动下，根据该时序控制信号，为该微控制器40所连接的一个电极层中的多个电极逐个进行供电。

该数据采集卡30可以分别与处理器10、电源20以及该压力传感器00的另一个电极层中的每个电极连接。该处理器10可以为该数据采集卡30提供工作电压。该数据采集卡30可以接收每个电极传输的电信号，并将该电信号传输至处理器10，处理器10可以根据接收到的电信号确定作用在该压力传感器00上的压力P的大小和位置。

示例的，假设处理器10通过数据采集卡30与第一电极层01的各个第一电极011连接，微控制器40与第二电极层02的各个第二电极021连接。则处理器10在接收到各个第一电极011发送的电信号时，可以根据该时序控制信号，确定当前微控制器40所供电的第二电极021的位置，并可以将该第二电极021的位置确定为该压力P的作用点的纵坐标。并且，处理器10可以根据当前发送电信号的第一电极011的位置，确定该压力P的作用点的横坐标。

本发明实施例提供了一种可穿戴设备，该可穿戴设备可以包括如图8所示压力检测系统。该可穿戴设备可以应用于生物力学、医学工程、工业生产或家居等多个领域中，以促进健康医疗、家居或工业生产等的智能化。该可穿戴设备可直接穿戴在载体上，或者可以整合到载体体表。其中，该载体可以是人体，也可以是机械设备或家居用品，例如机器人。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压力传感器，其特征在于，所述压力传感器(00)包括：第一电极层(01)、第二电极层(02)以及设置在所述第一电极层(01)和所述第二电极层(02)之间的压阻层(03)；

所述压阻层(03)包括柔性基板(031)，以及多个压阻元件(032)；

所述柔性基板(031)上间隔设置有多个通孔(033)，每个所述通孔(033)内设置有一个所述压阻元件(032)，所述通孔(033)的形状与所述压阻元件(032)的形状相匹配，所述压阻元件(032)与所述通孔(033)之间存在间隙，每个所述压阻元件(032)的一端与所述第一电极层(01)电连接，另一端与所述第二电极层(02)电连接；

所述第一电极层(01)包括：多个条状的第一电极(011)，每个所述第一电极(011)在所述柔性基板(031)上的正投影为矩形，所述多个条状的第一电极(011)间隔且平行设置；

所述第二电极层(02)包括：多个条状的第二电极(021)，每个所述第二电极(021)在所述柔性基板(031)上的正投影为矩形，所述多个条状的第二电极(021)间隔且平行设置，且所述第二电极(021)的延伸方向与所述第一电极(011)的延伸方向相交；

所述多个条状的第一电极(011)在所述柔性基板(031)上的正投影，与所述多个条状的第二电极(021)在所述柔性基板(031)上的正投影具有多个交叠区域，每个所述通孔(033)设置在一个所述交叠区域内，每个所述通孔(033)的直径小于等于所述交叠区域的内接圆的直径；

所述第一电极层(01)远离所述压阻层(03)一侧设置有与所述多个压阻元件(032)一一对应的多个凸起部(013)，每个所述凸起部(013)向远离所述压阻层(03)的方向凸起，且每个所述压阻元件(032)在所述柔性基板(031)上的正投影，位于对应的一个所述凸起部(013)在所述柔性基板(031)上的正投影内。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一电极层(01)还包括：第一基板(012)，所述多个第一电极(011)设置在所述第一基板(012)上；所述第二电极层(02)还包括：第二基板(022)，所述多个第二电极(021)设置在所述第二基板(022)上；

所述柔性基板(031)、所述第一基板(012)以及所述第二基板(022)均由聚二甲基硅氧烷制成。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器(00)还包括：第一金属层(04)和第二金属层(05)中的至少一个金属层；

所述第一金属层(04)设置在所述第一电极层(01)与所述压阻层(03)之间，所述第一金属层(04)包括：与所述多个条状的第一电极(011)一一对应的多个第一金属条(041)；

每个所述第一金属条(041)平行于对应的一个所述第一电极(011)，且每个所述第一金属条(041)分别与至少一个所述压阻元件(032)和对应的一个所述第一电极(011)接触；

所述第二金属层(05)设置在所述第二电极层(02)与所述压阻层(03)之间，所述第二金属层(05)包括：与所述多个条状的第二电极(021)一一对应的多个第二金属条(051)；

每个所述第二金属条(051)平行于对应的一个所述第二电极(021)，且每个所述第二金属条(051)分别与至少一个所述压阻元件(032)和对应的一个所述第二电极(021)接触。

4.根据权利要求1至3任一所述的压力传感器，其特征在于，制成每个所述第一电极(011)以及每个所述第二电极(021)材料包括银纳米线和聚二甲基硅氧烷。

5.根据权利要求1至3任一所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器(00)还包括：

设置在每个所述压阻元件(032)靠近所述第一电极层(01)的一端的第一金属片，以及设置在每个所述压阻元件(032)靠近所述第二电极层(02)的一端的第二金属片。

6.根据权利要求1至3任一所述的压力传感器，其特征在于，制成每个所述压阻元件(032)的材料包括镍粉和聚二甲基硅氧烷。

7.一种压力检测系统，其特征在于，所述压力检测系统包括：如权利要求1至6任一所述的压力传感器(00)、处理器(10)和电源(20)；

所述压力传感器(00)中的第一电极层(01)和第二电极层(02)中的一个电极层与所述电源(20)连接，另一个电极层与所述处理器(10)连接。

8.一种可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备包括：如权利要求7所述的压力检测系统。

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