基于電活性聚合物的分布式柔性壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電容感應(yīng)式壓力傳感器，尤其是一種利用電活性聚合物的變形電 容值來實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)的壓力傳感器，具體地說是一種基于電活性聚合物的分布式柔性壓力 傳感器，它可廣泛應(yīng)用于接觸式測(cè)量、無損監(jiān)測(cè)、機(jī)器人、生物力學(xué)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，壓力傳感器多數(shù)是基于金屬、半導(dǎo)體應(yīng)變片等剛性敏感材料制作而成，其缺 點(diǎn)是脆性大、應(yīng)變小，缺乏柔韌性，舒適性差。然而，對(duì)于人體健康、康復(fù)醫(yī)療、體育鍛煉、運(yùn) 動(dòng)生物學(xué)等領(lǐng)域均有對(duì)傳感器柔韌性的要求，如研宄糖尿病患者的糖尿病足與地面接觸壓 力的分布，剛性壓力傳感器難以與患者足底完全接觸，這就難以獲取病足的完整病變情況； 汽車座椅舒適性除了座椅材質(zhì)本身帶來的影響，座椅靠背角度對(duì)舒適性也會(huì)帶來影響，這 就需要測(cè)量不同角度的座椅對(duì)人體背部壓力分布情況；傳統(tǒng)機(jī)器人手由于多數(shù)采用剛性材 質(zhì)，難以抓取雞蛋等脆性物體，家庭護(hù)理型機(jī)器人由于手臂過于剛硬易于對(duì)老人或患者造 成二次傷害，無法在這些領(lǐng)域普及使用。
[0003] 因此，研發(fā)具有柔性的壓力傳感器，使其在物理特征上像人類的皮膚一樣柔軟，可 以自由彎曲甚至折疊，能夠方便地對(duì)復(fù)雜表面形狀的零件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不受監(jiān)測(cè)物體表面和 結(jié)構(gòu)的影響，這對(duì)于人體健康監(jiān)測(cè)、體育鍛煉、醫(yī)療康復(fù)、生物力學(xué)和安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都具 有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的壓力傳感器大多為剛性傳感器，不能適應(yīng)人體使用需 求及被測(cè)對(duì)像表面不平時(shí)的壓力檢測(cè)，存在脆性大、應(yīng)變小，缺乏柔韌性，舒適性差，造成使 用不便或精度難以保證的問題，設(shè)計(jì)一種在物理特征上像人類的皮膚一樣柔軟的，可以自 由彎曲甚至折疊，能夠方便地對(duì)復(fù)雜表面形狀的零件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，安裝方便的基于電活性聚 合物的分布式柔性壓力傳感器。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種基于電活性聚合物的分布式柔性壓力傳感器，其特征是它包括： 一底板6 ; 一電活性聚合物3,該電活性聚合物3與底板6粘結(jié)密封相連，并形成有多個(gè)密閉空間 5,在底板6上設(shè)有數(shù)量與密閉空間5至少相等的、用于向密閉空間5中充氣以便使密閉空 間發(fā)生變形的氣嘴7 ; 一第一電極層2,它覆蓋在每個(gè)密閉空間的外表面；用于采集電活性聚合物3變形產(chǎn)生 的電信號(hào)，在第一電極屋2的表面覆蓋有起保護(hù)作用的表面層1 ; 一第一鋁箔層4,用于將覆蓋在每個(gè)密閉空間的外表面的第一電極層2進(jìn)行電氣連接 形成行電極或列電極，以便將采集的電信號(hào)送至信號(hào)處理單元； 一第二電極層8,該第二電極層8覆蓋在每個(gè)密閉空間的內(nèi)表面；也用于采集電活性聚 合物3變形產(chǎn)生的電信號(hào)； 一第二鋁箔層9,它被固定在上底板6,用于將覆蓋在每個(gè)密閉空間5內(nèi)表面的第二電 極層8進(jìn)行電氣連接形成列電極或行電極，以便將采集的電信號(hào)送至信號(hào)處理單元； 一硅橡膠襯墊10,它密封固定在電活性聚合物3表面的未凸起部分上，用于使各密閉 空間5保持在設(shè)定的參數(shù)同時(shí)使表面層1、第一電極層2和第一鋁箔層4定位在密閉空間5 表面。
[0006] 所述的密閉空間5呈半球形結(jié)構(gòu)。
[0007] 所述的多個(gè)密閉空間5呈陣列布置在底板6上。
[0008] 所述的電活性聚合物3為絕緣聚合物或是絕緣橡膠；厚度為0. 001~2mm。
[0009] 所述的電活性聚合物3為硅樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯、熱塑性彈性體、聚偏二乙 烯或其組合。
[0010] 所述的表面層1厚度為〇· 〇〇l~2mm，底板6厚度為0· 001~2mm。
[0011] 所述的第一鋁箔層4和第二鋁箔層9采集的電信號(hào)送入轉(zhuǎn)換電路13將采集的電 容值轉(zhuǎn)換成電壓值，轉(zhuǎn)換所得的電壓通過行掃描器和列掃描器構(gòu)成的行列掃描電路與接口 電路14連接，經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后，通過接口電路14將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)15進(jìn)行分析、 處理與圖形化顯示結(jié)果。
[0012] 所述的轉(zhuǎn)換電路13為調(diào)頻電路、電橋測(cè)量電路、雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)、脈沖調(diào)寬型電 路或運(yùn)算放大器式電路。
[0013] 所述的第一電極層2和第二電極層8為能與電活性聚合物3 -起同步形變的材 料。
[0014] 所述的第一電極層2和第二電極層8為石墨、碳黑、膠態(tài)懸浮液、銀凝膠、碳凝膠、 離子導(dǎo)電聚合物、電子導(dǎo)電聚合物，它們均勻涂覆于電活性聚合物3兩側(cè)以利于電荷的積 聚。
[0015] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明的基于電活性聚合物的分布式柔性壓力傳感器陣列，很好的解決了傳統(tǒng)剛性壓 力傳感器脆性大、應(yīng)變小、柔韌性差、舒適性差等問題，可以自由的彎曲甚至折疊，不受檢測(cè) 表面形狀和結(jié)構(gòu)的限制，并且可以根據(jù)使用場(chǎng)合和檢測(cè)范圍的不同制備大小各異的柔性壓 力傳感器陣列，降低了使用成本。
[0016] 本發(fā)明的基于電活性聚合物的分布式柔性壓力傳感器陣列的轉(zhuǎn)換電路部分，選擇 方案具有多樣性，可根據(jù)柔性傳感器陣列應(yīng)用場(chǎng)合的不同選擇最合適的轉(zhuǎn)換電路，這樣可 以降低外界干擾的引入；接口電路部分，選擇通用方案即可解決，降低開發(fā)難度。
[0017] 本發(fā)明的基于電活性聚合物的分布式柔性壓力傳感器陣列計(jì)算機(jī)分析、處理與顯 示部分，可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同編寫相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，如：對(duì)于糖尿病患者建立個(gè)人足底 健康狀況電子檔案，不僅利于統(tǒng)計(jì)與分析發(fā)病人群的年齡范圍，還利于觀察足底病變的發(fā) 展史，便于醫(yī)生給出正確合理的診斷結(jié)果；編寫網(wǎng)球、羽毛球等運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練系統(tǒng)，便于教練 員掌握運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并校正。
[0018] 本發(fā)明可廣泛用于人體健康監(jiān)測(cè)、體育鍛煉、醫(yī)療康復(fù)、生物力學(xué)和安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng) 域。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的分布式柔性壓力傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明的分布式柔性壓力傳感器陣列的整體結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0021] 圖3是本發(fā)明的分布式柔性壓力傳感器陣列的工作過程框圖。
[0022] 圖4是本發(fā)明分布式柔性壓力傳感器陣列用于檢測(cè)糖尿病患者病足的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0024] 如圖1-4所示。
[0025] -種基于電活性聚合物的分布式柔性壓力傳感器，如圖1所示，它包括底板6、電 活性聚合物3、第一電極層2、第一鋁箔層4、第二電極層8、第二鋁箔層9、硅橡膠襯墊10,底 板6厚度可為0. 001~2_ ;電活性聚合物3與底板6粘結(jié)密封相連，并形成有多個(gè)呈陣列布 置的密閉空間5 (圖2中的陣列為5X5,具體實(shí)施時(shí)可根據(jù)需要自由設(shè)定)，用于與測(cè)量面 實(shí)現(xiàn)良好接觸，它由多個(gè)密閉空間5呈陣列布置在底板6上，在底板6上設(shè)有數(shù)量與密閉空 間5 (可為半球形結(jié)構(gòu)）至少相等的、用于向密半空間5中充氣以便使密閉空間發(fā)生變形的 氣嘴7 ;電活性聚合物3為絕緣聚合物或是絕緣橡膠，如硅樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯、熱塑 性彈性體、聚偏二乙烯或其組合，厚度為0. 〇〇1~2_。第一電極層2覆蓋在每個(gè)密閉空間的 外表面；用于采集電活性聚合物3變形產(chǎn)生的電信號(hào)，在第一電極屋2的表面覆蓋有起保 護(hù)作用的表面層1 (厚度為〇. 〇〇1~2_);第一鋁箔層4,用于將覆蓋在每個(gè)密閉空間的外表 面的第一電極層2進(jìn)行電氣連接形成行電極或列電極，以便將采集的電信號(hào)送至信號(hào)處理 單元；第二電極層8覆蓋在每個(gè)密閉空間的內(nèi)表面；也用于采集電活性聚合物3變形產(chǎn)生 的電信號(hào)；第二鋁箔層9被固定在上底板6,用于將覆蓋在每個(gè)密閉