一种具备各向同性的柔性传感阵列

1.本发明属于传感器领域，特别是涉及一种具备各向同性的柔性传感阵列。


背景技术：

2.传感技术是工程控制的基础，因此以传感器为核心的监测控制技术被广泛运用于工程领域。其中，包括目前广泛应用的应变传感器，它是一类按照不同的物理化学效应，可根据外界应变的大小而相应的改变自身某一物理参数的传感器件。根据传感器的敏感原理不同，可分为电阻式、电容式和压电式等类型，而在设计和使用上最普遍的当属电阻式应变传感器，顾名思义，当传感材料在外力作用下产生应变变化时，其电阻值也会产生相应的变化。但是随着科技进步和智能材料的发展，柔性结构正在逐步进入人们的生活，而传统的以应变片制作的刚性应变传感器，由于不具备柔性的特点，因此无法将其应用于不规则形状的柔性结构的监测控制中。
3.其次，目前绝大多数应变传感器为降低设计和加工的难度，都仅能测量单一方向上的应变，但是很多应用场合要求传感器能实现多向测量。为克服这一难题，通常将三个或者三个以上的传感器呈一定的安装角度，组成应变花的形状，并通过所测得的数据利用变形方程计算出所需方向上的应变。该方式首先在安装和计算上增加了操作者的工作量，其次在安装时必然会带来安装误差，从而导致测试结果出现偏差。
4.目前，传感器根据不同的敏感原理，可测量压力、应变、扭矩和温度等多物理量，但是目前报到地，一个传感器仅能实现单一物理量测量，为测量多物理参数，被测体不得不安装不同类型的器件，以便测量多个物理量。该方式不仅占用了被测体大量的空间，也为多传感器数据获取增加了难度。


技术实现要素：

5.针对以上技术问题，本发明提供了一种能够解决现有技术中应变传感器测量范围不足、仅能实现单一物理量测量问题的具备各向同性的柔性传感阵列。
6.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
7.一种具备各向同性的柔性传感阵列，包括柔性基底、多个压力感知单元和多个应变感知单元，应变感知单元包括能在30
°
范围内展现出各项同性的基础传感单元，将基础传感单元对称布局组成对称式传感单元，并将其布置在表现出六重对称性的元胞结构的边线上，并将元胞结构进行圆周阵列成360
°
范围内各向同性的传感阵列，传感阵列节点处集成为压力感知单元，压力感知单元呈正六边形并通过导电线路与四周的应变感知单元连接，通过液态金属在最外围的6个压力感知单元引出6个金属电极，压力感知单元和应变感知单元均设置在柔性基底上，并用与柔性基底相同的材料进行封装。
8.优选地，柔性基底采用不同厚度的设计，压力感知单元包括敏感薄膜和空腔结构，压力感知单元的空腔结构位于六边形柱体中间的拉伸隔离区域，拉伸隔离区域的基底的厚度是其他区域的十倍。
9.优选地，敏感薄膜由具有导电性石墨烯和银纳米线混合悬浮液抽滤制成。
10.优选地，柔性基底的材料由聚二甲基硅氧烷制成。
11.优选地，金属电极由液态金属镓铟锡合金组成。
12.优选地，具备各向同性的柔性传感阵列还包括数据读取模块，数据读取模块包括数据处理单元、数字/模拟信号转换单元和多路通路选择单元，数据处理单元连接数字/模拟信号转换单元，数字/模拟信号转换单元连接多路通路选择单元，多路通路选择单元通过6个金属电极连接具备各向同性的柔性传感阵列。
13.优选地，数据处理单元为树莓派4b，数字/模拟信号转换单元包括模/数转换器ads1256和数/模转换器dac8552，多路通路选择单元包括四块74hc4051d选通芯片，树莓派4b通过spi接口与ads1256和dac8552连接，ads1256和dac8552利用i/o口与多路通路选择单元连接，多路通路选择单元通过i/o口与6个金属电极连接,的数据处理单元利用i/o口与多路通路选择单元的控制端口连接，以便控制接口的选通。
14.上述具备各向同性的柔性传感阵列，包括压力感知单元和应变感知单元，能分别对压力和拉伸信号的大小展现出电阻的变化，并通过设计压力感知单元和应变感知单元的形状，使得具备各向同性的柔性传感阵列能分别测量360范围内最大应变或者压力传感器单元处压力的大小。解决现有技术中传感器测量范围不足、仅能实现单一物理量测量的问题。
附图说明
15.图1是本发明的一种具备各向同性的柔性传感阵列的结构示意图；
16.图2为本发明一实施例中柔性基底结构示意图，其中，左边为柔性薄膜界面示意图，右边为三维立体结构示意图；
17.图3为本发明一实施例中应变感知单元和压力感知单元分布示意图；
18.图4为本发明一实施例中基础传感单元和对称式传感单元结构示意图；
19.图5为本发明一实施例中压力感知单元工作示意图，其中，左边为压力感知单元的初始状态，右边为当受到压力时，压力感知单元状态；
20.图6为本发明一实施例中具备各向同性的柔性传感阵列的制备流程示意图；
21.图7为本发明一实施例中等效分析图；
22.图8为本发明一实施例中具备各向同性的柔性传感阵列在不同角度下的应变仿真数据；
23.图9为本发明一实施例中具备各向同性的柔性传感阵列在压力作用下的仿真数据；
24.图10为本发明一实施例中实验测得三个柔性传感阵列在不同角度下拉伸下的数据；
25.图11为本发明一实施例中实验测得柔性传感阵列在压力作用下的数据；
26.图12为本发明另一实施例中具备各向同性的柔性传感阵列的结构示意图；
27.图13为本发明一实施例中的具备各向同性的柔性传感阵列数据解算示意图。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
29.在一个实施例中，如图1所示，一种具备各向同性的柔性传感阵列，包括柔性基底、多个压力感知单元和多个应变感知单元，应变感知单元包括能在30
°
范围内展现出各项同性的基础传感单元，将基础传感单元对称布局组成对称式传感单元，并将其布置在表现出六重对称性的元胞结构的边线上，并将元胞结构进行圆周阵列成360
°
范围内的各向同性的传感阵列，传感阵列节点处集成为压力感知单元，压力感知单元呈正六边形并通过导电线路与四周的应变感知单元连接，通过液态金属在最外围的6个压力感知单元引出6个金属电极，压力感知单元和应变感知单元均设置在柔性基底上，并用与柔性基底相同的材料进行封装。
30.具体地，具备各向同性的柔性传感阵列的灵敏度通常采用应变系数(gf)表示，指单位自变量引起的输出相对变化量：
[0031][0032]
其中，r0、δr、ε分别表示传感器初始电阻、电阻变化量和应变大小。
[0033]
具备各向同性的柔性传感阵列具备应变和压力感知能力。六边形结构为压力感知单元，其结构是由敏感薄膜和空腔结构组成，在未受到压力时敏感薄膜为平整状态，当受到外界接触压力δp作用时，敏感薄膜将会产生凹陷变形，记凹陷的深度为δh，空腔直径为a,敏感薄膜厚度为t，如附图2。凹陷区域近似为一个球壳形状，当受力平衡时满足：
[0034][0035]
其中，σ0、v、e分别为初始预应力、泊松比和弹性模量。
[0036]
将传感器灵敏度gf计算公式带入上述公式，并忽略最小项可得：
[0037][0038]
从而在其他参数已知的情况下，通过测量电阻变化即可以计算得出传感阵列所受到的压力的大小。进一步地，应变感知单元和压力感知单元分布示意图如图3所示。基础传感单元和对称式传感单元的示意图如图4所示。
[0039]
在一个实施例中，柔性基底采用不同厚度的设计，压力感知单元包括敏感薄膜和空腔结构，压力感知单元的空腔结构位于六边形柱体中间的拉伸隔离区域，拉伸隔离区域的基底的厚度是其他区域的十倍。
[0040]
具体地，附图5展示了隔离结构的工作原理，其中压力感知单元的空腔位于六边形柱体中间的拉伸隔离区域，该区域厚度是其他部分的十倍。在敏感薄膜整体拉伸时，应变感知结构产生拉伸形变，而压力感知结构则不易受到拉伸形变的影响，从而达到隔离的目的。理论上，弹性结构的刚度k与材料和结构关系密切，且与结构的形变δ和外力f满足如下线性关系：
[0041]
[0042]
其中，弹性结构的刚度k为抗压刚度，e为弹性模量和a为材料的截面积。由于六边形柱体隔离区域的厚度与应变感知单元处的厚度相差十倍，当在相同的拉伸作用时，若应变传感单元产生δs的形变，对应压力传感单元只产生0.09δs的形变，从而实现隔离的作用。
[0043]
在一个实施例中，敏感薄膜由具有导电性石墨烯和银纳米线混合悬浮液抽滤制成。
[0044]
在一个实施例中，柔性基底的材料由聚二甲基硅氧烷制成。
[0045]
在一个实施例中，金属电极由液态金属镓铟锡合金组成。
[0046]
本发明还提供了上述具备各向同性的柔性传感阵列的制造方法其包括如下步骤，如附图6：
[0047]
s1、形状绘制与打印：利用计算机优化设计，并将优化形状每个点坐标(x,y)导入制图软件，并用黑色填充形状外区域，并将软件生成的工程图打印到半透明硫酸纸上。
[0048]
s2、光敏印章制备：将图案化的硫酸纸按照硫酸纸、透明胶片、多孔印章的顺序放入光敏印章机中。其中高能光源完成充能后投射在硫酸纸掩膜上，未被打印的部分允许光线通过并烧结多孔印章，从而堵塞印章相应位置表面的微孔，致使任何液体无法通过该表面浸润到印章内部。
[0049]
s3、pdms(聚二甲基硅氧烷)浸润与转印：将上述光敏印章浸润到未固化的pdms液体中，pdms依赖高流动性透过未被烧结的表面进入对应位置的印章中，5mins后将印章捞出待pdms完全吸收。然后将含有pdms的印章转印到真空抽滤滤膜上，印章上未被烧结位置由于含有pdms,将会覆盖对应位置的滤膜；相反地，含有设计形状的烧结位置由于没有吸收pdms,对应位置的滤膜不会有任何变化。
[0050]
s4、真空抽滤滤膜：取原始石墨烯悬浮液和银纳米线悬浮液混合，并在超声清洗机里面超声6h，制成石墨烯/银纳米线悬浮液。取4ml混合悬浮液加入真空抽滤装置中进行真空抽滤，最后在滤膜上形成敏感薄膜。
[0051]
s6、柔性基地的制备：利用制图软件设计模具，并利用3d打印技术制作模具，然后将打印好的模具置于15w的紫外灯下曝光30分钟以彻底固化模具。紧接着在凹模中浇筑pdms,并在80℃真空干燥箱中烘干，使pdms成为粘性较大的半固化状态备用。
[0052]
s6、封装与电极注入：将半固化状态的基底与滤膜上的敏感薄膜紧密贴合，随后将整个结构浸没于甲酸中，敏感薄膜上的尼龙滤纸将自动脱落，经过去离子水清洗烘干后将得到基底上的敏感薄膜。在此之后，使用pdms将敏感薄膜封装，同时在电极处滴入液态金属，液态金属将在重力作用下与敏感薄膜接触，最后将整个阵列结构放入80℃真空干燥箱中真空干燥30mins，制得最终的柔性传感阵列。
[0053]
为探究传感阵列的传感特性，故将该传感器进行电路等效分析，如附图7。图中压力传感结构电阻记为rin，应变传感结构电阻记为rsn,n∈[0,6]。压力传感结构电阻rin按照通路分为三条支路，电阻分别为0.3rin、rin、0.3rin。求解整个电阻网络可通过基尔霍夫线性方程组计算逐个进行。
[0054]
具体的，以对角线电阻计算为例，首先在电极0和3处施加u0的驱动电压，其中定义电极0处电势为u0，电极3处电势为0，则设置其余电极处电压向量为：
[0055]
u＝[u1,u2,u4,u5,u6]
[0056]
则处电极0,3以外所有节点的基尔霍夫方程，遵从流入电极点电流等于流出该处
的电流：
[0057]
(电极1)
[0058]
(电极2)
[0059]
(电极4)
[0060]
(电极5)
[0061]
(电极6)
[0062]
将上述公式表示矩阵形式：
[0063][0064]
其中，r
ij
表示电极i与电极j之间的电阻之和。根据基尔霍夫线性方程组，解得：
[0065][0066][0067]
其中，表示流过电极0和3之间的总电流。依据该方式，则可以计算得所有电阻大小。根据该理论，对传感结构的电阻特性进行了仿真，仿真结果如附图8和附图9。对比仿真结果发现，该传感阵列对角输出时才具备各向同性，同时无论是测量压力还是应变，对角线输出都能得到最高的灵敏度。基于该理论对实际传感阵列进行了测试分析，如附图10，测试了三个实验样品在不同拉伸角度下对角线端口输出传感特性，发现该传感器在10％应变下具有良好的各项同性。附图11测试了传感阵列在30kpa的压力作用下的不同端口下的传感特性，的确对角线可获得最优的响应值。
[0068]
在一个实施例中，具备各向同性的柔性传感阵列还包括数据读取模块，数据读取模块包括数据处理单元、数字/模拟信号转换单元和多路通路选择单元，数据处理单元连接数字/模拟信号转换单元，数字/模拟信号转换单元连接多路通路选择单元，多路通路选择单元通过6个金属电极连接最外围的6个压力感知单元。
[0069]
进一步地，数据处理单元为树莓派4b，数字/模拟信号转换单元包括模数转换器ads1256和数模转换器dac8552，多路通路选择单元包括四块74hc4051d选通芯片，树莓派4b通过spi接口(serial peripheral interface
‑‑
串行外设接口)与ads1256和dac8552连接，ads1256和dac8552利用io口与多路通路选择单元连接，多路通路选择单元通过io口(input/output interface，输入/输出设备接口)与6个金属电极连接。
[0070]
具体地，考虑到输出端口仅为6个，而传感结构共19个分布在电阻网络中，如附图12，则必然存在数据耦合问题。为消除数据耦合现象，本例中基于电阻抗断层扫描技术设计了数据读取系统，如附图13。通过循环施加电压，循环读取数值，解算出传感阵列电阻变化。具体实施过程如下：
[0071]
基于电阻抗断层扫描技术包括正问题和逆问题求解。本例具体实施属于逆问题，即此时边界电压已知，需要求解目标内部的电阻抗分布。具体求解过程是通过边界电压观测值δv(σ)去拟合电压计算值δ可通过最小二乘法求解，表示为：
[0072][0073]
其中，j是满秩矩阵，则逆问题可以直接通过求解。
[0074]
具体地，雅可比矩阵j为边界电压向量v与电导率向量σ的偏导矩阵，所设计的传感阵列分为19个有效单元，每次的电压测量值为3个。通过改变电源电极组合方式总共能得到18个端口电压。因此：
[0075]
v＝[v
1 v2ꢀ…ꢀv18
]
[0076]
σ＝[σ
1 σ2ꢀ…ꢀ
σ
19
]
[0077][0078]
由于该传感阵列端口电压与网格数量相近，且整体规模较小，尽管j非方阵，也可用最小二乘法进行优化：
[0079][0080]
其中，p[n]表示传感阵列结构的归一化输出数值，v
′
[i]和v[i]分别代表两次测量的边界电压数值，j
t
[n][i]表示转置雅克比矩阵的第n行第i列的值，数值上等于
[0081]
雅克比矩阵在实际应用时常采用扰动法进行计算，即给电导率σn叠加微弱的变化值σn+δσn计算输出的变化量vi+δvi，则雅克比矩阵中相应的值可用下列公式进行估计。
[0082][0083]
另外在测量传感阵列发生变化前后的两组边界电压值，即可通过上述流程计算传感阵列所有传感数据，从而解决数据耦合问题。
[0084]
本发明提供的上述具备各向同性的柔性传感阵列的主要有益效果在于：
[0085]
本发明通过合理设计敏感材料的形状，使得能柔性传感阵列能分别测量360范围内最大应变或者压力的大小,且为了避免拉伸应变对压力感知单元的影响，特意采用不同的基底，将压力感知单元置于厚的区域以减少应变产生的影响，同时为了保证压力信号能够顺利通过基底传递至压力感知单元，在基地的压力感知区域中间设置圆形空腔结构，使
得压力大小可通过空腔结构解算出来。为了避免压力传感和应变传感数据耦合，利用电阻抗断层扫描技术设计了后续数据读取模块，以便快速获得所需的传感数据，有效的保证了测量的准确性和便捷性。
[0086]
本发明提供的上述具备各向同性的柔性传感阵列的制造方法的主要有益效果在于：
[0087]
石墨烯和银纳米线混合液在抽滤之前，先放入超声清洗机里6小时，使得两种溶剂充分混合，进而保证抽滤所得到薄膜电阻变化的稳定性；在将pdms倒入模具中的时候，保证应变感知单元和压力感知单元的厚度相差10倍以上，从而有效减小应变信号对压力感知单元的影响；通过将需要的形状打印在透明的硫酸纸上，再利用光敏印章机光刻在光敏印章上，最终将其转印到滤膜上，保证了一次加工成形的便捷性；通过在电极处滴入液态金属，从而增加传感器的线性度，避免局部变化的不均匀性。
[0088]
以上对本发明所提供的一种具备各向同性的柔性传感阵列进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。