一种用于探测微弱应力的传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微弱应力探测技术，具体涉及一种用于探测微弱应力的传感器及其制备方法，在微弱脉搏检测、噪音检测以及流量检测等领域具有良好的应用前景。
【背景技术】
[0002]压力传感器是工业中常用的传感器之一，广泛应用于工业自动控制领域，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、机床等众多行业。
[0003]随着柔性电子学及可穿戴设备的发展，应力传感器越来越受到人们的关注。传统的压力传感器可以分为压阻式、电容式、压电式等几大类。
[0004]压电式压力传感器是根据压电效应制成的传感器，具有结构简单、重复性好、精度较高、灵敏度好、动态范围宽、机械性能优良等优点，但是存在信号采集电路复杂、成本高等不足。
[0005]压阻式压力传感器利用金属或者半导体的电阻随外界压力的变化而变化的原理进行工作。目前应用的压阻式压力传感器主要是硅基压力传感器，具有应用广泛、动态范围宽、利于集成等优点。但是，硅基压力传感器的使用温度一般低于125°C，不能在高温下使用，并且所测量的压力下限一般为lOOOPa，不能测量超微压力。
[0006]电容式压力传感器利用电容量随压力改变而变化的原理实现外界压力的检测，具有结构简单、功耗低、线性度好、体积小等优点。但是，电容式应力传感器易受到连接导线中的寄生电容影响，因此对测量电路要求较高。
[0007]上述应力传感器在工业中均有较为广泛的应用，但是适合测量微弱应力或微弱应变的传感器却不常见，例如用于探测脉搏产生等。
【发明内容】
[0008]针对上述技术现状，本发明旨在提供一种用于探测微弱应力的传感器。
[0009]为了实现上述技术目的，本发明人在本发明中所提供的技术方案是:一种用于探测微弱应力的传感器，包括支撑壳体，以及位于支撑壳体内部的电感线圈；所述的电感线圈包括磁芯与空心线圈，磁芯穿过空心线圈内部；
[0010]所述的支撑壳体包括柔性支撑面，柔性支撑面上方连接柔性突起，柔性支撑面下方连接磁场单元，用于为电感线圈提供磁场；
[0011]工作状态时，外界微弱应力作用在柔性突起上，柔性突起产生压应力带动柔性支撑面发生形变，引起磁场单元作用于电感线圈中的磁通量变化，线圈阻抗随之改变，线圈两端为阻抗输出端，线圈两端输出该阻抗。
[0012]外界微弱应力的来源不限，可以是脉搏的起伏、气流的冲撞、声音音量引起的振动等。
[0013]所述的柔性支撑面材料不限，可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶等柔性材料。
[0014]所述的柔性突起材料不限，可以是PDMS、橡胶等柔性材料。
[0015]当柔性支撑面材料的柔性较大时，有利于柔性支撑面发生较大形变，从而提高应力传感灵敏度。因此，作为优选，所述的柔性支撑面材料的柔性大于柔性突起材料的柔性。
[0016]所述的磁场单元用于为电感线圈提供磁场，其材料不限，包括柔性材料与非柔性材料。作为优选，所述的磁场单元为柔性材料。作为一种优选的实现方式，所述的磁场单元由柔性材料PDMS与分布在PDMS中的磁粉组成。所述的磁粉包括但不限于永磁粉，例如铁氧体等。
[0017]所述的磁芯为磁性材料，包括但不限于磁性金属、磁性合金、非晶磁性材料等。
[0018]非晶磁致伸缩材料是非晶磁性材料中的一种。非晶磁致伸缩材料具有良好的巨磁阻抗以及巨应力阻抗效应，与巨应力阻抗效应相比，巨磁阻抗效应更为明显，即微弱的磁场变化将会导致非晶磁致伸缩材料的阻抗发生变化。因此，本发明中，磁芯选用非晶磁致伸缩材料有利于提尚应力传感灵敏度。
[0019]所述的非晶磁致伸缩材料可以是铁基非晶软磁材料或者钴基非晶软磁材料，包括但不限于 FeSiB、FeCuNbSiB, FeNiSiB, FeCoSiB, GdFeCo, CoSiB 等。
[0020]所述的空心线圈结构不限，可以是漆包线绕行在空心筒外围而形成。
[0021]在柔性支撑面中，位于柔性突起正下方的位置的形变最大，因此，作为优选，所述的磁场单元位于柔性突起的正下方，有利于提高传感灵敏度。
[0022]所述的支撑壳体的形状不限，可以是中空柱体(或称为鼓形)，其横截面形状不限，包括圆形、矩形、多边形等，也可以是中空锥体，其横截面形状不限，包括圆形、矩形、多边形等。
[0023]所述的突起面形状不限，包括球面、椭圆面、圆柱面等。
[0024]所述的阻抗输出端与阻抗分析仪相连接，或者阻抗输出端与电阻构成惠斯通电桥结构，并且阻抗输出端为惠斯通电桥的一个桥臂，惠斯通电桥的输出与电压表或电流表或阻抗分析仪相连接。
[0025]本发明还提供了一种制备上述应力传感器的方法，其中，所述的支撑壳体材料为PDMS、柔性突起材料为PDMS、磁场单元由PDMS与分布在PDMS中的磁粉组成，包括如下步骤:
[0026](I)制备磁场单元
[0027]PDMS主剂与固化剂组成PDMS混合液，将PDMS混合液与磁粉混合均匀，在60?120 C中供干，然后取出在磁场中磁化。
[0028]步骤(I)中，作为优选，所述的PDMS混合液中，PDMS主剂与固化剂的质量比为10:
I?2山
[0029]步骤(I)中，作为优选，所述的PDMS混合液与磁粉的质量比为10:1?2:1。
[0030]步骤⑴中，作为优选，所述的磁场强度为I?2特斯拉。
[0031]步骤⑴中，作为优选，所述的烘干时间为0.5?4小时。
[0032](2)制备支撑壳体
[0033]支撑壳体由壳体底座以及壳体上部分组成，所述的壳体上部分包括除壳体底座外的壳体其余部分，即包括柔性支撑面。
[0034](2-1)制备壳体上部分
[0035]采用模具制备所述的壳体上部分，壳体上部分的模具，由上模具与下模具组成；将PDMS主剂与固化剂混合均匀后灌注在下模具中，然后将磁场单元放置在下模具底部中央位置，再扣合上模具，经烘干后，得到集成磁场单元的壳体上部分8。
[0036]步骤(2-1)中，作为优选，PDMS主剂与固化剂的质量比为15:1?5:1。
[0037]步骤(2-1)中，作为优选，所述的烘干温度为60?120°C。
[0038]步骤(2-1)中，作为优选，所述的烘干时间为0.5?3小时。
[0039](2-2)制备壳体底座
[0040]采用模具制备所述的壳体底座；将PDMS主剂与固化剂混合均匀后灌注在壳体底座模具中，然后将电感线圈置于壳体底座模具的底部中央位置，再倒扣步骤(2-1)制得的集成磁场单元的壳体上部分，经烘干后，得到集成磁场单元与电感线圈的支撑壳体。
[0041]步骤(2-2)中，作为优选，PDMS主剂与固化剂的质量比为10:1?3:1。
[0042]步骤(2-2)中，作为优选，所述的烘干温度为60?100°C。
[0043]步骤(2-2)中，作为优选，所述的烘干时间为0.5?3小时。
[0044](3)制备突起
[0045]采用模具制备所述的突起，将PDMS主剂与固化剂混合均匀后置于突起模具中，烘干后取出脱模，得到突起。
[0046]步骤(3)中，作为优选，PDMS主剂与固化剂的质量比为10:1?2:1。
[0047]步骤(3)中，作为优选，所述的烘干温度为60?120°C ;
[0048]步骤(3)中，作为优选，所述的烘干时间为0.5?4小时；
[0049](4)将步骤(3)制得的突起置于柔性支撑面的上表面，连接位置处涂覆PDMS主剂与固化剂的混合液，然后烘干，突起粘接在柔性支撑面上。
[0050]步骤⑷中，作为优选，PDMS主剂与固化剂的质量比为10:1?2:1 ;
[0051]步骤(4)中，作为优选，所述的烘干温度为60?120°C。
[0052]综上所述，本发明采用柔性支撑体、柔性突起，磁场单元以及电感线圈，通过结构设计，将外界微弱应力作用在柔性突起上，柔性突起产生压应力带动柔性支撑面发生形变，引起磁场单元作用于电感线圈中的磁通量变化，线圈阻抗随之改变，通过线圈两端输出该阻抗，从而实现了对外界微弱应力应变的探测。该压力传感器结构简单，成本低，灵敏度高，尤其是当电感线圈中的磁芯为具有巨磁阻抗材料时，由微弱压力信号产生的微弱磁场变化会导致明显的线圈阻抗变化，从而能够进一步提高检测灵敏度。另外，该压力传感器生物兼容性好，并且具有无线探测兼容性，因此适用于探测各种微弱应力或微弱应变，例如用于探测脉搏产生的应力，气流产生的应力，以及声音产生的应力等，具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0053]图1是本发明实施例中用于检测微弱应力的传感器的结构示意图；
[0054]图2是用于制备图1中柔性支撑体下部分的下模具结构示意图；
[0055]图3是用于制备图1中柔性支撑体下部分的上模具结构示意图；
[0056]图4是利用图1所示压力传感器探测脉搏的结果图。
具体实施方案
[0057]下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
[0058]图1至3中的附图标记为:柔性支撑面1、电感线圈2、壳体侧壁3、磁场单元4、突起5、位置6、位置7、集成磁场单元的壳体上部分8。
[0059]本实施例中，如图1所示，用于探