一种新型复合式力学传感器的制作方法

1.本发明涉及力学传感器领域，尤其涉及一种新型复合式力学传感器。


背景技术：

2.现有的力学传感器是指将力的量值转换为相关电信号的器件，力学传感器通常由力敏元件、转换元件以及电路部分构成，由于采用了转换元件以及电路部分通常需要电的驱动，故现有的力学传感器往往需要连接导线或者提供电池，这两种方式都很较大的局限性，采用电池不仅有使用寿命的影响，而且由于电能的消耗容易导致测量精度变差，采用导向供电，显然极大的限制了力学传感器的使用场景，例如：需要对奔跑人的体表动脉压力进行检测就无法进行。
3.中国专利文献公开号cn108429482b公开了一种基于摩擦纳米发电机的微力学传感器，包括摩擦纳米发电机，用于测量力学信号，数据传输装置，摩擦纳米发电机通过模数转换系统与其连接，显示装置与数据传输装置连接，用于显示测量数据。这种新型复合式力学传感器仅仅利用摩擦纳米发电机进行发电，不仅发电量有限很难复杂的电信号转化设备，而且其对被感应物体的感知迟钝。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种新型复合式力学传感器，不仅结合了压电及摩擦发电技术能进行同时发电，而且能实时感知被感应物体的运动状态，防止信息采集数据失真。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明提供的一种新型复合式力学传感器，包括用于与被感应物体相对运动的柔性感应层、电极感应层、压电材料层以及用于产生电信号的信号处理板，所述电极感应层位于所述柔性感应层的一侧，所述柔性感应层与所述电极感应层之间留有间隙，所述压电材料层位于所述柔性感应层与所述电极感应层之间的间隙内，当所述柔性感应层相对于所述被感应物体法向运动时，所述柔性感应层挤压所述压电材料层，所述压电材料层产生第一类电信号；当所述柔性感应层相对于所述被感应物体切向运动时，所述柔性感应层产生感应电荷会使得所述电极感应层产生感应电荷，所述电极感应层产生第二类电信号，所述信号处理板对第一类电信号及第二类电信号整流后形成的电源为所述信号处理板供电，所述信号处理板依据第一类电信号及第二类电信号的波形特征输出电信号。
7.本发明的进一步技术特征在于，所述信号处理板包括第一fpcb电路，所述第一fpcb电路上设置有整流电路，所述第一类电信号及所述第二类电信号通过所述整流电路整流后输出直流电为所述信号处理板供电。
8.本发明的进一步技术特征在于，所述信号处理板还包括第二fpcb电路，所述压电材料层贴设在所述第二fpcb电路上，所述第一fpcb电路(14)与所述第二fpcb电路采集所述压电材料层上下表面的电势差并转化为第一类电信号。
9.本发明的进一步技术特征在于，所述柔性感应层由pdms材料制成，所述压电材料层由pvdf材料制成，所述第一fpcb电路与第二fpcb电路从所述压电材料层上下两侧面与所述压电材料层相贴合，并将所述第一fpcb电路与所述第二fpcb电路用作所述压电材料层的导电层。
10.本发明的进一步技术特征在于，所述柔性感应层的厚度为0.5～2mm，所述pdms材料的单体组分与交联剂组分配比为(20～30)：1。
11.本发明的进一步技术特征在于，所述柔性感应层的外表面设置有蚀刻微结构，所述蚀刻微结构由定向排列的微柱子组成，相邻的两根所述微柱子之间的间距为5～10nm。
12.本发明的进一步技术特征在于，还包括用于固定所述柔性感应层的第一框体，所述柔性感应层固定在所述第一框体的中部。
13.本发明的进一步技术特征在于，还包括中部具有空腔的第二框体，所述信号处理板、所述压电材料层、所述电极感应层依次固定在所述第二框体的空腔内，所述第一框体与所述第二框体固定连接。
14.本发明的进一步技术特征在于，还包括储能器，所述信号处理板对第一类电信号及第二类电信号整流后产生电对储能器进行充电，所述储能器与所述信号处理板电连接为所述信号处理板供电。
15.本发明的进一步技术特征在于，所述信号处理板上设置有ai芯片，所述依据ai芯片对第一类电信号及第二类电信号的波形特征进行学习，并依据学习结果输出电信号。
16.本发明的有益效果为：
17.本发明提供的新型复合式力学传感器，设置了柔性感应层、电极感应层、压电材料层以及用于产生电信号的信号处理板，当柔性感应层相对于被感应物体法向运动时，柔性感应层挤压压电材料层以产生第一类电信号，当柔性感应层相对于被感应物体切向运动时，柔性感应层产生感应电荷会使得电极感应层产生感应电荷以产生第二类电信号，从而使得上述传感器能够自发两种电。另外，本技术提供的柔性感应层能够很好的贴附在被感应物体上，能够更加直接的感受到被感应物体运动状态，且第一类电信号及第二类电信号又能够同时作为电信号用于信号处理板进行电学特征的分析，实现对采集量的直接电学分析，而无需传统的力学传感器的力敏元件及转换元件，从而有效防止信息采集数据失真。
附图说明
18.图1是本发明具体实施方式中提供的新型复合式力学传感器的结构示意图；
19.图2是本发明具体实施方式中提供的新型复合式力学传感器的实验效果图。
20.图中：
21.11、柔性感应层；12、电极感应层；13、压电材料层；14、第一fpcb电路；15、整流电路；16、第二fpcb电路；17、第一框体；18、第二框体；19、储能器；141、ai芯片；20、螺钉。
具体实施方式
22.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
23.实施例一
24.如图1至图2所示，本实施例中提供的新型复合式力学传感器，包括用于与被感应
物体相对运动的柔性感应层11、电极感应层12、压电材料层13以及用于产生电信号的信号处理板，其中，柔性感应层11由pdms材料制成，压电材料层13配置为由pvdf材料制成压电薄膜，电极感应层12由cu薄片制成，电极感应层12位于柔性感应层11的一侧，柔性感应层11与电极感应层12之间留有间隙，压电材料层13位于柔性感应层11与电极感应层12之间的间隙内，柔性感应层11、电极感应层12及压电材料层13的上下表面依次相接。柔性感应层11相对于被感应物体法向运动，也即柔性感应层11在被感应物体的作用下受到挤压后，柔性感应层11就会主要发生沿被感应物体法向运动的压力，也即垂直于被感应物体的外表面的压力，例如：将柔性感应层11贴设在人体动脉处的手臂外表面，就会受到动脉搏动产生的法向运动的作用。当柔性感应层11相对于被感应物体法向运动时，柔性感应层11挤压压电材料层13，压电材料层13在第一fpcb电路14与第二fpcb电路1之间产生电势差，而形成第一类电信号，当柔性感应层11相对于被感应物体切向运动时，也即相对于被感应物体的外面进行水平摩擦类运动时，柔性感应层11产生感应电荷会使得电极感应层12产生感应电荷而构成单电极摩擦纳米发电机，电极感应层12因感应而产生第二类电信号，信号处理板对第一类电信号及第二类电信号整流后形成的电源为信号处理板供电，信号处理板依据第一类电信号及第二类电信号的波形特征输出电信号，由此可见，本实施例中提供的新型复合式力学传感器能够自发两种电。另外，本技术提供的柔性感应层11能够很好的贴附在被感应物体上，能够更加直接的感受到被感应物体运动状态，且第一类电信号及第二类电信号又能够同时作为电信号用于信号处理板进行电学特征的分析，实现对采集量的直接电学分析，而无需传统的力学传感器的力敏元件及转换元件，从而有效防止信息采集数据失真。
25.在进一步地技术方案中，信号处理板配置为第一fpcb电路14，第一fpcb电路14上设置有整流电路15，第一类电信号及第二类电信号通过整流电路15整流后输出直流电为信号处理板供电。通过整流电路15能够第一类电信号及第二类电信号转化为直流电以便其为第一fpcb电路14及第二fpcb电路16上的电子元件进行供电。之所以采用第一fpcb电路14，主要是由于第一fpcb电路14不仅能够增加柔性感应层11与电极感应层12之间的间距，而且有利于柔性感应层11收到的外力更加直接的作用在压电材料层13上。
26.为了更加便捷的压电材料层13产生的第一类电信号进行收集，进一步地，对本实施例中提供的新型复合式力学传感器还包括第二fpcb电路16，压电材料层13位于第二fpcb电路16上，第二fpcb电路16采集压电材料层13上下表面的电势差并转化为第一类电信号，由于第二fpcb电路16直接与压电材料层13的上下两极电连接，能够更好的收集压电材料层13产生的第一类电信号。
27.进一步优选地，柔性感应层11由pdms材料制成，压电材料层13由柔性pvdf材料制成，第一fpcb电路14与第二fpcb电路16从压电材料层13上下两侧面与压电材料层13相贴合，并将第一fpcb电路14与第二fpcb电路16作为压电材料层13的导电层。采用这四种材料结合能够最有效的收集发电并收集电学号相关的力学信息，第一fpcb电路14与第二fpcb电路16作为压电材料层13的导电层，能够贴合在压电材料层13的上下两侧面而构成两个电极，并与压电材料层13组成压电纳米发电机，第一fpcb电路14与第二fpcb电路16二者的材质相同，可以保证压电材料层13产生均匀的形变，而提供较为稳定的第一类电信号，这是由于不同材料的杨氏模量往往存在差异，而在柔性pvdf材质制成的压电材料层13两侧面设置相同材质的第一fpcb电路14与第二fpcb电路16则能够有效克服上述缺陷。由此可见，将第
一fpcb电路14与第二fpcb电路16从压电材料层13上下两侧面与压电材料层13相贴合具有至少三方面的好处：1、第一fpcb电路14与第二fpcb电路16可作为压电材料层13的封装，对压电材料层13进行保护；2、第一fpcb电路14与第二fpcb电路16也可以作为压电纳米发电机的导电层；3、第一fpcb电路14与第二fpcb电路16本身作为整流电路15等电路的载体，如此设置无需再增加额外的电路层，极大缩小新型复合式力学传感器的体积。柔性感应层11必须要与被感应物体进行接触分离才能做到最有效输出，故将其设置在整个新型复合式力学传感器的最外侧，就能够与被感应物体进行直接接触，又能够电极感应层12之间形成隔离而感应处交流电。而对于压电材料层13这对是否与被感应物体直接接触没有必然要求，故将其设置在柔性感应层11与电极感应层12之间，既能够起到隔离的作用，又能够受到柔性感应层11传递的压力作用。进一步有优选地，柔性感应层11的厚度为0.5～2mm，该厚度条件下柔性感应层11该条件下既能够有效保证压电材料层13对压力具有良好的灵敏度，也即压电纳米发电机具备足够的输出，又能保证柔性感应层11与电极感应层12之间产生足够的交流电，因为柔性感应层11太厚显然后减低压电材料层13对压力的灵敏度，而太薄又与影响单电极摩擦纳米发电机产生第二类电信号的发电量，故合理的设置柔性感应层11的厚度有利于保证新型复合式力学传感器输出电信号的稳定和强度。进一步有优选地，pdms材料的单体组分与交联剂组分配比为(20～30)：1，单体组分通常为聚二甲基硅氧烷等，合理调控单体组分与交联剂组分之间配比，会使得柔性感应层11的软硬适中，能够保证单电极摩擦纳米发电机的稳定输出，也能够保证柔性感应层11受到的压力能够有效传递至压电材料层13，进一步保证压电信号的强度以及稳定。进一步优选地，柔性感应层11的外表面设置有蚀刻微结构，蚀刻微结构由定向排列的微柱子组成，相邻的两根微柱子之间的间距为5～10nm，定向排列的微柱子能够显著提升柔性感应层11的外表面的摩擦效果，可以显著提升单电极摩擦纳米发电机的第二类电信号的输出，增大第二类电信号输出的电量。
28.为了对柔性感应层11、电极感应层12、压电材料层13以及用于产生电信号的信号处理板进行封装及固定，进一步地，对本实施例中提供的新型复合式力学传感器还包括用于固定柔性感应层11的第一框体17，柔性感应层11固定在第一框体17的中部，通过第一框体17能够实现柔性感应层11的安装及固定。进一步优选地，对本实施例中提供的新型复合式力学传感器还包括中部具有空腔的第二框体18，信号处理板、压电材料层13、电极感应层12依次固定在第二框体18的空腔内，第一框体17与第二框体18固定连接使得柔性感应层11、电极感应层12及压电材料层13的上下表面依次相接，也就是说柔性感应层11、电极感应层12及压电材料层13的上下表面均直接接触，同时第一fpcb电路14位于柔性感应层11与压电材料层13之间，第一fpcb电路14的上表面与柔性感应层11相抵，第一fpcb电路14的下表面与压电材料层13相抵，也就是说从柔性感应层11到压电材料层13均能对被感应物体运动状态进行快速的反应，从而提升压电材料层13的发电灵敏度。这样设计的目的使得压电材料层13能够更加直接的感受到被感应物体运动状态，从而进一步防止信息采集数据失真，同时由于压电材料层13的上下两极是电隔离的，进而使得柔性感应层11与电极感应层12之间也是电隔离的，从而避免感应电荷被中和。进一步优选地，第一框体17与第二框体18固定连接采用卡接或者螺接方式固定连接，当其采用螺接方式固定连接时，第一框体17上设置了四个螺孔，四颗螺钉20穿过各自相应的螺孔后与第二框体18上的四个盲孔相螺接。
29.在进一步地技术方案中，对本实施例中提供的新型复合式力学传感器还包括储能
器19，信号处理板能控制第一类电信号及第二类电信号整流后产生电对储能器19进行充电，储能器19与信号处理板电连接为信号处理板供电。储能器19的作用一方面是使得第一fpcb电路14及第二fpcb电路16得到的直流电更加稳定，另一方面也能够收集被感应物体剧烈运动而产生的多余电，以备被感应物体不运动时或者少量运动时的发电需求，保证传感器的稳定供电。
30.为了提升新型复合式力学传感器输出电信号的准确性，进一步地，信号处理板上设置有ai芯片141，依据ai芯片141对第一类电信号及第二类电信号的波形特征进行学习，并依据学习结果输出电信号，输出的电信号通常是依据第一类电信号及第二类电信号的电压波形及电流波形变化转为压力信号或者脉搏信号等，并通过ai芯片141内置的ai算法提升检测的准确性。
31.本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本技术的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。