一种柔性的多维接触应力传感器及其制备方法

1.本发明涉及应力传感器领域，特别是涉及一种柔性的多维接触应力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.随着vr和元宇宙等新兴技术的不断发展，人与互联网融合的多元宇宙正不断成为现实，并推动社会的进步和变革。其中，体感检测是实现元宇宙愿景的基础；而应力传感器是一种功能最基础的体感检测设备。应力传感器可以测量微弱的应力变化，进而为各类体感产品或应用的功能实现奠定数据基础。
3.技术人员已经开发出了多种基于不同原理的应力传感器产品。例如：黄武桐通过采用氧化石墨烯等材料，制备出具有高灵敏度、高识别度、高抗外界干扰能力的可穿戴柔性电阻式力学传感器。该传感器采用双层电阻设计，能够检测小于25pa的压力，用于监测不同材料表面粗糙度、音乐节奏、脉搏及人体呼吸等丰富类型的状态数据。
4.沈宏骏等人设计了一种电容式柔性拉应变传感器，采用硅胶材料作为介电层，导电织布作为柔性电极，给出其详细制备方式，并对制作的传感器性能进行测试分析。试验表明，该导电织物传感器迟滞性低、重复性好，应变率达到143％时其电容达到最大值，继续拉伸时传感器失效。该传感器用于手指弯曲试验的测试结果较好，并且在0
°
～100
°
内电容值与应变率近似呈线性关系，适用于机器人关节的弯曲控制、触觉感知装置和智能服装等领域。
5.以技术方案中的应力传感器虽然具有良好的灵敏度和稳定的测量性能，可以在不同的测量场景中使用。但是大部分的现有应力传感器都是传统的芯片式传感器，产品无法实现小型化和客制化。因此在应用于体感测量场景时，无法实现无感式测量。这些传统的应力传感器应用于可穿戴式设备时，客户的反馈经常包括“硌人”这一类不好的用户体验。
6.此外，几乎所有的接触式应力传感器都只能测量特定方向的压缩应力或剪切应力。而在现有应用场景下，穿戴式产品往往需要测量不同方向的不同类型的应力，以支持丰富体感应用实现功能。这时则需要使用多个传感器产品，这不仅会提高穿戴式产品的生产成本，也会进一步降低穿戴式产品的用户体验。


技术实现要素：

7.基于此，有必要针对现有应力传感器测量功能单一，无法实现定制化，不适用于可穿戴设备使用等问题；提供一种柔性的多维接触应力传感器及其制备方法。
8.本发明提供的技术方案如下：
9.一种柔性的多维接触应力传感器，其用于测量安装位点处的纵向压缩应力和多个方向上的横向剪切应力。该多维接触应力传感器包括：敏感元件和转化元件两个部分。
10.其中，敏感元件包括基体和多组具有不同延伸方向的平行电极对。基体采用具有弹性的绝缘材料制备而成。基体内部的中央开设有位于同一水平面内的多条互不连通空
腔，空腔用于容置各个平行电极对。每组平行电极对由两条相互平行且间隔设置的均匀的线性导体构成。每组平行电极对中的两条线性导体完全相同。敏感元件中的线性导体采用在常温状态下呈液态的低温共熔体制备而成。且线性导体满足：
11.(1)当平行电极对数量n＝1时，两条线性导体相互平行；
12.(2)当平行电极对数量n＞1时，各条线性导体在同一平面内按照具有n组平行相等边的2n边形的形状布局，且任意两条相邻线性导体的端部被所述基体隔断。
13.转换元件包括电阻检测电路和应力输出模块。电阻检测电路与敏感元件中的每条线性导体的两端电连接，电阻检测电路用于检测每条线性导体的实时电阻值。应力输出模块中包含压缩应力计算单元和剪切应力计算单元。压缩应力计算单元中预设有通过有限元分析方法建立的多个线性导体的电阻变化量与承受的压缩应力值之间的映射关系。压缩应力计算单元用于根据多个线性导体的初始电阻和实时电阻计算出对应的压缩应力值。剪切应力计算单元中预设有通过有限元分析方法建立的平行电极对中两个线性导体的电阻变化量与剪切应力值之间的映射关系，剪切应力计算单元用于根据每组平行电极对中的两条线性导体的实时电阻和初始电阻计算出对应方向上的剪切应力值。
14.在本发明的敏感元件中，每组平行电极对构成测量垂直于平行电极延伸方向的横向剪切应力的检测单元。所有或部分线性导体共同构成检测纵向压缩应力的检测单元。
15.作为本发明进一步地改进，多维接触应力传感器中，基体采用柔性的硅树脂、橡胶、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种材料制备而成。线性导体可以镓铟锡合金、镓铟合金等低熔点的液态合金材料，或电解质溶液等材料制备而成。
16.具体地，本发明采用ga-in-sn三元液态合金材料制备而成；ga-in-sn三元液态合金材料的成分按照质量分数比为：ga：68.5wt％；in：21.5wt％；sn：10wt％。ga-in-sn三元液态合金材料的熔点为-19℃，在室温条件下为一种液态的低温共熔体，且液态合金材料的电阻率为2.89
×
10-7
ω
·
cm，密度为6.44g/cm3，体积粘度为1.99
×
10-6
pa.s。
17.作为本发明进一步地改进，基体的尺寸大于内部平行电极对构成的组合体的尺寸，且二者结构相似。基体上部还设有与基体结构相似的凸台，凸台的边缘恰好与下方的各组平行电极对位置重合。
18.作为本发明进一步地改进，多维接触应力传感器中的每条线性导体的电阻值r的计算公式如下：
[0019][0020]
上式中，ρ表示线性导体的电阻率，l表示线性导体的长度，s表示线性导体的截面积。
[0021]
作为本发明进一步地改进，多维接触应力传感器输出的应力检测结果的维度n与平行电极对数量n之间满足如下关系：n＝n+1。
[0022]
当接触应力传感器中设置n组不同延伸方向的平行电极对时，接触应力传感器可用于测量垂直于各个平行电极对延伸方向的n个方向上的横向剪切应力，以及垂直于所有平行电极对所在平面的纵向压缩应力。
[0023]
作为本发明进一步地改进，对于特定结构型式的多维接触应力传感器，其检测的
纵向压缩应力和各个方向上的横向压缩应力与各个线性导体的电阻变化量之间具有一一对应的映射关系。在多维接触应力传感器的转换元件中，存储有用于表征映射关系的一个“电阻-应力对照表”或一个“电阻-应力函数”。压缩应力计算单元和剪切应力计算单元先根据各个线性导体的实时电阻和初始电阻计算出对应电阻变化量；然后根据电阻变化量查询“电阻-应力对照表”，或输入到“电阻-应力函数”中；计算出相应的纵向压缩应力或横向剪切应力。
[0024]
作为本发明进一步地改进，电阻检测电路和应力输出模块均采用柔性电路板制备而成。
[0025]
作为本发明进一步地改进，多维接触应力传感器还包括一个压电发电单元和电池模组，压电发电单元用于收集纵向压缩应力方向和/或任意所述横向剪切应力方向上的部分势能，并将势能转化为电能。电池模组用于存储压电发电单元生成的电能，以及用于为多维接触应力传感器中的转换元件供电。
[0026]
一种多维接触应力传感器的制备方法，其用于制造如前述的柔性的多维接触应力传感器，该制备方法包括试样生产阶段和量产阶段；其中，试样生产阶段包括如下步骤：
[0027]
(1)根据应用的场景设计相应的柔性的多维接触应力传感器的目标结构型式。具有所述目标结构型式的多维接触应力传感器可满足目标场景下的纵向压缩应力和多个方向上的横向剪切应力的测量需求。
[0028]
(2)基于设计出的目标结构型式，利用基体的原料通过3d打印的加工方式打印出具有相应空腔的基体，并在每个空腔的两端预留用于埋设引线和注射材料的孔洞。
[0029]
(3)通过孔洞向空腔内注射在常温状态下呈液态的低温共熔体合金材料，进而得到所需的线性导体。
[0030]
(4)在每个空腔的孔洞处安装柔性导线，并通过柔性导线与所述转换元件中的电阻检测电路电连接。
[0031]
(5)继续利用基体的原料通过3d打印的方式将转换元件完整封装到敏感元件上；得到包含敏感元件和转换元件的产品试样。在产品试样中，应力输出模块设置为不参与工作的空闲状态。
[0032]
(6)根据预设的采集方案对产品试样进行实验测量，采集产品试样在不同接触应力状态下，各个线性导体的电阻随应力变化的状态数据，进而得到包含多组状态数据的原始数据集。
[0033]
(7)基于原始数据集采用有限元分析方法建立产品试样的应力应变模型，并根据构建的应力应变模型分析得到：多个线性导体的电阻变化量与承受的压缩应力值之间的映射关系，以及构成平行电极对的两个线性导体的电阻变化量与相应方向上的剪切应力值之间的映射关系。
[0034]
量产阶段包括如下步骤：
[0035]
(8)根据设计出的目标结构型式，采用如步骤(2)-(5)的生产流程进行批量生产得到量产产品。
[0036]
(9)将用于表征步骤(7)中得到的“所有线性导体的电阻变化量与承受的压缩应力值之间的映射关系，以及构成平行电极对的两个线性导体的电阻变化量与相应方向上的剪切应力值之间的映射关系”的“电阻-应力对照表”或“电阻-应力函数”写入到转换元件的应
力输出模块中。
[0037]
(10)调整量产产品的应力输出模块为工作状态。
[0038]
作为本发明进一步地改进，步骤(6)中的预设采集方案中包括：
[0039]
(
ⅰ
)采集仅施加纵向压缩应力的状态数据。
[0040]
(
ⅱ
)采集仅施加单向或多向横向剪切应力的状态数据。
[0041]
(
ⅲ
)采集同时施加纵向压缩应力，以及单向或多向横向剪切应力的状态数据。
[0042]
本发明提供的一种柔性的多维接触应力传感器及其制备方法，具有如下有益效果：
[0043]
本发明采用液态合金材料作为感应器设计了一个全新的接触应力传感器，其中，传感器的敏感元件具有非常灵敏的应力应变特性，且具有优秀回弹性能，因而可以在低应力场景测量中也具有较高的灵敏度，测量结果的精度较高。本发明提供接触应力传感器是一种可以实现多维应力测量的器件，功能更加丰富，既可以测量压缩应力也可以同时测量多个不同方向的剪切应力。因而具有更加广阔的应用前景。
[0044]
本发明提供的多维接触应力传感器可以针对不同的使用场景进行客制化设计，传感器的外形和测量功能都可以根据用户的需求进行定制，进而可以适用于不同的应用场景。同时，基于不同的使用场景对工作环境温度，耐候性能、产品寿命的需求，本发明的传感器还可以选择不同材料或工艺进行生成，进而实现在成本和性能之间达到平衡，产生更高的经济效益。
[0045]
本发明提供的多维接触式应力传感器是一种全柔性的器件，使用于人体时可以时间长时间的无感式测量，提升产品的用户体验。本发明的传感器还可以根据需要配置微型发电和电源组件，实现不依赖外界电源的长时间运行。因此本发明设计的多维接触应力传感器产品非常适于应用在可穿戴设备中；为vr和元宇宙应用等新兴技术的蓬勃发展奠定基础。
附图说明
[0046]
图1为本发明实施例1提供的一种二维接触应力传感器中敏感元件的结构示意图。
[0047]
图2为本发明实施例1提供的一种三维接触应力传感器中敏感元件的结构示意图。
[0048]
图3为本发明实施例1提供的一种四维接触应力传感器中敏感元件的结构示意图。
[0049]
图4为本发明实施例1中二维接触应力传感器检测纵向压缩应力和横向剪切应力的位置分布示意图。
[0050]
图5为本发明实施例1提供的多维接触应力传感器的模块连接示意图。
[0051]
图6为本发明实施例1中包含凸台的二维接触应力传感器中敏感元件的结构示意图。
[0052]
图7为本发明实施例1中包含凸台的三维接触应力传感器中敏感元件的结构示意图。
[0053]
图8为本发明实施例1中包含凸台的四维接触应力传感器中敏感元件的结构示意图。
[0054]
图9为本发明实施例2增加自发电组件的的多维接触应力传感器的模块连接示意图。
[0055]
图10为本发明实施例3中多维接触应力传感器生产过程的步骤流程图。
[0056]
图中标记为：
[0057]
1、敏感元件；2、转换元件；3、压电发电单元；4、电池模组；11、平行电极对；12、基体；21、电阻检测电路；22、应力输出模块；111、线性导体；120、凸台；221、压缩应力计算单元；222、剪切应力计算单元。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0060]
实施例1
[0061]
本实施例提供一种柔性的多维接触应力传感器，其用于测量安装位点处的纵向压缩应力和多个方向上的横向剪切应力。该多维接触应力传感器包括：敏感元件1和转化元件两个部分。
[0062]
本实施例提供的多维接触应力传感器具有多种不同的结构型式，每种结构型式对应不同的测量需求。其中，最简单的2维接触应力传感器可以满足纵向压缩应力和一个方向上的横向剪切应力的测量需求。而n维接触应力传感器则可以满足纵向压缩应力和n-1个不同方向上的横向应力的测量需求。
[0063]
本实施例的多维敏感元件1包括基体12和多组具有不同延伸方向的平行电极对11。基体12采用具有弹性的绝缘材料制备而成。基体12内部的中央开设有位于同一水平面内的多条互不连通空腔，空腔用于容置各个平行电极对11。每组平行电极对11由两条相互平行且间隔设置的均匀的线性导体111构成。每组平行电极对11中的两条线性导体111完全相同。敏感元件1中的线性导体111采用在常温状态下呈液态的低温共熔体合金制备而成。且线性导体111满足：当平行电极对11数量n＝1时，两条线性导体111相互平行；当平行电极对11数量n＞1时，各条线性导体111在同一平面内按照具有n组平行相等边的2n边形的形状布局，且任意两条相邻线性导体111的端部被基体12隔断。
[0064]
图1-3分别展示了二维接触应力传感器、三维接触应力传感器和思维接触应力传感器的敏感元件1部分的典型结构形式。分析图片可以看到，平行电极对11由两个完全相同的线性导体111构成，线性导体111的截面形状不做限定，可以为普通的圆形，也可以是方形、多边形等任意形状，只需要满足使得线性导体111的各处均匀即可。当采用多组线性电极对的形式构造多维接触应力传感器时，则需要将每个组电极对中各个线性导体111按照首尾相接的方式进行排列，构成一个每组对边都相互平行的2n边形的形状。需要特别说明的是，在多维接触应力传感器中，不同组别的平行电极对11并不需要采用等长或等径的线性导体111。只需要保证每组平行电极对11内的两个线性导体111完全相同即可。即多维接
触应力传感器中线性导体111构成的可能是正2n变形，也可能是对边平行且相等的其它2n边形。当然从便于数据处理角度出发，采用相同的线性导体111构成所有的平行电极对11，以及采用正2n边形的结构形式是一种最优选项；因为在这种结构型式的测量状态下，各个方向上的横向剪切应力的计算方法是完全一致的。
[0065]
需要额外强调的是：本实施例中将基体12材料设计为正多边形只是为了便于基体12和传感器加工生产，多边形是本实施例中多维接触应力传感器的基本形态。在应用于特殊的体感场景时，基体12还可以被加工成贴合特殊结构面的任意形态。例如，用于作为手环类产品时使用时则加工弧形结构，作为服装或穿戴设备使用时则加工为杯型或肘状结构等等。
[0066]
本实施例提供的多维接触应力传感器的转换元件2包括电阻检测电路21和应力输出模块22连个部分。电阻检测电路21与敏感元件1中的每条线性导体111的两端电连接，电阻检测电路21用于检测每条线性导体111的实时电阻值。进而可以通过测量出的各个线性导体111的电阻值计算出相应的压缩应力和剪切应力的值。本实施例提供的接触接触应力传感器的测量原理在于：本实施例中的线性导体111是一个典型的电阻会随着形状变化而改变的导体，每条线性导体111的电阻值r的计算公式如下：
[0067][0068]
上式中，ρ表示线性导体111的电阻率，l表示线性导体111的长度，s表示线性导体111的截面积。
[0069]
并且由于本实施例采用了柔性的低温共熔体制备线性导体111，基体12也是采用柔性材料制备而成，因此线性导体111对施加的应力非常敏感，只需要施加极小的应力作用就会产生应变，进而使得线性导体111的电阻值发生变化。
[0070]
本实施例的多维接触应力传感器的敏感元件1中，每组平行电极对11构成测量垂直于平行电极延伸方向的横向剪切应力的检测单元。所有或部分线性导体111共同构成检测纵向压缩应力的检测单元。
[0071]
当传感器收到某个方向的横向剪切应力时，垂直于高检测方向平行电极对11中的两个线性导体111就会收到应力作用而变形，变形结构导致线性导体111的电阻值发生变化，且在变形过程中，两条线性导体111的电阻变化并不相同，根据二者的电阻变化状态即可确定该方向上的应力值。同样地，当传感器受到纵向的压应力时，所用线性导体111都会被压缩变形，表现为导体的横截面变小，长度拉长，此时线性导体111的电阻变大，根据电阻的增加值可以计算出相应的压缩应力大小。
[0072]
本实施例中，当传感器中平行电极对11的数量较少时可以采用所有的线性电阻的阻值变化来计算压应力，从而提高检测结果的可靠性，避免压应力作用点偏移带来的偶然误差。但是当传感器的测量结果维度过大，产品中的平行电极对11数量过多时，则仅需要使用其中的某些线性导体111的阻值变化来计算压应力，就已经可以得到满足精度要求的测量结果。这种处理方式可以降低大规模样本下的数据处理难度过大的问题。
[0073]
多维接触应力传感器输出的应力检测结果的维度n与平行电极对11数量n之间满足如下关系：n＝n+1。当接触应力传感器中设置n组不同延伸方向的平行电极对11时，接触应力传感器可用于测量垂直于各个平行电极对11延伸方向的n个方向上的横向剪切应力，
以及垂直于所有平行电极对11所在平面的纵向压缩应力。在二维接触应力传感器中，可以实现测量的纵向接触应力和横向接触应力的分布状态如图4所示。
[0074]
转换元件2中，如图5所示，应力输出模块22中包含压缩应力计算单元221和剪切应力计算单元222。压缩应力计算单元221中预设有通过有限元分析方法建立的多个线性导体111的电阻变化量与承受的压缩应力值之间的映射关系。压缩应力计算单元221用于根据多个线性导体111的初始电阻和实时电阻计算出对应的压缩应力值。剪切应力计算单元222中预设有通过有限元分析方法建立的平行电极对11中两个线性导体111的电阻变化量与剪切应力值之间的映射关系，剪切应力计算单元222用于根据每组平行电极对11中的两条线性导体111的实时电阻和初始电阻计算出对应方向上的剪切应力值。
[0075]
本实施例中，对于特定结构的产品，不同线性导体111的电阻值变化量与应力值之间的映射关系可以通过实际试验的数据采集，以及在计算机上使用有限元分析工具建模得到。对于得到的映射关系在可以以计算机程序的形式存储在剪切应力计算单元222和压缩应力计算单元221中。然后由剪切应力计算单元222和压缩应力计算单元221在运行过程中，根据采集到的各个线性导体111的电阻变化量计算出相应的应力检测值，并以特殊的信号输出给用户。利用可以将检测结果显示在数码管、液晶屏或其它显示模组上，也可以将检测结果通过无线或有线数据传输的方式输出到其它外设上。
[0076]
在本实施例提供的多维接触应力传感器中，敏感元件1中的基体12主要包括以下两个作用：其一是作为整个传感器的封装材料，将平行电极对11包覆在其中，保证整个传感器的稳定运行。其二是作为应力的受力面，保证平行电极对11可以敏感地感受到应力并产生变形，并在应力作用消失后恢复至初始状态。
[0077]
基于前述目标，本实施例提供的接触应力传感器对采用的基体12材料主要包括如下性能要求：
[0078]
(1)必须采用常温下无流动性的柔性材料。
[0079]
(2)材料具有优异的绝缘特性。
[0080]
(3)材料具有高回弹性能。
[0081]
(4)材料具有良好防水密封性能。
[0082]
(5)材料具有较强的热稳定性性能，热变形程度较小。
[0083]
(6)材料的耐腐蚀、抗老化性能较佳。
[0084]
(7)优异的可加工性能，等等。
[0085]
基于上述性能要求，基体12可选的材料包括：柔性硅树脂、橡胶、聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等等。本实施例则采用柔性硅树脂制备而成。当然如果存在可以满足上述性能要求中的多项或全部的新材料，也可以作为本实施例中的多维接触应力传感器的基体12材料。
[0086]
此外，当本实施例中的线性导体111外设置套管，通过套管来控制流体状态的内部材料的形态时，基体12材料也可以采用非绝缘材料制备而成。或者在基体12的空腔内设置具有以上性质的涂层之后，基体12材料也可以采用非绝缘材料。
[0087]
本实施例中的线性导体111采用ga-in-sn三元液态合金材料制备而成。本实施例采用的ga-in-sn三元液态合金材料的成分按照质量分数比为：ga：68.5wt％；in：21.5wt％；sn：10wt％。
[0088]
之所以采用这种特殊材料作为线性导体111，主要是由于ga-in-sn三元液态合金材料的熔点为-19℃，在室温条件下为一种液态的低温共熔体，且液态合金材料的电阻率为2.89
×
10-7
ω
·
cm，密度为6.44g/cm3，体积粘度为1.99
×
10-6
pa.s。以上物理特性保证了线性导体111可以在常温条件下保持为液态，因此只要基体12发生受力形变，线性导体111就会随之变形。该材料在常温下处于不定形态，形状主要取决于柔性基体内空腔的变形状态，因此线性导体111对于应力的敏感度极高，可以大幅提升制备出的接触应力传感器的敏感度。除此之外，该材料的液体特性还可以使得制备出的应力传感器可以根据应用场景被塑性为任意形状。并且无论采用任何形状，该材料均可以产生良好的应力应变特性。
[0089]
本实施例采用低温共熔体合金为ga-in-sn三元液态合金，该材料的熔点决定了多维接触式应力传感器的最佳工作环境温度。即利用该传感器的最佳环境温度为-19℃以上，在低于材料熔点的温度条件下，该多维接触应力传感器的测量精度的明显变差。因此为了适应更加广泛的温度区间，在其它实施例传感器中，线性导体111还可以选择具有更低熔点的其它液态合金材料。即：如果希望提升多维接触应力传感器的工作环境温度范围，只需要改变基体12和线性导体111的材料，使得各个材料的物理或化学属性可以耐受该温度范围即可。同样地，对于不同应用场景的产品，也可以选择不同的材料进行生产，以优化产品的成本，平衡产品的成本和使用效益。
[0090]
由此可见，本实施例提供的多维接触应力传感器对线性导体111的材料选型包括如下要求：
[0091]
(1)在工作温度范围内形态和力学性能稳定，呈流动性良好的液态或熔融态；熔点尽量低，沸点尽量高。
[0092]
(2)与基体12材料之间不产生化学反应，二者的稳定性良好。
[0093]
(3)具有优良的导电性，且材料的电阻符合随形状变化而变化的规律。
[0094]
(4)电化学稳定性好，搁置无副反应。
[0095]
(5)电阻率随温度变化微弱，可以忽略。
[0096]
(6)与基体12材料之间浸润性好，等等。
[0097]
液态合金是完全符合以上条件的一类特殊材料。但是需要强调的是，只要符合以上性质的新材料，即使不属于液态合金，不是低温共熔体，也可以替代前述液态合金，作为制备本实施例传感器中平行电极对11的材料。基于上述性能要求，线性导体111可选的材料包括：ga-in-sn三元液态合金、汞、ga-in合金等低熔点液态合金，不同浓度食盐水、硫酸钾溶液等由溶解度高且易解离的电解质和溶剂配置的电解液，等等。当然如果存在可以满足上述性能要求中的多项或全部的新材料，也可以作为本实施例中的多维接触应力传感器的线性导体111材料。
[0098]
本实施例设计的多维接触应力传感器的基体12需要对内部的平行电极对11进行完全包覆，因此在尺寸上，基体12是大于内部的平行电极对11的。为了保障不同检测方向上的剪切应力测量都较为准确，因此基体12可以采用与平行电极对11的组合金结构相似的结构。例如，当平行电极对11构成正六边形时，基体12也采用尺寸更大的正六边形，并使得平行电极对11恰好为与基体12中央，基体12的各边缘距相应的线性导体111距离相等。
[0099]
在其它更优化的实施例中，基体12上部还设有与基体12结构相似的凸台120，凸台120的边缘恰好与下方的各组平行电极对11位置重合。本实施例中设计凸台120的目的是提
高传感器对纵向压缩应力的检测精度，当增加凸台120结构后，传感器感应到的压缩应力会均匀分布在传感器的各处，并被每个线性导体111检测到。
[0100]
例如前述的二维接触压力传感器、三维接触压力传感器和四维接触压力传感器在安装凸台120之后，结构分别如图6-8所示。由于本实施例平行电极对11采用的平面分布的形式布设，因此只需要在基材的其中一面增加凸台120即可，在其它实施例中，双面均设置凸台120也可以。
[0101]
需要额外说明的是：本实施例中的多个平行电极对11分布于同一个平面内，这是一个较为优化的结构布局，可以明显降低传感器的体积，实现传感器的微型化，进而扩大产品的应用场景。但是，在其它实施例中，采用多层分布式结构的传感器也应当属于本发明的保护范围内。同时，本实施例的方案不对传感器中敏感元件1的厚度做限定，在实际应用可以根据性能的要求对产品的厚度做调整。在一些对横向剪切应力检测精度要求不高的场景下，产品甚至可以被生产为超薄的薄膜型传感器。
[0102]
在本实施例中，对于特定结构型式的多维接触应力传感器，其检测的纵向压缩应力和各个方向上的横向压缩应力与各个线性导体111的电阻变化量之间具有一一对应的映射关系。在多维接触应力传感器的转换元件2中，存储有用于表征映射关系的一个“电阻-应力对照表”或一个“电阻-应力函数”。压缩应力计算单元221和剪切应力计算单元222先根据各个线性导体111的实时电阻和初始电阻计算出对应电阻变化量；然后根据电阻变化量查询“电阻-应力对照表”，或输入到“电阻-应力函数”中；计算出相应的纵向压缩应力或横向剪切应力。
[0103]
本实施例的技术方案中，为了应用于可穿戴式设备并实现无感式测量，提高产品的用户体验。基体12采用了弹性材料，平行电极对11采用属于流体材料的液态合金。因此，敏感元件1已经完全实现柔性化。进一步的，在本实施例中，电阻检测电路21和应力输出模块22也可以采用柔性电路板制备而成。使得整个传感器成为“柔软”、“轻薄”的亲肤装置，解决传统应力传感器坚硬、粗大、硌人的问题。
[0104]
实施例2
[0105]
本实施例提供一种柔性的多维接触应力传感器，该传感器产品与实施例1相比，具有如下区别：如图9所示，本实施例中提供的多维接触应力传感器还包括一个压电发电单元3和电池模组4，压电发电单元3用于收集纵向压缩应力方向和/或任意横向剪切应力方向上的部分势能，并将势能转化为电能。电池模组4用于存储压电发电单元3生成的电能，以及用于为多维接触应力传感器中的转换元件2供电。
[0106]
也就是说，本实施例提供产品中，转换元件2不再依赖外接设备供电，而是采用自发电形式供电，当传感器接收到应力作用时，就可以将该部分的压应力转换为电能供自身使用。由于传感器本身能耗较低，因此产生的电能足够自身应用，这可以使得传感器进一步实现小型化并成为一种“无源(无需外接电源)”器件。
[0107]
需要强调的是，压电发电单元3应当避免对检测方向上的应力检测结果造成干扰，这种干扰可以通过软件补偿进行修正，也可以通过结构设计使得压电发电单元3与敏感元件1独立工作。传感器运行工作时，压电发电单元3使用除检测方向以外的应力具有的势能进行发电。比如将压电发电单元3和敏感元件1中的平行电极对11安装在两个间隔开的独立的区域内。
[0108]
实施例3
[0109]
本实施例提供一种多维接触应力传感器的制备方法，该方法用于制造如实施例1或2的中的柔性的多维接触应力传感器。其中，由于传感器的转换元件2需要预设相应的物理量转换逻辑，因此该制备方法包括试样生产和量产两个阶段。试样生产得到产品主要用户供厂家对产品进行测试和优化，而量产的产品则可以直接进行销售和使用。
[0110]
其中，试样生产阶段包括如下步骤：
[0111]
(1)根据应用的场景设计相应的柔性的多维接触应力传感器的目标结构型式。
[0112]
具有目标结构型式的多维接触应力传感器应当满足目标场景下的纵向压缩应力和多个方向上的横向剪切应力的测量需求。
[0113]
(2)基于设计出的目标结构型式，利用基体12的原料通过3d打印的加工方式打印出具有相应空腔的基体12，并在每个空腔的两端预留用于埋设引线和注射材料的孔洞。
[0114]
(3)通过孔洞向空腔内注射在常温状态下呈液态的低温共熔体合金材料，进而得到所需的线性导体111。
[0115]
(4)在每个空腔的孔洞处安装柔性导线，并通过柔性导线与转换元件2中的电阻检测电路21电连接。
[0116]
(5)继续利用基体12的原料通过3d打印的方式将转换元件2完整封装到敏感元件1上；得到包含敏感元件1和转换元件2的产品试样。
[0117]
在产品试样中，应力输出模块22设置为不参与工作的空闲状态。
[0118]
(6)根据预设的采集方案对产品试样进行实验测量，采集产品试样在不同接触应力状态下，各个线性导体111的电阻随应力变化的状态数据，进而得到包含多组状态数据的原始数据集。
[0119]
(7)基于原始数据集采用有限元分析方法建立产品试样的应力应变模型，并根据构建的应力应变模型分析得到：多个线性导体111的电阻变化量与承受的压缩应力值之间的映射关系，以及构成平行电极对11的两个线性导体111的电阻变化量与相应方向上的剪切应力值之间的映射关系。
[0120]
量产阶段包括如下步骤：
[0121]
(8)根据设计出的目标结构型式，采用如步骤(2)-(5)的生产流程进行批量生产得到量产产品。
[0122]
(9)将用于表征步骤(7)中得到的“所有线性导体111的电阻变化量与承受的压缩应力值之间的映射关系，以及构成平行电极对11的两个线性导体111的电阻变化量与相应方向上的剪切应力值之间的映射关系”的“电阻-应力对照表”或“电阻-应力函数”写入到转换元件2的应力输出模块22中。
[0123]
(10)调整量产产品的应力输出模块22为工作状态。
[0124]
其中，步骤(6)中的预设采集方案中包括：
[0125]
(
ⅰ
)采集仅施加纵向压缩应力的状态数据。
[0126]
(
ⅱ
)采集仅施加单向或多向横向剪切应力的状态数据。
[0127]
(
ⅲ
)采集同时施加纵向压缩应力，以及单向或多向横向剪切应力的状态数据。
[0128]
以上实施例仅提供了一种可行的产品制备方法，在其它实施例中，还可以通过重新设计工序，或对部分生产工艺步骤进行调整，进而制备出与本实施例生产出的产品具有
相同功能的多维接触应力传感器。该产品仍然应当属于本发明保护的范围。
[0129]
以上所述实施例仅表达了本发明的其中一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。