本發(fā)明涉及壓力傳感器，尤其涉及一種多孔柔性壓力傳感器及傳感器制備方法和傳感器的壓力計(jì)算方法，本發(fā)明應(yīng)用于傳感器。

背景技術(shù)：

1、隨著可穿戴設(shè)備和智能電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對(duì)柔性和可定制化的壓力傳感器的需求日益增加。這些傳感器廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、機(jī)器人技術(shù)、人機(jī)交互界面等領(lǐng)域。盡管市場(chǎng)上已有多種壓力傳感器，但大多數(shù)傳感器在柔性、敏感度、穩(wěn)定性和可定制性方面仍有改進(jìn)的空間?，F(xiàn)有的多孔柔性壓力傳感器常常采用固定的孔徑和孔隙率，這限制了其在特定應(yīng)用中的性能優(yōu)化和個(gè)性化定制。

2、因此，現(xiàn)有傳感器技術(shù)還有待改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)限制壓力傳感器的高量程、高靈敏度和可定制化的問(wèn)題，進(jìn)而提供一種多孔柔性壓力傳感器及傳感器制備方法和傳感器的壓力計(jì)算方法。

2、本發(fā)明為解決上述問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是：

3、一種多孔柔性壓力傳感器，它包括下電極引線、上電極引線和多個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)；

4、多個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)沿豎直方向重疊設(shè)置，下電極引線與位于下方導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)的底端連接，上電極引線與位于上方導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)頂端連接，下電極引線與多個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)和上電極引線形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

5、進(jìn)一步地，導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)包括多個(gè)正方體導(dǎo)電單元，多個(gè)正方體導(dǎo)電單元在同一水平面上呈矩形排列，每個(gè)正方體導(dǎo)電單元內(nèi)加工有正多面體孔洞，正方體導(dǎo)電單元的每個(gè)面上均加工有孔，每個(gè)正方體導(dǎo)電單元的面與相鄰一個(gè)正方體導(dǎo)電單元的面通過(guò)正多面體孔洞連通設(shè)置，每層導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)的多個(gè)正方體導(dǎo)電單元形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

6、進(jìn)一步地，正方體導(dǎo)電單元為彈性材料制成，且正方體導(dǎo)電單元的外表面和加工正多面體孔洞的孔洞均涂覆有導(dǎo)電材料。

7、進(jìn)一步地，正方體導(dǎo)電單元的彈性材料為環(huán)氧樹(shù)脂、熱塑性聚酯胺、聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯＝異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯型嵌段共聚物、天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠、硅橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠、丁晴橡膠、乙丙橡膠、氟橡膠、聚二甲基硅氧烷中的一種或幾種組合。

8、進(jìn)一步地，導(dǎo)電材料為單質(zhì)金屬納米材料、多元合金納米材料或碳材料中的一種或幾種組合。

9、一種多孔柔性壓力傳感器的制備方法，所述方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的；

10、步驟一：制備帶有正多面體孔洞的正方體導(dǎo)電單元，并在正方體導(dǎo)電單元孔洞和外表面涂覆導(dǎo)電材料，

11、步驟二：將多個(gè)正方體導(dǎo)電單元在同一平面內(nèi)呈矩形一體設(shè)置，并將層導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)沿豎直方向重疊設(shè)置；

12、步驟三：將下電極引線安裝在下方導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)的底端，將上電極引線安裝在上方導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)頂端，下電極引線遠(yuǎn)離上電極引線一側(cè)設(shè)置。

13、進(jìn)一步地，步驟一種制備帶有正多面體孔洞的正方體導(dǎo)電單元是通過(guò)3d打印設(shè)備制作出多孔模具，將正方體采用倒模法將導(dǎo)電單元的彈性材料放置模具中固化水溶去掉多孔模具制成帶有正多面體孔洞的正方體導(dǎo)電單元。

14、一種多孔柔性壓力傳感器的壓力計(jì)算方法，所述方法式按照以下方式實(shí)現(xiàn)的：

15、柔性壓力傳感器的總電阻為r，

16、r＝rb+rc

17、

18、其中，rb表示多個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)的電阻總和，rc表示多個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)分別與下電極引線和上電極引線之間的接觸電阻總和，l表示單個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)的厚度，a表示正方體導(dǎo)電單元的外表面積與正多面體孔洞內(nèi)表面積之和，σeff表示導(dǎo)電層的有效導(dǎo)電率；

19、

20、其中，σ0表示導(dǎo)電材料的固有導(dǎo)電率，表示孔隙率，定義為孔隙體積與總體積的比值，α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值范圍為1至3，隨著多孔結(jié)構(gòu)的變形，壓力對(duì)孔隙率的影響為：

21、

22、其中，表示無(wú)壓力時(shí)的初始孔隙率，β表示與材料彈性和結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù),隨著變形的進(jìn)行，滿足如下關(guān)系：

23、

24、其中，最終rb滿足如下關(guān)系：

25、

26、接觸電阻主要有壓力引起的接觸面積變化決定，可以近似滿足如下關(guān)系：

27、

28、其中，ρ表示材料的電阻率，ac(p)表示壓力作用下的接觸面積，其中ac(p)可以滿足如下關(guān)系：

29、ac(p)＝a0+γp

30、其中，a0表示初始接觸面積，γ表示材料的接觸面積變化系數(shù)，隨著變形的進(jìn)行，rc滿足如下關(guān)系：

31、

32、那么，隨著變形的進(jìn)行，總電阻滿足如下關(guān)系：

33、

34、且

35、f增大時(shí),r減??；f減小時(shí)，r增大；

36、根據(jù)外力f的大小與傳感器的電阻r呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，

37、s為施加外力f時(shí)外力f與傳感器上表面接觸面的面積，p為外力f施加在傳感器上表面接觸面的壓強(qiáng)。

38、本發(fā)明的有益效果：

39、1、本申請(qǐng)傳感器在受到較小壓力時(shí)，上層孔洞受壓變形而改變電阻，當(dāng)壓力增大時(shí)，中層和下層孔洞受壓變形而改變電阻。壓力在較大范圍內(nèi)變化，均能進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)大量程的效果。由于孔洞形狀為正八面體型，壓力的微小變化也能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處較大的變形，從而具有較高的靈敏度，同時(shí)結(jié)構(gòu)的魯棒性也提供了大量程。同時(shí)由于3d打印耗材的特性為在水中具有良好的水溶性，從而可以通過(guò)3d打印法定制出任意多孔結(jié)構(gòu)。因此，傳感器實(shí)現(xiàn)了大量程、高靈敏度和可定制化的兼顧。

技術(shù)特征：

1.一種多孔柔性壓力傳感器，其特征在于：它包括下電極引線(1)、上電極引線(7)和多個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多孔柔性壓力傳感器，其特征在于：導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)包括多個(gè)正方體導(dǎo)電單元，多個(gè)正方體導(dǎo)電單元在同一水平面上呈矩形排列，每個(gè)正方體導(dǎo)電單元內(nèi)加工有正多面體孔洞，正方體導(dǎo)電單元的每個(gè)面上均加工有孔，每個(gè)正方體導(dǎo)電單元的面與相鄰一個(gè)正方體導(dǎo)電單元的面通過(guò)正多面體孔洞連通設(shè)置，每層導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)的多個(gè)正方體導(dǎo)電單元形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多孔柔性壓力傳感器，其特征在于：正方體導(dǎo)電單元為彈性材料制成，且正方體導(dǎo)電單元的外表面和加工正多面體孔洞的孔洞均涂覆有導(dǎo)電材料。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種多孔柔性壓力傳感器，其特征在于：正方體導(dǎo)電單元的彈性材料為環(huán)氧樹(shù)脂、熱塑性聚酯胺、聚丙烯酸酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯＝異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯型嵌段共聚物、天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠、硅橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠、丁晴橡膠、乙丙橡膠、氟橡膠、聚二甲基硅氧烷中的一種或幾種組合。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種多孔柔性壓力傳感器，其特征在于：導(dǎo)電材料為單質(zhì)金屬納米材料、多元合金納米材料或碳材料中的一種或幾種組合。

6.一種多孔柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于：所述方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的；

7.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)6所述一種多孔柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于：步驟一種制備帶有正多面體孔洞的正方體導(dǎo)電單元是通過(guò)3d打印設(shè)備制作出多孔模具，將正方體采用倒模法將導(dǎo)電單元的彈性材料放置模具中固化水溶去掉多孔模具制成帶有正多面體孔洞的正方體導(dǎo)電單元。

8.一種多孔柔性壓力傳感器的壓力計(jì)算方法，其特征在于：所述方法式按照以下方式實(shí)現(xiàn)的：

技術(shù)總結(jié)
一種多孔柔性壓力傳感器及傳感器制備方法和傳感器的壓力計(jì)算方法，本發(fā)明涉及壓力傳感器，本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)限制壓力傳感器的高量程、高靈敏度和可定制化的問(wèn)題，它包括下電極引線、上電極引線和多個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)；多個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)沿豎直方向重疊設(shè)置，下電極引線與位于下方導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)的底端連接，上電極引線與位于上方導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)頂端連接，下電極引線與多個(gè)導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)和上電極引線形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。步驟一：制備帶有正多面體孔洞的正方體導(dǎo)電單元；步驟二：并將層導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)沿豎直方向重疊設(shè)置；步驟三：將下電極引線安裝在下方導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)的底端，將上電極引線安裝在上方導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)頂端。發(fā)明應(yīng)用于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：袁軍,范靖,鐘沖,王景祥,閆偉龍,李東翰,姜奧博,劉波,劉洪濤,劉慧,孫振科,喬琳博,康欽豪,張智剛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15