本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種應(yīng)力傳感器、制備方法及電子皮膚。

背景技術(shù)：

目前，應(yīng)力傳感器主要是通過(guò)改變接觸面積以檢測(cè)外力，由于影響接觸面積的因素很多，導(dǎo)致檢測(cè)精度不高，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)施力點(diǎn)位置等信息的測(cè)量。此外，應(yīng)力傳感器主要是由具有超輕薄、可拉伸、電阻率小等優(yōu)良特性的石墨烯、碳納米管等特殊材料制成，但是這些尖端材料的合成加大了傳感器的制作難度，成品率低，生產(chǎn)成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)力傳感器，可準(zhǔn)確檢測(cè)電容量的變化量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種應(yīng)力傳感器，所述應(yīng)力傳感器包括：介電層，用于在外力作用下發(fā)生彈性形變；至少一個(gè)第一電極單元，具有可拉伸性，設(shè)置于所述介電層的上表面；以及至少一個(gè)第二電極單元，具有可拉伸性，設(shè)置于所述介電層的下表面；所述第一電極單元與第二電極單元相對(duì)交叉，形成電容器陣列；在外力作用下，對(duì)應(yīng)的相對(duì)交叉處的垂直距離改變，使得對(duì)應(yīng)電容器上的電容量變化。

優(yōu)選地，所述第一電極單元包括彎曲的第一導(dǎo)線，且所述第一導(dǎo)線上設(shè)有第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)；所述第二電極單元包括彎曲的第二導(dǎo)線，且所述第二導(dǎo)線上設(shè)有第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)；所述第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)與第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)分別為對(duì)應(yīng)電容器的上極板或下極板。

優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)線和/或第二導(dǎo)線的寬度為0.03-1.0mm；所述第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)和/或第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)的尺寸大小為1.6-5mm；所述第一導(dǎo)電單元中任意相鄰的兩個(gè)第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)的中心間的距離為2.5-8.5mm；和/或所述第二導(dǎo)電單元中任意相鄰的兩個(gè)第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)的中心間的距離為2.5-8.5mm。

優(yōu)選地，所述第一電極單元與所述第二電極單元相對(duì)垂直交叉。

優(yōu)選地，所述第一電極單元和/或第二電極單元的厚度為100-500nm。

優(yōu)選地，所述第一電極單元和/或第二電極單元由銀濺射形成。

優(yōu)選地，所述介電層為一層薄膜，且所述介電層的厚度為0.2-5mm；所述薄膜由柔軟且能夠被拉伸的絕緣材料制成。

優(yōu)選地，所述介電層為硅橡膠層。

優(yōu)選地，所述應(yīng)力傳感器還包括：第一支撐單元，為對(duì)應(yīng)所述第一電極單元的圖形化結(jié)構(gòu)層，且設(shè)置于所述第一電極單元的上表面；以及第二支撐單元，為對(duì)應(yīng)所述第二電極單元的圖形化結(jié)構(gòu)層，且設(shè)置于所述第二電極單元的下表面。

優(yōu)選地，所述第一支撐單元和/或第二支撐單元為一層薄膜，且所述第一支撐單元和/或第二支撐單元的厚度為10-100μm；該薄膜由柔軟的絕緣材料制成。

優(yōu)選地，所述第一支撐單元和/或第二支撐單元為聚對(duì)苯二甲酸二乙酯膜、聚酰亞胺膜或環(huán)氧樹(shù)脂膜。

優(yōu)選地，所述應(yīng)力傳感器還包括：第一基底層，設(shè)置于所述第一支撐單元的上表面；和/或第二基底層，設(shè)置于所述第二支撐單元的下表面。

優(yōu)選地，所述第一基底層和/或第二基底層為一層薄膜，所述薄膜由柔軟且能夠被拉伸的材料制成。

優(yōu)選地，所述第一基底層和/或第二基底層為聚二甲基硅氧烷膜。

優(yōu)選地，所述應(yīng)力傳感器還用于根據(jù)所述對(duì)應(yīng)電容器上的電容量變化確 定外力的相關(guān)信息。

優(yōu)選地，所述外力的相關(guān)信息包括外力的大小和/或施力點(diǎn)的位置。

本發(fā)明應(yīng)力傳感器通過(guò)設(shè)置第一電極單元和第二電極單元形成電容器陣列，可在施加外力時(shí)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的相對(duì)交叉處的垂直距離改變，可及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)出對(duì)應(yīng)電容器上的電容量的變化量，檢測(cè)精確度高。

本發(fā)明的另一目的是提供一種應(yīng)力傳感器的制備方法，可簡(jiǎn)化制作工藝，操作方便。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種應(yīng)力傳感器的制備方法，所述制備方法包括：分別提供至少一個(gè)第一電極單元和至少一個(gè)第二電極單元；以及在所述第一電極單元和第二電極單元之間涂覆一層薄膜，形成介電層，使所述第一電極單元設(shè)置于所述介電層的上表面，所述第二電極單元設(shè)置于所述介電層的下表面，且所述第二電極單元與所述第一電極單元相對(duì)交叉。

優(yōu)選地，所述制備方法還包括：通過(guò)激光切割或光刻及反應(yīng)離子刻蝕的方法加工第一支撐單元和/或第二支撐單元成對(duì)應(yīng)所述第一電極單元或第二電極單元的圖形化結(jié)構(gòu)層，使所述第一支撐單元對(duì)應(yīng)設(shè)置于第一電極單元的上表面，所述第二支撐單元對(duì)應(yīng)設(shè)置于第二電極單元的下表面。

優(yōu)選地，所述第一電極單元和/或第二電極單元分別通過(guò)磁控濺射的方法在對(duì)應(yīng)的第一支撐單元或第二支撐單元上濺射形成。

優(yōu)選地，所述制備方法還包括：在所述第一支撐單元的上表面涂覆一層薄膜，形成第一基底層；和/或在所述第二支撐單元的下表面涂覆一層薄膜，形成第二基底層。

本發(fā)明應(yīng)力傳感器的制備方法可通過(guò)在第一電極單元和第二電極單元之間涂覆薄膜形成電容器陣列，可用于檢測(cè)微小應(yīng)力，制備工藝簡(jiǎn)單，操作方便；所制得的應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度高。

本發(fā)明的又一目的是提供一種電子皮膚，可準(zhǔn)確檢測(cè)電容量的變化量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種電子皮膚，設(shè)置有所述的應(yīng)力傳感器。

所述電子皮膚與上述應(yīng)力傳感器相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)相同，在此不再贅述。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

附圖是用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是本發(fā)明應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是第一電極單元的一結(jié)構(gòu)實(shí)施例；

圖3是第二電極單元的一結(jié)構(gòu)實(shí)施例；

圖4是第一電極單元和第二電極單元的組合實(shí)施例；

圖5是第一電極單元或第二電極單元的又一結(jié)構(gòu)實(shí)施例；

圖6是第一電極單元或第二電極單元的第三結(jié)構(gòu)實(shí)施例；

圖7是第一導(dǎo)線或第二導(dǎo)線的圖形實(shí)施例；

圖8是第一導(dǎo)線或第二導(dǎo)線的又一圖形實(shí)施例；

圖9是在重復(fù)放置和收起一片葉子的測(cè)試圖；

圖10是連續(xù)滴加三滴水滴的測(cè)試圖；

圖11是本發(fā)明應(yīng)力傳感器檢測(cè)精度圖；

圖12是對(duì)圖4所示的組合結(jié)構(gòu)施加外力的一實(shí)施例；

圖13是對(duì)圖4所示的組合結(jié)構(gòu)施加外力的又一實(shí)施例；

圖14是對(duì)本發(fā)明應(yīng)力傳感器中一個(gè)電容器持續(xù)施加外力的測(cè)試圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1 介電層 2 第一電極單元

21 第一導(dǎo)線 22 第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)

3 第二電極單元 31 第二導(dǎo)線

32 第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn) 4 第一支撐單元

5 第二支撐單元 6 第一基底層

7 第二基底層。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

在本發(fā)明中，在未作相反說(shuō)明的情況下，提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，本發(fā)明應(yīng)力傳感器包括介電層1，用于在外力作用下發(fā)生彈性形變；至少一個(gè)第一電極單元2，具有可拉伸性，設(shè)置于所述介電層1的上表面；以及至少一個(gè)第二電極單元2，具有可拉伸性，設(shè)置于所述介電層1的下表面；所述第一電極單元2與第二電極單元3相對(duì)交叉，形成電容器陣列；在外力作用下，對(duì)應(yīng)的相對(duì)交叉處的垂直距離改變，使得對(duì)應(yīng)電容器上的電容量變化。

本發(fā)明應(yīng)力傳感器通過(guò)設(shè)置第一電極單元和第二電極單元形成電容器陣列，可在施加外力時(shí)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的相對(duì)交叉處的垂直距離改變，可及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)出對(duì)應(yīng)電容器上的電容量的變化量，檢測(cè)精確度高。

此外，本發(fā)明應(yīng)力傳感器還可用于根據(jù)所述對(duì)應(yīng)電容器上的電容量變化 確定外力的相關(guān)信息。其中，所述外力的相關(guān)信息包括外力的大??；由于電容器陣列的設(shè)置，還可進(jìn)一步確定所述外力施力點(diǎn)的位置。

如圖2-圖4所示，所述第一電極單元2包括彎曲的第一導(dǎo)線21，且所述第一導(dǎo)線21上設(shè)有第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)22；所述第二電極單元3包括彎曲的第二導(dǎo)線31，且所述第二導(dǎo)線31上設(shè)有第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)32；所述第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)22與第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)32分別為對(duì)應(yīng)電容器的上極板或下極板。在本實(shí)施例中，分別設(shè)置有7個(gè)第一電極單元2和7個(gè)第二電極單元3，每個(gè)第一導(dǎo)線上設(shè)有7個(gè)第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)，每個(gè)第二導(dǎo)線上設(shè)有7個(gè)第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)，形成7×7電容器陣列。其中，各所述第一電極單元2均勻平行分布(如圖2所示)，各所述第二電極單元3均勻平行分布(如圖3所示)，所述第一電極單元2與所述第二電極單元3相對(duì)垂直交叉(如圖4所示)。其中，所述第一導(dǎo)電單元2中任意相鄰的兩個(gè)第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)22的中心間的距離為2.5-8.5mm；和/或所述第二導(dǎo)電單元3中任意相鄰的兩個(gè)第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)32的中心間的距離為2.5-8.5mm。所述第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)22和/或第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)32的形狀可為圓形(如圖5所示)，也可為正方形(如圖6所示)，但并不以此為限。所述第一電極單元2和/或第二電極單元3可由銀濺射形成。所述第一導(dǎo)線21和/或第二導(dǎo)線31的寬度為0.03-1.0mm。其中，所述第一導(dǎo)線21和/或第二導(dǎo)線31可根據(jù)檢測(cè)精度的需要進(jìn)行變化，形成任意彎曲的形狀(如圖7和圖8所示)。

其中，所述介電層1為一層薄膜，所述薄膜由柔軟且能夠被拉伸的絕緣材料制成，例如所述介電層1可為硅橡膠層，但并不以此為限。在本實(shí)施例中選用Ecoflex00-10。由于所述介電層1越薄，柔軟性越好，測(cè)試精度越準(zhǔn)確，制作工業(yè)越復(fù)雜，所述介電層1的厚度一般為0.2-5mm較佳。在本實(shí)施例中，所述介電層1的薄膜厚度為2mm。

如圖1所示，本發(fā)明應(yīng)力傳感器還包括第一支撐單元4，為對(duì)應(yīng)所述第一電極單元2的圖形化結(jié)構(gòu)層，且設(shè)置于所述第一電極單元2的上表面；以 及第二支撐單元5，為對(duì)應(yīng)所述第二電極單元3的圖形化結(jié)構(gòu)層，且設(shè)置于所述第二電極單元3的下表面。其中，所述第一支撐單元4和/或第二支撐單元5為一層薄膜，所述第一支撐單元4和/或第二支撐單元5的厚度為10-100μm；該薄膜由柔軟的絕緣材料制成，材料可以具有拉伸性，或者經(jīng)過(guò)圖形化設(shè)計(jì)后使各支撐單元具有拉伸性。所述絕緣材料可為高分子材料，例如所述第一支撐單元4和/或第二支撐單元5為PET(polyethylene terephthalate，聚對(duì)苯二甲酸二乙酯)膜、聚酰亞胺膜或環(huán)氧樹(shù)脂膜等中的至少一者。所述第一支撐單元4和/或第一支撐單元5可分別通過(guò)激光切割或光刻及反應(yīng)離子刻蝕獲得。通過(guò)激光切割的方法對(duì)所述第一支撐單元4和/或第一支撐單元5進(jìn)行加工處理，加工過(guò)程簡(jiǎn)單，制作方便，可使應(yīng)力傳感器規(guī)?；a(chǎn)。此外，還可通過(guò)光刻及反應(yīng)離子刻蝕的方法，加工應(yīng)力傳感器，以改善和提高應(yīng)力傳感器的分辨率，從而可廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互等的領(lǐng)域中，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化。在本實(shí)施例中，通過(guò)光刻及反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕電極的寬度可縮小到100μm，例如30μm。

在本實(shí)施例中，通過(guò)磁控濺射的方法在所述第一支撐單元4或第二支撐單元5上濺射形成第一電極單元2和第二電極單元3。在本實(shí)施例中，所述第一電極單元2和第二電極單元3均由導(dǎo)電性能良好的金屬銀(Ag)濺射形成，但并不以此為限，還可根據(jù)需要選擇其他導(dǎo)電性能良好的金屬或氧化物(例如透明材料氧化銦錫ITO)。

本發(fā)明應(yīng)力傳感器可根據(jù)需要通過(guò)激光切割或光刻及反應(yīng)離子刻蝕改變第一支撐單元4和第二支撐單元5的圖形結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過(guò)磁控濺射的方法獲得第一電極單元2和第二電極單元3，以提高測(cè)試的準(zhǔn)確度。

如圖1所示，本發(fā)明應(yīng)力傳感器還包括：第一基底層6，設(shè)置于所述第一支撐單元4的上表面；和/或第二基底層7，設(shè)置于所述第二支撐單元5的下表面。其中，所述第一基底層6和/或第一基底層7為一層薄膜，所述薄膜 由柔軟且能夠被拉伸的材料制成。在本實(shí)施例中，所述第一基底層6和/或第一基底層7為PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)膜，但并不以此為限，也可以采用其他聚合物材料。

本發(fā)明應(yīng)力傳感器通過(guò)設(shè)置第一電極單元和第二電極單元形成電容器陣列，能夠檢測(cè)微小的應(yīng)力(如圖9-圖11所示)，并進(jìn)一步確定施力點(diǎn)的位置；使用金屬銀制作電極單元，使得器件的合格率上升和加工成本降低，提高了經(jīng)濟(jì)效益。此外，可針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域可以對(duì)器件的大小和分辨率進(jìn)行調(diào)整，以滿足用戶需求。

本發(fā)明還提供一種電子皮膚，設(shè)置有上述應(yīng)力傳感器。所述電子皮膚與上述應(yīng)力傳感器相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)相同，在此不再贅述。

本發(fā)明還提供一種應(yīng)力傳感器的制備方法，所述制備方法包括：分別提供至少一個(gè)第一電極單元和至少一個(gè)第二電極單元；以及在所述第一電極單元和第二電極單元之間涂覆一層薄膜，形成介電層，使所述第一電極單元設(shè)置于所述介電層的上表面，所述第二電極單元設(shè)置于所述介電層的下表面，且所述第二電極單元與所述第一電極單元相對(duì)交叉，形成電容器陣列。

其中，所述第一電極單元包括彎曲的第一導(dǎo)線，且所述第一導(dǎo)線上設(shè)有第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)；所述第二電極單元包括彎曲的第二導(dǎo)線，且所述第二導(dǎo)線上設(shè)有第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)；所述第一導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)與所述第二導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)分別為對(duì)應(yīng)電容器的上極板或下極板。

本發(fā)明應(yīng)力傳感器的制備方法還包括：

通過(guò)激光切割或光刻及反應(yīng)離子刻蝕的方法加工第一支撐單元和/或第二支撐單元成對(duì)應(yīng)所述第一電極單元或第二電極單元的圖形化結(jié)構(gòu)層，使所述第一支撐單元設(shè)置于第一電極單元的上表面，所述第二支撐單元設(shè)置于第二電極單元的下表面。

其中，所述第一電極單元和/或第二電極單元分別通過(guò)磁控濺射的方法 在對(duì)應(yīng)的第一支撐單元或第二支撐單元上濺射形成。

本發(fā)明應(yīng)力傳感器的制備方法可通過(guò)在第一電極單元和第二電極單元之間涂覆薄膜形成電容器陣列，可用于檢測(cè)微小應(yīng)力，制備工藝簡(jiǎn)單，操作方便；所制得的應(yīng)力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度高。

下面以具體實(shí)施例進(jìn)行介紹。

將50μm厚度的PET膜通過(guò)激光切割機(jī)切割成圖形結(jié)構(gòu)層，通過(guò)磁控濺射的方法將金屬Ag濺射到加工后的圖形化的PET膜上形成圖形化電極，并將多個(gè)濺射有Ag電極的PET膜陣列置于PDMS基底上。其中，所述圖形化電極的厚度為100-500nm，該圖形化電極包括彎曲的導(dǎo)線，且所述導(dǎo)線上設(shè)有導(dǎo)電結(jié)點(diǎn)，所述電極線的寬度為0.2-1.0mm。并在Ag電極一側(cè)旋涂硅橡膠Ecoflex00-10，并抽真空去除氣泡，然后將兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同PDMS/PET/Ag/Ecoflex面對(duì)面的垂直貼附，形成應(yīng)力傳感器。

其中，Ecoflex可使上下結(jié)構(gòu)無(wú)縫的貼合，使得器件的檢測(cè)精度高。此外，本發(fā)明制備工業(yè)均可在室溫下進(jìn)行，制作工業(yè)簡(jiǎn)單，成品率高。

為了提高分辨率，可通過(guò)光刻及反應(yīng)離子刻蝕的加工工藝使圖形化電極的厚度縮小到100μm以下，最小可達(dá)30μm，可用于檢測(cè)微小應(yīng)力。如圖9-11所示，僅在一個(gè)電容器上施加微小外力：如圖9所示，通過(guò)重復(fù)放下-收起一片葉子，進(jìn)行電容量的測(cè)量，可確定該片葉子的重量；又如圖10所示，通過(guò)對(duì)連續(xù)滴入三滴水滴的過(guò)程電容量的測(cè)量，可確定水滴的重量；如圖11所示，逐漸增加水滴的重量，在壓強(qiáng)大于14.5Pa(水滴重量約為7mg)時(shí)，本發(fā)明應(yīng)力傳感器可進(jìn)行響應(yīng)(如圖14所示，對(duì)其中一個(gè)電容器進(jìn)行檢測(cè)，可知壓強(qiáng)與電容量的變化呈線性關(guān)系)，檢測(cè)精度高。此外，還可在本發(fā)明應(yīng)力傳感器的電容器陣列上施加外力，不同的受力點(diǎn)的電容器的電容量變化不同(如圖12和圖13所示)，根據(jù)各電容器的電容量的變化，可確定外力大小和施力點(diǎn)的位置。

以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

另外需要說(shuō)明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。