(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111089664 A(43)申请公布日 2020.05.01
(21)申请号 201811245449.9(22)申请日 2018.10.24
(71)申请人 华中科技大学
地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路
1037号华中科技大学(72)发明人 苏彬
(74)专利代理机构 北京金智普华知识产权代理
有限公司 11401
代理人 杨采良(51)Int.Cl.
G01L 1/00(2006.01)G01L 9/00(2006.01)A61B 5/02(2006.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图2页
(54)发明名称
一种自供电式柔性压力传感器及其制备方法
(57)摘要
本发明属于柔性电子与传感器技术领域，公开了一种自供电式柔性压力传感器及其制备方法,传感单元、与传感单元配合的电极层；当外界介质或物体自身移动时，被探测的外界介质或物体使基于柔性电磁材料的传感单元发生形变，在材料自身的电磁耦合作用下，产生感应瞬间电压/电流；并通过与传感单元配合的电极层输出；外界介质包括空气、水、振动波、声波的机械波。本发明提出一种自供电式柔性压力传感器，应用在探测外界介质或物体的移动方面；本发明传感器由于电磁相互作用的工作原理，灵敏度较高，可实现对下限为0.01％的传感器应变时的电学监控。
CN 111089664 ACN 111089664 A
权 利 要 求 书
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1.一种自供电式柔性压力传感器，其特征在于，所述自供电式柔性压力传感器包括：传感单元、与传感单元配合的电极层；
当外界介质或物体自身移动时，被探测的外界介质或物体使基于柔性电磁材料的传感单元发生形变，在材料自身的电磁耦合作用下，产生感应瞬间电压/电流；并通过与传感单元配合的电极层输出；外界介质包括空气、水、振动波、声波的机械波。
2.如权利要求1所述的自供电式柔性压力传感器，其特征在于，所述基于柔性电磁材料的传感单元长度为0.1mm-5cm，宽度为0.1mm-2cm，厚度为0.1mm-2cm。
3.如权利要求1所述的自供电式柔性压力传感器，其特征在于，所述基于柔性电磁材料的传感单元与被探测物体接触或者不接触；
传感单元与所述被探测物体接触或滑动摩擦。4.如权利要求1所述的自供电式柔性压力传感器，其特征在于，传感单元与被探测物体发生接触或滑动摩擦的表面进行物理光刻蚀或化学腐蚀改性，使被探测物体表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构。
5.如权利要求1所述的自供电式柔性压力传感器，其特征在于，传感单元周期化、阵列化分布于基底(传感器与基底连接)上；
周期性结构的重复单元(与基底连接)的尺寸和形状相同。6.如权利要求1所述的自供电式柔性压力传感器，其特征在于，传感单元至少为2个；至少为2个的传感单元为并联或串联。
多个传感单元的相对位置与被探测物体的移动轨迹相匹配。7.如权利要求1所述的自供电式柔性压力传感器，其特征在于，与传感单元连接的电极层为铝、铜、金、银中的一种或两种以上的混合物。
8.如权利要求1所述的自供电式柔性压力传感器，其特征在于，电极层厚度为0.01-1000微米。
所述传感单元与电极层的连接方式为接触式或为非接触感应式。9.如权利要求5所述的自供电式柔性压力传感器，其特征在于，用于放至传感器单元阵列的基底为：聚酯，包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯、聚间苯二甲酸二烯丙酯、聚对苯二甲酸环己垸对二甲酯、聚萘二甲酸丁二酯、聚己二酸丙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯、聚羟基丁酸酯；
基底或为聚丙烯酸，包括聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸正丁酯、聚a-氯代丙烯酸甲酯；
基底或为聚酰胺，包括聚己内酰胺、聚己二酸己二胺、聚癸二酸癸二胺；基底或为聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙烯醇縮丁醛、聚氧化乙烯聚合物；聚合物为均聚物或为共聚物。
10.一种如权利要求1所述自供电式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述自供电式柔性压力传感器的制备方法包括：
步骤一，将基于柔性电磁材料的传感单元与两侧电极连接；步骤二，将连接电极的传感单元通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在衣物/纺织物基底上；
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CN 111089664 A
权 利 要 求 书
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步骤三，重复步骤一，二，周期化、阵列化将传感单元分布于衣物/纺织物基底上，最大化感应机械能并将其转化为电学信号。
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说 明 书
一种自供电式柔性压力传感器及其制备方法
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技术领域
[0001]本发明属于柔性电子与传感器技术领域，尤其涉及一种自供电式柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
[0002]目前，业内常用的现有技术是这样的：
[0003]可穿戴的电子设备可以完成与人体的互动并对其进行长期的监测，近年来受到了广泛的关注。迄今为止，已经制备出柔性传感器与衣服相结合，或者直接与皮肤接触的电子皮肤从而实现对人体的物理、化学、生物以及所处环境状态的实时监测。可穿戴的电子设备对设置于其中的传感器的要求较高，这类传感器必须满足高效率、高可拉伸性、柔性、持久性、低功耗、生物耐受性和轻便等要求。[0004]力敏材料是力学传感器感受外界力学变化最常用的敏感材料，主要用于测量压力、速度、拉伸等力学量。当受到外力作用时，力学传感器将力学信号转换为电学信号(电阻、电容或电压等)。目前，最常用的力敏材料主要有金属应变电阻材料、半导体应变电阻材料、合金应变电阻材料、石英晶体材料、精密陶瓷材料等，但这些材料都缺乏柔性，并不能弯曲，从而不能应用于柔性传感器，覆盖于人体表面。为了满足柔性的要求，现有技术中的力学传感器多采用复合导电材料，特别是填充型导电高分子材料，这种复合材料主要是向高分子聚合物中加入导电材料复合而成。
[0005]在微电子和力敏材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。
[0006]综上所述，现有技术存在的问题是：[0007](1)现有的基于力敏材料制备的传感器均需要提供匹配的外部电源，来驱动传感器工作。受到传感器电源的限制，这些传感方法的应用范围较窄，不能够适用在环境恶劣的条件下，也难以长期独立工作；而且对于随机出现的工作需求，也需要长时间为传感器接通电源，不满足节约能源的要求。
[0008]现有技术中还存在如下问题：
[0009]当前力敏材料制备的传感器其灵敏度较低，不适于监测人体脉搏、呼吸等信号；[0010]柔性力敏传感器需要外部电源供给，难以长期独立工作。[0011]解决上述技术问题的难度和意义：[0012]力敏材料灵敏度低是现有技术解决的难题；[0013]本发明解决上述技术问题后，带来的意义为：[0014]将有助于提高传感器监控人体生理体征的能力，更好地检测人体轻微的脉搏等信号，用于早起疾病的预测。解决需要提供独立外部电源供给问题，将使得传感器自身不需要外部电源供给，通过将人体运动产生的机械能转化为电能，为传感器提供能源，支持传感器自身的工作，对延长传感器的工作时间，低碳环保领域均有积极的意义。
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说 明 书
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发明内容
[0015]针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种自供电式柔性压力传感器及其制备方法。本发明设计了一种新型灵敏度高、无需提供电源，就可以对外界介质(空气、水、振动波、声波等机械波)或物体自身的移动进行传感的柔性力学传感器。[0016]本发明是这样实现的，一种基自供电式柔性压力传感器，包括传感单元，和与之配合的电极组成。
[0017]当外界介质(空气、水、振动波、声波等机械波)或物体自身移动时，所述被探测物体使得基于柔性电磁材料的传感单元发生形变，从而在材料自身的电磁耦合作用下，产生感应瞬间电压/电流。[0018]优选的，所述基于柔性电磁材料的传感单元长度为0.1mm-5cm，宽度为0.1mm-2cm，厚度为0.1mm-2cm。[0019]优选的，所述基于柔性电磁材料的传感单元与所述被探测物体可以接触或者不接触。
[0020]优选的，所述传感单元与所述被探测物体接触或滑动摩擦。[0021]优选的，所述传感单元与所述被探测物体发生接触或滑动摩擦的表面进行物理或化学改性，使其表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构。[0022]优选的，为满足实际传感需求，传感单元周期化、阵列化分布于基底(传感器与基底连接)上；[0023]周期性结构的重复单元(与基底连接)的尺寸和形状相同。[0024]优选的，包括2个或2个以上所述传感单元。[0025]优选的，2个或2个以上所述传感单元并联或串联。[0026]优选的，多个传感单元的相对位置与所述被探测物体的移动轨迹相匹配。[0027]优选的，与传感单元连接的电极层可以是铝、铜、金、银。可以使用其中的一种，也可以使用一种以上的混合物。[0028]优选的，电极层厚度为0.01-1000微米。[0029]优选的，所述传感单元与电极层的连接方式可以是接触式，也可以是非接触感应式。
[0030]优选的，用于放至传感器单元阵列的基底，可以选自聚酯，包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯、聚间苯二甲酸二烯丙酯、聚对苯二甲酸环己垸对二甲酯、聚萘二甲酸丁二酯、聚己二酸丙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯、聚羟基丁酸酯；也可以选自聚丙烯酸，包括聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸正丁酯、聚a-氯代丙烯酸甲酯；也可以选自聚酰胺，包括聚己内酰胺、聚己二酸己二胺、聚癸二酸癸二胺；也可以选自聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙烯醇縮丁醛、聚氧化乙烯等其它聚合物。这些聚合物可以是均聚物，也可以是共聚物。[0031]本发明的另一目的在于提供一种自供电式柔性压力传感器的制备方法，包括：[0032]步骤一，将基于柔性电磁材料的传感单元与两侧电极连接；[0033]步骤二，将连接电极的传感单元通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在衣物/纺织物基底上；
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CN 111089664 A[0034]
说 明 书
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步骤三，重复步骤一，二，周期化、阵列化将传感单元分布于衣物/纺织物基底上，
最大化感应机械能并将其转化为电学信号。[0035]综上所述，本发明的优点及积极效果为：[0036]目前传感器使用外部电池为电源，一般工作时间为半年到两年。电池电量耗尽后需要更换。但本发明传感器不需要外部电池供给，可以终身使用，节约能源，低碳环保。同时不会产生因处理废旧电池而造成的环境污染。
[0037]本发明提出一种自供电式柔性压力传感器，应用在探测外界介质或物体的移动方面。该传感器的传感单元由柔性电磁材料和与之配合的电极组成。当外界介质或物体移动，柔性电磁材料自身发生形变，从而在材料自身的电磁耦合作用下，产生感应瞬间电压/电流，便于仪器信号监控。本传感器由于电磁相互作用的工作原理，灵敏度较高(可实现对下限为0.01％的传感器应变时的电学监控)。因此，这种结构的传感器是一种十分高效的通过将机械能转化为电能来实现感应的传感器设计。
附图说明
[0038]图1是本发明实施例提供的自供电式柔性压力传感器示意图。[0039]图中：1、传感单元；2、电极层；3、基底。
[0040]图2是本发明实施例提供的自供电式柔性压力传感器的制备方法流程图。[0041]图3是本发明实施例提供的自供电式柔性压力传感器工作原理图。
具体实施方式
[0042]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043]现有技术中还存在如下问题：
[0044]当前力敏材料制备的传感器其灵敏度较低，不适于监测人体脉搏、呼吸等信号；[0045]柔性力敏传感器需要外部电源供给，难以长期独立工作。[0046]下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
[0047]如图1,本发明实施例提供的自供电式柔性压力传感器，所述自供电式柔性压力传感器包括：传感单元1、与传感单元配合的电极层2；[0048]当外界介质或物体自身移动时，被探测的外界介质或物体使基于柔性电磁材料的传感单元发生形变，在材料自身的电磁耦合作用下，产生感应瞬间电压/电流；并通过与传感单元配合的电极层输出；外界介质包括空气、水、振动波、声波的机械波。[0049]所述基于柔性电磁材料的传感单元长度为0.1mm-5cm，宽度为0.1mm-2cm，厚度为0.1mm-2cm。
[0050]作为本发明的优选实施例，所述基于柔性电磁材料的传感单元与被探测物体接触或者不接触；
[0051]传感单元与所述被探测物体接触或滑动摩擦。
[0052]传感单元与被探测物体发生接触或滑动摩擦的表面进行物理或化学改性，使被探测物体表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构。
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CN 111089664 A[0053]
说 明 书
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作为本发明的优选实施例，传感单元周期化、阵列化分布于基底上；
[0054]周期性结构的重复单元的尺寸和形状相同。[0055]传感单元至少为2个；
[0056]至少为2个的传感单元为并联或串联。
[0057]多个传感单元的相对位置与被探测物体的移动轨迹相匹配。[0058]作为本发明的优选实施例，与传感单元连接的电极层为铝、铜、金、银中的一种或两种以上的混合物。
[0059]电极层厚度为0.01-1000微米。
[0060]所述传感单元与电极层的连接方式为接触式或为非接触感应式。[0061]用于放至传感器单元阵列的基底3为：聚酯，包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯、聚间苯二甲酸二烯丙酯、聚对苯二甲酸环己垸对二甲酯、聚萘二甲酸丁二酯、聚己二酸丙二醇酯、聚碳酸酯、聚丙交酯、聚乙交酯、聚己内酯、聚羟基丁酸酯；[0062]基底或为聚丙烯酸，包括聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸正丁酯、聚a-氯代丙烯酸甲酯；[0063]基底或为聚酰胺，包括聚己内酰胺、聚己二酸己二胺、聚癸二酸癸二胺；[0064]基底或为聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙烯醇縮丁醛、聚氧化乙烯聚合物；聚合物为均聚物或为共聚物。
[0065]如图2,本发明实施例提供的自供电式柔性压力传感器的制备方法，包括：[0066]S101:将基于柔性电磁材料的传感单元与两侧电极连接。
[0067]S102:将连接电极的传感单元通过物理缝纫或者化学粘附的方法固定在衣物/纺织物基底上。
[0068]S103:重复步骤S101，步骤S102，周期化、阵列化将传感单元分布于衣物/纺织物基底上，最大化感应机械能并将其转化为电学信号。[0069]如图3，本发明实施例提供的自供电式柔性压力传感器工作原理为：[0070]外力作用下，电磁材料弯曲，由于自身电磁耦合现象产生电流，从而引起电学信号的变化用于传感。
[0071]下面结合具体实施例对本发明的应用作进一步描述。[0072]实施例一[0073]实施例1
[0074]本发明实施例提供的自供电式柔性压力传感器的制备方法，包括：[0075]步骤一，将基于柔性电磁材料的发电单元与两侧铜电极连接。[0076]步骤二，将连接电极的发电单元通过物理缝纫的方法固定在聚对苯二甲酸丁二酯衣物/纺织物基底上。[0077]步骤三，重复步骤一，二，周期化、阵列化将发电单元分布于衣物/纺织物基底上，最大化捕捉并转化人体机械能为电信号，输出电压为12伏。[0078]实施例2
[0079]本发明实施例提供的自供电式柔性压力传感器的制备方法，包括：[0080]步骤一，将基于柔性电磁材料的发电单元与两侧金电极连接。
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CN 111089664 A[0081]
说 明 书
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步骤二，将连接电极的发电单元通过化学粘附的方法固定在聚己二酸丙二醇酯衣
物/纺织物基底上。[0082]步骤三，重复步骤一，二，周期化、阵列化将发电单元分布于衣物/纺织物基底上，最大化捕捉并转化人体机械能为电信号，输出电压为17伏。[0083]实施例3
[0084]本发明实施例提供的自供电式柔性压力传感器的制备方法，包括：[0085]步骤一，将基于柔性电磁材料的发电单元与两侧银电极连接。[0086]步骤二，将连接电极的发电单元通过化学粘附的方法固定在聚乙烯基吡咯烷酮衣物/纺织物基底上。[0087]步骤三，重复步骤一，二，周期化、阵列化将发电单元分布于衣物/纺织物基底上，最大化捕捉并转化人体机械能为电信号，输出电压为10.5伏。[0088]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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说 明 书 附 图
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图1
图2
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说 明 书 附 图
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